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        嚴(yán)寒地區(qū)冬季蓄熱式電熱水器應(yīng)用分析

        2012-07-09 10:32:40王鍇劉曄
        吉林建筑大學(xué)學(xué)報 2012年2期

        王鍇劉曄

        (吉林建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130118)

        0 引言

        電熱水器是與燃?xì)鉄崴?、太陽能熱水器相并列的三大熱水器之一?].傳統(tǒng)電熱水器分為容積式和即熱式兩種.容積式須先在固定容器中蓄水,然后再對水進(jìn)行加熱.即熱式是利用大功率電熱設(shè)備,在短時間內(nèi)將進(jìn)水加熱到所需的出水溫度.蓄熱式電熱水器是近年出現(xiàn)的一種電熱水器,它兼?zhèn)淙莘e式與即熱式的特點(diǎn)同時又有所改進(jìn).本文將通過與兩種傳統(tǒng)電熱水器的對比來分析蓄熱式電熱水器在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用前景.

        1 容積式電熱水器的工作性能

        容積式電熱水器在使用前需一定時間對蓄水容器中的進(jìn)水進(jìn)行加熱,加熱裝置所用功率參照文獻(xiàn)[2]可按下式計算:

        式中,v為熱水器容積,L;tr為出水溫度,℃;tl為進(jìn)水溫度,℃;C為水的比熱,取4.187 kJ/(kg·℃);ρr為熱水密度,kg/L;η為加熱器效率,取0.95~0.98;T為加熱時間,h.

        一般家用容積式熱水器蓄水容量為40 L~100 L,在此,以50 L為例進(jìn)行計算.在我國嚴(yán)寒地區(qū),冬季自來水溫度一般為2℃ ~6℃,按給排水工程設(shè)計規(guī)范,進(jìn)水溫度tl設(shè)為4℃、出水溫度tr設(shè)為42℃.由此可知,在嚴(yán)寒地區(qū)冬季工況下,容積式電熱水器總加熱量為7 955 kJ,在此條件下由公式(1)得其加熱功率與加熱時間的關(guān)系如圖1所示.

        由圖1可以看出,在總加熱量一定時容積式加熱時間與加熱功率成反比,即加熱功率越大,加熱時間越短.當(dāng)功率在1.0 kW~5.0 kW范圍內(nèi)取值時,加熱時間148 min~30 min,通過增大加熱功率可大幅縮短加熱時間.

        在增大加熱功率的同時,還應(yīng)考慮到一般家庭供電線路所能承受的供電負(fù)荷.表1中給出了住宅用電負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)[3],由此可取50 L容積式電熱水器加熱功率為3.5 kW,此時所需加熱時間為 42.4 min.

        圖1 容積式電熱水器加熱時間與功率關(guān)系

        表1 《小康住宅設(shè)計導(dǎo)則》中推薦的每套住宅用負(fù)荷及電能表規(guī)格

        容積式熱水器在使用時可分為斷電使用和通電使用.?dāng)嚯娛褂眉丛诔鏊褂脮r水箱內(nèi)不再繼續(xù)注水加熱,所用熱水僅為50 L.若取小時額定用水量為160 L/h,則熱水器出水流量應(yīng)為2.67 L/min,容量為50 L的熱水器持續(xù)用水時間為18.7 min.

        斷電使用的工況下熱水使用時間短,而且由于水箱內(nèi)水位不斷下降,水壓越來越小,最終將導(dǎo)致出水流量越來越?。虼巳莘e式電熱水器一般為通電使用,即在出水使用過程中水箱內(nèi)繼續(xù)注水加熱,在保證出水溫度的同時,可以延長一定的持續(xù)使用時間.參照文獻(xiàn)[2],持續(xù)使用時間可按下式計算:

        式中,q為熱水流量,L/s;T'為熱水用水時間,h.其余同(1)式.

        按(2)式計算可得,在通電使用的情況下,50 L容積式熱水器持續(xù)使用時間為34 min.

        2 即熱式電熱水器的工作特點(diǎn)

        即熱式電熱水器沒有蓄水容器,水在流過熱水器的幾秒鐘內(nèi)被大功率加熱設(shè)備加熱至出水溫度,參照文獻(xiàn)[2]加熱功率可按下式計算:

        式中符號含義與前兩式相同,經(jīng)計算在嚴(yán)寒地區(qū)冬季工況下,即熱式電熱水器出水流量及進(jìn)出水溫差與加熱功率的關(guān)系如圖2所示.

        圖2 即熱式電熱水器出水流量及進(jìn)出水溫差與功率關(guān)系

        由圖2中A可知,在進(jìn)出水溫差一定的情況下,即熱式電熱水器出水流量與功率成正比,功率越大,流量越大.當(dāng)熱水器功率在1.0 kW~6.0 kW以內(nèi)時,最大出水流量為121 L/h,低于規(guī)范要求的小時額定用水量140 L/h~200 L/h[2].當(dāng)熱水器功率在7 kW~11 kW之間時,出水流量為141 L/h~222 L/h,可以達(dá)到小時額定用水量的要求,但對于家庭供電線路,這一功率過大,會嚴(yán)重影響其它電器運(yùn)行.

        由圖2中B可知,在出水流量一定的情況下,熱水器的進(jìn)出水溫差△t與加熱功率成正比.冬季嚴(yán)寒地區(qū)進(jìn)出水溫差為38℃(進(jìn)水4℃,出水42℃),此時要求加熱功率應(yīng)達(dá)到7.8 kW以上,為避免由于功率過大對其它電器造成的損壞,必須為熱水器單獨(dú)鋪設(shè)一條供電線路.

        在使用即熱式熱水器時應(yīng)注意,出水溫度受出水流量和加熱功率兩個因素的影響.當(dāng)出水流量發(fā)生變化時,即使加熱功率不變,出水溫度也會發(fā)生波動,一般表現(xiàn)為流量大則出水溫度低,流量小則出水溫度高.由于即熱式熱水器不使用蓄水容器而是直接與供水管網(wǎng)連接,當(dāng)管網(wǎng)中水壓不穩(wěn)發(fā)生波動時,熱水器出水流量必然隨之發(fā)生變化,引起出水溫度波動.

        3 蓄熱式電熱水器工作特點(diǎn)

        針對容積式和即熱式電熱水器的即有問題,在原有兩種電熱水器的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了一種新型電熱水器—蓄熱式電熱水器.蓄熱式電熱水器同時具備一個蓄水水箱和兩組發(fā)熱裝置.兩組發(fā)熱裝置分別用于對水的預(yù)熱及瞬時加熱,通過對它們的配合使用,既可縮短加熱時間,又可以降低加熱功率.下面仍以50 L蓄水容量為例來說明蓄熱式的工作特點(diǎn).

        首先設(shè)定預(yù)熱時間為15 min,這既可以保證有時間對水進(jìn)行預(yù)熱,又不會使等待時間過長;其次設(shè)定瞬時加熱功率Ps為4 kW;出水溫度依然要求為42℃.

        由已知條件及公式(3)可以計算得到水在流經(jīng)瞬時加熱裝置時的溫升為19℃,即預(yù)熱后的水溫為23℃.按照設(shè)定的預(yù)熱時間及預(yù)熱后的水溫,根據(jù)公式(1)計算即可求得預(yù)熱裝置所需功率Py為5 kW.

        為了保證出水溫度恒定,熱水器在使用時應(yīng)處在通電使用工況,即兩組發(fā)熱裝置同時使用,此時熱水器總功率為9 kW,這顯然超出了供電線路允許的范圍.因此,在熱水器使用過程中,可將預(yù)熱功率降至py'僅作保溫使用,在持續(xù)使用過程中能夠保持溫度恒定即可.

        根據(jù)公式(3)計算可知,在出水使用過程中,保持保溫功率py'為2 kW時,熱水器持續(xù)使用時間就可達(dá)到38 min,而此時的熱水器總功率也僅為6 kW,既可以滿足使用要求又不會因功率過大對其它電器造成影響.

        4 3種電熱水器的性能比較

        (1)節(jié)能性. 即熱式即用即熱,沒有熱量耗散最為節(jié)能;容積式和蓄熱式需要對水箱內(nèi)的水先進(jìn)行預(yù)熱,在預(yù)熱及使用過程中會有熱量散失,而其中尤以容積式散失熱量最多;

        (2)預(yù)熱時間. 即熱式即用即熱,不需預(yù)熱時間;容積式由于加熱功率小,所需預(yù)熱時間較長;蓄熱式預(yù)熱時間比容積式可縮短將近半小時,夏季進(jìn)水溫度較高時,蓄熱式也能即開即熱使用,無需等待;

        (3)持續(xù)使用時間. 即熱式可以長時間提供熱水滿足人們的使用需求;蓄熱式在通電使用時可以持續(xù)供水38.6 min;容積式在通電使用時可以持續(xù)供水34.2 min;

        (4)供電負(fù)荷要求. 容積式和蓄熱式功率較小,可以直接使用原有的供電線路;即熱式功率較大,一般家用即熱式電熱水器功率為7.5 kW~9.5 kW,超出了家庭供電線路的允許功率范圍,為了保證用電安全必須為其設(shè)置獨(dú)立的供電線路.

        5 結(jié)論

        通過以上對比不難看出,蓄熱式電熱水器結(jié)合了兩種傳統(tǒng)電熱水器各自的特點(diǎn),同時又針對它們原有的缺陷進(jìn)行了改進(jìn).與容積式相比,蓄熱式預(yù)熱時間短,夏季水溫較高時可以即開即熱;與即熱式相比,蓄熱式功率低,無需單獨(dú)配設(shè)供電線路.同時,蓄熱式也可避免因供水管網(wǎng)水壓變化引起的出水溫度波動.綜上所述,蓄熱式電熱水器是一種適合于嚴(yán)寒地區(qū)冬季使用的新型電熱水器.

        [1] 孫金棟,童葆華.家庭熱水器的性能比較與分析[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報,2004,20(4):45-49.

        [2] 王增長.建筑給水排水工程(第五版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005:241-252.

        [3] 戴瑜興,黃鐵兵,梁志超.民用建筑電氣設(shè)計手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007:1091-1092.

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