水加热

水加热是一种热传递过程，它使用能源将水加热到其初始温度以上。热水的典型家庭用途包括烹饪、清洁、洗澡和空间供暖。在工业上，热水和加热成蒸汽的水有很多用途。在国内，水传统上在称为热水器、水壶、大锅、锅或铜的容器中加热。这些加热一批水的金属容器不会在预设温度下连续供应热水。热水很少是自然产生的，通常来自天然温泉。温度随消耗率而变化，随着流量的增加而变冷。提供持续供应热水的设备称为热水器、热水器、热水箱、锅炉、热交换器、间歇泉（仅限南非）或加温器。这些名称取决于地区，以及它们是加热饮用水还是非饮用水，是用于家庭还是工业用途，以及它们的能源。在家庭设施中，用于空间供暖以外的用途加热的饮用水也称为生活热水(DHW)。化石燃料（天然气、液化石油气、石油）或固体燃料通常用于加热水。这些可以直接消耗，也可以产生电能，进而加热水。加热水的电力也可能来自任何其他电源，例如核能或可再生能源。太阳能、热泵、热水热回收和地热供暖等替代能源也可以加热水，通常与由化石燃料或电力驱动的备用系统结合使用。一些国家人口稠密的城市地区提供热水的区域供暖。斯堪的纳维亚、芬兰和波兰尤其如此。区域供热系统为热电联产(CHP)工厂的水加热和空间供暖、工业废热、焚化炉、地热供暖和中央太阳能供暖提供能源。自来水的实际加热是在消费者处所的热交换器中进行的。由于区域供热系统的预期高可用性，消费者通常没有室内备用系统。今天在美国，家庭使用的生活热水最常使用天然气、电阻或热泵加热。电热泵热水器比电阻热水器效率更高，但购买成本也更高。一些能源公用事业公司为其客户提供资金，以帮助抵消节能热水器较高的初始成本。

用于空间供暖的热水可以在锅炉中通过化石燃料加热，而饮用水可以在单独的设备中加热。这在美国很常见，尤其是在通常采用暖空气空间供暖的情况下。

在家庭和商业用途中，大多数北美和南亚热水器是水箱式热水器，也称为储水式热水器。这些由一个圆柱形容器或容器组成，可以保持水持续加热并随时可用。家庭使用的典型尺寸范围为75–400升（20–100美制加仑）。这些可能使用电力、天然气、丙烷、取暖油、太阳能或其他能源。天然气加热器在美国和大多数欧洲国家最受欢迎，因为天然气通常通过管道方便地输送到整个城镇，并且目前使用成本最低。在美国，用于没有特殊需求的家庭的典型天然气热水器容量为150-190升（40-50美制加仑），燃烧器的额定功率为10.0-11.7千瓦（34,000-40,000BTU/h）。这是一种流行的安排，在有限的时间内需要更高的流量。水在压力容器中加热，该容器可以承受接近输入电源的静水压力。有时使用减压阀将压力限制在容器的安全水平。在北美，这些容器被称为热水箱，可能包含电阻加热器、热泵或直接加热水的燃气或燃油燃烧器。在安装热水空间供暖锅炉的地方，家用热水缸通常由锅炉的一次水或浸入式电加热器（通常作为锅炉的备用）间接加热。在英国，这些容器分别称为间接气瓶和直接气瓶。此外，如果这些钢瓶构成密封系统的一部分，提供主压力热水，则它们被称为无排气钢瓶。在美国，当连接到锅炉时，它们被称为间接燃烧热水器。与即热式热水器相比，储水式热水器的优势在于以相对较慢的速度使用能源（燃气或电力），将热量储存起来以备后用。缺点是，随着时间的推移，热量会通过水箱壁逸出，水会冷却下来，从而激活加热系统将水加热，因此投资一个具有更好绝缘性的水箱可以提高这种待机效率。此外，当大量使用耗尽热水时，在热水再次可用之前存在显着延迟。较大的水箱倾向于在中等流速下提供温度波动较小的热水。美国和新西兰的容积式储水式热水器通常是立式圆柱形水箱，通常站立在地板上或高于地板一小段距离的平台上。西班牙的容积式储水式热水器通常是水平的。在印度，它们主要是垂直的。在公寓中，它们可以安装在洗衣房上方的天花板空间中。在澳大利亚，主要使用燃气和电动户外水箱加热器（高温以增加有效容量），但太阳能屋顶水箱正变得时尚。容量范围为8-32升（2-6加仑）的小型使用点(POU)储水式电热水器可安装在厨房和浴室柜或水槽上方的墙壁上。它们通常使用大约1kW到1.5kW的低功率加热元件，并且可以提供足够长的热水用于洗手，或者，如果连接到现有的热水管线，直到热水从远程大容量热水器到达。当用热水管道改造建筑物成本太高或不切实际时，可以使用它们。由于它们可以恒温地保持水温，因此它们只能以极低的流速提供连续的热水流，这与大容量无水箱加热器不同。在新加坡和印度等热带国家，储水式热水器的容量可能从10升到35升不等。较小的热水器就足够了，因为环境天气温度和进水温度适中。

可以在使用点和集中式热水器之间做出位置设计决策。集中式热水器比较传统，对于小型建筑来说仍然是不错的选择。对于间歇性或偶尔使用热水的大型建筑物，多个POU热水器可能是更好的选择，因为它们可以减少热水从远程加热器到达的长时间等待。热水器放置位置的决定仅部分独立于罐式热水器与无罐式热水器的决定，或热量的能源选择。

即热式热水器——也称为瞬时、连续流动、直列、闪蒸、按需或即时热水器——越来越受欢迎。这些大功率热水器会在水流过设备时立即加热水，并且不会在内部保留任何水，除了热交换器盘管中的水。在这些装置中，铜热交换器是首选，因为它们的高导热性和易于制造。无水箱热水器可以安装在一个以上的家庭使用点(POU)，远离中央热水器，或者更大的集中式型号仍可用于为整个房屋提供所有热水需求。无水箱热水器的主要优点是充足的连续热水流量（与传统水箱热水器的连续加热热水的有限流量相比），以及在某些条件下潜在的节能。主要缺点是它们的初始成本要高得多；美国明尼苏达州的一项研究报告称，即热式热水器需要20到40年才能收回投资。与效率较低的天然气热水箱相比，按需使用的天然气在其使用寿命内的成本将高出30%。用于快速加热家用水的独立设备在北美被称为无水箱或按需热水器。在某些地方，它们被称为多点加热器、间歇泉或ascots。在澳大利亚和新西兰，它们被称为瞬时热水装置。在阿根廷，它们被称为calefones。在那个国家，calefones使用燃气而不是电力，尽管在其他国家也可以找到燃气动力的无罐热水器。一种类似的燃木器具被称为芯片加热器。采用热水空间加热的常见布置是，锅炉也可以加热饮用水，无需额外设备即可提供连续的热水供应。可以提供空间供暖和生活热水的器具称为组合（或组合）锅炉。尽管按需加热器提供连续供应的生活热水，但它们产生热水的速度受到可用燃料供应加热水的热力学的限制。

电动淋浴头有一个电加热元件，当水通过时加热水。这些自加热淋浴喷头是专门的使用点(POU)即热式热水器，在一些国家广泛使用。1930年代由于缺乏中央配气而在巴西发明并自1940年代以来经常使用，由于配气成本较高，电淋浴器是南美洲和中美洲国家常见的家用电器。大多数情况下不支持传统的热水器。早期的型号由昂贵的镀铬铜或黄铜制成，但自1970年以来，由于与吹风机相似的价格低廉，注塑塑料制成的装置很受欢迎。电动淋浴有一个简单的电气系统，像咖啡机一样工作，但水流量更大。当水流过设备时，流量开关会打开设备。停水后，设备会自动关闭。普通的电动淋浴通常但并不总是具有三种加热设置：高(5.5kW)、低(2.5kW)、或冷(0W)在有中央供暖系统或在炎热季节使用。还制造了更高功率（高达7.5KW）和更低功率（高达3.2KW）的版本，以及具有4种加热设置或可变加热设置的版本。

电动花洒xxx耗电量。加热设置约为120V的5.5kW和220V的7.5kW。与罐式锅炉的较高成本相比，电动淋浴的成本较低是由于使用时间：电动淋浴仅在水流动时使用能量，而罐式锅炉每天工作多次，以保持一定量的积水在白天和晚上都可以使用。此外，在电动淋浴喷头中，电能向水中的传输效率非常高，接近xxx。与会损失一些待机热量的电动水箱加热器相比，电动淋浴器可能会节省能源。

有各种各样的电动淋浴喷头，具有各种设计和类型的加热控制。电淋浴器的加热元件浸入水流中，使用通常可更换的镍铬合金电阻加热元件，该加热元件通常没有护套和电隔离，在这种情况下，隔离由接地电极提供，在水流出头部之前直接接触水.带有护套和电隔离加热元件的电动淋浴喷头通常以这种方式销售（葡萄牙语中的Chuveirosblindados）并且价格更高。由于电气安全标准和成本，现代电动淋浴器由塑料制成，而不是像过去那样使用金属外壳。作为比洗衣机或吹风机消耗更多电流的电器，电动淋浴的安装需要仔细规划，并且通常旨在直接从配电箱与专用断路器和接地系统接线。带有旧铝线、连接不良或未连接地线（通常是这种情况）的安装不当的系统可能是危险的，因为电线可能会过热或电流可能会通过用户身体的水流泄漏到大地。

越来越多地使用太阳能热水器。他们的太阳能集热器安装在住宅外，通常安装在屋顶或墙壁上或附近，而饮用水储水箱通常是现有的或新的传统热水器，或专门为太阳能热而设计的热水器。在塞浦路斯和以色列，90%的家庭拥有太阳能热水系统。最基本的太阳能热模型是直接增益型，其中饮用水直接送入收集器。据说许多此类系统使用集成收集器存储(ICS)，因为直接增益系统通常具有集成在收集器中的存储。直接加热水本质上比通过热交换器间接加热更有效，但这种系统提供非常有限的防冻保护（如果有的话），可以很容易地将水加热到对家庭使用不安全的温度，并且ICS系统在寒冷的夜晚会遭受严重的热量损失和寒冷多云的日子。相比之下，间接或闭环系统不允许饮用水通过面板，而是通过面板泵送传热流体（水或水/防冻剂混合物）。在面板中收集热量后，传热流体流过热交换器，将热量传递给饮用水。当面板比储罐温度低或储罐已经达到其最高温度时，闭环系统中的控制器会停止循环泵。在回排水系统中，水排入空调或半空调空间中的储水箱，防止冰冻温度。然而，使用防冻系统，平板集热器通常用于闭环系统。通常类似于天窗的平板是最耐用的集热器类型，并且对于设计用于环境温度56°C(100°F)以内的温度的系统，它们也具有最佳性能。平板通常用于纯水和防冻系统。另一种类型的太阳能集热器是真空管集热器，适用于没有严重冰雹的寒冷气候和/或需要高温（即超过94°C[201°F]）的应用。真空管收集器放置在架子上，形成一排玻璃管，每个玻璃管都包含连接到中央导热棒（铜或冷凝驱动）的吸收翅片。真空描述是指在制造过程中在玻璃管中产生的真空，这导致非常低的热损失并使真空管系统达到极端温度，远远超过水的沸点。

在冰岛和新西兰等国家以及其他火山地区，可以使用地热加热而不是燃烧来加热水。

在使用空间加热热水锅炉的地方，英国的传统安排是使用锅炉加热的（一次）水来加热装在圆柱形容器（通常由铜制成）中的饮用水（二次）水，该容器由一个冷水储存容器或容器，通常在建筑物的屋顶空间。这会在低静压头下产生相当稳定的DHW（家用热水）供应，但通常具有良好的流量。在世界上大多数其他地方，热水器不使用冷水储存容器或容器，而是在接近输入自来水供应压力的压力下加热水。

热水器的其他改进包括入口和出口处的止回阀装置、循环计时器、燃料使用型号的电子点火、燃料使用型号的密封进气系统和管道绝缘。密封式进气系统类型有时称为带托梁进气单元。高效冷凝装置可将燃料中高达98%的能量转化为加热水。燃烧的废气被冷却并通过屋顶或外墙进行机械通风。在高燃烧效率下，必须提供排水管来处理从燃烧产物中冷凝出来的水，这些水主要是二氧化碳和水蒸气。在英国的传统管道系统中，空间供暖锅炉设置为加热单独的热水缸或热水器用于饮用热水。这种热水器通常配备有辅助电浸入式加热器，以在锅炉一段时间不工作时使用。来自空间加热锅炉的热量通过热交换器传递到热水器容器/容器，并且锅炉在比饮用热水供应更高的温度下运行。由于北美暖通空调/强制空气系统的普及，北美的大多数饮用水加热器与空间供暖装置完全分开。根据ANSIZ21.10.1，自2003年以来在美国制造的住宅燃烧热水器经过重新设计，可抵抗易燃蒸气的点燃，并结合了热切断开关。xxx个特征试图防止来自加热器附近的易燃液体和气体的蒸气被点燃，从而导致房屋火灾或爆炸。第二个功能可防止由于异常燃烧条件导致的油箱过热。这些安全要求是为了应对房主在热水器附近储存或溢出汽油或其他易燃液体并引起火灾的情况。由于大多数新设计都包含某种类型的阻火器屏幕，因此需要对其进行监控以确保它们不会被棉绒或灰尘堵塞，​​从而减少了燃烧空气的可用性。湿背炉(NZ)、湿背加热器(NZ)或背锅炉(UK)，是一种使用附带热量的简单家用二次热水器。它通常由在壁炉或火炉后面运行的热水管（而不是热水储存器）组成，并且没有限制加热的设施。现代湿背可以以更复杂的设计运行管道以帮助热交换。这些设计被政府效率法规强制淘汰，这些法规没有将用于加热水的能源计算为“有效”使用的能源。

另一种在欧洲开发的热水器早于存储模型。1868年在英国伦敦，一位名叫本杰明·瓦迪·莫恩的画家发明了xxx台不使用固体燃料的家用即热式热水器。以冰岛喷涌的温泉命名间歇泉，莫恩的发明使顶部的冷水流过由底部燃烧器的热气体加热的管道。然后热水流入水槽或浴缸。这项发明有点危险，因为没有烟道可以从浴室中排出加热的气体。在英国，热水器有时仍被称为间歇泉。莫恩的发明影响了挪威机械工程师埃德温·路德的工作。1889年左右，Ruud移民到宾夕法尼亚州匹兹堡后，发明了xxx台自动储罐式燃气热水器。今天仍然存在的Ruud制造公司在水箱式和无水箱热水器的设计和操作方面取得了许多进步。

取决于纬度和季节，水进入美国住宅的温度通常约为10°C(50°F)。50°C(122°F)的热水温度通常用于洗碗、洗衣和淋浴，如果热水与冷水混合，则需要加热器将水温提高约40°C(72°F)在使用点。统一管道规范参考淋浴流量为每分钟9.5升（2.5美制加仑）。水槽和洗碗机的使用范围为每分钟4–11升（1–3美制加仑）。天然气通常以体积或热含量来衡量。体积的常用计量单位是标准条件下的立方米或立方英尺，或以千瓦时为单位的热量、英热单位(BTU)或热，等于100,000BTU。BTU是将一磅水升高一华氏度所需的能量。一美制加仑的水重8.3磅（3.8千克）。要以90%的效率将230升（60美制加仑）的水从10°C(50°F)提高到50°C(122°F)，需要60×8.3×(122−50)×1.11=39,840BTU。一个46kW(157,000BTU/h)的加热器（可能存在于无罐加热器中）大约需要15分钟才能完成此操作。以每千升1美元计算，天然气的成本约为40美分。相比之下，典型的230升（60美制加仑）水箱电热水器具有4.5千瓦（15,000英热单位/小时）的加热元件，在xxx的效率下，加热时间约为2.34小时。按0.16美元/千瓦时计算，电费为1.68美元。住宅用热水器的能源效率可能会有很大差异，特别是取决于制造商和型号。然而，电加热器的效率往往略高（不计发电站损失），回收效率（能量转移到水中的效率）达到约98%。燃气加热器的xxx回收效率仅为约82-94%（剩余热量随烟气散失）。电力系统的总能量因数可低至80%，燃气系统可低至50%。能量因数为62%或更高的天然气和丙烷罐热水器，以及能量因数为93%或更高的电罐热水器被认为是高效装置。能源之星认证的天然气和丙烷罐热水器（截至2010年9月）的能源系数为67%或更高，这通常是通过使用间歇式先导阀以及自动烟道风门、挡板鼓风机或动力排气来实现的。直接电阻水箱热水器不包括在能源之星计划中，但是，能源之星计划确实包括能量系数为200%或更高的电热泵机组。即热式燃气热水器（截至2015年）必须具有90%或更高的能量系数才能获得能源之星资格。由于火力发电厂的发电效率水平从仅15%到略高于55%（联合循环燃气轮机）不等，火电厂的典型效率约为40%，因此直接电阻电热水可能是最节能的选择。但是，使用热泵可以使电热水器更加节能，并减少二氧化碳排放，如果使用低碳电力来源，情况更是如此。使用区域供热，利用发电和其他行业产生的余热来加热住宅和热水，提高了整体效率，消除了燃烧化石燃料或使用高能值电力在个人家庭中产生热量的需要。不幸的是，加热水需要大量的能量，就像在炉子上等待煮一加仑水时可能会遇到的那样。出于这个原因，即热式按需热水器需要强大的能源。相比之下，标准的120-V、15-A额定壁式电源插座只能提供足够的电力来加热少量令人失望的水：在40°C(72°F)温度下每分钟大约0.17美制加仑（0.64升）海拔。通过基于使用模式知识的最佳时间表和温度控制，电热水器使用的能源可减少多达18%。

2015年4月16日，作为美国国家电器节能法案(NAECA)的一部分，美国能源部制定的住宅热水器效率新最低标准生效。2015年或之后在美国销售的容量小于55美制加仑（210升；46英制加仑）的所有新储气罐热水器的能量因数应至少为60%（对于50美制加仑单位，较小的单位更高），从2015年之前50美制加仑气体单位的58%能量系数的最低标准有所增加。在美国销售的容量小于55美制加仑的储电罐热水器的能量系数应至少为95%，高于2015年之前50美制加仑电动装置的90%的最低标准。根据2015年标准，容量为55美制加仑或更大的储水式热水器现在首次面临比50美制加仑或更少容量的更严格的效率要求。根据2015年之前的标准，标称输入为22kW（75,000BTU/h）或更低的75美制加仑（280升；62英制加仑）储气式热水器的能量因数可低至53%，而在2015年的标准下，75美制加仑储气罐热水器的最低能量系数现在是74%，这只能通过使用冷凝技术来实现。标称输入为22kW（75,000BTU/h）或更高的储水式热水器目前不受这些要求的影响，因为没有为此类单位定义能量因数。80美制加仑（300升；在2015年之前的标准下，67impgal)储水箱热水器的最低能量系数能够达到86%，而在2015年标准下，80加仑储水箱热水器的最低能量系数现在是197%，这只有通过热泵技术才能实现。该评级衡量使用点的效率。根据发电方式的不同，整体效率可能会低得多。例如，在传统的燃煤电厂中，煤炭中只有大约30-35%的能量最终在发电机的另一端以电力的形式出现。电网损耗（包括线路损耗和电压转换损耗）进一步降低了电力效率。根据能源信息署的数据，2005年输配电损耗占净发电量的6.1%。相比之下，交付给消费者。（在这两种情况下，勘探、开发和开采煤炭或天然气资源所消耗的能源均未包含在引用的效率数据中。）根据2015年标准，燃气即热式热水器的能源系数应达到82%或更高，这对应于-2015能源之星标准。2022年，能源部提出了将于2026年生效的规则，将有效消除商业建筑中低效的非冷凝燃气热水器。非冷凝模型浪费热量，而冷凝模型捕获并使用否则损失的能量。这一变化将在30年内减少3800万吨二氧化碳的排放，并降低建筑物的能源成本。

如果未安装某些安全装置，热水器可能会爆炸并造成重大损坏、伤害或死亡。一种称为温度和压力释放（T&P或TPR）阀的安全装置通常安装在热水器的顶部，以在温度或压力过高时倾倒水。大多数管道规范要求将排放管连接到阀门，以将排放的热水流引导至排水管，通常是附近的地漏，或居住空间之外。一些建筑规范允许排放管终止于车库。如果在车库或地下室安装燃气或丙烷热水器，许多管道规范要求将其抬高至少18英寸（46厘米），以减少因可燃物溢出或泄漏而引起火灾或爆炸的可能性车库里的液体。此外，某些地方法规要求新安装和改造安装中的罐式加热器必须通过带子或锚固定到相邻的墙壁上，以防止在发生地震时翻倒和破坏水管和燃气管。对于热水器是空间供暖锅炉的一部分且管道规范允许的较旧房屋，一些管道工除了安装TPR阀外，还安装了自动燃气关闭装置（例如Watts210）。当设备检测到温度达到99°C(210°F)时，它会关闭气体供应并防止进一步加热。此外，必须安装膨胀水箱或外部泄压阀，以防止管道中的压力积聚导致管道、阀门或热水器破裂。

烫伤是任何热水器的严重问题。人体皮肤在高温下迅速燃烧，在60°C(140°F)时不到5秒，但在53°C(127°F)时要慢得多——二度烧伤需要整整一分钟。由于残疾或反应迟缓，老年人和儿童经常遭受严重烫伤。在美国和其他地方，通常的做法是在热水器的出口放置一个回火阀。通过调温阀混合冷热水的结果称为调温水。调温阀将足够的冷水与来自加热器的热水混合，以将出水温度固定在更适中的温度，通常设置为50°C(122°F)。如果没有调温阀，降低热水器的设定温度是减少烫伤的最直接方法。然而，为了卫生，需要温度可能导致烫伤的热水。这可以通过在需要热水的器具中使用辅助加热器来实现。例如，大多数家用洗碗机都包括一个内部电加热元件，用于将水温提高到高于家用热水器提供的水温。

两个相互矛盾的安全问题会影响热水器的温度——超过55°C(131°F)的过热水烫伤风险，以及在温度不足以杀死细菌的水中培养细菌菌落（尤其是军团菌）的风险。这两种风险都可能危及生命，并通过将热水器的恒温器设置为55°C(131°F)来平衡。欧洲旅行相关军团病控制和预防指南建议热水应储存在60°C(140°F)并分配到至少50°C(122°F)的温度，xxx是55°C(131°F)在使用点在一分钟内达到。如果有没有增压加热器的洗碗机，它可能需要在57–60°C(135–140°F)范围内的水温才能获得最佳清洁效果，但调温阀设置为不超过55°C(131°F)F)可用于水龙头，避免烫伤。水箱温度高于60°C(140°F)可能会在水箱中产生水垢沉积物，以后可能会滋生细菌。较高的温度也可能增加洗碗机中玻璃器皿的蚀刻。储罐恒温器不是储罐内部温度的可靠指南。燃气水箱可能没有显示温度校准。电动恒温器显示恒温器高度处的温度，但水箱中较低的水可能会相当冷。出口温度计可以更好地指示水温。在可再生能源行业（尤其是太阳能和热泵）中，日常热军团菌控制与可能降低系统性能的高温之间的冲突受到激烈争论。欧洲最高CEN太阳能热技术委员会TC312在一份寻求对正常军团病安全标准进行绿色豁免的论文中断言，如果太阳能热水系统每天加热到基地，性能将下降50%。然而，一些使用Polysun5的太阳模拟器分析工作表明，11%的能量损失是一个更可能的数字。无论在何种情况下，能源效率和烫伤安全要求都朝着比军团菌巴氏杀菌温度约60°C(140°F)低得多的方向发展。在容量为150升的水平安装电热水器的下游使用点检测到嗜肺军团菌。然而，军团菌可以通过良好的设计和工程协议安全、轻松地控制。例如，每天一次甚至每隔几天将热水器的温度提高到55°C(131°F)，在热水器最冷的部分保持30分钟，可以有效控制军团菌。在所有情况下，尤其是节能应用中，军团病往往是未考虑分层或低流量影响的工程设计问题的结果。还可以通过对水进行化学处理来控制军团菌风险。这种技术允许在管道系统中保持较低的水温，而不会产生相关的军团菌风险。降低管道温度的好处是降低了热损失率，从而降低了能耗。