公共建筑中普通日光燈和LED日光燈生命周期費用分析

宋楠楠，尚春靜，李艷榮，王雪青

(1.海南大學 土木建筑工程學院，海南 ?？?70228;2.天津大學經濟管理學院，天津300072)

國家“十一五”規(guī)劃以來，政府大力提倡節(jié)能減排，為此海南省國際旅游島建設也將節(jié)能減排作為重要的目標.房屋建筑特別是公共建筑中的照明燈具，在使用過程中會消耗大量的電能，而電能屬于二次能源，其生產會排放大量CO2和SO2等廢氣.據國家能源局統(tǒng)計，2010年全社會的用電總量為41 936.5億kW·h，其中，照明用電約占13%.預計到2015年全社會的用電量將達到60 000億kW·h，照明電量約為總電量的15%，按“十二五”15%的節(jié)能目標，2015年照明用電必須節(jié)能1 350億kW·h方能達到預期目標［1］，因此，使用高效照明燈具將有助于“十二五”期間節(jié)能目標的實現.然而，盡管LED燈具有發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長、安全環(huán)保、開關時間短等優(yōu)點，但是LED燈的普及程度卻很低，究其原因主要是價格較高［2］.那么，使用LED燈在經濟上是否合算?這是一個相對于普通日光燈的互斥方案的選擇問題.為分析這一問題，筆者應用生命周期理論和工程經濟定量分析方法，對公共建筑中具相同照明功能的普通日光燈和LED日光燈的生命周期費用及投資收益進行了比較分析，以期為公共建筑照明燈具的選擇提供參考.

1 生命周期費用分析法和增量投資收益率

生命周期費用(LCC，Life Cycle Cost)理論起源于美國國防部對于軍用物資成本控制的研究［3－4］.20世紀60年代，美國國防部為了控制軍費開支，要求軍用物資供應商按要求提供的物資在其生命周期內全部費用之和最低，美國國防部將LCC定義為設置和獲得系統(tǒng)以及系統(tǒng)一生所消耗的總費用.這項研究有效控制了美國國防部的軍用開支，此后對生命周期費用的研究亦逐漸擴展到民用領域.

1.1 生命周期費用分析法 生命周期費用分析主要包括生命周期費用年值分析和生命周期費用現值分析.在實際運用中，考慮到學校費用的支付方式以年結算為主，因此，為方便比較分析，筆者采用了生命周期費用年值分析法.

生命周期費用年值分析法是運用技術經濟學中動態(tài)經濟分析的方法，將燈具在其生命周期內所產生費用折算成其生命周期中每年分攤的年費用，計算公式為

式中，P為現值，可通過P=∑F(1+i)-n來計算，其中，F為某一特定時間點的資金價值，n為計息期數，一般以年為單位，i為基準收益率.

基準收益率是企業(yè)、行業(yè)或投資者以動態(tài)觀點所確定的項目方案的最低標準收益水平［5］，可通過式(2)來計算.

式中，i1是資金成本和機會成本，i1=max{單位資金成本和單位投資機會成本}，i2是風險補貼率，i3是通資膨脹率.

1.2 增量投資收益率分析法 在實際投資中，可能會出現某個方案的投資額較小，但其運營成本卻較高;而另一個方案的投資額較大，但其運營成本卻較低的情況，對于這類互斥方案的選擇，可通過比較增量投資收益率來分析.

增量投資收益率是指增量投資所帶來的經營成本上的節(jié)約與增量投資之比［5］，其計算式為

式中，R為增量投資收益率;C1，C2分別為2種方案的年經營(使用)費用，C1＞C2;I1，I2分別為2種方案的投資額，I2＞I1.

若計算的增量投資收益率大于基準收益率，則投資大的方案可行，它表明投資的增量(I2－I1)完全可以通過經營費用的節(jié)約(C2－C1)來獲得補償;反之，投資小的方案可行［5］.

2 普通日光燈和LED日光燈的基本組成及其工作原理

普通日光燈由燈管、鎮(zhèn)流器、啟輝器等組成，其工作原理為:接通電源后，在電源電壓的作用下，啟輝器產生輝光放電，其動觸片受熱膨脹后與靜觸片形成通路，電流通過并加熱燈絲發(fā)射電子，這時輝光放電停止，動觸片冷卻，恢復原來形狀，在觸點斷開的瞬間，電路突然切斷，鎮(zhèn)流器產生較高的自感電動勢，并與電源電壓疊加，在燈管兩端形成高電壓，在高電壓作用下，燈絲通電、加熱和發(fā)射電子流，電子撞擊汞原子，使其電離而放電，放電過程中發(fā)射出的紫外線又激發(fā)燈管內壁的熒光粉，從而發(fā)出可見光［6］.

發(fā)光二極管(LED，Light Emitting Diode)的核心部位是半導體晶片，它由2部分組成，一部分是空穴占主導地位的P型半導體，另一部分是電子占主導地位的N型半導體，它們組成了一個“P－N結”，當正向電流通過晶片時，電子會被推向P區(qū)，并與空穴復合放出能量，發(fā)出光來［7－8］.

普通日光燈使用頻率為50 Hz的交流電源，其工作時隨著電壓和電流的變化，它所發(fā)出的光也會周期性地明暗閃動，產生頻閃效應，容易損傷人的視覺系統(tǒng)［9］.而LED日光燈為直流驅動，無頻閃，不會損害人的視覺系統(tǒng)［10］.

3 普通日光燈和LED日光燈生命周期費用及增量投資收益實證分析

由于36 W普通日光燈和18 W的LED日光燈滿足相應照明功能的需求，為便于分析計算，筆者選取長度和管徑相同的某品牌36 W普通日光燈和18 W LED日光燈進行比較.為比較公共建筑采用普通日光燈和LED日光燈方案的效果，筆者以海南某大學所有公共教室的照明燈具為例，計算并分析了2種方案的生命周期費用及增量投資收益率.

3.1 燈具生命周期費用 根據謝爾德和楊(Shields and Yang)的觀點，產品生命周期的含義可以分別從市場、生產者、消費者、社會等視角來認識［2］，鑒此，筆者從消費者的視角來分析.燈具的生命周期是指燈具“從搖籃到墳墓”的整個過程［11］，包括購置階段、安裝使用階段及廢棄處置階段.因此，基于美國國防部對于LCC的定義，從消費者視角來看，燈具LCC是指在其生命周期內所產生的全部費用，主要包括:(1)購置費用:指購買燈具的原價、運雜費等;(2)安裝費用:主要指安裝燈具所消耗的人工費;(3)使用費用:指燈具在其使用階段所耗能源的費用;(4)廢棄處置費用:燈具廢棄時的處置費用，主要指人工費、運雜費等.

3.2 普通日光燈和LED日光燈生命周期費用年值分析

3.2.1 日光燈原始數據 由表1可知，該大學所需36 W普通日光燈的燈具和鎮(zhèn)流器各為5 500支，照明時間為年平均2 000 h.按照普通日光燈使用壽命3 000 h和鎮(zhèn)流器使用壽命6 000 h計算，在一般情況下，該大學1支普通日光燈可使用1.5年，1支鎮(zhèn)流器可使用3年.如果上述教室全部換用18 W的LED日光燈，也需5 500支，按照該大學年均實際使用2 000 h和LED日光燈的使用壽命50 000 h計算，1支LED日光燈可使用25年.

表1 海南某大學使用的普通日光燈和擬采用的LED日光燈的基本參數

從表1光通量看，18 W LED日光燈光通量大于36 W普通日光燈的光通量，且是單面發(fā)光，有超過98%的能耗用于發(fā)光，只有不到2%的能耗用于發(fā)熱［12］，發(fā)光效率高，大大減少了能源的浪費;從電能的消耗看，相同照明強度下普通日光燈每小時耗電45 W，LED日光燈每小時耗電18 W，可見LED日光燈要比普通日光燈每小時節(jié)電27 W，節(jié)能60%.

3.2.2 基準收益率的確定 由于學校購買和安裝照明燈具所發(fā)生的資金費用是為滿足日常教學活動需求而必須支出的，故i1的取值僅考慮資金成本，這里按銀行長期貸款利率取值，取近2年平均值i1=6.76%;鑒于此項費用為學校教學活動中的費用支出，故可不考慮風險貼補率;通貨膨脹率主要表現為物價指數的變化，本文取2006年以來的平均物價指數變化率i3=4.02%(因2008，2009年爆發(fā)經濟危機，故舍去這2年的數據)作為通貨膨脹率，由式(2)計算得i=11.05%.

3.2.3 2種日光燈的生命周期費用年值計算 如前文所述，燈具生命周期費用主要包括購置費用、安裝費用、使用費用和廢棄處置費用.其中，燈具的購置費用按實際采購成本計算;燈具的安裝費用，按海南的勞務水平取定為20 000元/次;日常使用費用主要是消耗電能的費用，電費按0.78元/度計算.根據近10年海南電費增長的情況，其電費按年2%幅度遞增來計算;在廢棄燈具的處置費用中，由于拆除燈具時會安裝另一批燈具，故拆除費用放在安裝費用中考慮，又由于拆除的燈具僅占大學生活垃圾的極少部分，因此可不考慮運雜費.結合表1數據，計算普通日光燈和LED日光燈生命周期各年的費用如表2和表3所示.

表2 普通日光燈生命周期費用

表3 LED日光燈生命周期費用

根據式(1)計算，得到普通日光燈和LED日光燈的生命周期費用年值分別為AC普通=50.661萬元和ACLED=34.997 萬元.

3.3 2種方案的增量投資收益分析 普通日光燈和LED日光燈的年平均使用費用分別為39.387萬元和25.368萬元.由式(3)計算得到LED日光燈和普通日光燈的增量投資收益率為R=17.58%.

3.4 分析 根據計算結果，普通日光燈的生命周期費用年值為50.661萬元，LED日光燈的生命周期費用年值為34.997萬元，LED日光燈的生命周期費用年值僅為普通日光燈生命周期費用年值的2/3左右.因此，從年運營費用上考慮，使用LED日光燈要遠比普通日光燈經濟效果好.

同時，由差額投資收益率計算得到日光燈和普通日光燈的差額投資收益率(R=17.58%)大于基準收益率(i=11.05%)，這表明該大學公共教室如果全部使用LED日光燈，由使用LED引起的增量(I2－I1)投資完全可以由節(jié)約的經營費用(C2－C1)來得到補償，且還有富余，這也說明使用LED日光燈較使用普通日光燈經濟.

4 結論

根據上述分析，在照明方面，LED日光燈完全可以替代普通日光燈滿足相同的照明功能，并且相同功能的LED日光燈可比普通日光燈節(jié)能60%;在生命周期費用方面，普通日光燈的生命周期費用年值是LED日光燈的1.5倍.增量投資收益率結果表明，LED日光燈在初始增加的投資完全可以由使用過程中所節(jié)約的電費來補償.因此，綜上所述，對于長期大量使用照明燈具的公共建筑，在相同生命周期內，LED日光燈比普通日光燈具有較低的費用、較高的投資收益和較好的節(jié)能效果.

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