全玻璃型和热管型真空管太阳能热水器的经济性对比

肖荪,杨洪海

(上海东华大学环境科学与工程学院,上海201620)

我国的真空管型太阳能热水器产品的集热效率高,特别是在冬季低温条件下仍能产生热水,其特点比较适合我国的国情,因此在我国应用得比较多,是我国太阳能热水器的主流产品。真空管型太阳能热水器又可以分为全玻璃型和热管型,全玻璃真空管太阳能热水器的集热面吸收率高、发射率低,集热器的日平均效率可达46%[1],具有一定的抗冻能力,而且操作简单,但是集热器不承压,使用时不能缺水空晒,否则可能导致玻璃管爆裂,而且只要有一根管子爆裂整个热水器就不能使用。热管真空管型太阳能热水器启动快、承压能力高、抗冻能力强,平均热损系数小于1.0左右,日平均效率高可达54%[1],并可在零下25℃条件下继续使用[2]。与电热水器和燃气热水器产品相比,太阳能热水器的运行成本虽然为0,但投资成本特别是热管真空管型太阳能热水器较高,用户往往更关心经济性。本文将对典型的全玻璃型和热管型真空管太阳能热水器的经济性进行比较。

1 比较对象和条件

本文选用皇明牌全玻璃真空管型和热管真空管型太阳能热水器作为比较对象,两种热水器的效率不同,满足同样的热水供应要求所需要的容量也不同。本文的计算以上海某小区别墅为例,假设用水人数为4人,每人每日最高用水定额取100 L[3],日均用水50 L,即每天要求产热水200 L;热水的配水温度取60℃[4],冷水温度取15℃[5]。

根据热水供应量的要求,全玻璃真空管型选择采光面积为3.13 m2的冬冠210(20)高温型产品,牌号HM-20TT21/Φ58-50,热管真空管型选择采光面积为2.81 m2的金盾原配一体机(天骄)高温型产品,牌号HDWR-18TT21/Φ58-4。作为比较的参考对象选择容量为200 L的 FCD-MLD200海尔电热水器。

2 每年可节约的费用计算

太阳能热水器每年所产生的热量[6]:

式中:Q为太阳能热水器每年所产生的热量,GJ;β为太阳能辐射能全年可利用系数,上海地区取0.58[7];E为单位面积太阳年辐射总量,上海地区取4.66 GJ/(m2◦年)[3];ηs为太阳能热水系统的热效率,全玻璃真空管型取0.46,热管真空管型取0.54;A为太阳能热水器采光面积,m2。

选择的全玻璃真空管型和热管真空管型太阳能热水器的集热器面积分别为3.13 m2和2.81 m2,由式(1)每年产生热量分别为3 891 MJ(1 083 kWh)和4 101 MJ(1 140 kWh)。

与电热水器相比,电加热器的热效率一般为0.90[7],所以利用全玻璃真空管型和热管真空管型太阳能热水器供热水,每年可节约电量1 203 kWh和1 268 kWh,上海地区的民用电电价为0.62元/kWh[8],可分别节约电费746元和786元。

3 寿命期内的总节省费用及投资回收期

作为比较对象的海尔电热水器价格大约为4 580元/台。所选的全玻璃真空管型和热管真空管型太阳能热水器的价格分别为7 000元/台(包括增压泵)和12 000元/台左右。那么采用全玻璃真空管型太阳能热水器,投资要比电热水器多2 420元,比热管真空管型要多7 420元。

寿命期内太阳能热水器的总节省费[3]:

式中:SAV为系统寿命期内总节省费用,元;ΔQsave为太阳能热水系统的年节能量,由上述估算,全玻璃型和热管型分别为3 891 MJ和4 101 MJ;PI为太阳能热水器的折现系数;Cc为热价,根据上文数据计算,电热的价格是0.192元/MJ;A d为太阳能热水系统总增投资,由上述估算,全玻璃真空管型和热管真空管型分别为2 420元和7 420元;DJ为每年用于与太阳能热水系统有关的维修费用(包括太阳集热器维护、集热系统管道维护和保温等费用)占总增投资的百分率,一般取1%[3]。

式(2)中的折现系数PI[3]:

式中:d为年市场折现率,取6.12%[3];e为年燃料价格上涨率,按1%考虑[3];n为系统寿命,太阳能热水器产品一般为15年。

代入数据可以得到折现系数PI为10.229;再与式(2)可以得到,与海尔电热水器相比,全玻璃真空管型寿命期内总节省费用为4 974元,而热管真空管型寿命期内要多支出125元。

当太阳能热水系统运行n年后节省的总资金与系统增加的总投资相等时,式(4)成立,即SAV=0,

则此时的总累积年份n定义为系统的动态回收期Nε,即按照给定的折现率用系统节省的总费用的现值将系统增加的投资回收所需的年数[3]:

式(5)中的PI[3]:

根据上述估算值和式(6),全玻璃型和热管型在节省的总资金等于系统增加的总投资时的折现系数分别为3.35和10.40;再由式(5)可得,两者的动态回收年限分别为3.8年和15.4年。

从以上计算可以看到,与电热水器相比,玻璃真空管型在寿命期内可以节省4 974元,而热管真空管型在寿命期内反而要多支出125元,两种太阳能热水器在寿命期内的经济效益要差5 099元。玻璃真空管型太阳能热水器的回收年限不超过4年,而热管真空管型太阳能热水器只有当它的使用寿命超过15年,才有可能收回多投资的成本,但是太阳能热水器的设计寿命一般为15年,回收期超过了设计寿命。

4 结论

全玻璃真空管太阳能热水器的初投资比热管真空管型便宜,投资回收年限较短。而热管式真空管太阳能热水器的初投资比较大,在寿命期内无法回收初投资,因此从经济性方面考虑,热管式不如全玻璃式。不过热管式真空管太阳能热水器具有换热效率高、维修费用低、不易炸管,而且即使一根管子意外破损也不影响整个热水器的使用等,特别是作为一种不需要传统含碳能源的产品,对于有消费能力同时希望方便可靠的用户来说还是有吸引力的。当然要进一步推广,还需要研究热管式真空管太阳能热水器的新技术,降低其成本。

[1]胡亚才,魏林生,洪荣华,等.真空玻璃盖板热管平板式太阳能热水器的研制,热科学与技术[J],2005,4(2):3-4.

[2]庄俊,张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版社,2000.

[3]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京:化学工业出版社,2005.

[4]高明远,岳秀萍.建筑给水排水工程学[M].第二版,北京:中国建筑工业出版社,2002.

[5]建筑工程常用数据系列手册编写组.给水排水常用数据手册[M].第二版,北京:中国建筑工业出版社,2002.

[6]罗运俊,李元哲,赵承龙.太阳热水器原理、制造与施工[M].北京:化学工业出版社,2005:56-57.

[7]董伟玉.住宅太阳能热水系统的节能与经济分析.建筑节能[J].2005,27(3):1-2.

[8]http://www.wj.sh.cn/(上海市价格信息服务网,上海市物价局关于调整上海市电网电价的通知(2008-06-30)