全玻璃型和熱管型真空管太陽能熱水器的經濟性對比

肖蓀,楊洪海

(上海東華大學環境科學與工程學院,上海201620)

我國的真空管型太陽能熱水器產品的集熱效率高,特別是在冬季低溫條件下仍能產生熱水,其特點比較適合我國的國情,因此在我國應用得比較多,是我國太陽能熱水器的主流產品。真空管型太陽能熱水器又可以分為全玻璃型和熱管型,全玻璃真空管太陽能熱水器的集熱面吸收率高、發射率低,集熱器的日平均效率可達46%[1],具有一定的抗凍能力,而且操作簡單,但是集熱器不承壓,使用時不能缺水空曬,否則可能導致玻璃管爆裂,而且只要有一根管子爆裂整個熱水器就不能使用。熱管真空管型太陽能熱水器啟動快、承壓能力高、抗凍能力強,平均熱損系數小于1.0左右,日平均效率高可達54%[1],并可在零下25℃條件下繼續使用[2]。與電熱水器和燃氣熱水器產品相比,太陽能熱水器的運行成本雖然為0,但投資成本特別是熱管真空管型太陽能熱水器較高,用戶往往更關心經濟性。本文將對典型的全玻璃型和熱管型真空管太陽能熱水器的經濟性進行比較。

1 比較對象和條件

本文選用皇明牌全玻璃真空管型和熱管真空管型太陽能熱水器作為比較對象,兩種熱水器的效率不同,滿足同樣的熱水供應要求所需要的容量也不同。本文的計算以上海某小區別墅為例,假設用水人數為4人,每人每日最高用水定額取100 L[3],日均用水50 L,即每天要求產熱水200 L;熱水的配水溫度取60℃[4],冷水溫度取15℃[5]。

根據熱水供應量的要求,全玻璃真空管型選擇采光面積為3.13 m2的冬冠210(20)高溫型產品,牌號HM-20TT21/Φ58-50,熱管真空管型選擇采光面積為2.81 m2的金盾原配一體機(天驕)高溫型產品,牌號HDWR-18TT21/Φ58-4。作為比較的參考對象選擇容量為200 L的 FCD-MLD200海爾電熱水器。

2 每年可節約的費用計算

太陽能熱水器每年所產生的熱量[6]:

式中:Q為太陽能熱水器每年所產生的熱量,GJ;β為太陽能輻射能全年可利用系數,上海地區取0.58[7];E為單位面積太陽年輻射總量,上海地區取4.66 GJ/(m2?年)[3];ηs為太陽能熱水系統的熱效率,全玻璃真空管型取0.46,熱管真空管型取0.54;A為太陽能熱水器采光面積,m2。

選擇的全玻璃真空管型和熱管真空管型太陽能熱水器的集熱器面積分別為3.13 m2和2.81 m2,由式(1)每年產生熱量分別為3 891 MJ(1 083 kWh)和4 101 MJ(1 140 kWh)。

與電熱水器相比,電加熱器的熱效率一般為0.90[7],所以利用全玻璃真空管型和熱管真空管型太陽能熱水器供熱水,每年可節約電量1 203 kWh和1 268 kWh,上海地區的民用電電價為0.62元/kWh[8],可分別節約電費746元和786元。

3 壽命期內的總節省費用及投資回收期

作為比較對象的海爾電熱水器價格大約為4 580元/臺。所選的全玻璃真空管型和熱管真空管型太陽能熱水器的價格分別為7 000元/臺(包括增壓泵)和12 000元/臺左右。那么采用全玻璃真空管型太陽能熱水器,投資要比電熱水器多2 420元,比熱管真空管型要多7 420元。

壽命期內太陽能熱水器的總節省費[3]:

式中:SAV為系統壽命期內總節省費用,元;ΔQsave為太陽能熱水系統的年節能量,由上述估算,全玻璃型和熱管型分別為3 891 MJ和4 101 MJ;PI為太陽能熱水器的折現系數;Cc為熱價,根據上文數據計算,電熱的價格是0.192元/MJ;A d為太陽能熱水系統總增投資,由上述估算,全玻璃真空管型和熱管真空管型分別為2 420元和7 420元;DJ為每年用于與太陽能熱水系統有關的維修費用(包括太陽集熱器維護、集熱系統管道維護和保溫等費用)占總增投資的百分率,一般取1%[3]。

式(2)中的折現系數PI[3]:

式中:d為年市場折現率,取6.12%[3];e為年燃料價格上漲率,按1%考慮[3];n為系統壽命,太陽能熱水器產品一般為15年。

代入數據可以得到折現系數PI為10.229;再與式(2)可以得到,與海爾電熱水器相比,全玻璃真空管型壽命期內總節省費用為4 974元,而熱管真空管型壽命期內要多支出125元。

當太陽能熱水系統運行n年后節省的總資金與系統增加的總投資相等時,式(4)成立,即SAV=0,

則此時的總累積年份n定義為系統的動態回收期Nε,即按照給定的折現率用系統節省的總費用的現值將系統增加的投資回收所需的年數[3]:

式(5)中的PI[3]:

根據上述估算值和式(6),全玻璃型和熱管型在節省的總資金等于系統增加的總投資時的折現系數分別為3.35和10.40;再由式(5)可得,兩者的動態回收年限分別為3.8年和15.4年。

從以上計算可以看到,與電熱水器相比,玻璃真空管型在壽命期內可以節省4 974元,而熱管真空管型在壽命期內反而要多支出125元,兩種太陽能熱水器在壽命期內的經濟效益要差5 099元。玻璃真空管型太陽能熱水器的回收年限不超過4年,而熱管真空管型太陽能熱水器只有當它的使用壽命超過15年,才有可能收回多投資的成本,但是太陽能熱水器的設計壽命一般為15年,回收期超過了設計壽命。

4 結論

全玻璃真空管太陽能熱水器的初投資比熱管真空管型便宜,投資回收年限較短。而熱管式真空管太陽能熱水器的初投資比較大,在壽命期內無法回收初投資,因此從經濟性方面考慮,熱管式不如全玻璃式。不過熱管式真空管太陽能熱水器具有換熱效率高、維修費用低、不易炸管,而且即使一根管子意外破損也不影響整個熱水器的使用等,特別是作為一種不需要傳統含碳能源的產品,對于有消費能力同時希望方便可靠的用戶來說還是有吸引力的。當然要進一步推廣,還需要研究熱管式真空管太陽能熱水器的新技術,降低其成本。

[1]胡亞才,魏林生,洪榮華,等.真空玻璃蓋板熱管平板式太陽能熱水器的研制,熱科學與技術[J],2005,4(2):3-4.

[2]莊俊,張紅.熱管技術及其工程應用[M].北京:化學工業出版社,2000.

[3]鄭瑞澄.民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊[M].北京:化學工業出版社,2005.

[4]高明遠,岳秀萍.建筑給水排水工程學[M].第二版,北京:中國建筑工業出版社,2002.

[5]建筑工程常用數據系列手冊編寫組.給水排水常用數據手冊[M].第二版,北京:中國建筑工業出版社,2002.

[6]羅運俊,李元哲,趙承龍.太陽熱水器原理、制造與施工[M].北京:化學工業出版社,2005:56-57.

[7]董偉玉.住宅太陽能熱水系統的節能與經濟分析.建筑節能[J].2005,27(3):1-2.

[8]http://www.wj.sh.cn/(上海市價格信息服務網,上海市物價局關于調整上海市電網電價的通知(2008-06-30)