幾種熱水器的經濟性對比分析

趙玉磊，劉春花

(山東華宇工學院建筑節能工程技術研發中心，德州 253000)

0 引言

熱水器已經成為家家戶戶生活中的必需品，洗浴、洗衣、清潔都離不開熱水。2017年，我國熱水器在國內市場上的銷售總量超過4400萬臺，銷售額近700億元；據專家預測，2020年熱水器的年銷售額將達到千億元[1]。家庭熱水器的種類主要包括燃氣熱水器、電熱水器、太陽能熱水器、空氣能熱水器4種。其中，燃氣熱水器和電熱水器共占據了2017年熱水器國內市場總份額的近90%[2]，成為熱水器市場的主力軍。

本文以山東省德州市、上海市為例，對4種熱水器產品的特點、價格和運行成本進行了對比分析，并根據年化成本選擇了最適合當地使用的熱水器產品。

1 4種熱水器產品在德州市的應用對比

2018年德州市的自來水溫度變化曲線如圖1所示。通過圖1可計算出2018年德州市自來水年平均溫度為15 ℃。

設每戶居民每天的用水量為50 L，則加熱這些水全年所需熱量Q[3]為：

圖1 2018年德州市自來水溫度變化曲線Fig.1 The change curve of tap water temperature in Dezhou city in 2018

式中，Cp為水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)，取4.2 kJ/(kg·℃)；v為每戶每天用水量，L，取50 L；ρ為水的密度，kg/m3，取1000 kg/m3；tr為熱水溫度，℃，取42 ℃；tlp為自來水年平均溫度，℃，取15 ℃；n為全年用水天數，天，取350天。

將以上參數代入式(1)，則Q=1984.5 MJ。

1.1 燃氣熱水器

1.1.1 產品介紹

燃氣熱水器的工作原理是通過燃燒燃氣來加熱冷水，從而獲得熱水，并將熱水輸送到用水點。燃氣壁掛爐為復合產品，可以同時滿足用戶采暖和熱水的需求，由于本文分析主要是為了滿足用戶的采暖需求，因此在此不作考慮。隨著各地天然氣管網的不斷鋪設與完善，燃氣熱水器在市場中占據的份額已經超過電熱水器[4]。2017年，13 L及以上的燃氣熱水器的銷售額占所有燃氣熱水器總銷售額的近70%[5]。智能化、大水量、零冷水、水溫恒定是燃氣熱水器的技術發展方向。

1.1.2 產品特點

燃氣熱水器體積小，安裝方便，一般安裝在廚房內；隨開隨用，不需要等待，可以提供大量恒溫熱水；強排式結構，安全可靠。

需要注意的是，在封閉的空間里，如果燃氣出現泄漏，后果將非常嚴重，因此，燃氣熱水器需要由專業人員安裝和維護。

中低端燃氣熱水器在初始啟動或二次啟動時會有5～15 s的冷水。為了解決管道出現的冷水問題，實現“即開即熱”，各大燃氣熱水器廠家采用“管路循環”或“恒溫水箱”技術，以實現開機即有熱水[6]。

1.1.3 產品價格

美的、萬和、萬家樂品牌的14 L燃氣熱水器產品的價格為2000～3000元/臺；海爾、萬和、A.O.史密斯品牌的16 L零冷水燃氣熱水器產品的價格為8000～11000元/臺。

1.1.4 使用成本燃氣熱水器的年燃氣用量V的計算式為：

式中，ql為單位燃氣熱值，MJ/m3，取35 MJ/m3；ηr為燃氣熱水器效率，取90%。

將數值代入式(2)，可計算得到V=63 m3。德州市的燃氣價格為2.2元/m3，則在德州市使用燃氣熱水器全年的燃氣費用約為139元(本費用結果未考慮燃氣熱水器的耗電費用)。

1.2 電熱水器

1.2.1 產品介紹

電熱水器的工作原理是將電能轉化為熱能來加熱冷水，從而獲得熱水。電熱水器包括儲水式和即熱式2種類型[7]。即熱式電熱水器的體積小巧，可以“即開即熱”，但功率大，對線路要求高，且由于北方冬季水溫低，因此產品使用舒適度稍差。儲水式電熱水器是利用內置電加熱管實現水箱內冷水的加熱，包括敞開式和封閉式2種。敞開式的價格低，使用效果差，市場份額小；封閉式水箱承受壓力，可進行多路供水，外殼有保溫，能長時間儲存熱水，占據了電熱水器市場的大部分份額。2017年，60 L以上儲水式電熱水器市場銷售額占比達到50%以上[5]。小體積、大容積，外觀優美，具有Wi-Fi、抑菌等更多功能是電熱水器的發展趨勢。

1.2.2 儲水式電熱水器的產品特點

結構簡單，溫度控制精確；封閉式的儲水式電熱水器一般安裝在浴室內，可隱藏安裝，管路冷水極少，使用中開關水閥的水溫波動小，舒適度高。但封閉式的加熱速度慢，使用前需提前預熱，若一直通電，會有能耗；使用時要關閉電源，建議不要帶電洗浴；熱水供應能力有限，不能滿足多人大容量的熱水需求；易積存水垢及雜質，影響使用效果。

1.2.3 儲水式電熱水器的產品價格

海爾、美的、A.O.史密斯品牌的60 L電熱水器的價格約為1000～2000元/臺。

1.2.4 儲水式電熱水器的使用成本

儲水式電熱水器的年耗電量E的計算式為：

式中，ηd為電熱水器效率，取95%。

將數值代入式(3)，可計算得到E=580 kWh。德州市的電價為0.54元/kWh，則在德州市使用儲水式電熱水器全年的電費約為313元。

1.3 太陽能熱水器

1.3.1 產品介紹

太陽能熱水器的工作原理是利用太陽能集熱器將太陽光能轉化為熱能，以實現對冷水的緩慢加熱，并將加熱后的熱水儲存在水箱內。據報道，在2006年甚至更早，我國太陽能熱水器的市場保有量已位居全球第一[8]。太陽能集熱器包括真空管式和平板式，現在市場上的產品大多數為真空管式。根據產品結構，太陽能熱水器可分為一體式和分體式，隨著我國各地城鎮化建設的加快，高層建筑的增加，一體式逐漸被分體式取代。2種不同結構的太陽能熱水器的運行原理如圖2、圖3所示。

圖2 一體式真空管太陽能熱水器的工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of integral vacuum tube solar water heater

圖3 分體式真空管太陽能熱水器的工作原理圖Fig.3 Schematic diagram of split vacuum tube solar water heater

目前，太陽能熱水器在一二線城市的市場份額急劇下降，但在三四線城市的市場份額增長較快；新建小區太陽能熱水器工程占太陽能熱水器行業銷量的50%以上[9]，集中采購安裝不但價格低、售后方便、質量有保障，而且一致性好，這一點從圖4、圖5中可以看出。由于平板式集熱器具有結構緊湊、重量輕、中低溫段效率高、安全可靠等優點，近幾年其市場份額增長速度較快，南方市場上的分體式太陽能熱水器有90%采用了平板式集熱器。太陽能與建筑一體化加快了太陽能熱水器走進城市高層用戶的速度[10]。

圖5 分體式太陽能熱水器的工程圖Fig.5 Engineering drawing of split solar water heater

1.3.2 產品特點

1)使用清潔能源，安全綠色，一次投資，長期收益；2)水箱內增加輔助電加熱，可24 h供應熱水；3)一體式太陽能熱水器的集熱器一般安裝在建筑的屋頂，不占用室內面積，如圖4所示；4)分體式太陽能熱水器的集熱器一般安裝在南陽臺外側，如圖5所示；5)分體式太陽能熱水器大多采用自然循環系統，不需要循環泵，效率高且安全可靠。

太陽能熱水器在使用中應注意：1)集熱器在安裝時應考慮不能存在長時間的遮擋。2)一體式太陽能熱水器采用管路落水方式，水壓低，溫度調整困難，舒適性差；北方地區采用一體式太陽能熱水器時，戶外管路需增加防凍、化凍電伴熱帶。3)分體式太陽能熱水器的水箱大多安裝在南陽臺內，而廚房和浴室等用水點多位于房屋北側，所以存在管路長、安裝復雜、管路有冷水等缺點。4)低樓層多安裝一體式太陽能熱水器，高樓層多安裝分體式太陽能熱水器。

1.3.3 產品價格

皇明、太陽雨、力諾瑞特品牌的100 L一體式太陽能熱水器的價格為3000～4000元/臺，管路、保溫材料等配件約500元/臺；100 L分體式太陽能熱水器的價格為5000～6000元/臺。

1.3.4 使用成本

連續陰天時太陽能熱水器需啟動輔助電加熱，1年中這樣的時間約占10%。參考儲水式電熱水器的年耗電量為580 kWh，德州市的電價為0.54元/kWh，則在德州市使用太陽能熱水器全年的電費約為31元。

1.4 空氣能熱水器

1.4.1 產品介紹

空氣能熱水器的工作原理是采用熱泵技術將空氣中的熱量通過冷媒傳輸到水中，從而實現對水的加熱。在消耗的電能一定的情況下，空氣能熱水器可以獲取的熱能相當于電能產生的3～5倍，而且其采用的是清潔能源。空氣能熱水器的運行原理如圖6所示。

圖6 空氣能熱水器的運行原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of operating principle of air energy water heater

空氣能熱水器在國內出現的較晚，尚屬于新生事物，其市場份額非常小；且產品還需要提高質量，以保證穩定性[11]；戶外一體機是其發展方向之一。

1.4.2 產品特點

優點：1)采用清潔能源，不排放廢氣和有毒氣體；2)主機大多安裝在南陽臺外；3)采用中溫換熱結構，通過介質傳熱，熱水與電完全隔離，安全無垢；4)相比于太陽能熱水器，空氣能熱水器的加熱速度較快[12]。

缺點：1)空氣能熱水器的使用效果直接受環境影響，在南方地區節能效果優異，在北方地區效果一般；2)壓縮機運行時有一定的噪音，有冷凝水排出；3)與太陽能熱水器一樣，空氣能熱水器需要水箱儲存熱水，水箱較大且需要安裝在陽臺上，系統復雜，因此安裝前需要提前規劃。

1.4.3 產品價格

格力、海爾、美的品牌的200 L空氣能熱水器產品的價格為5000～7000元/臺。

1.4.4 使用成本

由于空氣能熱水器的使用效果直接受環境的影響，在南方地區節能效果優異，但在北方地區效果一般。德州地區每年有約20～30天時間使用效果不佳，所以在德州不建議使用。

2 經濟性分析

假設每戶居民每天需使用42 ℃熱水50 L，分析在德州市使用3種熱水器產品的費用情況，如表1所示，表中產品價格均選擇主流產品的平均價格。從數據可以看出，電熱水器的產品價格最低，但其年運行成本最高；太陽能熱水器的年運行成本最低，但其中分體式太陽能熱水器的產品價格最高；燃氣熱水器的產品價格適中。綜合考慮各類產品的使用壽命后，在德州市，一體式太陽能熱水器的經濟性最高。

為了更全面的考慮每種熱水器的使用成本，分別計算每戶居民每天熱水用量為100 L、200 L時幾種熱水器產品的年化成本。需要注意的是，由于太陽能熱水器水量容積有限，需根據不同的用水量調整產品價格。其中，一體式太陽能熱水器100 L產品價格為4000元，200 L產品價格為4500元；分體式太陽能熱水器100 L產品價格為5500元，200 L產品價格為8000元。德州市不同狀況下熱水器的運行成本對比如表2所示，表中產品價格均選擇主流產品的平均價格。

表1 德州市幾種熱水器運行參數的對比Table 1 Operating parameters comparison of different water heaters in Dezhou city

表2 德州市不同狀況下熱水器的運行成本對比Table 2 Operation cost comparison of water heaters under different conditions in Dezhou city

通過表2的對比可以發現，在德州市，一體式太陽能熱水器的年化成本最低，電熱水器最高，分體式太陽能熱水器與燃氣熱水器的年化成本較為接近。在德州市使用這幾種熱水器的年化成本的對比結果如圖7所示。

圖7 德州市幾種熱水器的年化成本對比Fig.7 Annualized cost comparison of different water heaters in Dezhou city

3 在其他地區應用的經濟性分析

為對比幾種熱水器在南方城市的運行情況，選取南方典型城市——上海市進行經濟性分析。上海市的自來水年平均溫度tlp為20 ℃，全年用水天數n同樣取350天，其他參數不變。帶入式(1)，可得Q=1617 MJ。

上海市的燃氣價格為3.00元/m3，因燃氣熱水器的燃氣用量較少，此處不考慮燃氣的階梯氣價變化帶來的影響。如裝有分時電表，22:00～06:00時間段的電價為0.31元/kWh，06:00～22:00時間段的電價為0.62元/kWh。

考慮地域特點，熱水器產品價格均取高值。燃氣熱水器的價格為3000元/臺，壽命為8年；電熱水器的價格為2000元/臺，壽命為6年；空氣能熱水器的價格為7000元/臺，COP=4，壽命為10年。考慮實際情況，一體式太陽能熱水器100 L產品的價格為5000元/臺，200 L產品的價格為8000元/臺；分體式太陽能熱水器100 L產品的價格為6000元/臺，200 L產品的價格為10000元/臺；所有太陽能熱水器的使用壽命都為10年。

上海市不同狀況下熱水器的運行成本對比如 表3所示。

表3 上海市不同狀況下熱水器的運行成本對比Table 3 Operating cost comparison of water heater under different conditions in Shanghai city

從表3可以看出，在上海市，一體式太陽能熱水器年化成本最低，具有比較明顯的價格優勢。如不考慮階梯電價的因素，使用成本最高的是電熱水器，燃氣熱水器與電熱水器相比具有較為明顯的價格優勢；若考慮谷電因素的影響，科學使用谷電，電熱水器的年化成本將大幅降低，與一體式太陽能熱水器接近。隨著用水量的增加，由于不增加設備投資，相比于其他熱水器，空氣能熱水器的年化成本增輻降低。在上海市使用幾種熱水器的年化成本的對比結果如圖8所示。

圖8 上海市幾種熱水器的年化成本對比Fig.8 Annualized cost comparison of different water heaters in Shanghai city

4 發展趨勢

雖然歐美家庭大多采用多能源互補型家庭熱水中心，但我國由于居住條件和用水習慣不同，短期內單一產品更具有市場。在我國的熱水器市場，燃氣熱水器和電熱水器在今后較長一段時間內仍將占據主導地位；太陽能熱水器的發展需進一步降低成本，增加與建筑之間的有效結合，增強產品研發的針對性，研究出適合不同地域的產品；空氣能熱水器的成本也是制約其發展的主要因素，可以著力開拓洗浴中心、大中型飯店、美發機構等需要大量用水的場所。

5 總結

本文對4種熱水器產品在德州市和上海市的應用進行了經濟性分析，并根據年化成本選擇出了最適合當地使用的熱水器產品。在德州市和上海市，一體式太陽能熱水器都為最經濟的選擇。