張慧晨，劉林川，李子成

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶來人們家庭生活水平和生活質(zhì)量不斷提高，致使民用熱水量增加民用能源需求不斷增大。對(duì)于常見熱水器中的電熱水器而言，目前在我國(guó)使用比較普遍的主要有儲(chǔ)水式電熱水器和即熱式電熱水器兩類。但是由于能源的制約和現(xiàn)有各種電熱水器性能上的一些缺陷，常規(guī)電熱水器上仍有很大的提升空間。低功率節(jié)能型分級(jí)電熱水器是將儲(chǔ)水式電熱水器與即熱式電熱水器巧妙結(jié)合，利用低溫差來減少儲(chǔ)熱部分的散熱損失，提高即熱部分進(jìn)水溫度來降低電加熱功率，具有重要的研究?jī)r(jià)值與社會(huì)意義。

自2017 年以來，教育部發(fā)布一系列關(guān)于“新工科”研究與實(shí)踐的通知中明確指出新時(shí)期工科優(yōu)勢(shì)高校要對(duì)工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)揮主體作用[1-2]。其中培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力是實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵。因此，如何培養(yǎng)與加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力也已成為目前我國(guó)高等工程教育改革的重要課題。

1 分級(jí)式電熱水器的設(shè)計(jì)

圖1 所示為分級(jí)式電熱水器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。該熱水器主要由儲(chǔ)水部分和即熱部分。儲(chǔ)水部分由儲(chǔ)水內(nèi)膽、保溫層、進(jìn)水管、連接管以及加熱棒等組成。傳統(tǒng)的儲(chǔ)水式電熱水器儲(chǔ)水溫度在65℃左右，而分級(jí)電熱水器在儲(chǔ)水部分儲(chǔ)水溫度為30℃，根據(jù)傳熱學(xué)原理[3]，保溫溫度低與外界環(huán)境溫差小，熱流密度低，散熱量小，熱效率就會(huì)提高。即熱部分由即熱內(nèi)膽、保溫層、出水管等組成。通過連接管與儲(chǔ)水部分連接，將儲(chǔ)水部分的水進(jìn)行二次速熱，最終達(dá)到用戶所需要的溫度。

圖1 分級(jí)式電熱水器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 已知條件

（1）根據(jù)GB21519-2008[4]，儲(chǔ)水式電熱水器能耗等級(jí)評(píng)定時(shí)進(jìn)水溫度為15±2℃，故下述計(jì)算過程中進(jìn)水溫度取為15℃。

（2）根據(jù)GB21519-2008[4]，儲(chǔ)水式電熱水器能耗等級(jí)評(píng)定時(shí)環(huán)境溫度為20±2℃，故下述保溫性能計(jì)算過程中環(huán)境溫度按照為20℃進(jìn)行計(jì)算。

（3）根據(jù)GB21519-2008[4]，儲(chǔ)水式電熱水器能耗等級(jí)評(píng)定時(shí)儲(chǔ)水溫度為65±3℃，故下述計(jì)算過程中儲(chǔ)水溫度按照為65℃進(jìn)行計(jì)算。

（4）夏季人體最適合洗澡水溫為 39～42℃[5]，為便于計(jì)算取水溫為40℃。

（5）夏季，我國(guó)人均洗澡時(shí)間為10 分鐘[5]，平均用水量為80L，故下述計(jì)算過程中總水量按照80L 進(jìn)行計(jì)算。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1 儲(chǔ)水式電熱水器

根據(jù)已知條件，儲(chǔ)水式電熱水器進(jìn)水溫度為15℃，加熱后的儲(chǔ)水溫度為65℃，若要輸出40℃熱水80L，可根據(jù)公式（1）分別計(jì)算摻混的熱水水量以及冷水水量。

式中，ρ-水的密度，kg/m3；Cp-水的定壓比熱容，kJ/（kg·K）；t冷-進(jìn)水溫度，℃；t熱-儲(chǔ)水式電熱水器儲(chǔ)水溫度，℃；V熱-熱水水量，m3；V冷-冷水水量，m3；V總-總水量，m3。

將上述各參數(shù)帶入公式（1）可得熱水水量為40L，冷水水量為40L。又根據(jù)GB21519-2008[4]可知，由于儲(chǔ)水式電熱水器熱水輸出過程中冷熱水摻混，1 級(jí)能效的儲(chǔ)水式電熱水器的熱水輸出率≥70%，故由此可計(jì)算出選用的儲(chǔ)水式電熱水器容量為60L 方可滿足用水需求。

儲(chǔ)水式電熱水器24 小時(shí)固有能耗計(jì)算公式為：

式中，V-熱水器的實(shí)際容積，L；α-系數(shù)，α=0.015 kW·h/L；β-系數(shù)，0.8。

由式（2）計(jì)算得到固有能耗Q=1.7kW·h，則24 小時(shí)保溫的熱損能耗Qpr：

式中，δ-能耗系數(shù)，根據(jù) GB21519-2008[4]，1 級(jí)儲(chǔ)水式電熱水器的能耗系數(shù)為0.6。

儲(chǔ)水式電熱水器加熱水的加熱效率在90%以上，取90%，則加熱能耗 Q加熱：

儲(chǔ)水式電熱水器24 小時(shí)的總能耗：

儲(chǔ)水式電熱水器24 小時(shí)能效為：

2.2.2 即熱式電熱水器

設(shè)即熱式熱水器加熱到40℃的加熱效率為95%，即熱式電熱水器總能耗：

2.2.3 分級(jí)式電熱水器

分級(jí)式電熱水器看成是以上兩個(gè)熱水器融合到一起：儲(chǔ)水部分水溫加熱到30℃后經(jīng)過即熱熱水器加熱到40℃。為便于比較分析，分級(jí)式電熱水器設(shè)計(jì)時(shí)儲(chǔ)水部分結(jié)構(gòu)保持與原儲(chǔ)水式熱水器結(jié)構(gòu)相同，容量也相同。為計(jì)算分級(jí)式電熱水器儲(chǔ)水部分熱損失情況，需先計(jì)算儲(chǔ)水式電熱水器的保溫情況，具體計(jì)算過程如下：

（1）儲(chǔ)水式電熱水器的保溫層厚度計(jì)算

根據(jù)式（3）計(jì)算結(jié)果可知，儲(chǔ)水式電熱水器24 小時(shí)保溫的熱損耗為1.02kW·h，故儲(chǔ)水式電熱水器每小時(shí)的散熱損失為 Q儲(chǔ)散=1.02×1000÷24-21=21.5W·h。

根據(jù)傳熱學(xué)原理，儲(chǔ)水式電熱水器水箱散熱量Q儲(chǔ)散：

式中，F(xiàn)-內(nèi)膽表面積，m2，根據(jù) GB21519-2008[4]，60L儲(chǔ)水式電熱水器的內(nèi)表面積為1.05m2；t環(huán)-環(huán)境溫度，℃；λ-保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃），對(duì)于能效要求較高的水箱，大多采用壓力發(fā)泡的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.021W/（m·℃），d-保溫層厚度，m。

根據(jù)公式（8）計(jì)算得到保溫層平均厚度d=0.03m。

（2）計(jì)算保溫溫度為30℃時(shí)，分級(jí)式電熱水器儲(chǔ)水部分的熱損失溫差與熱流量成正比，則分級(jí)式電熱水器儲(chǔ)水水箱散熱損失約為：

除水箱散熱外的其余散熱損失為：

總損失為其余熱損失和散熱熱損失之和，即Q分總損=9.57W·h，則 24 小時(shí)用于保溫的總能耗為 Q分總損=24×9.57=0.23kW·h=827kJ。

儲(chǔ)水式電熱水器加熱水的加熱效率在90%以上，取90%，則分級(jí)式電熱水器儲(chǔ)水部分加熱能耗：

分級(jí)式電熱水器儲(chǔ)水部分24 小時(shí)的總能耗：

（3）計(jì)算即熱部分的能耗

設(shè)即熱式熱水器加熱到40℃效率為95%，分級(jí)式電熱水器即熱部分能耗：

（4）計(jì)算分級(jí)式電熱水器總能耗

儲(chǔ)水式電熱水器24 小時(shí)能效為：

2.3 小結(jié)

（1）分級(jí)式電熱水器較儲(chǔ)水式電熱水器節(jié)省的能量：

（2）分級(jí)式電熱水器較即熱式電熱水器降低的功率：

因?yàn)榉旨?jí)式電熱水器較即熱式電熱水器溫升降低（40-15）/（40-30）=2.5 倍，所需能量降低2.5 倍，即功率降低2.5 倍，一般即熱式電熱水器的功率為6000～8000W，則我們的分級(jí)式電熱水器的即熱電加熱棒功率約為2400～3200W，因此不用改裝電路，完全可供家庭正常安裝和使用。

3 分級(jí)式電熱水器優(yōu)勢(shì)分析

分級(jí)式電熱水器內(nèi)膽容積為60L，即熱部分加熱功率為2400W，儲(chǔ)水部分加熱功率為2000W，同時(shí)開啟時(shí)最高總功率4400W，同時(shí)開啟狀況下分級(jí)式電熱水器加熱功率較即熱式電熱水器加熱功率可降低33.3%。而儲(chǔ)水部分和即熱部分大部分情況分開使用，故分級(jí)式電熱水器工作功率多數(shù)情況下在2400W 以內(nèi)，而衛(wèi)生間普遍2.5 平方的線最高承受功率5500W，故不需要改裝電路。

4 分級(jí)式電熱水器的設(shè)計(jì)成效

本文以學(xué)科競(jìng)賽為導(dǎo)向，以大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃為平臺(tái)，提出的一種低功率節(jié)能型分級(jí)電熱水器方案，先是立項(xiàng)為校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃，開展為期一年的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，再是參加校級(jí)節(jié)能減排大賽并獲得一等獎(jiǎng)，最后是經(jīng)過半年的反復(fù)論證，成功申報(bào)全國(guó)節(jié)能減排大賽并榮獲3 等獎(jiǎng)。從立項(xiàng)到比賽結(jié)束，經(jīng)過為期2 年的時(shí)間，在這個(gè)過程中不僅培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，還提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

5 結(jié)束語

本文以學(xué)科競(jìng)賽為導(dǎo)向，以大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃為平臺(tái)，針對(duì)目前我國(guó)能源緊張的現(xiàn)狀，提出一種低功率節(jié)能型分級(jí)電熱水器設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案是合理利用能源及減輕污染的有效途徑，并且有效的解決了改裝電路難甚至危險(xiǎn)的現(xiàn)狀，以其低功率的優(yōu)勢(shì)相比高功率的即熱式電熱水器更容易被大眾接受。以學(xué)科競(jìng)賽為導(dǎo)向的創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃的開展，促進(jìn)學(xué)生在長(zhǎng)達(dá)兩年的項(xiàng)目開展過程中保持較高的積極性，既促進(jìn)學(xué)生成長(zhǎng)又對(duì)家用熱水器發(fā)展提出一種可行設(shè)計(jì)方案，以專業(yè)促行業(yè)，具有一定的社會(huì)研究?jī)r(jià)值。