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。

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%。

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。