1、引言

电热水器主要是指大家广泛使用的沐浴用电器，其中的大部分电热水器都采用储水式加热。所谓储水式加热方式是指在热水器中有一个用于将水加热的固定式器具，它装有控制或限制水温的装置，可长期或临时储存较多的热水[1]。该装置被称为内胆，是电热水器的核心零件。

由于内胆中的电加热器长期处于高温状态，当水质较差时极易产生水垢，如图1所示。水垢的导热系数极低，集聚后会造成电加热器的加热效率下降；此外由于热量不能及时传递给水，造成加热系统表面温度过高，容易产生爆管危险；结垢层导热系数差，容易造成加热效率的大幅度下降，加剧能源消耗，造成浪费。

图1 电热水器中的水垢

随着电加热器的热胀冷缩，垢层不断脱落，堆积在内胆的底部，带来细菌的滋生。水垢在这种环境中长时间积累会造成水中有害物质的超标，其中军团菌污染的问题值得关注[2]。据报道，藏匿在水垢中的军团病菌至今仍无疫苗可预防，法国每年有2000至3000人死于这种病菌[3]。美国环境研究员、营养学家、著名水专家马丁•福克斯博士在他的著作中写到：对人体有害物质，成年人大约有60%通过皮肤吸收，通过口腔吸入的27%左右；儿童洗澡过程中皮肤吸收在88%左右，口腔吸入在12%左右[4]。沐浴水质由于水垢导致的恶化，对人体健康的危害不容忽视。

2、电热水器结垢形成机理分析

2.1 水垢的组成

水垢是指通过在水中的无机盐沉积在金属表面上形成的水垢层，如硫酸钙、磷酸钙、硅垢、碳酸钙、氢氧化镁等。其中水垢的主要成分是CaCO3和MgCO3。热水器中加热时，水垢产生的主要原因是：

Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H2O

Mg(HCO3)2→MgCO3↓+CO2↑+H2O

水垢中的钙、镁离子主要自来两个方面：一是来自于自来水中。在我国北方地区水质硬度较高，如表1所示，硬水中的钙镁离子比较多[5]，在电加热器中加热容易形成碳酸镁、碳酸钙等。（0～60mg/L为软水；60～120mg/L为中等硬度水120～180mg/L为硬水）[7]

二是来自内胆中的镁棒。为保护热水器内胆不发生腐蚀穿孔，现有的储水式电热水器的内胆中的都会添加镁棒进行阳极保护，而镁棒作为牺牲阳极发生腐蚀，生成镁的腐蚀产物，产生沉淀，如图2所示。

图2 储水式电热水器中的镁棒

除此之外，水中本身还含有各种杂质，例如装修后的泥沙、金属水管中的生锈，其他无机盐沉淀，水中的细菌和微生物等；镁在特定条件下会转变成表面粘稠的氢氧化镁粘结这些悬浮的物质，吸附在内胆壁表面形成粘胶状的污泥。

2.2 水垢生成的条件

一个电加热器的结垢程度主要与水的硬度有关，水硬度是形成水垢和影响热水器寿命至关重要的因素。水硬度包含碳酸盐硬度(暂时硬度)和非碳酸盐硬度(永久硬度)。其中，碳酸盐硬度表示水中溶解的重碳酸钙Ca(HCO3)2及重碳酸镁Mg(HCO3)2的含量。热水器使用过程中,在碳酸盐硬度较大的水质中,很可能在电加热器和内胆表面上结垢。

同时，值得注意的是：电加热器的表面粗糙度对于水垢的形成也有一定的影响。粗糙表面的凸出部分有利于成核，凹下部分又可以减小水流的冲击效果[8]，这两方面都会加速水垢的沉积，并且粗糙表面会增加表面化学活性，同样会加速水垢的生成。

此外，水温越高，电加热器的积垢速率越快，如图3所示。加热温度对水垢的影响，主要体现在随着水温升高，水中具有逆溶解度的盐类会析出结晶，附着在加热管或内胆上。

图3 水温对积垢率的影响[9]

3、几种电热水器内胆中水垢的处理方法

电热水器内胆水垢的处理措施，可以通过“防、缓、测、除”四种不同方法，有效减少或者去除电热水器内胆中的水垢，保持内胆清洁和水质健康。

3.1 防

“防”是指通过电子阳极、磁化装置、水质净化、添加阻垢剂等处理方法，降低或分解水中容易结垢的物质。

这种方式应用的主要技术为电子阳极技术，是指通过一些电子装置和金属阳极，在水中形成微电流来提供内胆防腐所需的电子，形成对内胆的防护，有效替代镁棒，避免因镁棒电解后产生的碳酸镁沉淀；同时，预先进行水质处理，降低内胆水中的钙镁离子、硬水硬度等，可以有效降低热水器内胆、电加热器等零件的结垢概率。这一方式的主要措施包括增加前置过滤、前置软水装置或前置磁化装置等，通过离子交换树脂的使用可以有效降低水中的大颗粒杂质和容易结垢的物质，从而降低水垢问题的风险；而磁化阻垢技术已被很多文献报道[10-11]，所谓磁化阻垢，是指在水中添加一定的磁场以改变水分子特性，从而改变沉积过程中碳酸钙、碳酸镁的物理性质，进而改变沉积速度，防止结垢。磁化处理时间对结垢的影响如图4所示。

图4 磁化处理时间对结垢的影响[9]

而添加特殊阻垢剂则可以与药剂分子形成钙离子，镁离子和碳酸根离子的络合物，增加其在高温水中的溶解度，阻止水垢的产生和沉积，阻垢剂浓度、温度分别对阻垢率的影响如图5所示。目前，有许多可用于工业的阻垢剂，适用于水处理[12,13]。其中，生活用水中常用的阻垢剂是硅磷晶[14]。硅磷晶技术使用方便，无功耗，不增加水系统的阻力，无需特殊维护。具有一次性投入少，适应性广，阻垢性强，除垢能力强，性能稳定的特点，适用于储水式热水器。

图5 阻垢剂浓度、温度分别对阻垢率的影响[15]

3.2 缓

“缓”是指通过改变加热设备和加热条件，减缓水垢的生成速度。此方法主要通过提升电加热器表面光洁度、降低表面负荷、采用智能控制程序等，减缓水垢的生成速度。

在加工和设计时，提升加热管表面的光洁度，可以有效降低电加热器的结垢速度。目前行业里普遍采用的是搪瓷电加热器技术，该技术通过电加热器表面的搪瓷处理，提升表面光洁度，大幅度降低水垢生成的速度。同时，通过加大电加热器表面积或降低电加热器功率来降低电加热器的表面负荷，进而降低电加热管的表面温度，也有利于减缓电加热器的结垢速度。

除上述方式外，还可通过智能控制程序，减少内胆中水处于高温的区间时间。此方法主要是指应用智能控制程序，例如通过自学习功能或者预约功能，只在用户需要用水的时间段前完成加热，在用户不使用的时间段保持中温或者不加热状态，避免设备长时间处于易结垢的高温区间。

3.3 测

“测”是指通过各种传感器对水垢情况进行检测，主动发现水垢问题并且实施主动干预。电加热器的加热速度曲线会随着水垢的累积产生相应的变化，对加热速度进行检测，得出加热曲线统计结果，有利于判断电加热器的结垢情况。而TDS水质检测[16.17]是指通过在内胆下部设置TDS检测装置，检测内胆下部形成的水垢脱落或者沉积情况，从而判断出内胆中水垢的状态，可以安装多个探头，避免误判。当检测到内胆或电加热器的水垢增多或者沉积到一定程度时，立即提醒消费者进行排污处理或通过物联网平台传递到服务机构，进行清洁或更换。

3.4 除

“除”是指通过自动化或者快捷排污方式去除水垢。利用超声波除垢[18.19]，有助于去除电加热器上的水垢。将超声波装置安装在电加热器上，通过超声波对电加热器的震动，有效去除加热管上的水垢，使其通过排污排出。搪瓷的脱落会加速内胆的腐蚀，因此，在利用超声波除垢时，需要注意装置的安装位置，不能对内胆搪瓷造成影响。

目前电热水器常规的排污需要用专用工具拆卸掉排污口，目前行业开始使用快速排污措施，以降低排污的专业度和复杂度。快速排污装置（如图6所示）是目前行业内利用率最高的排污装置，一般多采用球阀式结构进行手动排污，或利用步进电机替代人手控制实现自动排污。

图6 电热水器快速排污装置实物

4、总结

随着生活水平的提高，消费者对水质健康也越来越重视。电热水器作为人们沐浴的重要电器，其水垢问题也被相关厂商日益重视。

本文综述了水垢对电热水器的影响以及一些目前行业内通用的防治和监控水垢的做法，有助于电热水器水质的健康升级，并使消费者更加直观地了解和检测到电热水器的水垢状况，以期综合改善水垢对电热水器的影响。但文中提到的只是部分解决方案，希望未来有更多新技术研究出来，有效降低内胆中的水垢，实现健康沐浴的升级。

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