基于合同能源管理的照明節(jié)能改造研究

穆啟天， 高亞靜， 楊用春， 高紅艷

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

為解決當今困擾全世界的能源環(huán)境問題，節(jié)能減排勢在必行。電能作為目前應用最為廣泛的二次能源，由于其不可長時間大量存儲的特點，電能的輸送、配送、使用環(huán)節(jié)中有很大的節(jié)能潛力[1]。照明用電是居民和工商業(yè)用電中的重要部分，占全社會用電量14%左右，并一直保持上升趨勢，照明節(jié)電改造成為用電側節(jié)能關注的重點[2]。

近些年來，先進的照明技術不斷出現(xiàn)，為電力用戶照明節(jié)能提供了技術支持。緊湊型熒光燈現(xiàn)已成為人們公認的代替白熾燈的節(jié)能燈具，以其出色的照明質(zhì)量和相對低廉的成本迅速占領照明市場；金屬鹵化物燈具有較好的光色一致性，發(fā)光效率高、節(jié)能效果好、使用壽命長等優(yōu)點，廣泛應用于工廠、體育場館等場合的照明；LED光源的發(fā)明和應用則是現(xiàn)代照明史上的一次重要變革[3]，LED燈和傳統(tǒng)燈具相比具有更加節(jié)能、壽命長、低熱量等一系列優(yōu)點，已經(jīng)成為新一代照明的主要產(chǎn)品。隨著節(jié)能減排觀念深入人心，照明節(jié)能改造逐漸得到人們的重視。在燈源選擇方面，各種先進光源已經(jīng)得到推廣；在照明控制方面，各種智能控制系統(tǒng)相繼應用于照明系統(tǒng)。文獻[4]提出了一種基于C-Bus總線的智能照明控制系統(tǒng)，文獻[5]中介紹了一種應用于地下車庫節(jié)能照明的基于ZigBee無線網(wǎng)絡控制技術；在新能源照明方面，光導照明等新型照明方式正逐漸發(fā)展成熟，越來越多應用于建筑采光。

合同能源管理(Energy Performance Contracting,EPC；又稱EMC)作為一種節(jié)能投資新機制，為節(jié)能改造提供了新思路。文獻[6]介紹了合同能源管理的運作模式，并對電網(wǎng)企業(yè)實施EMC進行了研討。文獻[7]分析了合同能源管理的風險和收益。文獻[8]結合當前我國的EMC發(fā)展環(huán)境，分析當前存在的問題，提出加速發(fā)展EMC的建議對策。

本文在對合同能源管理模式運作機制和效益計算等分析的基礎上，論證其應用于照明節(jié)能改造的可行性，并在某寫字樓的照明改造中應用節(jié)能管理模式，分析其改造成本及經(jīng)濟效益，為電力用戶節(jié)能改造提供新思路。

1 合同能源管理

合同能源管理作為一種新型、有效的能源管理模式和在市場化背景下的節(jié)能新機制，正在我國推進生態(tài)文明建設中發(fā)揮巨大的作用，并取得了良好的節(jié)能效果。

1.1 合同能源管理內(nèi)容及其基本運作機制

合同能源管理是指節(jié)能服務公司(Energy Service Corporation, ESCo)與客戶簽訂節(jié)能服務合同后，為客戶提供包括節(jié)能潛力評估、節(jié)能方案設計、節(jié)能設備采購、安裝調(diào)試、設備保養(yǎng)與維護、人員培訓及節(jié)能質(zhì)量的檢測與驗證等節(jié)能改造服務[9]。這種投資管理模式，以節(jié)能收益為基礎回收項目成本和獲得利潤。

在合同能源管理模式下的節(jié)能改造有一定的實施流程，一般包括能源審計、節(jié)能改造方案設計、施工設計、項目融資、施工、安裝與調(diào)試、節(jié)能效益評估、回收節(jié)能項目投資和利潤等步驟[10]，具體實施流程如圖1所示。

圖1 節(jié)能改造實施流程圖

EMC模式是以節(jié)能改造的預期收益為基礎而訂立的雙邊節(jié)能改造合同。ESCo以盈利為目的，在與欲進行節(jié)能改造的公司簽訂合同后，為用戶提供“一條龍”的節(jié)能改造服務，以節(jié)能改造后的節(jié)能效益作為雙方合作的收益。以EMC機制進行的節(jié)能改造項目，在合同期內(nèi)，ESCo的收益與節(jié)能收益直接掛鉤，客戶原先用于支付能源費用的資金可在改造后支付能源費用和ESCo的費用；在合同期滿后，客戶享有全部的節(jié)能收益以及節(jié)能設備的所有權，由客戶自己負責經(jīng)營。圖2為EMC模式節(jié)能改造項目效益示意圖。

圖2 EMC模式節(jié)能改造項目效益示意圖

1.2 合同能源管理的優(yōu)勢

(1)降低客戶節(jié)能改造風險

合同能源管理的節(jié)能改造模式能夠將企業(yè)承擔的改造風險大大降低[11]。合同能源管理這一基于市場運作的節(jié)能機制，不僅促進了節(jié)能產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，更減少了企業(yè)用戶進行能源改造的成本投入。

(2)促進節(jié)能效果的發(fā)揮

EMC不僅能夠降低企業(yè)客戶進行節(jié)能改造的風險，還將幫助企業(yè)客戶發(fā)揮出最佳節(jié)能效果。在EMC模式下，節(jié)能服務公司作為節(jié)能設備的購買者和企業(yè)客戶節(jié)能改造的實施者，將充分利用其豐富的經(jīng)驗和成熟的技術發(fā)揮出節(jié)能設備最大效用。在以節(jié)能收益為效益的模式中，有利于促進節(jié)能設備充分發(fā)揮其效用，保證節(jié)能效果。

2 企業(yè)照明改造

照明用電是企業(yè)用電的一個重要組成部分，不合理的照明會造成電能的大量流失，不利于能源的節(jié)約使用。目前，一些企業(yè)使用的燈具存在著耗電量大、壽命短、頻閃嚴重等問題。因此，在綠色照明的理念下，采用先進的燈具對照明系統(tǒng)進行改造勢在必行，成為企業(yè)節(jié)能改造的重要組成部分。

2.1 綠色照明的概念和內(nèi)容

綠色照明是指通過科學的照明設計，采用效率高、壽命長、安全和性能穩(wěn)定的照明電器產(chǎn)品，充分利用天然光，改善提高人們工作、學習、生活條件與質(zhì)量，從而創(chuàng)造一個高效、舒適、安全、經(jīng)濟、有益的環(huán)境并體現(xiàn)現(xiàn)代文明的照明[12]。

用戶進行照明改造應以綠色照明為指導思想，在滿足用戶對照明質(zhì)量的要求下，用高效、節(jié)能的燈具替換老化、效率低下的燈具，并對照明系統(tǒng)進行合理規(guī)劃配置，達到節(jié)約電能的效果。

2.2 主要的技術指標

要對企業(yè)進行照明節(jié)電改造，必須要有準確、全面的技術指標對照明效果進行評估。根據(jù)行業(yè)規(guī)范，常采用以下技術指標[13]。

(1)光通量

光通量是以標準光度觀察者對輻射的反映所推導出的光得度量，該光度量的符號為φ，單位為流明(lm),1 lm=1 cd·sr。對于明視覺有：

(1)

式中：dφe(λ)/dλ為輻射通量的光譜分布；V(λ)為光譜效率；KM為輻射的光譜能效極大值，當在單色輻射時，明視覺條件下的KM值為683 lm/W(λM=555 nm時)。

(2)照度

表面上一點的照度是入射在包含該點的面元上的光通量dφ除以該面元面積dA所得之商，即

(2)

(3)光源的發(fā)光效能。

光源的光通量與光源功率的比值，簡稱光效，通常用K表示。單位為流明每瓦特(lm/W)。

K=φ/P

(3)

式中：φ為光源的光通量；P為光源發(fā)光所消耗得電功率。

2.3 照明節(jié)電改造中的關鍵步驟

照明節(jié)電改造是一個復雜的、系統(tǒng)的工程，各個環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系，缺一不可。通常照明改造分以下幾個步驟。

(1)照明調(diào)查

照明調(diào)查是指對客戶現(xiàn)有的照明場所的照明情況進行現(xiàn)場勘查，通過統(tǒng)計、測量并記錄客戶照明燈具的電參數(shù)、光參數(shù)、使用時間、供電方式等信息，為照明改造方案提供設計依據(jù)。

(2)照明方案設計

照明方案設計是照明改造中最重要的環(huán)節(jié)，在對客戶原有照明情況進行調(diào)查了解的基礎上，結合照明改造的預期目標，對光源種類、燈具類型、功率、數(shù)量等進行選擇，并進行照明仿真模擬，得到照明改造的初步實施計劃。

以病理診斷結果為金標準，應用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件，計算出彈性成像對甲狀腺良惡性結節(jié)鑒別診斷的敏感度、特異性和準確性。比較采用χ2檢驗，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

(3)樣板測試

樣板測試是指根據(jù)設計的照明方案進行樣板安裝，并對照明效果進行測試，根據(jù)測試結果對原設計方案進行修正和完善。

(4)成本效益分析

成本效益分析也是照明改造中的重要一環(huán)，是評價照明改造成功與否的重要指標。其中照明改造的主要成本包括燈具投資、施工投資等，收益主要為減少照明電費支出、燈具維護更換費用等。

3 案例分析

3.1 項目基本情況

某企業(yè)寫字樓是集辦公、會議等功能為一體的綜合性大樓，總建筑面積為7 449.6m2,，建筑標高為18.2 m，建筑層高為4.16 m，共有四層。原有燈具主要為熒光燈、筒燈、吸頂燈等共計2 647盞。由于照明設備比較落后，現(xiàn)應客戶要求對該寫字樓進行照明改造，要求在保證照度的基礎上，盡量降低電能消耗，實現(xiàn)綠色照明的理念。

該寫字樓屬于辦公建筑，據(jù)了解，該樓四層一、二層布置基本相同，照明主要為辦公室工作照明；三、四層除辦公室照明外還各有一個會議室，照明布局也基本相同。因此，本案例選取具有代表性的一層、三層作為照明調(diào)查的調(diào)查對象，共計1320盞燈。

3.2 現(xiàn)場照明調(diào)查與節(jié)能診斷

公室亮燈時間按照9 h/天，每年按250天計算，年亮燈時間為2 250 h。會議室亮燈時間按5 h/天，每年按250天計算，年亮燈時間為1 250 h。

根據(jù)以上調(diào)查結果，對該寫字樓進行照明用電調(diào)查，各燈具工作功率按其額定功率計算，得出該寫字樓照明用電調(diào)查結果如表1所示。

表1 某寫字樓室內(nèi)照明調(diào)查表

在對該寫字樓進行燈具使用種類和數(shù)量進行統(tǒng)計后，根據(jù)各燈具的額定功率即可得出該寫字樓照明用電情況。接下來要對主要統(tǒng)計區(qū)域進行照度現(xiàn)場測試，測試匯總結果如表2所示。

3.3 照明方案設計

根據(jù)對該寫字樓的現(xiàn)場調(diào)查情況來看，該寫字樓主要燈具以T8熒光燈和6寸筒燈為主。而這兩種燈節(jié)能效果不是很好，根據(jù)對市場上燈具比較及用戶要求，決定使用光效高、節(jié)能效果好的LED燈具對原燈具進行一對一替換，具體的替換方案如表3所示。

從改造方案中可以清晰地看出，用LED燈具對原有燈具進行改造，使照明用電功率大幅下降，節(jié)電率在60%以上，滿足照明節(jié)電的要求。

表2 某寫字樓照明區(qū)域照度調(diào)查匯總表

表3 某寫字樓照明設計方案

3.4 樣板測試

通過對照明改造區(qū)域進行照度測試的方式來驗證改造方案的照明質(zhì)量。其中經(jīng)LED照明改造后的統(tǒng)計區(qū)域的照度匯總數(shù)據(jù)如表4所示。

從以上測試匯總的數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)LED照明改造后，辦公室平均照度提升了1.7倍，走廊平均照度提高約1.25倍，會議室平均照度提高約2倍。各改造區(qū)域平均照度都有大幅提高，滿足照明改造對照明質(zhì)量提高的要求。

3.5 改造投資與效益分析

由于該項目改造區(qū)域較多、改造投資較高、改造風險高等特點，客戶與節(jié)能服務公司訂立的是節(jié)能效益分享型改造合同，合同期為8年，項目收益業(yè)主分享8%，節(jié)能服務公司分享92%。

表4 改造區(qū)照度測試匯總表

對某寫字樓進行的照明改造，由前面上述分析討論可得，該寫字樓一、二層照明情況近似相同，三、四層照明情況近似相同，根據(jù)上述調(diào)查匯總結果，可近似估計出整棟寫字樓進行改造共涉及約2 640盞燈具。根據(jù)市面上LED燈具的平均價格，該項目燈具投資為381 040元，施工費用為37 620元，其他費用包括項目管理費、檢測費、保險費等按燈具費和施工費總和的8%計算。

按改造前后年用電小時數(shù)不變計算，整棟寫字樓改造前年照明用電量約為171 541 kW·h，改造后照明用電量為55 224 kW·h，電價按0.9元/kW·h,則改造后年電費節(jié)約104 685元，項目收益按節(jié)省電費減去維護費用，維護費用按5 000元/年計算，則該項目年收益為99 685元。

由于該項目采用EMC模式進行照明改造，故采用內(nèi)部收益率分析方法進行經(jīng)濟分析，分析結果如表5所示。

表5 照明改造效益分析表

根據(jù)表5分析，該項目節(jié)電率為67.8%，項目改造中收益率為12.22%，獲得較好的節(jié)能改造收益。在傳統(tǒng)模式下，客戶需要5年才可收回項目投資成本，并承擔改造失敗風險；而在ESCo 模式下，用戶在合同期內(nèi)年獲得節(jié)電收益7 975元，合同期滿年獲得全部節(jié)電收益99 685元，大規(guī)避了項目失敗風險，并取得較好的節(jié)能收益。

4 總結

在全球范圍的節(jié)能環(huán)保背景下，針對電力節(jié)能，探討了基于合同能源管理模式的照明改造。經(jīng)過研究討論，最終用LED光源代替原有光源，并在某寫字樓進行了改造驗證，結果顯示通過照明改造，在保證照明要求的前提下，大大節(jié)省了照明電費支出。同時，在合同能源管理模式下的改造，用戶和節(jié)能服務公司均得到較好的節(jié)能收益，降低照明改造的風險，達到預計節(jié)能效果，為電力用戶節(jié)能改造提供了重要的參考。