能效水平提升 电热水器竞争力强劲
以往,对储水式电热水器产品而言,洗浴的“舒适”与“节能”似乎是两个矛盾的概念,当追求节能的时候,洗浴感受的舒适度就会降低,追求舒适性的时候,节能指标就会受损。
2008年,电热水器能效标准推出,主要评判能效指标是24小时固有能耗系数和热水输出率。节能评价值应该是一个比较高的指标,并不是所有的产品都能够达到节能评价值要求。24小时固有能耗系数(ε)指标1级为≤0.6,2级定为≤0.7,热水输出率(μ)1级定为≥70%,2级定为≥60%。在当时的市场背景下,能够达到1级能效指标的产品占5%,达到2级的占20%,也就是说应该只有小部分产品达到1级能效水平。
在电热水器能效标准实施之后,消费者开始非常关注产品的节能指标,电热水器的技术升级也围绕节能工作全面展开,寻求“舒适”与“节能”的最佳平衡。
电热水器能效水平的提升,主要从两方面改进。一是24小时固有能耗,二是热水输出率。在电热水器能效标准实施前,电热水器企业就已经非常重视产品的节能,但多是从对保温层的材料及工艺革新上加以改善,以减少保温时间的热损耗,同时通过一些智能控制技术的应用来达到节能效果,当时产品的24小时固有能耗水平就已经处于较高水平,可是提升的空间并不大,除非有更新型的保温材料的出现,或产品发生结构性的变化。
但对于热水输出率指标,2008年之前大部分厂家并没有在意这一点,真正做得比较好的产品很少,也就有着极大的提升空间。因此,自2008年以来,传统储水式电热水器节能水平的提升,主要体现在提升热水输出率方面的技术改进。
电热水器的加热系统位于内胆中,电热管上部以热对流换热方式为主,下部以热传导换热方式为主,所以热水器内部不同温度的水是分层的。在洗浴过程中,进水口进入的冷水进入热水器内胆后由于速度和方向的不同,对静止状态下分层的热水会造成影响。如果热水器的结构设计不好,冷水会直接往热水里面冲,冷热水混合严重,很容易形成窝流,热水很快就被冷水冲散,热量被浪费。如果进水口进入的冷水对胆内的热水不产生扰流现象,则热水器内胆中的热水损失少,也能充份流出,热水输出率自然就高。
所以,提升热水器输出率,主要是利用结构或是增加缓流装置,让内胆中的水充份加热,并与冷热水形成一个很明显的区分,尽量减少混水的产生。
改善水路设计
海尔采用了强制返水板结构,对热水器的内胆和加热系统进行匹配改善,在热水器中增加强制挡水板,将冷水和热水器强制分离。同时通过改善水路系统,将热水器进水水路的出水口的面积加大,因为流量一定,出水面积和流动速度成反比,这样流动 速度会变慢。使热水器底部强制挡水板下方的流动速度逐步减缓,对热水的冲击越来越小,冷水和热水的混水很轻,将热水器的热水输出率稳定提高到93%以上。
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格美淇的解决方案也是在内胆中设置进水导流罩板,对进入内胆的冷水流向进行有效引导,大大减少下层冷水对上层热水的冲击和无效混合。阿诗丹顿对进水水路的改善,采用双层套管低水位进入,防止冷水直接冲入,使加热更均匀有效,类似防电墙结构,起到减压缓流的作用,避免冷水直接在压力作用下斜向上冲入高温区。西门子的倍热导流翼也是同样的目的,都是通过在水路设计上的改进,让内胆中的冷热水形成分层,减少混水提高热水产出率。
改善进水管的结构
由于以前大部分电热水器都是采用直插式进水管,冷水集中在热水器内胆底部,不仅进水管冷水排出的有效面积范围很小,而且内胆底层存在一个冷水不能进行水体更替的区域,冷水进入内胆时压力、流速较大,导致冷水进入热水器内胆后扰动上层热水,造成冷热水混合的问题。奥荻莎采用了OTT沸水宝进水系统代替传统的直插式进水管,工作时,冷水通过横向管道上的出水孔紧挨热水器内胆底部流入内胆,进水压力减小,大大降低了冷水对上层热水的扰动影响,内胆中的热水层能逐步往上移,大幅提高了热水器的热水输出率。这种进水系统具有结构简单、材料节省、制造方便、成本低廉的特点。在第一代沸水宝系统的基础之上,又进行了改进,形成第Ⅱ代沸水宝进水系统结构比其它形状的进水管结构性能要好,热水输出率提升力至90%以上。
格美淇也通过改善进水孔结构,采用均匀错开多孔M式结构,保证单孔截面积小于进水管截面积且总截面积远大于进水管截面积,并且使进水位置尽量靠近内胆底部,降低进水位置、控制进水流速,引导进水流呈下平面分布进水。同时加热管下潜,在保证安全可靠的基础上尽量把热负荷靠近底部。
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法罗力则是采用了带过滤网的热水器进水管,包括管体,通过使用不锈钢材料制作进水管管体,摒弃了传统技术中的塑料管体,避免出现因管体采用塑料发生熔融后堵塞进水管而产生的危险,管体上在出水孔位置套置有过滤网,根据水的惯性,利用过滤网对水进行分压整流,使热水器进水均匀缓慢,使得密度较大的新进冷水能够在内胆底部聚集,减少冷热水的混合,显著提高了热水器的热水输出率,其根据不同热水器热水输出率提高10%~20%,降低了热水器的能耗和用户使用成本,使用更小升数的热水器,既能满足使用需求,又节省了空间。
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改进加热结构
在改善冷热水分层,减少混水的同时,为进一步提升产品的能效,加热结构的改进也成为提升能效的主要方式。例如,阿诗丹顿采用加长设计的下潜式加热管,尽量减少加热的盲区,使内胆里面的水加热比较均匀,温度比较平均、减少热量的损失。奥荻莎应用了胆中胆热能反应舱速热技术,在加热管外围增设出水管套筒并加设热水出水管导管,融合了储热式和即热式电热水器的优点,一个胆中胆热能反应舱就能实现预加热及快速二次加热的要求。用户在使用时,胆中胆热能反应舱迅速对胆内温水进行快速二次加热,使出水管流出的热水即时速热,达到速热及提高热水器热水输出率的双重目的。采用胆中胆热能反应舱及第Ⅱ代OTT沸水宝进水系统的热水器,速热输出效率可达到95.5%。
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A.O.史密斯的带“快进键”的电热水器所采用的“速热变容”和“MAX增容”系统,也是将加热系统分别放置在内胆上部、中部和底部,符合水温分层规律,同时使电热水器在几种功率之间自如切换,实现快速、中速、普通各种加热状态。海尔的3D动态加热技术也是在内胆中设置两套独立的加热系统,一根是传统的加热管预热,一根是在出水管处设置了一套3D加热,在消费者使用热水器时,3D自动加热启动,出多少热水加热多少,均大大提升了热效率。
对加热系统的改进也可以说是一种整合,它是在传统储水式电热水器的基础上,巧妙结合了即热技术,形成现在速热式电热水器或者是很多即热式电热水器品牌主推的双模电热水器。除此以外,A.O.史密斯推出的超节能电热水器,还将空气能加热引入电热水器中,通过电力驱动热泵加热模块将热量从空气中搬运到水中,获得同样温度热水,更节省电能,与新能源结合也成为电热水器提高能效的又一种解决方式。
随着技术的成熟和发展,储水式电热水器的能效得以大大提升,目前主流品牌绝大部分产品都能够达到80%,超过1级能效水平。为进一步提升电热水器产品的能效水平,一些先进的研究方法也被引入。例如,A.O.史密斯的技术工程师认为,进水管的结构是影响热水产率的重要因素之一,但由于目前电热水器的热水产率已经达到了较高水平,通过以往的经验设计方法进一步提高热水产率变得非常困难。因此,采用数值仿真的方法,对进水管不同出水口面积,进水速度,出水口速度情况下的热水产率进行模拟,分析各主要结构参数对热水产率的影响规律,为以后新进水管的开发和改进提供了一定的理论依据。奥荻莎的技术人员也是运用CAE手段对现有产品的性能进行仿真验证,通过对仿真结果的分析结合样机测试经验,进行模型设计、网格划分、瞬态时间步设计、仿真数据处理等改进产品。
可以说,在中国的热水器市场中,在满足消费需求方面,电热水器一直在行业的前列,而且从目前国内的经济条件以及各类设施配套的情况来看,燃气热水器受管网发展的限制,太阳能受安装位置、自然条件的限制,空气能热水器前期投资成本高等。相比而言,储水式电热水器,无论是产品的成熟度、使用的舒适度、使用的便利性,以及商品的价格等方面,都具有很强的竞争力,而能效水平的进一步提升,将会使电热水器在新产品不断出现,节能呼声不断高涨的背景下,依然保持着强劲的市场竞争力。
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