中國太陽能熱水器成本分析方法與應(yīng)用研究

馬 本 宋國君 杜倩倩

(中國人民大學(xué)環(huán)境政策與環(huán)境規(guī)劃研究所，北京100872)

中國太陽能熱水器成本分析方法與應(yīng)用研究

馬 本 宋國君 杜倩倩

(中國人民大學(xué)環(huán)境政策與環(huán)境規(guī)劃研究所，北京100872)

太陽能熱水器在中國已經(jīng)商業(yè)化，是較為成熟的可再生能源利用技術(shù)。中國幅員遼闊，各地區(qū)自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件差異較大，其經(jīng)濟(jì)可行性需進(jìn)一步分析。本文針對(duì)戶用太陽能熱水器，建立了基于有效利用熱量的總成本現(xiàn)值分析方法、凈成本現(xiàn)值分析方法，計(jì)算了中國27個(gè)省會(huì)城市(或直轄市)太陽能熱水器熱水供應(yīng)成本和凈成本現(xiàn)值為零的初始投資。結(jié)果表明，中國太陽能熱水器熱水供應(yīng)成本地區(qū)間差異大，推廣政策應(yīng)當(dāng)因地制宜;太陽能熱水器與風(fēng)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電相比成本較低，其大規(guī)模應(yīng)用有利于以低成本實(shí)現(xiàn)既定的可再生能源目標(biāo);貼現(xiàn)率和生活電價(jià)對(duì)太陽能熱水器初始投資選擇影響顯著;收入水平低是農(nóng)村地區(qū)太陽能熱水器應(yīng)用的重要制約因素。本文的結(jié)論對(duì)中國太陽能熱水器推廣政策體系設(shè)計(jì)具有重要啟示。

可再生能源;太陽能熱水器;成本分析;初始投資

中國的太陽能熱水器技術(shù)較為成熟，已處于商業(yè)化階段［1－2］。太陽能熱水器的大規(guī)模應(yīng)用對(duì)實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)展目標(biāo)十分重要。中國幅員遼闊，影響太陽能熱水器應(yīng)用的自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素地區(qū)差異較大。在技術(shù)可行的前提下，分析中國各地區(qū)戶用太陽能熱水器的經(jīng)濟(jì)可行性，科學(xué)定位太陽能熱水器在可再生能源發(fā)展中的位置，對(duì)制定有針對(duì)性的推廣政策體系具有參考價(jià)值。

1 文獻(xiàn)回顧

在國內(nèi)外戶用太陽能熱水器成本分析的研究成果中，成本分析方法主要包括總成本現(xiàn)值法、凈成本現(xiàn)值法和增量成本法三種。①總成本現(xiàn)值法?？偝杀粳F(xiàn)值指太陽能熱水器生命周期中初始投資、維護(hù)維修成本的現(xiàn)值總和。如Chandrasekar等［3］將每年平均總成本現(xiàn)值作為總成本現(xiàn)值的轉(zhuǎn)化形式，計(jì)算了印度戶用太陽能熱水器供應(yīng)熱水成本;Li等［4］以電力為替代能源，計(jì)算了德州市戶用太陽能熱水器的成本凈現(xiàn)值為4 000元，相應(yīng)的電熱水器為5 750元。②凈成本現(xiàn)值法。凈成本現(xiàn)值指太陽能熱水器生命周期中太陽能熱水器總成本現(xiàn)值(包括初始投資、維護(hù)成本等)與節(jié)能效益凈現(xiàn)值的差值。如Ozsabuncuoglu［5］以土耳其為例，分析了平板太陽能熱水器的凈現(xiàn)值，證明了太陽能熱水器比電熱水器、燃?xì)鉄崴骶哂袃舫杀緝?yōu)勢(shì);Cassard等［6］通過使成本凈現(xiàn)值和收益凈現(xiàn)值相等，計(jì)算了美國各州太陽能熱水系統(tǒng)收支相抵(Break-even)時(shí)的安裝成本。③增量成本法。增量成本是太陽能熱水器相對(duì)于其他替代產(chǎn)品初始投資的增加額，相關(guān)文獻(xiàn)在增量成本的基礎(chǔ)上，計(jì)算了太陽能熱水器增量成本的投資回收期，如Kaldellis等［7］以月為尺度計(jì)算了希臘太陽能熱水器的有效熱量，以電力、石油為替代能源計(jì)算了投資回收期;Gillingham［8］以電力為替代能源，分析了新西蘭各區(qū)民用太陽能熱水器增量投資回收期，其中家庭用太陽能熱水器投資回收期在9．7－12．5 a之間;趙學(xué)義等［9］以月為時(shí)間尺度，分析了濟(jì)南市太陽能熱水器提供的有效熱量，以電力、燃?xì)鉃樘娲茉磿r(shí)增量投資的回收期分別為 3．63 a和7．07 a;Han 等［1］以電力、液化石油氣、天然氣為替代能源，計(jì)算了浙江省戶用太陽能熱水器的投資回收期在0．8 －7．4 a之間。

已有研究將美國各州、新西蘭各地區(qū)、希臘的雅典等三地區(qū)、土耳其、印度等納入分析范圍。中國地域廣闊，不同區(qū)域太陽能資源條件、氣溫、收入水平等差異較大，各地區(qū)生活電價(jià)也存在差異，這些因素都會(huì)影響太陽能熱水器的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合已有的成本分析方法，本文利用改進(jìn)的總成本現(xiàn)值法、凈成本現(xiàn)值法計(jì)算中國27個(gè)省會(huì)城市(或直轄市)戶用太陽能熱水器熱水供應(yīng)成本，與風(fēng)電等可再生能源成本做對(duì)比，并分析貼現(xiàn)率、電價(jià)對(duì)凈成本現(xiàn)值為零的初始投資的影響，初步識(shí)別太陽能熱水器投資行為的影響因素。

2 分析思路和方法

2．1 有效利用熱量計(jì)算

太陽能熱水有效利用熱量是太陽能實(shí)際為用戶提供的熱量。太陽能輻射量隨季節(jié)波動(dòng)，水的初始溫度不同，不同季節(jié)生活熱水需求不同，戶用太陽能熱水器有效利用熱量有所不同。一般而言，夏季陽光充足，當(dāng)太陽能熱水器轉(zhuǎn)化的熱水熱量大于需求熱量時(shí)，有熱量盈余，盈余熱量不計(jì)入有效利用熱量;冬季光照時(shí)間短，當(dāng)太陽能熱水器轉(zhuǎn)化的熱水熱量小于需求熱量時(shí)，需求未被完全滿足，有效利用熱量不包含未被滿足的需求熱量［7］。有效利用熱量d取太陽能熱水供應(yīng)熱量和熱水需求熱量的較小值，以月份為時(shí)間尺度的計(jì)算公式為:

其中，di為熱水需求熱量(kWh)，i為月份，Qi為月生活熱水需求量(kg)，Cw為水的比熱容(kJ/(kg·℃))，t為熱水需求水溫(℃)，t0i為初始水溫(℃)，qe為電的當(dāng)量發(fā)熱值(kJ/kWh)，用于單位換算;d'i為太陽能轉(zhuǎn)化熱量(kWh)，Si為月太陽能輻射量(kWh/m2)，A為太陽能熱水器有效集熱面積(m2)，βi為太陽有效利用系數(shù)①，η為太陽能熱水器熱效率，ηL為太陽能熱水器熱損系數(shù)。

2．2 熱水供應(yīng)成本計(jì)算

2．2．1 太陽能熱水器

單位熱水供應(yīng)成本是太陽能熱水器總成本與有效利用熱量的比值。太陽能熱水器總成本現(xiàn)值由初始投資(購置和安裝成本)和維護(hù)成本構(gòu)成，考慮到資金的時(shí)間價(jià)值，對(duì)未來成本貼現(xiàn)，單位熱水供應(yīng)成本C1計(jì)算公式如下:

其中，CT為總成本現(xiàn)值(元)，Cp為初始投資(元)，Cr為采用基期可比價(jià)的年維護(hù)維修成本(元)，r為貼現(xiàn)率，j為年份，n為太陽能熱水器預(yù)期使用壽命(a)。

2．2．2 電熱水器

2007年，中國電熱水器在熱水器市場(chǎng)的占有率為42．3%，遠(yuǎn)高于燃?xì)鉄崴?9．2%的市場(chǎng)份額［10］?？紤]電力消費(fèi)具有城鄉(xiāng)普遍性，本文選擇電力作為太陽能熱水器的替代能源，并計(jì)算作為替代產(chǎn)品的電熱水器的熱水供應(yīng)成本。電熱水器總成本還包括燃料成本，參照太陽能熱水器熱水供應(yīng)成本計(jì)算方法，電熱水器熱水供應(yīng)成本Ce計(jì)算公式為:

其中，Cpe為電熱水器初始投資(元)，ne為電熱水器安全使用年限(a)，假定在安全使用期內(nèi)無維護(hù)支出②，Pe為生活電價(jià)③(元/kWh)，qe為電的當(dāng)量發(fā)熱值(kJ/kWh)，ηe為電熱水器電熱轉(zhuǎn)化效率，g為居民消費(fèi)價(jià)格增幅。

2．3 凈成本現(xiàn)值為零的初始投資計(jì)算

凈成本現(xiàn)值是太陽能熱水器總成本現(xiàn)值與總節(jié)能效益現(xiàn)值的差值。當(dāng)凈成本現(xiàn)值為零時(shí)，節(jié)能效益恰好完全補(bǔ)償總成本［6］，此時(shí)的初始投資是理性消費(fèi)者對(duì)太陽能熱水器的最大初始投資。為分析生活電價(jià)對(duì)初始投資的影響，本文設(shè)定兩個(gè)情景:

情景1:生活電價(jià)不調(diào)整時(shí)，凈成本現(xiàn)值為零的初始投資C2:

3 參數(shù)與數(shù)據(jù)說明

3．1 貼現(xiàn)率的選擇

貼現(xiàn)率的選擇在跨期成本(或收益)分析中非常重要。Cassard等［6］選擇5%的貼現(xiàn)率分析美國太陽能熱水器經(jīng)濟(jì)性;Gillingham［8］選用5%和10%的貼現(xiàn)率分析新西蘭太陽能熱水器經(jīng)濟(jì)性。有學(xué)者認(rèn)為銀行利率風(fēng)險(xiǎn)較低，能較好體現(xiàn)時(shí)間偏好的社會(huì)貼現(xiàn)率水平。結(jié)合2000年以來2．24% －4．14%④的國有銀行一年期存款利率，本文選擇Li等［4］在分析山東德州太陽能熱水器經(jīng)濟(jì)效益時(shí)選用的4%作為基準(zhǔn)貼現(xiàn)率，并分0、4%、8%三檔進(jìn)行敏感性分析。

3．2 其他參數(shù)與數(shù)據(jù)說明

本文針對(duì)典型的三口之家，太陽能熱水器集熱面積取1．5 m2［9］。由于石家莊、呼和浩特、烏魯木齊、拉薩、香港、澳門、臺(tái)北的數(shù)據(jù)不完整，本文僅分析其他27個(gè)省會(huì)城市和直轄市，文中用到的參數(shù)取值、數(shù)據(jù)來源見表1。

4 結(jié)果分析

4．1 熱水供應(yīng)成本分析

在基準(zhǔn)情景下(初期投資2 250元，貼現(xiàn)率0．04)，中國27個(gè)城市太陽能熱水器供熱水成本在0．305－0．744元/kWh之間，平均為0．453元/kWh，不同城市間存在明顯差異①。其中，太陽能資源豐富的西寧、銀川、北京等北方城市供熱水成本最低，分別為0．305元/kWh、0．318元/kWh、0．342元/kWh;太陽能資源貧乏的貴陽、長沙、重慶等西南城市供熱水成本最高，分別為0．587元/kWh、0．595元/kWh、0．744元/kWh。由于每年維護(hù)維修成本相對(duì)初始投資較小，貼現(xiàn)率對(duì)太陽能熱水器熱水供應(yīng)成本影響很小。在0和0．08的貼現(xiàn)率下，27城市太陽能熱水器供熱水成本均值分別為 0．464 元/kWh、0．446 元/kWh，分別比基準(zhǔn)情景的均值增加2．32%、降低1．64%。

表1 太陽能熱水器成本分析參數(shù)取值與數(shù)據(jù)來源Tab．1 Parameters selection and data sources for cost analysis of DSWH

4．2 成本比較與分析

風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電是“十一五”發(fā)展較快、具有較大應(yīng)用潛力的可再生能源。由于風(fēng)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電屬能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)將發(fā)電企業(yè)合理的利潤計(jì)入成本，因此采用標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)反映發(fā)電成本。盡管如此，上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)未將電網(wǎng)企業(yè)的利潤以及電力用戶的用電技術(shù)效率考慮進(jìn)來，是對(duì)風(fēng)電、生物質(zhì)能發(fā)電、光伏發(fā)電實(shí)際成本的保守估計(jì)①。根據(jù)風(fēng)能資源區(qū)實(shí)施不同標(biāo)桿電價(jià)，Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類風(fēng)能資源區(qū)標(biāo)桿電價(jià)分別為0．51、0．54、0．58、0．61 元/kWh②;新建農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目標(biāo)桿電價(jià)為0．75元/kWh③;新建太陽能光伏發(fā)電上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)為1．00元/kWh④。中國27個(gè)城市太陽能熱水器熱水供應(yīng)成本與其他可再生能源成本對(duì)比見圖1。

圖1 太陽能熱水器熱水供應(yīng)成本的比較分析Fig．1 Comparison analysis of cost per unit hotwater supply of DSWH

除重慶外，其他26個(gè)地區(qū)太陽能熱水器相對(duì)風(fēng)電、生物質(zhì)能發(fā)電、光伏發(fā)電均具有成本優(yōu)勢(shì)。與以上可再生能源利用技術(shù)相比，完成特定可再生能源發(fā)展目標(biāo)，太陽能熱水器最能體現(xiàn)成本有效性，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先推廣。從全生命周期看，除重慶、貴陽外的25個(gè)地區(qū)太陽能熱水器相對(duì)于電熱水器具有成本優(yōu)勢(shì)，但與電熱水器等替代產(chǎn)品相比，太陽能熱水器初始投資較高，需進(jìn)一步分析太陽能熱水器初始投資的影響因素。

4．3 初始投資分析

太陽能熱水器生產(chǎn)行業(yè)進(jìn)入門檻低，企業(yè)數(shù)量多，且企業(yè)水平參差不齊［13］。適合三口之家的戶用太陽能熱水器價(jià)格大多在1 800－5 000元之間［14］。本文將1 800元作為市場(chǎng)最低價(jià)格，即最小初始投資。當(dāng)價(jià)格低于凈成本現(xiàn)值為零的初始投資時(shí)，理性用戶才愿意投資太陽能熱水器;當(dāng)凈成本為零的初始投資小于市場(chǎng)中最低價(jià)格時(shí)，理性的消費(fèi)者不會(huì)投資太陽能熱水器。

4．3．1 貼現(xiàn)率的敏感性分析

基準(zhǔn)貼現(xiàn)率情景下(貼現(xiàn)率0．04，電價(jià)不調(diào)整)，重慶、貴陽等5個(gè)城市最大初始投資低于1 800元，理性消費(fèi)者不會(huì)購買太陽能熱水器;當(dāng)貼現(xiàn)率為0時(shí)，僅重慶、貴陽2個(gè)城市最大初始投資低于1 800元，太陽能熱水器經(jīng)濟(jì)可行性提高;當(dāng)貼現(xiàn)率為0．08時(shí)，重慶、貴陽等13個(gè)城市最大初始投資低于1 800元，其他14個(gè)城市最大初始投資在1 800－2 244元之間，未與最小初始投資拉開較大距離，太陽能熱水器的經(jīng)濟(jì)可行性差;當(dāng)貼現(xiàn)率為0．14時(shí)，27個(gè)城市最大初始投資均小于1 800元，理性消費(fèi)者均不會(huì)購買(見圖2)。相關(guān)成果對(duì)中國居民時(shí)間偏好貼現(xiàn)率的實(shí)證研究表明，1年期貼現(xiàn)率介于0．015－1．5之間，均值為0．432［15］，反映出中國居民對(duì)未來預(yù)期有較大的不確定性。這種對(duì)未來成本收益預(yù)期的不確定性，對(duì)居民的太陽能熱水器投資行為產(chǎn)生負(fù)面影響。

4．3．2 生活電價(jià)的敏感性分析

當(dāng)前，中國居民生活電價(jià)享受補(bǔ)貼，李虹等［16］計(jì)算了2007年居民生活用電補(bǔ)貼率為52．43%，隨著發(fā)電成本、居民消費(fèi)價(jià)格的提高，長期來看，居民生活電價(jià)呈上升趨勢(shì)。本文通過電價(jià)調(diào)整情景分析居民生活電價(jià)的提高對(duì)初始投資的影響。當(dāng)電價(jià)調(diào)整速度與消費(fèi)價(jià)格增長速度持平時(shí)，初始投資低于1 800元的城市由基準(zhǔn)情景的5個(gè)減少為3個(gè);27城市最大初始投資均值由基準(zhǔn)情景下的2 145元提高到2 436元，增長13．5%(見圖2)。生活用電價(jià)格提高或提高預(yù)期對(duì)居民太陽能熱水器投資行為產(chǎn)生較大促進(jìn)作用。

圖2 中國27城市太陽能熱水器最大初始投資對(duì)貼現(xiàn)率、生活電價(jià)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 投資行為的影響因素分析

已有研究表明，影響太陽能熱水器投資行為的主要因素包括太陽能資源［1，17］、氣溫［1］、替代能源價(jià)格［17］、建筑密集度、高度及所有權(quán)結(jié)構(gòu)［7］、收入水平［17－18］等。由于太陽能熱水器并不能完全滿足生活熱水需求，太陽能熱水器對(duì)生活熱水需求的滿足程度，即太陽能保證率［19］，也會(huì)對(duì)投資行為產(chǎn)生影響。對(duì)于特定地區(qū)而言，城鎮(zhèn)和農(nóng)村的太陽能資源、氣溫、電力等替代能源價(jià)格等因素基本一致，建筑特征和收入水平差異較大。農(nóng)村建筑多為低層、建筑產(chǎn)權(quán)明晰、具有良好的采光條件和充足的安裝空間;相對(duì)而言，農(nóng)村居民對(duì)生活熱水服務(wù)質(zhì)量的要求低于城鎮(zhèn)居民;且農(nóng)村的熱水設(shè)施普及率低①，避免了太陽能熱水器安裝時(shí)對(duì)電熱水器的置換成本，這些都是農(nóng)村地區(qū)太陽能熱水器安裝的有利條件。事實(shí)上，2009年，中國農(nóng)村地區(qū)人均太陽能熱水器應(yīng)用量為 0．072 m2，僅為城鎮(zhèn)人均應(yīng)用水平的49．2%②。本文利用平均初始投資占人均收入的比重③指標(biāo)，分析收入水平對(duì)太陽能熱水器投資行為的影響。27個(gè)地區(qū)平均初始投資占農(nóng)村居民人均純收入的比重在16．2% －69．5%之間，平均高達(dá) 39．6%，是城鎮(zhèn)均值的3．2倍(見圖3)。由此可見，農(nóng)村居民收入水平低是太陽能熱水器在農(nóng)村推廣的重要制約因素。

圖3 中國27地區(qū)太陽能熱水器平均初始投資占收入的比重Fig．3 The average initial investment of DSWH as a percentage of net income per capita in China’s27 regions

5 結(jié)論與建議

中國戶用太陽能熱水器技術(shù)成熟，本文通過對(duì)27個(gè)城市太陽能熱水器經(jīng)濟(jì)可行性的分析，得出的結(jié)論和建議如下:

(1)受太陽能資源、氣溫等自然因素影響，中國不同地區(qū)戶用太陽能熱水器熱水供應(yīng)成本差異很大。太陽能資源豐富的西北、華北地區(qū)成本低，資源貧乏的西南地區(qū)成本最高。在推廣太陽能熱水器過程中，應(yīng)當(dāng)因地制宜地制定太陽能熱水器推廣政策，避免全國“一刀切”。

(2)太陽能熱水器熱水供應(yīng)成本相對(duì)于風(fēng)電、生物質(zhì)能發(fā)電、光伏發(fā)電具有明顯優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段，太陽能熱水器應(yīng)得到重視和大規(guī)模推廣應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)展目標(biāo)中發(fā)揮重要作用。

(3)太陽能熱水器相對(duì)于電熱水器具有成本優(yōu)勢(shì)。但由于初始投資高，貼現(xiàn)率、生活電價(jià)、收入等因素對(duì)理性消費(fèi)者的購買行為具有重要影響，消費(fèi)者對(duì)未來成本收益預(yù)期的確定性、以及合理的生活用電價(jià)格機(jī)制對(duì)太陽能熱水器的應(yīng)用有較大促進(jìn)作用。太陽能熱水器推廣方面，農(nóng)村居民收入水平低是重要制約因素。提高農(nóng)民收入、適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)政策對(duì)農(nóng)村太陽能熱水器推廣十分重要。除此之外，在技術(shù)層面，應(yīng)當(dāng)積極推進(jìn)太陽能熱水器與電力等傳統(tǒng)熱源的結(jié)合，更大限度滿足居民熱水需求。

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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

馬本，博士生，主要研究方向?yàn)槟茉唇?jīng)濟(jì)學(xué)、節(jié)能政策分析。

宋國君，博士，教授，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境政策分析與評(píng)估、環(huán)境規(guī)劃與管理。

中國人民大學(xué)科學(xué)研究基金(中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助)項(xiàng)目(編號(hào):12XNH058)。

(編輯:劉呈慶)