2025年7月9日，由中國家用電器研究院指導，全國家用電器工業信息中心主辦，北京中家智銳科技有限公司承辦，中家院（北京）檢測認證有限公司協辦，環球家電網媒體支持的“廚聯萬物?沐煥新生——2025年廚房電器&熱水器行業發展大會”在浙江溫州順利召開。會上，安徽工業大學俞海云教授帶來《電熱水器用相變儲熱材料開發及應用研究》主題演講。

俞海云表示，新型相變儲熱式電熱水器采用高儲熱密度相變復合材料，具有體積小、儲熱量大、無垢、節能等優勢，特別是儲熱密度更達水的4倍以上，大幅突破了傳統產品的性能瓶頸。科研機構通過添加新型改性劑等技術手段，目前已成功開發兩代產品，測試顯示其儲熱能力和出水量均實現顯著提升。未來的研發方向將重點聚焦開發高導熱材料，探索高儲熱材料的工業化生產工藝，以及研發65℃左右更適配家庭使用的相變材料，讓高效節能的熱水體驗惠及更多家庭。

俞海云（以下是演講全部內容）：

非常感謝大會邀請。今天給大家分享題目是電熱水器用的相變儲熱材料開發的情況，我的匯報主要分這么五個部分，要是前面四個部分。

眾所周知儲水式電熱水器是我們熱水器主流產品，尤其是近年來推出的這樣的雙膽匾桶的儲水電熱水器，由于體積小，放水量大特點深受用戶的歡迎。但是它的這樣競爭對手就是我們燃氣式熱水器，它有一個特點就是不需要儲水，燃氣熱水器不需要儲水。所以說相對來說更加健康，除此以外儲水量有限，雖然放水量很大，但是儲水量有限，因此節能有限。此外還有水垢、較貴問題。針對這些情況，我們有一些廠家已經開發出來新型相變儲熱式電熱水器已經嶄露頭角。相對前面儲水熱水器來說，我們儲水熱水器的特點主要有以下特點。一個是使用高儲熱密度的相變復合材料，它的體積小，儲量大，安全性好，不儲水，無水垢，節能性好。缺點也有，新材料相對來說價格較貴。其中核心技術就是這個相變儲熱材料。

那關于相變儲熱的研究，我們國內的家電企業，實際上早在2011年開始布局了，有相當多企業進行了相關的研究。目前可以檢索到的熱水器相變材料相關專利有1600多項。其中關于相變儲熱材料研究授權發明不多，大概也就是20-30項左右。這是一個關鍵。

關于這塊，什么是相變儲熱材料，大家看一下這張圖，中間這張圖顯示相變儲熱的原理，零攝氏度水變成零攝氏度冰的時候放出344KJ/kg潛熱，也就是冰變成水過程當中也會吸收334kJ/kg熱量。本身溫度不發生變化，這是相變潛熱的特點。利用具有巨大相變潛熱的，就可以展現很好的特色，提高出熱密度。下面兩張圖對比了我們一般的顯熱出熱材料和相變出熱材料的儲熱量區別，同樣的溫差15度情況下，只要相變材料相變溫度適宜，我們儲熱量，儲熱密度可以達到顯熱材料，就是水，水的4倍以上，意味著我們通過相變儲熱材料使用提高我們儲熱量，同時縮小我們熱水器的體積。目前針對相變儲熱研究，大家經過大量研究發現，目前針對熱水器這一段所適用的相變材料分別是有機相變材料和無機相變材料，有機相變材料實際比較好用，主要缺點有兩個，一個就是貴，每公斤10多塊錢以上；再一個就是有機相變材料易燃，安全性會帶來問題。

無機相變材料針對這塊主要的就是無機水和鹽。它的潛熱高，儲能密度大，價格便宜，同時安全性好。缺點有兩個：一個過冷度大，一個是易分層，此外腐蝕性高，這些缺點抑制工業化應用造成一定的影響。

什么是過冷度大，給大家稍微解釋一下。

物質理論相變溫度跟實際相變溫度的差值我們稱之為過冷度，這個顯示了過冷情況（參考PPT），有些器物達到理論相變溫度也不會發生這樣的相變。必須要在外場擾動情況下才能發生相變，釋放出熱量。如果說我們不克服它的話，導致我們相變材料實際放熱溫度遠低于我們吸收熱量的相變溫度。這樣就會帶來很低的換熱的冷的效果。針對過冷度的問題，行業內一般情況下是采用了添加成核劑方式來減小它的過冷度，分層是什么情況呢？由于我們相變材料組成主要是水和無機鹽。所以，所以它的溫層變化過程當中它的狀態會發生變化，導致材料內部分布不均，一般情況下會由密度分布不均造成分層。比如說一般情況下，我們的鹽的密度高于我們的水，所以多次熱循環以后鹽往下沉，水往上浮。這樣會導致我們有效的儲熱量逐漸降低，嚴重影響我們的熱循環壽命。一般的改進措施是向其中加熱增稠劑提高壽命情況。

相變材料應用在我們熱水器當中帶來的好處是顯而易見的。一個就是我們新能源發電的越來越廣泛推廣應用。根據數據顯示到今年3月份，我們全國有20個城市峰谷電差價超過0.6元千瓦。這非常可觀了，這意味著我們電熱水器儲熱量越大將使用谷電比例越高，同時能量利用率更高，換熱效率都會提高。這樣也能帶來更好的用戶體驗。所以說很多企業開發了相變熱水器。

它的工作原理，簡單來說就是在加熱的時候，電加熱的時候把熱量存儲到我們的相變材料當中。使用的時候，把水路開關打開，水通過換熱器進行換熱，把熱量吸收出來形成熱水供大家使用，使用過程當中只有當我們的相變潛熱完全釋放完以后，我的相變材料的溫度才會下降。這樣變成固體。這個過程當中溫度不變。針對這樣的使用的情況，我們針對相變材料開發的時候，主要針對兩點。一個就是儲熱量，儲熱密度，針對的主要是相變潛熱，相變潛熱肯定越大越好。講得更精確一點就是體積儲熱密度越大越好。第二個相變溫度，相變溫度越靠近儲熱箱的保溫溫度越好，比如說我們一般水溫70度，那我相變材料最好在65度左右，這樣是最比較經濟有效的。

針對上述的要求，對于我們的相變材料的性能要求，熱水器這塊來說，相變溫度，相變潛熱、導熱這個都要求越高越好。腐蝕性因為加入了換熱器，我們無機鹽可能會造成腐蝕，所以我們要求腐蝕性越低越好。除此以外主要用在廚房衛生間，講究安全性，必須安全不易燃。熱膨脹系數不要太大，針對這樣的要求，綜合在一起，所以說無機相變材料最合適。如果我們想要使用無機相變材料必須克服過冷過大，易分層，以及腐蝕性高的缺點。這些材料開發過程當中涉及到表征測試手段，其中XRD、SEM、FT-IR紅外這三個主要做組成以及結構表征的。后面的DSC、導熱、步冷、電化學以及熱循環都是做性能表征。除此以外，相變材料到底好不好用還是要放在工況當中做工程應用的測試，這塊測試主要看熱水的放出量。

針對上述這塊做了一定研究，截止到2023年一共開發兩代產品，第一代主要是一般的路徑，通過成核劑和增稠劑解決相變材料的過冷和相分離問題，后面根據其中腐蝕性問題以及熱導率低問題我們開發了第二代，這里是我們成核劑選擇的篩選實驗，通過篩選不同的成核劑找到這樣最佳的配比。我們行業內一般的情況下，會選用溫度稍低的其他的無機水和鹽做成核劑，來促進主料的成核生長行為，也有使用納米材料的，但是實際上我們不太喜歡使用納米材料，因為納米材料最終還是會存在團聚的沉降的問題。

這個是增稠劑的選擇。增稠劑使用的原理就是通過提高體系的黏度，使得體系內部成分分布更加的均勻，從而提高壽命這些圖表當中我們可以看得出來，加入增稠劑以后，即便是多次熱循環以后，我們潛熱下降也非常的有限。同時過冷度提高不大，相變溫度穩定，這樣可以應用到我們的熱水器當中去了。

這個是做的結構組成的表征。從結構組成表征分析當中，我們知道我們這些原料在一起，主要發生的是物理混合的過程。并不是涉及化學變化。為我們工業化生產提供了一定的依據。

這個是我們組裝的第一臺樣機，儲熱相是用20升的情況。樣機組裝好以后我們做了兩個測試，一個就是不加熱情況下出水量測試，一個是持續加熱情況下熱水量測試。這里可以看到不加熱情況下，即便20升的儲熱箱，放出40度以上熱水的量大約是90升概念。增溶倍數達到3.5倍。持續加熱情況下，我們放出來熱水量169升。增容系數達到8.45%，這是當時做的測試，如果把我們雙杠技術應用進去實現無限熱水的提供。相對傳統儲水熱水器相比，我們使用了相變熱水器以后，儲熱量，放水量極大的增加，這種增加是通過我的儲備來增加的，而不是即時加熱增加的，相對于傳統儲水熱水器來講可以達到更好的節能的效果。

針對第一代當中的情況，我們后面做了改進，進行二代產品的開發，這個開發當中我們增設新型改性劑，具有增稠功能，同時降低我們材料對于換熱器以及容器的腐蝕性的效果。通過篩選以后我們發現我們加入量非常少，加入質量比0.2可以取得比傳統的增稠劑更好的提高壽命效果，以及防腐效果，同樣，他們的組成也是物理混合的過程，并沒有發生化學變化。這是我們建立起來的電化學腐蝕評價手段。通過電化學工作站來做，這里用一個簡單對比，數據當中可以看出來，無論自腐蝕電位，腐蝕電流密度，以及電話電阻來比較，看到二代產品腐蝕性遠低于一代產品，更不用說這樣原料，可以起到很好防腐效果。

這是大致的性能的對比，一代二代性能對比。從對比中可以看出來，我們這里使用市面上58度像快材料，這里對比可以看出來，我們加入量減小了，添加劑。我們儲熱量有5-6%提高。同時腐蝕性降低，熱循環性穩定，過冷度也保持基本穩定，凝固溫度52度，家用也沒有什么問題，非常的好了。

這是實驗室研究，工業化生產當中，針對一些工業化生產當中才可能出現的情況，我們也做了一定的研究。

一個是導熱性能改善，我們找到比較合適的導熱材料，導熱材料密度非常小，我們處理完以后，每一克大概360毫升，在質量加入百分比可以變得非常小，我們加入1%就可以起到比較好的提高導熱的效果，可以把整個導熱材料提到1瓦以上。

再就是補水方式，我們使用主要原料是無機水和鹽，無機水和鹽加熱熔化過程中實際上失水，這個水量影響我們最終的儲熱量，所以說合適的時間補水有更加的好的效果，同時降低過冷度。

再有混料工藝，工業化生產過程當中，混料工藝設計加熱、攪拌，還涉及到人工、能耗。所以我們對混料工藝也進行了研究，這里三張圖中可以看出來，第一張圖中當中相同攪拌條件下明顯顆粒沒有溶解。第三張圖可以看到溶解得幾乎非常的完全，可以看到選擇不同的工藝，影響也是比較大。

最后吸附時間和溫度。這指的是我們導熱材料和相變材料復合使用對應的工藝的選擇，我們進行探索，找到了比較合適的工藝的途徑。

最后，講一下，未來繼續解決問題，以及我們正在做的事情。

基于工業化考慮，我們相變儲熱熱水器還是比較貴的，大部分人接受程度相對還是比較低，雖然優點有很多。貴原因兩個，一個是相變儲熱材料本身成本，還有一個我們額外加了換熱器。如果想把成本降低下來，一個方式就是高導熱的相變儲熱材料的開發，就是導熱率提上去了，換熱器可以簡化，這樣可以明顯降低成本。

第二點，相相變儲熱材料它的儲熱主要來自主料純度，純度越高，儲熱越高，如何用工業化原料生產高儲熱的相變儲熱材料也是針對工藝化技術的演化，像這個研究較少。

從未來第三代來講，我們主要針對兩塊，一個是壽命的快速評價。很多企業非常關心這個壽命的問題，而我們實驗室的測試方法，使用的是樣品量非常少。大約只有1克以內，多的話十幾二十克。用它評價10公斤以上的循環壽命，往往有的時候往往不太準確，所以我們需要開發一個針對大重量的相變材料壽命的評價手段，要不然我們做一個壽命評價實驗要半天以上，可能就趕不及了。

第二點就是前面所說的，我們這個相變材料離我們恒溫越近，它的儲熱的效率越高，用戶的舒適度越高。而我們目前在70度，我們相變材料最經濟適用一款在60度的附近。如果說我們開發70度左右，那就65度，那很明顯將會更加適用家庭的使用。

我的演講到此結束，謝謝大家。