【2025厨热大会精彩演讲】俞海云：电热水器用相变储热材料开发及应用研究

2025年7月9日，由中国家用电器研究院指导，全国家用电器工业信息中心主办，北京中家智锐科技有限公司承办，中家院（北京）检测认证有限公司协办，环球家电网媒体支持的“厨联万物•沐焕新生——2025年厨房电器&热水器行业发展大会”在浙江温州顺利召开。会上，安徽工业大学俞海云教授带来《电热水器用相变储热材料开发及应用研究》主题演讲。

俞海云表示，新型相变储热式电热水器采用高储热密度相变复合材料，具有体积小、储热量大、无垢、节能等优势，特别是储热密度更达水的4倍以上，大幅突破了传统产品的性能瓶颈。科研机构通过添加新型改性剂等技术手段，目前已成功开发两代产品，测试显示其储热能力和出水量均实现显著提升。未来的研发方向将重点聚焦开发高导热材料，探索高储热材料的工业化生产工艺，以及研发65℃左右更适配家庭使用的相变材料，让高效节能的热水体验惠及更多家庭。

俞海云（以下是演讲全部内容）：

非常感谢大会邀请。今天给大家分享题目是电热水器用的相变储热材料开发的情况，我的汇报主要分这么五个部分，要是前面四个部分。

众所周知储水式电热水器是我们热水器主流产品，尤其是近年来推出的这样的双胆匾桶的储水电热水器，由于体积小，放水量大特点深受用户的欢迎。但是它的这样竞争对手就是我们燃气式热水器，它有一个特点就是不需要储水，燃气热水器不需要储水。所以说相对来说更加健康，除此以外储水量有限，虽然放水量很大，但是储水量有限，因此节能有限。此外还有水垢、较贵问题。针对这些情况，我们有一些厂家已经开发出来新型相变储热式电热水器已经崭露头角。相对前面储水热水器来说，我们储水热水器的特点主要有以下特点。一个是使用高储热密度的相变复合材料，它的体积小，储量大，安全性好，不储水，无水垢，节能性好。缺点也有，新材料相对来说价格较贵。其中核心技术就是这个相变储热材料。

那关于相变储热的研究，我们国内的家电企业，实际上早在2011年开始布局了，有相当多企业进行了相关的研究。目前可以检索到的热水器相变材料相关专利有1600多项。其中关于相变储热材料研究授权发明不多，大概也就是20-30项左右。这是一个关键。

关于这块，什么是相变储热材料，大家看一下这张图，中间这张图显示相变储热的原理，零摄氏度水变成零摄氏度冰的时候放出344KJ/kg潜热，也就是冰变成水过程当中也会吸收334kJ/kg热量。本身温度不发生变化，这是相变潜热的特点。利用具有巨大相变潜热的，就可以展现很好的特色，提高出热密度。下面两张图对比了我们一般的显热出热材料和相变出热材料的储热量区别，同样的温差15度情况下，只要相变材料相变温度适宜，我们储热量，储热密度可以达到显热材料，就是水，水的4倍以上，意味着我们通过相变储热材料使用提高我们储热量，同时缩小我们热水器的体积。目前针对相变储热研究，大家经过大量研究发现，目前针对热水器这一段所适用的相变材料分别是有机相变材料和无机相变材料，有机相变材料实际比较好用，主要缺点有两个，一个就是贵，每公斤10多块钱以上；再一个就是有机相变材料易燃，安全性会带来问题。

无机相变材料针对这块主要的就是无机水和盐。它的潜热高，储能密度大，价格便宜，同时安全性好。缺点有两个：一个过冷度大，一个是易分层，此外腐蚀性高，这些缺点抑制工业化应用造成一定的影响。

什么是过冷度大，给大家稍微解释一下。

物质理论相变温度跟实际相变温度的差值我们称之为过冷度，这个显示了过冷情况（参考PPT），有些器物达到理论相变温度也不会发生这样的相变。必须要在外场扰动情况下才能发生相变，释放出热量。如果说我们不克服它的话，导致我们相变材料实际放热温度远低于我们吸收热量的相变温度。这样就会带来很低的换热的冷的效果。针对过冷度的问题，行业内一般情况下是采用了添加成核剂方式来减小它的过冷度，分层是什么情况呢？由于我们相变材料组成主要是水和无机盐。所以，所以它的温层变化过程当中它的状态会发生变化，导致材料内部分布不均，一般情况下会由密度分布不均造成分层。比如说一般情况下，我们的盐的密度高于我们的水，所以多次热循环以后盐往下沉，水往上浮。这样会导致我们有效的储热量逐渐降低，严重影响我们的热循环寿命。一般的改进措施是向其中加热增稠剂提高寿命情况。

相变材料应用在我们热水器当中带来的好处是显而易见的。一个就是我们新能源发电的越来越广泛推广应用。根据数据显示到今年3月份，我们全国有20个城市峰谷电差价超过0.6元千瓦。这非常可观了，这意味着我们电热水器储热量越大将使用谷电比例越高，同时能量利用率更高，换热效率都会提高。这样也能带来更好的用户体验。所以说很多企业开发了相变热水器。

它的工作原理，简单来说就是在加热的时候，电加热的时候把热量存储到我们的相变材料当中。使用的时候，把水路开关打开，水通过换热器进行换热，把热量吸收出来形成热水供大家使用，使用过程当中只有当我们的相变潜热完全释放完以后，我的相变材料的温度才会下降。这样变成固体。这个过程当中温度不变。针对这样的使用的情况，我们针对相变材料开发的时候，主要针对两点。一个就是储热量，储热密度，针对的主要是相变潜热，相变潜热肯定越大越好。讲得更精确一点就是体积储热密度越大越好。第二个相变温度，相变温度越靠近储热箱的保温温度越好，比如说我们一般水温70度，那我相变材料最好在65度左右，这样是最比较经济有效的。

针对上述的要求，对于我们的相变材料的性能要求，热水器这块来说，相变温度，相变潜热、导热这个都要求越高越好。腐蚀性因为加入了换热器，我们无机盐可能会造成腐蚀，所以我们要求腐蚀性越低越好。除此以外主要用在厨房卫生间，讲究安全性，必须安全不易燃。热膨胀系数不要太大，针对这样的要求，综合在一起，所以说无机相变材料最合适。如果我们想要使用无机相变材料必须克服过冷过大，易分层，以及腐蚀性高的缺点。这些材料开发过程当中涉及到表征测试手段，其中XRD、SEM、FT-IR红外这三个主要做组成以及结构表征的。后面的DSC、导热、步冷、电化学以及热循环都是做性能表征。除此以外，相变材料到底好不好用还是要放在工况当中做工程应用的测试，这块测试主要看热水的放出量。

针对上述这块做了一定研究，截止到2023年一共开发两代产品，第一代主要是一般的路径，通过成核剂和增稠剂解决相变材料的过冷和相分离问题，后面根据其中腐蚀性问题以及热导率低问题我们开发了第二代，这里是我们成核剂选择的筛选实验，通过筛选不同的成核剂找到这样最佳的配比。我们行业内一般的情况下，会选用温度稍低的其他的无机水和盐做成核剂，来促进主料的成核生长行为，也有使用纳米材料的，但是实际上我们不太喜欢使用纳米材料，因为纳米材料最终还是会存在团聚的沉降的问题。

这个是增稠剂的选择。增稠剂使用的原理就是通过提高体系的黏度，使得体系内部成分分布更加的均匀，从而提高寿命这些图表当中我们可以看得出来，加入增稠剂以后，即便是多次热循环以后，我们潜热下降也非常的有限。同时过冷度提高不大，相变温度稳定，这样可以应用到我们的热水器当中去了。

这个是做的结构组成的表征。从结构组成表征分析当中，我们知道我们这些原料在一起，主要发生的是物理混合的过程。并不是涉及化学变化。为我们工业化生产提供了一定的依据。

这个是我们组装的第一台样机，储热相是用20升的情况。样机组装好以后我们做了两个测试，一个就是不加热情况下出水量测试，一个是持续加热情况下热水量测试。这里可以看到不加热情况下，即便20升的储热箱，放出40度以上热水的量大约是90升概念。增溶倍数达到3.5倍。持续加热情况下，我们放出来热水量169升。增容系数达到8.45%，这是当时做的测试，如果把我们双杠技术应用进去实现无限热水的提供。相对传统储水热水器相比，我们使用了相变热水器以后，储热量，放水量极大的增加，这种增加是通过我的储备来增加的，而不是即时加热增加的，相对于传统储水热水器来讲可以达到更好的节能的效果。

针对第一代当中的情况，我们后面做了改进，进行二代产品的开发，这个开发当中我们增设新型改性剂，具有增稠功能，同时降低我们材料对于换热器以及容器的腐蚀性的效果。通过筛选以后我们发现我们加入量非常少，加入质量比0.2可以取得比传统的增稠剂更好的提高寿命效果，以及防腐效果，同样，他们的组成也是物理混合的过程，并没有发生化学变化。这是我们建立起来的电化学腐蚀评价手段。通过电化学工作站来做，这里用一个简单对比，数据当中可以看出来，无论自腐蚀电位，腐蚀电流密度，以及电话电阻来比较，看到二代产品腐蚀性远低于一代产品，更不用说这样原料，可以起到很好防腐效果。

这是大致的性能的对比，一代二代性能对比。从对比中可以看出来，我们这里使用市面上58度像快材料，这里对比可以看出来，我们加入量减小了，添加剂。我们储热量有5-6%提高。同时腐蚀性降低，热循环性稳定，过冷度也保持基本稳定，凝固温度52度，家用也没有什么问题，非常的好了。

这是实验室研究，工业化生产当中，针对一些工业化生产当中才可能出现的情况，我们也做了一定的研究。

一个是导热性能改善，我们找到比较合适的导热材料，导热材料密度非常小，我们处理完以后，每一克大概360毫升，在质量加入百分比可以变得非常小，我们加入1%就可以起到比较好的提高导热的效果，可以把整个导热材料提到1瓦以上。

再就是补水方式，我们使用主要原料是无机水和盐，无机水和盐加热熔化过程中实际上失水，这个水量影响我们最终的储热量，所以说合适的时间补水有更加的好的效果，同时降低过冷度。

再有混料工艺，工业化生产过程当中，混料工艺设计加热、搅拌，还涉及到人工、能耗。所以我们对混料工艺也进行了研究，这里三张图中可以看出来，第一张图中当中相同搅拌条件下明显颗粒没有溶解。第三张图可以看到溶解得几乎非常的完全，可以看到选择不同的工艺，影响也是比较大。

最后吸附时间和温度。这指的是我们导热材料和相变材料复合使用对应的工艺的选择，我们进行探索，找到了比较合适的工艺的途径。

最后，讲一下，未来继续解决问题，以及我们正在做的事情。

基于工业化考虑，我们相变储热热水器还是比较贵的，大部分人接受程度相对还是比较低，虽然优点有很多。贵原因两个，一个是相变储热材料本身成本，还有一个我们额外加了换热器。如果想把成本降低下来，一个方式就是高导热的相变储热材料的开发，就是导热率提上去了，换热器可以简化，这样可以明显降低成本。

第二点，相相变储热材料它的储热主要来自主料纯度，纯度越高，储热越高，如何用工业化原料生产高储热的相变储热材料也是针对工艺化技术的演化，像这个研究较少。

从未来第三代来讲，我们主要针对两块，一个是寿命的快速评价。很多企业非常关心这个寿命的问题，而我们实验室的测试方法，使用的是样品量非常少。大约只有1克以内，多的话十几二十克。用它评价10公斤以上的循环寿命，往往有的时候往往不太准确，所以我们需要开发一个针对大重量的相变材料寿命的评价手段，要不然我们做一个寿命评价实验要半天以上，可能就赶不及了。

第二点就是前面所说的，我们这个相变材料离我们恒温越近，它的储热的效率越高，用户的舒适度越高。而我们目前在70度，我们相变材料最经济适用一款在60度的附近。如果说我们开发70度左右，那就65度，那很明显将会更加适用家庭的使用。

我的演讲到此结束，谢谢大家。