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摘要：电热水器作为人们居家生活中广泛使用的家用电器，其结构合理性直接影响产品性能，并最终影响用户的日常使用体验。对此，本文着重对电热水器结构展开分析，介绍电热水器各主要部件结构功能。并进一步探讨电热水器能效测试方法，提出能效改善的新思路，为电热水器性能提升提供参考意义。希望有助于未来电热水器结构与能效提升方面的深入研究，提高产品性能，为人们的生活提供更好的服务。
关键词：电热水器；结构；能效
电热水器顾名思义就是把电能转化为水的热能的设备。对比其他能源的热水器产品，电热水器价格相对低廉，安装受环境因素影响较小，使用过程不产生有毒有害气体。随着电热水器产品漏电保护、防电墙等防漏电技术的不断改善，现在电热水器产品也比较安全。但受到电热转换效率的制约，现在市场上的电热水器产品功率大多都在1500W以上，电热水器耗电量比较大，减低能耗及提高有用热水输出成为电热水器产品的主要改善方向。
目前国内电热水器的能效认证主要评价产品的24小时固有能耗系数和热水输出率。产品能效提升的主要途径是优化产品结构。通过优化保温层结构减少产品散热以降低能耗，通过改善内胆结、电热管、进出水管等零部件结构提高热水输出率。对此，本文探讨电热水器结构及能效改善，为热水器的性能提升提供改善思路。
按照产品安装方式分类，国内市场储水式电热水器多为卧式安装结构，按照内胆数量又分为单胆与双胆，本文以常见的卧式双胆产品结构进行介绍。
1.电热水器结构
常见储水式电热水器主要包括外壳、内胆、电热管、保温层、进出水管等结构。
①储水式电热水器外壳筒身一般为冷轧板卷制。采用厚度约0.5mm的SPCC板材，在板上预先冲压挂板座孔及电源线孔等。为了装配左、右端盖，外壳筒身两侧按照端盖扣边类型进行滚边。卷制成型后进行外观喷涂，如产品有特殊要求，筒身上可增加丝印图案。
②外壳端盖分外扣端盖和内扣端盖，外扣端盖多使用钢板冲压，内扣端盖多使用塑料端盖。钣金端盖由冷轧板冲压完成，与外壳筒身扣接处作滚边处理。塑料端盖一般采用PP料注塑成型，扣位固定外壳，将变形的外壳固定成圆形，保障保温层厚度要求。塑料端盖边上有缺口，在安装过程中有效让位，端盖能顺利安装在喷涂外壳。端盖外径比喷涂外壳内径略大，避免发泡料从外壳连接位置渗出。维修侧端盖结构上多出一个通孔，用于维修更换电器件。为方便安装电器件，开口直径需大于内胆法兰外径。
③单个内胆主要由上下端盖和内胆中筒焊接制成。内胆板材厚度一般为1.8~2.5mm，保证内胆在压力变化脉冲测试后无开裂漏水发生。双胆产品上下胆由两个通孔水管连接，作为水流通路。内胆一边端盖中心冲压圆孔，将法兰铆接固定在上面，铆压成型后作为内胆口，用于发热管安装。目前多数厂家内胆采用搪瓷工艺，经过打砂、搪涂、烧成等主要工序，在内胆内壁形成一层搪瓷层，避免金属内胆与水接触造成腐蚀。
④发热管有不锈钢发热管、铜发热管、搪瓷发热管、搪瓷套管干烧发热管等不同类型，常见的不锈钢发热管有310S、英格莱800、英格莱840等材质。电热管主要由内部的镍铬丝进行发热，发热丝周围填充氧化镁粉绝缘，靠近电热管法兰处有引棒连接发热丝与接线端子，该段不进行加热，避免电热管口收到冷热冲击受潮。引棒与法兰间有陶瓷粒增加爬电距离，陶瓷粒上涂红胶封口。
⑤保温层是电热水器的保温性能的关键，处于内胆及外壳间，包括发泡料及胆口挡泡泡沫等结构，防止内胆热量流失，具有保温作用。目前主要采用黑料、白料混合反应发泡的工艺，发泡层的密度、厚度对保温效果影响较大。今年来按照国家环保要求，传统141B发泡料正在被逐步替代。
⑥进出水管。进水管通常采用PP、PE等材质，安装在电热水器内胆下方进水管管头中，底部密封，侧边开小槽。水流经进水管受到末端封口的阻挡缓冲，从水管周向的小孔缓慢流出，防止进水水流过大冲击内胆与热水混合。出水管采用不锈钢管切割成，出水管长度影响内胆容量，同时应避免水管过长安装过程破环内胆搪瓷。
⑦挂板座由2mm厚度冷板冲压成形，通过螺栓与内胆挂板座连接，将电热水器固定在墙上。挂板座承受了注满水电热水器的重量，通过弯曲位置增加加强筋，可以提高挂板座的强度。挂板座直接连接内胆，也是电热水器主要的散热部件，需注意挂板座位置的隔热措施。
电热水器基本结构如以上所述，其他部件不再一一列举，具体见图1。
2.电热水器的能效测试方法
2.1 固有能耗的测试
首先，按照标准要求调节好测试工况，布置热电偶。注入温度为15℃的水，内胆充满水后以额定功率进行加热。加热至各温度点平均温度约为65±3℃时将温控器回调至热水器刚好断开，后续电热水器在重复接通、断开的周期下，产品平均温度稳定约24小时，则可以开始计时测试。如无法达到该平均温度，需要重新注入冷水，并调节温控器使其满足断开温度要求。
在电热水器满足以上平均温度要求后，在不放水的情况下热水器自行通断电运行48小时以上，48小时后第一次断开电源为止，记录测试过程电热水器的耗电量，计算出产品24小时固有能耗，并进行环境温度修正。
由上电热水器固有能耗的测试方法可以看到，电热水器固有能耗是评价热水器在不放水的情况下维持一个热水温度需要消耗的电能。测试前后热水器中水的能量、产品零部件蓄热保持不变，目前电热管的电能与热能转化率都在90%以上，即消耗的电能主要用在热水器的散热上。从上面介绍的电热水器结构可知，产品的发泡层对产品散热影响最大，在保证足够的发泡密度的同时，由于内胆中热水主要集中在热水器上部，我们可以将热水器的内胆做出偏心结构，在外壳内适当下移，增加内胆上部的发泡层厚度。内胆发热管法兰口也是主要的散热区域，目前最行之有效的改善措施是在法兰口增加保温棉，减少散热。此外，挂板座直接与内胆连接，也会造成热量散失，可以在内胆挂板座处增加塑料垫隔开内胆挂板座与筒身，减少内胆热量直接传至外壳。
图1 电热水器结构图
2.2 热水输出率测试
热水器注入一半容量或一半以上容量的冷水重新启动工作，加热直至温控器断开，内胆各温度点平均温度满足65±3℃，开始按照标准流量放水。每5秒记录各温度点温度，直到出水温度比最好出水温度低20℃停止放水，称取放水的总质量，计算出放水体积，比上内胆容积的比值乘以温度修正，得出热水输出率的数值。
由上热水输出率的测试方法可见，热水输出率一方面要保证内胆热水温度分层较小，一方面是减少注入冷水与内胆热水过多混合导致温度降低。按照前面的结构介绍，图1热水器的储热电热管尽量靠近热水器的底部安装，保证加热后整个内胆充满热水且温度分布较均匀。
减少冷水与内胆热水混合的思路是让进水得到缓冲，以较缓慢近乎层流的流速进入内胆底部将热水缓慢抬升，减少对流换热。改善的措施较多，如优化进水管结构，像上面结构介绍的进水管底部封口形成缓冲，进水从进水管侧面小孔平缓流出，小孔孔径、排布可以根据内胆结构进行优化；也可以在进水管上部增加挡水板，水流受到阻挡也是缓慢从底部向四周流出；进水管也可以做成多重套管结构，也是起到多层缓冲的效果。以上进水管方案都必须做到流出的面积总和大于进水管截面积的2倍以上，类似扩压管的效果，水流压力增大，流速减低。
今年来电热水器增容的概念广为人知，其原理是在热水器出水口增加一个大功率发热杯再进行加热，以提高热水输出量。图1所示的热水器结构也是基于这个思路。出水管在出水过程中，需途经冷水区，冷水对出水管热水具有降温作用，所以增加了速热电热管对出水管进行加热，提高热水温度，增加热水输出率。
结束语
电热水器是居家常用电器，对人们生活具有重要影响。电热水器的结构及能效直接影响人们的使用体验，因此，保障结构的合理性及更高的能效将会是今后很长时间电热水器的发展方向。本文主要探讨电热水器结构，并研究电热水器能效检测方法，分享电热水器能效提升的方法。在未来研究过程中，还需将研究重点放在结构设计上，结构设计的合理性为热水器能效提升提供坚实的基础。
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论文作者:汤统博
论文发表刊物:《防护工程》2019年12期
论文发表时间:2019/9/4
标签：内胆论文; 电热水器论文; 结构论文; 热水器论文; 热水论文; 外壳论文; 能效论文; 《防护工程》2019年12期论文;