真空保温技术在电热水器上的应用研究

梁添杰 杨世恩

（华帝股份有限公司 中山 528415）

引言

根据中国政府于2020年9月22日在联合国大会上作出的承诺，中国将争取在2030年前实现碳达峰，这也意味着中国将在2030年前全面控制温室气体的排放总量，为实现全球气候目标做出贡献。为实现碳达峰目标，中国政府主要提出了两项措施和政策，首先是推动清洁能源的发展和利用，减少对传统化石能源的依赖；其次是加强工业领域的节能减排工作，推动高效节能技术的应用。真空保温技术就是高效节能技术的代表，而真空绝热板作为真空保温技术的重要实现载体，是一种隔热保温效果非常优异的材料。真空绝热板采用真空绝热原理，其导热系数可低至0.002 0 W/（m·K）以下，为常规保温材料的1/10[1]，具有节能和环保的双重优点。因此，研究如何利用真空绝热板保温技术，并进一步开拓真空绝热板的应用范围，对经济快速发展、环境问题日益严峻的中国而言，具有重大现实意义。

1 真空保温技术的原理及应用现状

真空绝热板是真空保温技术在产业上的一种重要应用，真空绝热板由芯材、表面隔膜结构材料和吸气剂（或干燥剂）构成[2]，其结构组成如图1所示。芯材主要用于防止热辐射和减少热传导的发生，此外还具有一定的结构支撑作用。考虑到玻璃纤维棉的低导热性能，故目前行业内多采用玻璃纤维作为芯材材料。而表面隔膜结构材料主要起包裹隔绝和防止渗透两大作用，即将芯材包裹起来防止氮气、氧气、二氧化碳以及水气等物质透过隔膜渗入真空绝热板内部破坏真空度从而降低其绝热性能。吸气剂或干燥剂则是用于吸附从外界渗透到板内或板内材料所释出的气体，以维持真空绝热板的真空度，从而实现延长真空绝热板寿命的目的。

图1 真空绝热板结构示意图

热量传递主要有对流传热、接触传热和辐射传热这三种途径，而真空绝热板就是通过提高内部真空度和降低芯材材料的导热系数来隔绝热传递的。一方面利用真空绝热原理，随着气体压强的降低，气体密度也会降低，气体分子平均自由程将增大，气体分子间和气体分子与隔膜壁的碰撞频率和强度相对减弱，从而使得真空绝热板的导热系数变得很小，可有效消除对流传热效应；另一方面，通过优化选择芯材和表面隔膜，将热量传递控制在合理水平，可有效减少辐射传热。真空绝热板总的导热系数（忽略边缘影响因素）可用公式（1）表示[3]：

式中：

λeff—真空绝热板总的导热系数；

λg—板内气体的导热系数；

λs—固体芯材的导热系数；

λr—辐射导热系数；

λc—等效对流换热系数。

真空绝热板保温技术运用就是通过多种方式确保真空绝热板内的气体导热系数、固体芯材导热系数和等效对流换热系数最小，从而实现隔热或绝热的目的。

随着技术的发展，目前真空绝热板已实现多领域和跨行业应用，如冰箱冷柜、冷链物流、建筑墙体保温、热水器等等。

由于真空绝热板拥有低导热系数和厚度薄、体积小、重量轻等优点，因此储水式电热水器采用真空绝热板作为保温材料时，在保证能效等级达标的情况下，可以使得电热水器外形尺寸更小，外形更加美观。考虑到成本因素，目前真空绝热板多用于中高端的储水式电热水器产品。

2 电热水器真空保温技术方案的确定

为充分验证真空绝热板的低导热性能，特选取保温材料为聚氨酯的二级能效双内胆产品作为真空保温技术方案设计的电热水器产品平台，该平台产品外形如图2所示，图中产品采用的是普通双内胆结构，外壳与内胆圆弧之间的保温层厚度为35 mm。

图2 用于真空保温技术方案设计的产品平台

利用该产品平台设计的真空保温技术方案，就是在保持外形尺寸不变的情况下，把真空绝热板直接包裹在内胆表面，在设计方案中，真空绝热板紧贴内胆，然后再对电热水器进行整体发泡，真空绝热板与外壳之间由聚氨酯填充，聚氨酯可起到固定真空绝热板和加强保温的作用，真空绝热板包裹内胆方案如图3所示。考虑到内胆背面两个支撑架的影响，为了降低生产工艺难度以及真空绝热板的制造成本，该真空保温技术方案采用了大小两块真空绝热板的结构方案，较小的真空绝热板布置于内胆背面两个支撑架之间，较大的真空绝热板布置于内胆的正面和顶面位置。由于内胆中热水分层原理的影响，内胆底部水温普遍较低，边际保温效果不高，出于成本最优因素的考虑，因此内胆底部无需布置真空绝热板。

图3 真空绝热板包裹内胆方案

另外，为分析电热水器挂架结构对能效影响的大小，因此该真空保温技术方案特选取了两种不同的挂架结构进行对比分析，一种为外置式挂架结构，外壳上能明显看到两个金属支架，具体如图4所示；另一种为隐藏式挂架结构，外壳上仅有两个挂孔，无外露支架结构，具体如图5所示。

图4 外置式挂架结构

图5 隐藏式挂架结构

3 测试验证及结果分析

3.1 红外测温及测温结果

将采用外置式挂架普通保温、采用隐藏式挂架普通保温和采用真空保温的三台不同的电热水器分别挂在整机测试平台上，通电进行加热，直至水温上升到75 ℃停止加热，然后使用热像仪分别对三台电热水器的顶面、正面、左端面和右端面进行红外测温，其红外测温图见表1所示，环境测试温度为20 ℃。

根据表1 中电热水器各表面的红外测温图，可以得出不同测试样机在同一个表面上的最高温度值情况，电热水器表面测温最高温度值对比结果见表2所示。

表2 电热水器表面测温最高温度值对比结果

3.2 能效检测及检测结果

将采用外置式挂架普通保温、采用隐藏式挂架普通保温、采用外置式挂架真空保温和采用隐藏式挂架真空保温的四台不同的电热水器分别挂在能效实验室的检测平台上，按照国家能效检测标准要求进行整机能效测试，检测完成后四台电热水器的24 h 固有能耗系数[5]如表3所示。

表3 电热水器24 h 固有能耗系数对比结果

3.3 结果分析

从表2 可见，采用真空保温技术的电热水器，当完成加热后其表面的最高温度值明显低于采用非真空保温技术的电热水器，由此可见，保温层中采用真空绝热板能够明显提升隔热性能，实现更好的保温效果。另外，从表3 可见，采用外置式挂架普通保温的电热水器24 h固有能耗系数测试值为0.69，保温性能最差，当把外置式挂架改为隐藏式挂架后，24 h 固有能耗系数测试值降低为0.63，由此可见隐藏式挂架相比外置式挂架可以减少电热水器保温过程中的热量散失，从而提升保温效果。而在外置式挂架电热水器保温层中加入真空绝热板后，由于隔热性能得到提升，24 h 固有能耗系数测试值也可降低为0.62，但参考国标能效等级划分要求，此电热水器的能效等级只能划分为2 级[4]，性价比不高。而同时采用隐藏式挂架和真空绝热板保温的电热水器，24 h 固有能耗系数测试值低至0.56，能效等级可达到1级。

由此可见，保温材料为聚氨酯的二级能效双内胆电热水器产品平台，在改用隐藏式挂架同时采用真空保温技术，可将能效等级提升为1 级，而且能效设计余量充足。

4 结语

通过对外置式挂架、隐藏式挂架、普通保温或真空保温等多种不同电热水器保温组合技术方案下整机表面红外测温以及能效检测对比试验验证，可以很好的模拟出真空绝热板隔热性能的优势，充分体现出真空绝热板保温技术方案的保温有效性和可操作性。另外，通过24 h 固有能耗系数的能效检测对比试验结果能够得出隐藏式挂架结构的保温效果明显优于外置式挂架结构方案，综合考虑能效、外观以及成本等性价比因素，真空绝热板和隐藏式挂架结构的组合应用方式为最佳保温技术方案，在电热水器行业内具有显著的市场推广价值。