几种热水器的经济性对比分析

2020-04-02赵玉磊刘春花

太阳能 2020年2期

赵玉磊，刘春花

(山东华宇工学院建筑节能工程技术研发中心，德州 253000)

0 引言

热水器已经成为家家户户生活中的必需品，洗浴、洗衣、清洁都离不开热水。2017年，我国热水器在国内市场上的销售总量超过4400万台，销售额近700亿元；据专家预测，2020年热水器的年销售额将达到千亿元[1]。家庭热水器的种类主要包括燃气热水器、电热水器、太阳能热水器、空气能热水器4种。其中，燃气热水器和电热水器共占据了2017年热水器国内市场总份额的近90%[2]，成为热水器市场的主力军。

本文以山东省德州市、上海市为例，对4种热水器产品的特点、价格和运行成本进行了对比分析，并根据年化成本选择了最适合当地使用的热水器产品。

1 4种热水器产品在德州市的应用对比

2018年德州市的自来水温度变化曲线如图1所示。通过图1可计算出2018年德州市自来水年平均温度为15 ℃。

设每户居民每天的用水量为50 L，则加热这些水全年所需热量Q[3]为：

图1 2018年德州市自来水温度变化曲线Fig.1 The change curve of tap water temperature in Dezhou city in 2018

式中，Cp为水的定压比热容，kJ/(kg·℃)，取4.2 kJ/(kg·℃)；v为每户每天用水量，L，取50 L；ρ为水的密度，kg/m3，取1000 kg/m3；tr为热水温度，℃，取42 ℃；tlp为自来水年平均温度，℃，取15 ℃；n为全年用水天数，天，取350天。

将以上参数代入式(1)，则Q=1984.5 MJ。

1.1 燃气热水器

1.1.1 产品介绍

燃气热水器的工作原理是通过燃烧燃气来加热冷水，从而获得热水，并将热水输送到用水点。燃气壁挂炉为复合产品，可以同时满足用户采暖和热水的需求，由于本文分析主要是为了满足用户的采暖需求，因此在此不作考虑。随着各地天然气管网的不断铺设与完善，燃气热水器在市场中占据的份额已经超过电热水器[4]。2017年，13 L及以上的燃气热水器的销售额占所有燃气热水器总销售额的近70%[5]。智能化、大水量、零冷水、水温恒定是燃气热水器的技术发展方向。

1.1.2 产品特点

燃气热水器体积小，安装方便，一般安装在厨房内；随开随用，不需要等待，可以提供大量恒温热水；强排式结构，安全可靠。

需要注意的是，在封闭的空间里，如果燃气出现泄漏，后果将非常严重，因此，燃气热水器需要由专业人员安装和维护。

中低端燃气热水器在初始启动或二次启动时会有5～15 s的冷水。为了解决管道出现的冷水问题，实现“即开即热”，各大燃气热水器厂家采用“管路循环”或“恒温水箱”技术，以实现开机即有热水[6]。

1.1.3 产品价格

美的、万和、万家乐品牌的14 L燃气热水器产品的价格为2000～3000元/台；海尔、万和、A.O.史密斯品牌的16 L零冷水燃气热水器产品的价格为8000～11000元/台。

1.1.4 使用成本燃气热水器的年燃气用量V的计算式为：

式中，ql为单位燃气热值，MJ/m3，取35 MJ/m3；ηr为燃气热水器效率，取90%。

将数值代入式(2)，可计算得到V=63 m3。德州市的燃气价格为2.2元/m3，则在德州市使用燃气热水器全年的燃气费用约为139元(本费用结果未考虑燃气热水器的耗电费用)。

1.2 电热水器

1.2.1 产品介绍

电热水器的工作原理是将电能转化为热能来加热冷水，从而获得热水。电热水器包括储水式和即热式2种类型[7]。即热式电热水器的体积小巧，可以“即开即热”，但功率大，对线路要求高，且由于北方冬季水温低，因此产品使用舒适度稍差。储水式电热水器是利用内置电加热管实现水箱内冷水的加热，包括敞开式和封闭式2种。敞开式的价格低，使用效果差，市场份额小；封闭式水箱承受压力，可进行多路供水，外壳有保温，能长时间储存热水，占据了电热水器市场的大部分份额。2017年，60 L以上储水式电热水器市场销售额占比达到50%以上[5]。小体积、大容积，外观优美，具有Wi-Fi、抑菌等更多功能是电热水器的发展趋势。

1.2.2 储水式电热水器的产品特点

结构简单，温度控制精确；封闭式的储水式电热水器一般安装在浴室内，可隐藏安装，管路冷水极少，使用中开关水阀的水温波动小，舒适度高。但封闭式的加热速度慢，使用前需提前预热，若一直通电，会有能耗；使用时要关闭电源，建议不要带电洗浴；热水供应能力有限，不能满足多人大容量的热水需求；易积存水垢及杂质，影响使用效果。

1.2.3 储水式电热水器的产品价格

海尔、美的、A.O.史密斯品牌的60 L电热水器的价格约为1000～2000元/台。

1.2.4 储水式电热水器的使用成本

储水式电热水器的年耗电量E的计算式为：

式中，ηd为电热水器效率，取95%。

将数值代入式(3)，可计算得到E=580 kWh。德州市的电价为0.54元/kWh，则在德州市使用储水式电热水器全年的电费约为313元。

1.3 太阳能热水器

1.3.1 产品介绍

太阳能热水器的工作原理是利用太阳能集热器将太阳光能转化为热能，以实现对冷水的缓慢加热，并将加热后的热水储存在水箱内。据报道，在2006年甚至更早，我国太阳能热水器的市场保有量已位居全球第一[8]。太阳能集热器包括真空管式和平板式，现在市场上的产品大多数为真空管式。根据产品结构，太阳能热水器可分为一体式和分体式，随着我国各地城镇化建设的加快，高层建筑的增加，一体式逐渐被分体式取代。2种不同结构的太阳能热水器的运行原理如图2、图3所示。

图2 一体式真空管太阳能热水器的工作原理图Fig.2 Schematic diagram of integral vacuum tube solar water heater

图3 分体式真空管太阳能热水器的工作原理图Fig.3 Schematic diagram of split vacuum tube solar water heater

目前，太阳能热水器在一二线城市的市场份额急剧下降，但在三四线城市的市场份额增长较快；新建小区太阳能热水器工程占太阳能热水器行业销量的50%以上[9]，集中采购安装不但价格低、售后方便、质量有保障，而且一致性好，这一点从图4、图5中可以看出。由于平板式集热器具有结构紧凑、重量轻、中低温段效率高、安全可靠等优点，近几年其市场份额增长速度较快，南方市场上的分体式太阳能热水器有90%采用了平板式集热器。太阳能与建筑一体化加快了太阳能热水器走进城市高层用户的速度[10]。

图5 分体式太阳能热水器的工程图Fig.5 Engineering drawing of split solar water heater

1.3.2 产品特点

1)使用清洁能源，安全绿色，一次投资，长期收益；2)水箱内增加辅助电加热，可24 h供应热水；3)一体式太阳能热水器的集热器一般安装在建筑的屋顶，不占用室内面积，如图4所示；4)分体式太阳能热水器的集热器一般安装在南阳台外侧，如图5所示；5)分体式太阳能热水器大多采用自然循环系统，不需要循环泵，效率高且安全可靠。

太阳能热水器在使用中应注意：1)集热器在安装时应考虑不能存在长时间的遮挡。2)一体式太阳能热水器采用管路落水方式，水压低，温度调整困难，舒适性差；北方地区采用一体式太阳能热水器时，户外管路需增加防冻、化冻电伴热带。3)分体式太阳能热水器的水箱大多安装在南阳台内，而厨房和浴室等用水点多位于房屋北侧，所以存在管路长、安装复杂、管路有冷水等缺点。4)低楼层多安装一体式太阳能热水器，高楼层多安装分体式太阳能热水器。

1.3.3 产品价格

皇明、太阳雨、力诺瑞特品牌的100 L一体式太阳能热水器的价格为3000～4000元/台，管路、保温材料等配件约500元/台；100 L分体式太阳能热水器的价格为5000～6000元/台。

1.3.4 使用成本

连续阴天时太阳能热水器需启动辅助电加热，1年中这样的时间约占10%。参考储水式电热水器的年耗电量为580 kWh，德州市的电价为0.54元/kWh，则在德州市使用太阳能热水器全年的电费约为31元。

1.4 空气能热水器

1.4.1 产品介绍

空气能热水器的工作原理是采用热泵技术将空气中的热量通过冷媒传输到水中，从而实现对水的加热。在消耗的电能一定的情况下，空气能热水器可以获取的热能相当于电能产生的3～5倍，而且其采用的是清洁能源。空气能热水器的运行原理如图6所示。

图6 空气能热水器的运行原理示意图Fig.6 Schematic diagram of operating principle of air energy water heater

空气能热水器在国内出现的较晚，尚属于新生事物，其市场份额非常小；且产品还需要提高质量，以保证稳定性[11]；户外一体机是其发展方向之一。

1.4.2 产品特点

优点：1)采用清洁能源，不排放废气和有毒气体；2)主机大多安装在南阳台外；3)采用中温换热结构，通过介质传热，热水与电完全隔离，安全无垢；4)相比于太阳能热水器，空气能热水器的加热速度较快[12]。

缺点：1)空气能热水器的使用效果直接受环境影响，在南方地区节能效果优异，在北方地区效果一般；2)压缩机运行时有一定的噪音，有冷凝水排出；3)与太阳能热水器一样，空气能热水器需要水箱储存热水，水箱较大且需要安装在阳台上，系统复杂，因此安装前需要提前规划。

1.4.3 产品价格

格力、海尔、美的品牌的200 L空气能热水器产品的价格为5000～7000元/台。

1.4.4 使用成本

由于空气能热水器的使用效果直接受环境的影响，在南方地区节能效果优异，但在北方地区效果一般。德州地区每年有约20～30天时间使用效果不佳，所以在德州不建议使用。

2 经济性分析

假设每户居民每天需使用42 ℃热水50 L，分析在德州市使用3种热水器产品的费用情况，如表1所示，表中产品价格均选择主流产品的平均价格。从数据可以看出，电热水器的产品价格最低，但其年运行成本最高；太阳能热水器的年运行成本最低，但其中分体式太阳能热水器的产品价格最高；燃气热水器的产品价格适中。综合考虑各类产品的使用寿命后，在德州市，一体式太阳能热水器的经济性最高。

为了更全面的考虑每种热水器的使用成本，分别计算每户居民每天热水用量为100 L、200 L时几种热水器产品的年化成本。需要注意的是，由于太阳能热水器水量容积有限，需根据不同的用水量调整产品价格。其中，一体式太阳能热水器100 L产品价格为4000元，200 L产品价格为4500元；分体式太阳能热水器100 L产品价格为5500元，200 L产品价格为8000元。德州市不同状况下热水器的运行成本对比如表2所示，表中产品价格均选择主流产品的平均价格。

表1 德州市几种热水器运行参数的对比Table 1 Operating parameters comparison of different water heaters in Dezhou city

表2 德州市不同状况下热水器的运行成本对比Table 2 Operation cost comparison of water heaters under different conditions in Dezhou city

通过表2的对比可以发现，在德州市，一体式太阳能热水器的年化成本最低，电热水器最高，分体式太阳能热水器与燃气热水器的年化成本较为接近。在德州市使用这几种热水器的年化成本的对比结果如图7所示。

图7 德州市几种热水器的年化成本对比Fig.7 Annualized cost comparison of different water heaters in Dezhou city

3 在其他地区应用的经济性分析

为对比几种热水器在南方城市的运行情况，选取南方典型城市——上海市进行经济性分析。上海市的自来水年平均温度tlp为20 ℃，全年用水天数n同样取350天，其他参数不变。带入式(1)，可得Q=1617 MJ。

上海市的燃气价格为3.00元/m3，因燃气热水器的燃气用量较少，此处不考虑燃气的阶梯气价变化带来的影响。如装有分时电表，22:00～06:00时间段的电价为0.31元/kWh，06:00～22:00时间段的电价为0.62元/kWh。

考虑地域特点，热水器产品价格均取高值。燃气热水器的价格为3000元/台，寿命为8年；电热水器的价格为2000元/台，寿命为6年；空气能热水器的价格为7000元/台，COP=4，寿命为10年。考虑实际情况，一体式太阳能热水器100 L产品的价格为5000元/台，200 L产品的价格为8000元/台；分体式太阳能热水器100 L产品的价格为6000元/台，200 L产品的价格为10000元/台；所有太阳能热水器的使用寿命都为10年。

上海市不同状况下热水器的运行成本对比如表3所示。

表3 上海市不同状况下热水器的运行成本对比Table 3 Operating cost comparison of water heater under different conditions in Shanghai city

从表3可以看出，在上海市，一体式太阳能热水器年化成本最低，具有比较明显的价格优势。如不考虑阶梯电价的因素，使用成本最高的是电热水器，燃气热水器与电热水器相比具有较为明显的价格优势；若考虑谷电因素的影响，科学使用谷电，电热水器的年化成本将大幅降低，与一体式太阳能热水器接近。随着用水量的增加，由于不增加设备投资，相比于其他热水器，空气能热水器的年化成本增辐降低。在上海市使用几种热水器的年化成本的对比结果如图8所示。

图8 上海市几种热水器的年化成本对比Fig.8 Annualized cost comparison of different water heaters in Shanghai city

4 发展趋势

虽然欧美家庭大多采用多能源互补型家庭热水中心，但我国由于居住条件和用水习惯不同，短期内单一产品更具有市场。在我国的热水器市场，燃气热水器和电热水器在今后较长一段时间内仍将占据主导地位；太阳能热水器的发展需进一步降低成本，增加与建筑之间的有效结合，增强产品研发的针对性，研究出适合不同地域的产品；空气能热水器的成本也是制约其发展的主要因素，可以着力开拓洗浴中心、大中型饭店、美发机构等需要大量用水的场所。