目前我們常用的物品加熱方式,比如燒開水或者加熱食物,主要應用兩種方式,即用天然氣加熱和用電加熱,那麼使用這兩種方式,哪一種相對來說成本更低呢?
無論是用哪一種方式,其實都涉及到能量轉化的問題。用天然氣燒水,實質上是通過將天然氣的化學能轉化為熱能,然後通過熱量的傳輸再轉化為水的內能。而用電燒水,實質上是將電能轉化為熱能(中間還有磁能的轉換),既而在熱量傳遞的過程中提升水的內能,從而達到提高水溫的目的。
根據上述過程,決定著使用哪種方式性價比更高,不但取決於天然氣和電的單價,也取決於能量的轉化效率以及熱能的傳輸效率。而天然氣和電的單價,在同一地區一定的時間段內處於相對穩定的狀態,因此我們要重點分析一下在燒水的過程中,能量的轉化效率和熱能的傳輸效率。
對於使用電加熱的容器來說,絕大多數的加熱核心都直接與水密切接觸,比如熱得快、電水壺等,從電能轉化為熱能(磁能)的效率非常高,我們姑且可以用100%來看待。而使用天然氣作為加熱的能量來源,那麼在天然氣的燃燒過程中,不可能保證全部的氣體都充分燃燒,會有少部分的氣體,在氣壓的推動下來不及燃燒而散逸到空氣中,這部分的氣體約佔氣體輸出總量的2%-5%。
從熱能的傳輸效率來看,內置式的加熱容器,其熱傳輸效率普遍明顯高於外置式的加熱容器。內置式的加熱容器,比如電水壺、燃氣熱水器等,它們的加熱元件都位於容器的內部,直接與水接觸,從電能或者化學能轉化而來的熱能可以得到充分地利用,其損耗的能量,只有除加熱體之外,加熱容器其它線路上的受熱元件所消耗的熱量,以及受熱體本身輻射到空氣中的熱量。因此,對於內置式的加熱容器,其熱傳輸效率普遍在85%-95%之間。
而對於外置式的加熱容器,比如電磁爐,或者使用煤氣灶直接加熱鍋中的水,那麼,除了剛才說到的輻射到空氣中的熱量以外,電磁爐中的電機、風扇等不能作用於加熱物體的元件,仍然會耗費一定的電能。而使用煤氣灶加熱,不但受熱物體會向外輻射熱量,而且暴露在空氣中的火苗,也會將很多的熱能直接輻射出去。據統計,電磁爐的熱傳輸效率一般在70%左右,而煤氣灶的熱傳輸效率更低,一般為60%左右。
我們假設水的初始溫度即室溫20攝氏度、開水的溫度為100攝氏度,水的比熱容恆定為4.2*10^3焦/(千克*℃),理論上,我們根據公式Q=C*M*△t,可以計算出燒開1公斤的水最少需要的能量為336千焦。
結合以上的分析,對於不同加熱方式和不同類型的加熱容器來說,能夠提供有效加熱能量的能力有所不同,因此所需要的能量輸入也會有所差異。這裡舉幾個例子測算一下哪種方式性價比更高。
如果使用煤氣灶燒水,則需要的輸入總能量為(336/60%)/(1-5%)=590千焦,結合天然氣的熱值(1立方米約8000大卡),燒開1公斤水需要0.018立方米天然氣,所需要的費用為0.018*2.2=0.04元。
如果使用電磁爐燒水,需要輸入的總能量為336/70%=460千焦,所需要的電能約為0.13度,所需要的費用約為0.13*0.56=0.07元。
如果使用電水壺燒水,需要輸入的總能量為336/90%=302千焦,所需要的電能約為0.084度,所需要的費用約為0.084*0.56=0.05元。
因此,我們可以看出,使用天然氣燒水,總體上要比用電燒水性價比高,即使用熱傳輸效率最低的煤氣灶燒水,也要比使用電水壺燒水來得便宜。