中国太阳能热水器成本分析方法与应用研究

马 本 宋国君 杜倩倩

(中国人民大学环境政策与环境规划研究所，北京100872)

中国太阳能热水器成本分析方法与应用研究

马 本 宋国君 杜倩倩

(中国人民大学环境政策与环境规划研究所，北京100872)

太阳能热水器在中国已经商业化，是较为成熟的可再生能源利用技术。中国幅员辽阔，各地区自然、社会经济条件差异较大，其经济可行性需进一步分析。本文针对户用太阳能热水器，建立了基于有效利用热量的总成本现值分析方法、净成本现值分析方法，计算了中国27个省会城市(或直辖市)太阳能热水器热水供应成本和净成本现值为零的初始投资。结果表明，中国太阳能热水器热水供应成本地区间差异大，推广政策应当因地制宜;太阳能热水器与风电、光伏发电、生物质能发电相比成本较低，其大规模应用有利于以低成本实现既定的可再生能源目标;贴现率和生活电价对太阳能热水器初始投资选择影响显著;收入水平低是农村地区太阳能热水器应用的重要制约因素。本文的结论对中国太阳能热水器推广政策体系设计具有重要启示。

可再生能源;太阳能热水器;成本分析;初始投资

中国的太阳能热水器技术较为成熟，已处于商业化阶段［1－2］。太阳能热水器的大规模应用对实现可再生能源发展目标十分重要。中国幅员辽阔，影响太阳能热水器应用的自然、社会经济等因素地区差异较大。在技术可行的前提下，分析中国各地区户用太阳能热水器的经济可行性，科学定位太阳能热水器在可再生能源发展中的位置，对制定有针对性的推广政策体系具有参考价值。

1 文献回顾

在国内外户用太阳能热水器成本分析的研究成果中，成本分析方法主要包括总成本现值法、净成本现值法和增量成本法三种。①总成本现值法。总成本现值指太阳能热水器生命周期中初始投资、维护维修成本的现值总和。如Chandrasekar等［3］将每年平均总成本现值作为总成本现值的转化形式，计算了印度户用太阳能热水器供应热水成本;Li等［4］以电力为替代能源，计算了德州市户用太阳能热水器的成本净现值为4 000元，相应的电热水器为5 750元。②净成本现值法。净成本现值指太阳能热水器生命周期中太阳能热水器总成本现值(包括初始投资、维护成本等)与节能效益净现值的差值。如Ozsabuncuoglu［5］以土耳其为例，分析了平板太阳能热水器的净现值，证明了太阳能热水器比电热水器、燃气热水器具有净成本优势;Cassard等［6］通过使成本净现值和收益净现值相等，计算了美国各州太阳能热水系统收支相抵(Break-even)时的安装成本。③增量成本法。增量成本是太阳能热水器相对于其他替代产品初始投资的增加额，相关文献在增量成本的基础上，计算了太阳能热水器增量成本的投资回收期，如Kaldellis等［7］以月为尺度计算了希腊太阳能热水器的有效热量，以电力、石油为替代能源计算了投资回收期;Gillingham［8］以电力为替代能源，分析了新西兰各区民用太阳能热水器增量投资回收期，其中家庭用太阳能热水器投资回收期在9．7－12．5 a之间;赵学义等［9］以月为时间尺度，分析了济南市太阳能热水器提供的有效热量，以电力、燃气为替代能源时增量投资的回收期分别为 3．63 a和7．07 a;Han 等［1］以电力、液化石油气、天然气为替代能源，计算了浙江省户用太阳能热水器的投资回收期在0．8 －7．4 a之间。

已有研究将美国各州、新西兰各地区、希腊的雅典等三地区、土耳其、印度等纳入分析范围。中国地域广阔，不同区域太阳能资源条件、气温、收入水平等差异较大，各地区生活电价也存在差异，这些因素都会影响太阳能热水器的经济性。结合已有的成本分析方法，本文利用改进的总成本现值法、净成本现值法计算中国27个省会城市(或直辖市)户用太阳能热水器热水供应成本，与风电等可再生能源成本做对比，并分析贴现率、电价对净成本现值为零的初始投资的影响，初步识别太阳能热水器投资行为的影响因素。

2 分析思路和方法

2．1 有效利用热量计算

太阳能热水有效利用热量是太阳能实际为用户提供的热量。太阳能辐射量随季节波动，水的初始温度不同，不同季节生活热水需求不同，户用太阳能热水器有效利用热量有所不同。一般而言，夏季阳光充足，当太阳能热水器转化的热水热量大于需求热量时，有热量盈余，盈余热量不计入有效利用热量;冬季光照时间短，当太阳能热水器转化的热水热量小于需求热量时，需求未被完全满足，有效利用热量不包含未被满足的需求热量［7］。有效利用热量d取太阳能热水供应热量和热水需求热量的较小值，以月份为时间尺度的计算公式为:

其中，di为热水需求热量(kWh)，i为月份，Qi为月生活热水需求量(kg)，Cw为水的比热容(kJ/(kg·℃))，t为热水需求水温(℃)，t0i为初始水温(℃)，qe为电的当量发热值(kJ/kWh)，用于单位换算;d'i为太阳能转化热量(kWh)，Si为月太阳能辐射量(kWh/m2)，A为太阳能热水器有效集热面积(m2)，βi为太阳有效利用系数①，η为太阳能热水器热效率，ηL为太阳能热水器热损系数。

2．2 热水供应成本计算

2．2．1 太阳能热水器

单位热水供应成本是太阳能热水器总成本与有效利用热量的比值。太阳能热水器总成本现值由初始投资(购置和安装成本)和维护成本构成，考虑到资金的时间价值，对未来成本贴现，单位热水供应成本C1计算公式如下:

其中，CT为总成本现值(元)，Cp为初始投资(元)，Cr为采用基期可比价的年维护维修成本(元)，r为贴现率，j为年份，n为太阳能热水器预期使用寿命(a)。

2．2．2 电热水器

2007年，中国电热水器在热水器市场的占有率为42．3%，远高于燃气热水器19．2%的市场份额［10］。考虑电力消费具有城乡普遍性，本文选择电力作为太阳能热水器的替代能源，并计算作为替代产品的电热水器的热水供应成本。电热水器总成本还包括燃料成本，参照太阳能热水器热水供应成本计算方法，电热水器热水供应成本Ce计算公式为:

其中，Cpe为电热水器初始投资(元)，ne为电热水器安全使用年限(a)，假定在安全使用期内无维护支出②，Pe为生活电价③(元/kWh)，qe为电的当量发热值(kJ/kWh)，ηe为电热水器电热转化效率，g为居民消费价格增幅。

2．3 净成本现值为零的初始投资计算

净成本现值是太阳能热水器总成本现值与总节能效益现值的差值。当净成本现值为零时，节能效益恰好完全补偿总成本［6］，此时的初始投资是理性消费者对太阳能热水器的最大初始投资。为分析生活电价对初始投资的影响，本文设定两个情景:

情景1:生活电价不调整时，净成本现值为零的初始投资C2:

3 参数与数据说明

3．1 贴现率的选择

贴现率的选择在跨期成本(或收益)分析中非常重要。Cassard等［6］选择5%的贴现率分析美国太阳能热水器经济性;Gillingham［8］选用5%和10%的贴现率分析新西兰太阳能热水器经济性。有学者认为银行利率风险较低，能较好体现时间偏好的社会贴现率水平。结合2000年以来2．24% －4．14%④的国有银行一年期存款利率，本文选择Li等［4］在分析山东德州太阳能热水器经济效益时选用的4%作为基准贴现率，并分0、4%、8%三档进行敏感性分析。

3．2 其他参数与数据说明

本文针对典型的三口之家，太阳能热水器集热面积取1．5 m2［9］。由于石家庄、呼和浩特、乌鲁木齐、拉萨、香港、澳门、台北的数据不完整，本文仅分析其他27个省会城市和直辖市，文中用到的参数取值、数据来源见表1。

4 结果分析

4．1 热水供应成本分析

在基准情景下(初期投资2 250元，贴现率0．04)，中国27个城市太阳能热水器供热水成本在0．305－0．744元/kWh之间，平均为0．453元/kWh，不同城市间存在明显差异①。其中，太阳能资源丰富的西宁、银川、北京等北方城市供热水成本最低，分别为0．305元/kWh、0．318元/kWh、0．342元/kWh;太阳能资源贫乏的贵阳、长沙、重庆等西南城市供热水成本最高，分别为0．587元/kWh、0．595元/kWh、0．744元/kWh。由于每年维护维修成本相对初始投资较小，贴现率对太阳能热水器热水供应成本影响很小。在0和0．08的贴现率下，27城市太阳能热水器供热水成本均值分别为 0．464 元/kWh、0．446 元/kWh，分别比基准情景的均值增加2．32%、降低1．64%。

表1 太阳能热水器成本分析参数取值与数据来源Tab．1 Parameters selection and data sources for cost analysis of DSWH

4．2 成本比较与分析

风力发电、生物质能发电、太阳能光伏发电是“十一五”发展较快、具有较大应用潜力的可再生能源。由于风电、光伏发电、生物质能发电属能源生产环节，应当将发电企业合理的利润计入成本，因此采用标杆上网电价反映发电成本。尽管如此，上网标杆电价未将电网企业的利润以及电力用户的用电技术效率考虑进来，是对风电、生物质能发电、光伏发电实际成本的保守估计①。根据风能资源区实施不同标杆电价，Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类风能资源区标杆电价分别为0．51、0．54、0．58、0．61 元/kWh②;新建农林生物质发电项目标杆电价为0．75元/kWh③;新建太阳能光伏发电上网标杆电价为1．00元/kWh④。中国27个城市太阳能热水器热水供应成本与其他可再生能源成本对比见图1。

图1 太阳能热水器热水供应成本的比较分析Fig．1 Comparison analysis of cost per unit hotwater supply of DSWH

除重庆外，其他26个地区太阳能热水器相对风电、生物质能发电、光伏发电均具有成本优势。与以上可再生能源利用技术相比，完成特定可再生能源发展目标，太阳能热水器最能体现成本有效性，应当优先推广。从全生命周期看，除重庆、贵阳外的25个地区太阳能热水器相对于电热水器具有成本优势，但与电热水器等替代产品相比，太阳能热水器初始投资较高，需进一步分析太阳能热水器初始投资的影响因素。

4．3 初始投资分析

太阳能热水器生产行业进入门槛低，企业数量多，且企业水平参差不齐［13］。适合三口之家的户用太阳能热水器价格大多在1 800－5 000元之间［14］。本文将1 800元作为市场最低价格，即最小初始投资。当价格低于净成本现值为零的初始投资时，理性用户才愿意投资太阳能热水器;当净成本为零的初始投资小于市场中最低价格时，理性的消费者不会投资太阳能热水器。

4．3．1 贴现率的敏感性分析

基准贴现率情景下(贴现率0．04，电价不调整)，重庆、贵阳等5个城市最大初始投资低于1 800元，理性消费者不会购买太阳能热水器;当贴现率为0时，仅重庆、贵阳2个城市最大初始投资低于1 800元，太阳能热水器经济可行性提高;当贴现率为0．08时，重庆、贵阳等13个城市最大初始投资低于1 800元，其他14个城市最大初始投资在1 800－2 244元之间，未与最小初始投资拉开较大距离，太阳能热水器的经济可行性差;当贴现率为0．14时，27个城市最大初始投资均小于1 800元，理性消费者均不会购买(见图2)。相关成果对中国居民时间偏好贴现率的实证研究表明，1年期贴现率介于0．015－1．5之间，均值为0．432［15］，反映出中国居民对未来预期有较大的不确定性。这种对未来成本收益预期的不确定性，对居民的太阳能热水器投资行为产生负面影响。

4．3．2 生活电价的敏感性分析

当前，中国居民生活电价享受补贴，李虹等［16］计算了2007年居民生活用电补贴率为52．43%，随着发电成本、居民消费价格的提高，长期来看，居民生活电价呈上升趋势。本文通过电价调整情景分析居民生活电价的提高对初始投资的影响。当电价调整速度与消费价格增长速度持平时，初始投资低于1 800元的城市由基准情景的5个减少为3个;27城市最大初始投资均值由基准情景下的2 145元提高到2 436元，增长13．5%(见图2)。生活用电价格提高或提高预期对居民太阳能热水器投资行为产生较大促进作用。

图2 中国27城市太阳能热水器最大初始投资对贴现率、生活电价的敏感性分析Fig．2 Sensitivity analysis ofmaximum initial investment of DSWH to changes of discount rate and residential electricity price in China’s 27 cities

4．3．3 投资行为的影响因素分析

已有研究表明，影响太阳能热水器投资行为的主要因素包括太阳能资源［1，17］、气温［1］、替代能源价格［17］、建筑密集度、高度及所有权结构［7］、收入水平［17－18］等。由于太阳能热水器并不能完全满足生活热水需求，太阳能热水器对生活热水需求的满足程度，即太阳能保证率［19］，也会对投资行为产生影响。对于特定地区而言，城镇和农村的太阳能资源、气温、电力等替代能源价格等因素基本一致，建筑特征和收入水平差异较大。农村建筑多为低层、建筑产权明晰、具有良好的采光条件和充足的安装空间;相对而言，农村居民对生活热水服务质量的要求低于城镇居民;且农村的热水设施普及率低①，避免了太阳能热水器安装时对电热水器的置换成本，这些都是农村地区太阳能热水器安装的有利条件。事实上，2009年，中国农村地区人均太阳能热水器应用量为 0．072 m2，仅为城镇人均应用水平的49．2%②。本文利用平均初始投资占人均收入的比重③指标，分析收入水平对太阳能热水器投资行为的影响。27个地区平均初始投资占农村居民人均纯收入的比重在16．2% －69．5%之间，平均高达 39．6%，是城镇均值的3．2倍(见图3)。由此可见，农村居民收入水平低是太阳能热水器在农村推广的重要制约因素。

图3 中国27地区太阳能热水器平均初始投资占收入的比重Fig．3 The average initial investment of DSWH as a percentage of net income per capita in China’s27 regions

5 结论与建议

中国户用太阳能热水器技术成熟，本文通过对27个城市太阳能热水器经济可行性的分析，得出的结论和建议如下:

(1)受太阳能资源、气温等自然因素影响，中国不同地区户用太阳能热水器热水供应成本差异很大。太阳能资源丰富的西北、华北地区成本低，资源贫乏的西南地区成本最高。在推广太阳能热水器过程中，应当因地制宜地制定太阳能热水器推广政策，避免全国“一刀切”。

(2)太阳能热水器热水供应成本相对于风电、生物质能发电、光伏发电具有明显优势。现阶段，太阳能热水器应得到重视和大规模推广应用，在实现可再生能源发展目标中发挥重要作用。

(3)太阳能热水器相对于电热水器具有成本优势。但由于初始投资高，贴现率、生活电价、收入等因素对理性消费者的购买行为具有重要影响，消费者对未来成本收益预期的确定性、以及合理的生活用电价格机制对太阳能热水器的应用有较大促进作用。太阳能热水器推广方面，农村居民收入水平低是重要制约因素。提高农民收入、适当的经济政策对农村太阳能热水器推广十分重要。除此之外，在技术层面，应当积极推进太阳能热水器与电力等传统热源的结合，更大限度满足居民热水需求。

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Cost Analysis Method and Its Application for Domestic Solar Water Heater in China

MA Ben SONGGuo-jun DU Qian-qian
(Environment Policy and Planning Institute，Renmin University of China，Beijing 100872，China)

As a comparatively mature technology to harness renewable energy，Domestic Solar Water Heater(DSWH)has been commercialized in China．As China has vast territory and diversified nature and socio-economic conditions，the economic feasibility of DSWH needs to be examined further at the regional level．Based on the operative heat，present values of total cost and net cost are employed to compute cost per unit hotwater supply and initial investmentwhen present value of total costequals to total benefitwithin 27 provincial capital cities ormunicipalities．Several conclusions have been drawn as follows．Firstly，the regional costs per hotwater supply of DSWH vary so widely that popularization policies should suit local conditions．Secondly，compared with costs per unitwind power，solar photovoltaic power and biomass power，DSWH has significantly lower cost whose large-scale applications can help to achieve national renewable energy target cheaply．Thirdly，both discount rate and residential electricity price greatly affect consumer’s initial investment choice for DSWH．Fourthly，low income is one of the most important constraints for DSWH’s application in rural China．These findings aremeaningful for design of polies to promote China’s DSWH．

renewable energy;Domestic SolarWater Heaters;cost analysis;initial investment

X382;F206

A

1002－2104(2012)11－0150－07

10．3969/j．issn．1002－2104．2012．11．023

2012－05－18

马本，博士生，主要研究方向为能源经济学、节能政策分析。

宋国君，博士，教授，博导，主要研究方向为环境政策分析与评估、环境规划与管理。

中国人民大学科学研究基金(中央高校基本科研业务费专项资金资助)项目(编号:12XNH058)。

(编辑:刘呈庆)