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安全和節(jié)能是電熱水器產(chǎn)品最基本的兩大功能，隨著國家和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的頒布實施，行業(yè)內(nèi)各大廠商對安全和節(jié)能日益重視，現(xiàn)階段的電熱水器產(chǎn)品已能夠較好地滿足用戶這方面的需求。同時，隨著消費升級，熱水器市場的消費方向也由普及型消費逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榻】凳孢m型消費，熱水器行業(yè)升級的主要方向轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄?、健康[1,2]。

長期以來，水垢一直是影響儲水式電熱水器使用壽命的重要因素之一，結(jié)垢會大大縮短電加熱管的使用壽命，同時也影響了人們的洗浴體驗和用水健康。由于電熱水器使用的生活用水普遍取自于地下水或是湖水、河水等露天自然水，其中溶解有大量的鈣離子、鎂離子、氯離子等無機鹽離子。在儲水式電熱水器工作的過程中，這些無機鹽離子尤其是鈣離子，經(jīng)過加熱后溶解度會大大降低，最終會在電熱水器的內(nèi)膽內(nèi)壁和電加熱管表面形成大量無法溶解的水垢。若水垢積累過多，除了影響內(nèi)膽的水質(zhì)外，還會導(dǎo)致電加熱管局部過熱，造成爆管、漏電等隱患，威脅到用戶的使用安全。

1、常見的養(yǎng)護方法

為了避免上述情況，為用戶提供更好的洗浴體驗，電熱水器需要按時進行保養(yǎng)，常用的方法有以下兩種：

（1）定期清洗內(nèi)膽

通過設(shè)計內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)，定期人為操作或是自動操作來對電熱水器的內(nèi)膽進行沖洗，原理是通過水流對內(nèi)膽內(nèi)壁附著的水垢進行沖擊，使其脫落并排放出內(nèi)膽。這種方案依賴人為或機器對水質(zhì)和結(jié)垢程度的跟蹤判斷，并根據(jù)結(jié)垢程度及時清洗內(nèi)膽和電熱管方可奏效。

（2）水軟化預(yù)處理

通過外接或內(nèi)置軟水裝置，對進入電熱水器內(nèi)膽的水進行軟化處理，減少水中存在的鈣、鎂離子，使得水垢量大大降低。該種方法需要定期對軟水模塊進行更換，使用成本相對較高。由于我國各地區(qū)的水質(zhì)差異較大以及每個用戶家庭對電熱水器的使用習(xí)慣不同，在實際保養(yǎng)過程中電熱水器的結(jié)水垢情況存在很大差異。消費者不具備專業(yè)的能力，無法判斷自家電熱水器何時該進行內(nèi)膽清潔保養(yǎng)，導(dǎo)致電熱水器的內(nèi)膽清潔保養(yǎng)很難做到及時有效，極易造成保養(yǎng)過度或欠缺。本文將對影響電熱水器水垢生成速率的幾個因素進行分析，從而幫助用戶更好地判斷家中電熱水器的健康狀態(tài)，并引導(dǎo)用戶形成正確的使用習(xí)慣。

2、影響內(nèi)膽水垢生成速度的因素分析

2.1 水溫對內(nèi)膽中水垢生成速度的影響

水垢按照物理性質(zhì)可分為硬垢和軟垢兩類。硬垢是水中膠體、細(xì)菌以及有機物等含有粘性物質(zhì)和碳酸鹽在高溫的情況下相互作用形成的。這類水垢容易像水泥一樣粘在容器內(nèi)壁上，比較難清除。而軟垢多為水中含有鈣、鎂離子的碳酸鹽析出沉淀，由于質(zhì)地疏松、易于脫落，非常容易除去。

通過分析我司售后維保信息，儲水式電熱水器的常年設(shè)置溫度不超過50℃時，內(nèi)膽的內(nèi)壁僅有微小結(jié)垢。而水溫經(jīng)常設(shè)定超過55℃時，內(nèi)膽的內(nèi)壁和電加熱管的表面結(jié)垢會變得非常嚴(yán)重。這是因為高溫導(dǎo)致水中的碳酸氫鈣(Ca(HCO3)2)和碳酸氫鎂(Mg(HCO3)2)等微溶性鹽類發(fā)生分解，形成難溶于水的碳酸鈣(CaCO3)、氫氧化鎂(Mg(OH)2)和碳酸鎂(MgCO3)沉淀[3]。

Kern和Seaton最早針對強制對流傳熱系統(tǒng)進行研究并提出——在大部分的污垢模型中，結(jié)垢是污垢的堆積和脫除同時作用的結(jié)果，即結(jié)垢速率[4]為：

式中：

——為質(zhì)量沉積速率；

——為質(zhì)量脫出速率；

——為垢層密度；

——為污垢導(dǎo)熱系數(shù)；

——為污垢熱阻值。

儲水式電熱水器作為強制對流傳熱系統(tǒng)的一種換熱設(shè)備，其內(nèi)部水垢生成速率規(guī)律與上述公式理論介紹規(guī)律相類似。從公式中看出，總結(jié)垢速率與垢層密度值和污垢導(dǎo)熱系數(shù)值的相關(guān)性較大，即內(nèi)膽中水垢生成速率與內(nèi)膽中的水質(zhì)硬度和水質(zhì)溫度相關(guān)性較大，可通過實驗來研究這兩個因素對電熱水器結(jié)垢速率的影響。

分析內(nèi)膽中水溫對結(jié)垢速率的影響，實驗通過設(shè)定相應(yīng)的系統(tǒng)壓力來控制沸騰時研究溶液的沸騰溫度Tb，并控制其余變量值不變，對不同溫度溶液的污垢熱阻Rf進行測算，根據(jù)公式（1）可計算出溶液的結(jié)垢速率。該實驗控制所研究溶液溫度Tb為50℃、60℃、90℃，所研究溶液溫度對污垢熱阻的影響圖如圖1所示。

圖1 溶液溫度對污垢熱阻的影響

由圖1可以看出，沸騰初期，不同沸騰溫度的溶液在污垢熱阻值上并無太大區(qū)別，隨著加熱時間t的變長，在相同的沸騰時間內(nèi)，溫度高的實驗溶液有著更高的污垢熱阻值，溶液主體溫度對于污垢熱阻的影響極其顯著，即在相同沸騰時間內(nèi)，溶液主體溫度更高的溶液擁有著更高的結(jié)垢速率。

溶液溫度對結(jié)垢速率的影響圖如圖2所示，從圖2中可以看出，由于溶液溫度Tb的升高增加了溶液的過飽和度，溶液的結(jié)垢率隨溫度的升高而增大。同時，在溫度超過55℃之后，結(jié)垢速率變化幅度較大，在60℃之后則保持比較穩(wěn)定的結(jié)垢速率變化幅度。

圖2 溶液溫度對結(jié)垢速率的影響

因此，對于儲水式電熱水器而言，當(dāng)用戶設(shè)定溫度超過55℃的時間超過一定限度時，內(nèi)膽內(nèi)生成水垢的速率會增加，隨著使用時間的增長會在內(nèi)膽內(nèi)產(chǎn)生大量水垢。由此可見水溫對內(nèi)膽內(nèi)水垢生成速率的影響較為明顯。

一般而言，電熱水器程序設(shè)定的加熱溫區(qū)為35℃～75℃。中溫狀態(tài)是指加熱溫度設(shè)定為40℃的工作狀態(tài)，在不需要大量使用熱水的情況下，可以將電熱水器設(shè)置成此狀態(tài)。該狀態(tài)不僅能有效減緩水垢的形成，而且最節(jié)能。尤其在夏季節(jié)能效果更明顯，加熱水溫跟外界的溫度溫差較小，保溫時間會相應(yīng)變長。再者由于夏季自來水的溫度較高，加熱到中溫狀態(tài)的時間短，可以有效節(jié)約用電。

2.2 水質(zhì)對內(nèi)膽中水垢生成速度的影響

水垢生成的原理是水垢形成離子的溶液出現(xiàn)過飽和在溶液中析出生成水垢沉淀。當(dāng)溶液溫度一定時，溶液內(nèi)相關(guān)離子濃度越大，污垢的沉積速率也會增大，水垢生成的越多。因此，水質(zhì)在一定程度上也會影響儲水式電熱水器內(nèi)膽內(nèi)水垢的生成速率。

溶液主體濃度對污垢熱阻的影響圖如圖3所示。圖3中溶液的溫度Tb控制在50℃，對加熱狀態(tài)下的不同濃度溶液的污垢熱阻進行研究，發(fā)現(xiàn)在實驗參數(shù)范圍內(nèi)，隨著溶液濃度的增大，在經(jīng)過相同的加熱時間后高濃度溶液的污垢熱阻也隨之變高，即溶液的結(jié)垢速率隨著溶液濃度的增加而增加。

圖3 溶液主體濃度對污垢熱阻的影響

由此可得，自來水的水質(zhì)也會影響到電熱水器的使用壽命和用戶體驗。目前市面上的一些電熱水器盡管也有保養(yǎng)提示功能，但實際情況是電熱水器在出廠時就設(shè)定好維修提醒時間，通常默許為24個月，當(dāng)達到保養(yǎng)提醒時間時，顯示板將會出現(xiàn)“保養(yǎng)”文字來提示用戶該對電熱水器進行保養(yǎng)。然而有些用戶所在地區(qū)的水質(zhì)較差，使用時間尚未達到24個月，該內(nèi)膽就已經(jīng)達到需要保養(yǎng)的程度，而此時電熱水器卻沒有出現(xiàn)“保養(yǎng)”提示，在這種情況下將加速內(nèi)膽的腐蝕程度和電加熱管的結(jié)垢，縮短內(nèi)膽和電加熱器的使用壽命，并影響使用者的健康。

還有一部分電熱水器沒有“保養(yǎng)”提示功能，用戶也沒有意識為電熱水器內(nèi)膽做清潔，這部分電熱水器從一開始使用到報廢都沒有做過任何清潔，使用壽命大大縮短，同時也影響使用者的身體健康。

我司的部分售后維保信息記錄如表1所示，從表中可以看出，不同水質(zhì)的地區(qū)，內(nèi)膽清洗的周期也不盡相同。水質(zhì)越差的地區(qū)內(nèi)膽需要清洗的時間越短，水質(zhì)較好的地區(qū)清洗的周期相應(yīng)延長。

3、結(jié)論

影響電熱水器內(nèi)膽和電加熱管結(jié)垢的主要因素是水溫，水溫越高，內(nèi)膽結(jié)垢速率越快。水溫保持在55℃以上的時間越長，則內(nèi)膽內(nèi)壁和電加熱管表面附著的水垢量就越大、越難清除，建議用戶平常使用電熱水器時將溫度設(shè)置為“中溫狀態(tài)”。

此外，自來水的水質(zhì)也會影響結(jié)垢速率，鈣、鎂等離子濃度越高，則結(jié)垢速率越快。用戶可以根據(jù)TDS值判斷所在地區(qū)的水質(zhì)情況，從而對家中的電熱水器制定一個合理的清洗計劃。電熱水器的智能保養(yǎng)是基于大量的售后數(shù)據(jù)、實驗數(shù)據(jù)分析搭建的，因此電熱水器廠家應(yīng)收集記錄更完善的用戶信息，為推出下一代智能保養(yǎng)型產(chǎn)品打好基礎(chǔ)。

本文作者

青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 隋超 管江勇 劉洋 師寧寧 蔡想周 

參考文獻

[1] 侯婷婷. 回顧2017: 家電行業(yè)的這七個明顯趨勢[J]. 家用電器,2018(01):90-91.

[2] 董瑋利, 李玉祥, 宋尚義, 等. 家電產(chǎn)品綠色設(shè)計技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]. 家電科技,2018(04):44-46.

[3] 李廣兵, 方健, 徐敬, 等. 水垢成垢誘導(dǎo)期機理研究[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報,2000,28(05):555-559.

[4] Kern. D. Q., Seaton. R. E., A Theoretical Analysis of Thermal SurfaceFouling[J]. Chemical Engineering Progress,1959,4:258-262.

來源：《家電科技》2020年第五期