美的厨热工程师专访 | 探秘相变热水器的关键技术与实现思路

就电热水器产品而言，尽管后来出现了即热式、速热式等新型电热水器产品，但储水式电热水器依然是目前市面上的主流电热水器款式。然而，传统储水式电热水器由于内胆体积的限制，无法实现热水量大、水质鲜活的需求。

为了解决这一行业难题，美的基于无机水合盐体系的相变储能材料，从机理出发对相变材料和相变热系统进行创新研究和优化改造，从而顺利将热能存储于相变材料中，不仅创新性地解决了储水式热水器体积大、安装不美观的痛点，更解决了困扰消费者许久的“内胆死水”问题。

“传统热水器是通过水胆进行储能，采用的是一种显热储热的方式，这项技术的应用已经进入瓶颈期，如果想要彻底解决电热水器体积大、有死水的痛点，就必须跳出这个框架，所以我们选择用另外一种储热形式，即潜热储热，也称为相变储热。”美的沐浴场景蓄热换热创新技术项目工程师吕晟东在接受艾肯家电网采访时表示，基于相变储热原理的研究与应用，美的彻底颠覆了传统热水器的架构，构建了全新的品类。

大胆设想，颠覆传统认知理念

传统储水式电热水器的原理是利用加热元件将水加热并储存在水箱中，待使用时再从水箱中放出热水使用。这意味着，如果想要蓄更多的热水量，就需要更大的体积，对于小面积的卫生间来说，热水器体积过大不仅会显得空间更为拥挤，而且也不美观。

对此，美的工程师团队提出大胆设想——是否能找到一种新型的、储热密度更高的材料来代替水把热量储存下来，这样一来，既可以把热水器的体积做得很小，同时内胆里面不需要储水了，也就不会有藏污纳垢的现象出现。“正是基于这样一种想法，我们想到了相变材料。”

所谓相变材料，是指随温度变化而改变物质状态并能提供潜热的物质，转变物理性质的过程称为相变过程，过程中相变材料将吸收或释放大量的潜热。通俗地说，水和冰的转换是一个最典型的相变过程的例子，当温度低至0℃时，水由液态变为固态(结冰)；当温度高于0℃时水由固态变为液态(溶解)。在结冰过程中吸入并储存了大量的冷能量，而在溶解过程中吸收大量的热能量。

“物质从一种状态迅速转变成另一状态，瞬间会释放出很多的能量，我们利用的就是这部分能量。简单来说就是，我们在热水器箱体中放入一个换热器，换热器之间填充了相变材料，水经过这个换热器，就可以和相变材料之间进行充分换热，把相变材料里面的热量换到水中，从而把水温升高。”吕晟东表示，相变材料在室温下的储能密度是水的两倍多，因此使体积相较于传统的热水器减少了45%以上，同时做到了储热不储水，从而可以为用户带来鲜活水的沐浴体验。

小心求证，不断发现问题和解决问题

吕晟东坦言，尽管关于相变材料的应用已经渗透到航天、建筑、蓄热供暖、冷链运输等多个领域，但是相变材料仍处于创新初级阶段，把它应用到家用电器产品上，还存在诸多难点。“从相变热水器构架的提出到第一代产品的落地，我们用了整整6年时间，其中，关于相变材料的自研用了2年时间，换热器的迭代仿真用了4-5年时间。”

据了解，相变材料的温度范围非常广泛，在-100°C至900多度范围内，它的体系也非常的丰富，可分为有机和无机相变材料，其中有机类又可以分成很多种，无机类也可以分成很多种。因此，选择一款合适的相变材料并不容易。再加上，相变材料本身还存在过冷、相分离和导热系数较小、易老化等缺点，这无疑又给这项技术研究增加了难度。

“一开始我们打算使用外部相变材料，经过多方验证选择了一款，但后来发现这款材料不论是从价格还是性能，包括从用户体验的角度都不是很好，而且也不利于后期产品的迭代升级，于是我们就用了两年时间研发了一款自己的相变材料。”

材料的问题解决了，接下来就是换热器的研发。在换热器的仿真研究过程中，美的研发团队发现仿固液转变过程中难以用数学进行描述，传统的仿真方法失灵了。为了解决这个问题，美的电热技术研发团队联合美的中央研究院的相关热力学专家博士，自建了一套全新的仿真系统和仿真模型。

仿真测试是新技术研发必不可少的环节，尤其是涉及到家电产品的研发，因为要保证产品10年的使用寿命。“想要保证产品10年寿命，我们估算了下需要让这个材料循环6000次以上，如果用传统的方式去测试可能需要一年左右时间，为了缩短这个进程，我们又自建了一套测试寿命的系统，将整个测试周期缩短到一个月以内。”

对于吕晟东和他的团队来说，做科研，就是不断发现问题、解决问题的过程。“在实验过程中总会有新奇的现象出现，无法用原有的理论去解释现象，往往需要用新的测试方法来揭示现象，这个过程中会带给我们新鲜感的冲击。”

成果落地，从“实验室”走向“生产线”

经过大量实验，美的研发团队成功解决了相变材料的过冷度、腐蚀性、循环稳定性等问题，包括导热率比较低的问题，也通过换热器的方式有效解决了。本以为难题都已经解决了，接下来一切都会很顺利。让吕晟东没想到的是，在实验室做过效果很好的试验，到了生产现场状况却远非设想的状态，总有一些不尽人意的“意外”出现。

“我们在实验室做测试，由于原料的用量少，所以预处理可以做得很精细，但是到了生产环节，加工量大，导致所投物料的相对比例会有所差异。”吕晟东表示，从实验室研发到工艺生产的过程并不是简单的放大。“除了原料用量的问题，还有人的因素，生产线操作员工对整个流程不会像实验室工程技术人员那样熟悉。”

吕晟东向艾肯家电网透露，为了让产品能够顺利生产，研发人员频繁地往返于美的总部与芜湖工厂之间。一方面，将研发过程中试验与生产结果的差异因素进行分析，对工艺参数、配方等进行多轮的调整与调试，另一方面，考虑到生产线操作人员没有相关工艺调控的经验，为他们制定了操作作业指导书，并且进行相关人员的培训。

正是凭借着自主创新的勇气与坚持不懈的研发毅力，美的厨热形成了一系列行业领先的专利和专有技术成果。数据显示，仅今年以来美的厨热就实现累计11项创新项目，其中有多个项目达到“国际领先”水平，而吕晟东和他的团队研发的“基于沐浴场景的恒温长效蓄热复合材料和高性能换热系统研究及产业化技术”就是其中之一。

吕晟东表示，相变储能材料应用前景非常广阔，未来美的还将进一步对相变材料的应用展开深入研究。值得一提的是，目前美的家用空调以及楼宇事业部已经成立了高密度相变蓄冷蓄热战略项目，相信不久就会为消费者带来突破性、实用性的产品和技术。