基于经济评价的照明节电改造方案

杨源 李伟华 周 署 贺洪玉

(暨南大学电气自动化研究所，珠海519070)

1 引言

我国政府将“建设资源节约型、环境友好型社会”作为基本国策，标志着我国进入建设节约型社会时期，许多用户适时对照明设备进行了节电改造。但据调查，目前许多照明节电改造工程却出现了节电不节钱的现象，究其原因，市场上照明设备质量参差不齐固然是一方面因素，更多的却是因为用户没有进行节电效益计算就盲目进行照明节能改造［1，2］。

因此，用户要从经济角度，对节能改造方案的预期效果进行分析。节能改造方案的经济分析，就是对不同的节能改造方案的经济效果进行计算、分析和评价，从而选择出最优方案［3］。统计起来判断照明节能方案经济性的常用方法主要有费用法、投资能力法和净现值法［4］。(1)费用法以追求最小折现成本为目标，适用于不同使用寿命期的多个方案的比较评价。(2)投资能力法评价投资的回收效果，通过投资回收期直观地看出投资回收的速度。(3)净现值法通过成本的贴现率评估短期内确定型的投资项目［5，6］。不过费用法不能看到投资回收的速度，投资能力法没有考虑到效益的贴现率，净现值法易使投资预期与实际结果产生很大的偏差［7］，即三种方法单独应用起来均有其缺限。本文考虑将三种方法结合起来，扬长避短，通过引入效益比、相对投资回收期和相对剩余时间3个指标进行经济评价，进而得到最优节电改造方案。

2 改造原则

照明设备主要划分为:白炽灯、荧光灯(T12/T8/T5/紧凑型荧光灯)、高压汞灯、高压钠灯(HPS)、金属卤化物灯(MH)。镇流器包括电子镇流器和电感镇流器［8］。绝大部分用户的耗电在室内荧光灯照明方面，因此本文主要以荧光灯为对象进行分析，通过引入价格、功率、寿命和年运行时间等4个因素建立经济评价，来得到其最优节电改造方案。以上4个因素是照明设备的共同特点，因此本文基于经济评价下的荧光灯节电改造方案，可推广应用于金属卤化物灯、高压钠灯和高压汞灯等其他照明设备。

一般情况下，用户用于改造的资金都是有限的，因此不可能对所有照明设备进行节能改造。故本文引入适应的改造原则，以选出节电最优方案。改造原则设定如下:

① 设备的效益比大于0，才允许进行改造。若节能设备的效益比越大，反映其产生的节电效益越大，则越应优先得到改造。因此，按照“从大到小”的原则对效益比进行先后排序。根据效益比，可得到各设备的最优品牌及各设备的改造顺序。

② 若效益比最大值存在于不同设备，相对投资回收期最小的设备得到优先改造。相对投资回收期越小，则收回单位投资成本的时间越短。因此相对投资回收期按“从小到大”的原则进行排序。

③ 若效益比的最大值和相对投资回收期的最小值同时存于不同设备，则这些设备的改造优先权相同。在此基础上，再根据设备的相对剩余时间决定改造的具体对象。某区域设备的相对剩余时间越小，则意味着其可用天数越短，其报废的可能性越大，应优先得到改造。

以上可知，效益比、相对投资回收期、相对剩余时间3个指标的关系是从属关系的。效益比的优先权最大，相对投资回收期的优先权次之，相对剩余时间的优先权最小。若设备A的效益比大于设备B，则即使设备B的相对投资回收期小于设备A，都只应优先考虑改造设备A。同理，若设备A的相对回收期小于设备B，则即使设备B的相对剩余时间小于设备A，都只应优先考虑改造设备A。

3 基于经济评价的照明改造方案

3.1 节电效益

本文定义，在光通量不变的条件下，能比当前照明设备节电的设备统称为照明节能设备。通过照明节能设备与当前照明设备的功率转换关系，得到节电量，进而求得照明节电改造的节电效益。

(1)照明设备的功率转换关系［8］(见表1)

表1 功率转换关系

根据功率转换关系，可得到在光通量不变的条件下，节能设备比当前设备节省的耗电量。

(2)节电量［6］

式中，ΔA′i——第i类照明设备被替换后的单位小时节电量;

ai——第i类照明设备的单位小时耗电量;

a′i——在产生相同光通量条件下第i类照明设备被节能设备替换后的单位小时耗电量，也就是节能设备的单位小时耗电量;

m——要被替换的照明设备总数量。

得到节电量后，根据电价、投资成本、折损率和使用寿命计得节电效益，进而按其大小决定是否进行改造。

(3)单位照明节能设备的节电效益

第i类照明设备被替换后的第t年节电效益为第t年的节省电费扣除第t年的投资成本后的现值:

式中，M′i——第i类照明设备被替换后节电量总收益额现值，单位为元;

M′it——第i类照明设备被替换后第t年节电量年收益额现值，单位为元;

Pt——第t年电价，单位为元/(kW·h);

c′it——第i类照明设备被替换后第t年摊派的投资成本;

T′it——第i类照明设备被替换后第t年的运行时间，未来每年的运行时间要根据往年数据来拟合;

pi——第i类照明设备的购买价格;

p′i——第i类照明设备的替换成本，为购买照明节能设备的成本;

m′it——第i类照明设备被替换后第t年的维护成本，可以把它当作一个定值;

Ti——第i类照明设备的使用寿命;

T′i——照明节能设备的使用寿命;

is——折现率;

ni——第i类照明设备被替换后的使用总年数。

为简化过程，只考虑照明节能设备的购买成本，不考虑照明节能设备的维护成本。假设设备改造前后的每年运行时间不变及电价恒为1元/每度电。并且总折损率(即平均通货膨胀率)是10%。

①当不同功率的照明设备替换时，节电效益是

举例，T8/18W的使用寿命为10000小时，它的购买价格为10元。当T8/18W替换T12/20W后，节电效益是:

②当相同功率的设备替换时，节电效益是:

3.2 基于节电效益的经济评价

根据节能设备的节电效益，得到各节能设备效益比的大小，进而对改造对象进行先后排序。效益比是总效益与总投资的比值。若设备的效益比越大，越应优先得到改造。

式中，B′i——效益比;

O′i——总效益;

C′i——表示总成本，由于不考虑节能设备的维护成本，所以总成本等于购买照明节能设备的成本;

N′i——节能设备的购买数量。

得到各节能设备的效益比后，为解决效益比最大值存在于不同节能设备的问题，本文引入了相对投资回收期。由照明节能设备的年运行时间、使用寿命可得到相对投资回收期。

式中，I′i——投资回收期，单位为小时;

R′i——相对投资回收期，它是投资回收期与年平均运行时间的比值，单位为年;

A′i——年平均运行时间，单位为单位节能设备每年的运行总小时数。由于设备每年的运行时间相同，那么，年平均运行时间与各年的运行时间的数值是相等的，则

得到效益比和相对投资回收期后，本文引入了相对剩余时间的指标来解决如何确定照明设备改造区域的问题。它是第i类照明设备的剩余寿命与其年平均运行时间的比值。

式中，Rij——第i类照明设备在第j个区域的相对剩余时间;

Ti——第i类照明设备的使用寿命;

Tij——第i类照明设备在第j个区域的已运行时间;

aij——表示第i类照明设备在第j个区域的年使用时间，单位为每年的运行总小时数。

3.3 基于经济评价的方案确定

一个最佳节电改造方案的确定有4个关键因素:资金、对象、时间、地点。现实生活中改造资金通常是有限的，即使一个方案能够产生最大的效益比，若它所需的成本大于投资资金，那么也不得不放弃该方案。因此，本文从资金决定改造方案的角度出发，研究在有限资金下的最优改造方案，使用户能随时根据资金值调整改造方案来获取最佳效益。同时假设改造时间为当前，即本文只针对当前照明设备进行改造。如此简化后最佳节电改造方案的产生只需确定两个因素:改造对象与改造地点。

单纯比较节电效益总值，只能获得节能设备在无资金限制下的最大效益。而通过效益比可以获得单位照明节能设备的节电效益。即相对值比总值的优势在于它追求的是单位质量的最优化。因此，以经济评价比较不同设备在不同成本下的效益比，能直接地反映哪些设备在单位投资下产生的效益最大;比较不同设备在不同年运行时间的投资回收期，能直接地反映哪些设备在单位投资下回收最快;而通过相对剩余时间反映各个区域设备改造的紧迫性，来确定有限资金条件下优先进行改造的具体位置。

综上可知，改造对象的确定可根据效益比得到;改造地点可根据相对剩余时间来确定;而相对投资回收期的引入一来能解决当两设备效益比相同时如何取舍的困境，二来可以兼顾投资回收期短的因素。那么产生最佳照明改造方案的流程如图1。

图1 系统运行流程图

由图1可得，基于经济评价的照明设备节能改造方案具体确定过程如下:首先，根据设备间的功率转换关系计得节电量，进而结合电价、投资成本、折现率和使用寿命计得节电效益。其次，根据设备单价、节电效益和使用寿命得到各设备不同品牌的效益比。然后，根据使用寿命、价格和年运行时间得到各设备的相对投资回收期。最后，根据各区域设备的使用寿命和年运行时间计得其相对剩余时间，从而依据资金大小得到相应的推荐方案。

4 实例分析

结合现实中各种照明设备及某学校的实际情况，依次根据经济评价3个指标，可得到节电最优的改造方案。

4.1 荧光灯的改造顺序

荧光灯包括灯管和镇流器两部分。经济评价模型也适合于电子镇流器，故本文对电子镇流器不作讨论，并把灯管等同于荧光灯。通过计算出各种荧光灯前3名品牌的效益比，可以得到各种荧光灯的最优品牌及设备改造顺序。荧光灯的价格与寿命见表2。

通过经济评价可得如下结论:T8/18W、T8/30W、T8/36W应分别采用PH-T5/14W(即飞利浦T5系列15W荧光灯)、PH-T5/21W(即飞利浦T5系列21W荧光灯)和FS-T5/28W(即佛山照明T5系列28W荧光灯)照明节能设备。替换不同功率的T8类型荧光灯后，其效益比分别为3.7、8.5、7.0。同理可得，T12/20W、T12/30W、T12/40W应分别采用PH-T5/14W、PH-T5/21W和FS-T5/28W照明节能设备。替换不同功率的T12类型荧光灯后，其效益比分别为6.1、8.5、11.0。

表2 荧光灯的价格与寿命［9］

4.2 照明改造的最佳方案

该学校用于节能改造方案的投资资金是2000元，需改造的对象是教室的照明设备T8和T12。在得知投资资金和改造对象的情况下，可得到节电效益最优的改造方案。表3反映了该高中室内当前照明设备的具体情况。

表3 高中室内照明情况

结合表2和表3，用照明节能设备FS T5/28W替换当前照明设备T12/40W和T8/36W，并优先替换T12/40W。由于高一和高三都是用FS T5/28W替换T12/40W，其效益比相同。为解决优先改造高一还是高三的T12/40W这一问题，引入相对投资回收期指标。由于高一T12/40W和高三T12/40W的相对投资回收期分别为0.52和0.39。高三T12/40W的相对投资回收期比高一的小，优先考虑改造高三的T12/40W。由公式(2)可得表4:

表4 替换一盏当前照明设备的效益

由于投资资金仅为2000元，不足以改造该高中室内全部荧光灯。则面临着如何根据各个指标得到最优改造方案的问题。结合表3和表4根据不同的指标可产生相应的4个方案，如表5。

表5 不同照明改选方案的比较

方案1: 若仅根据节电效益这一指标，改造方案是高一T12/40W全换，高三T12/40W换113根。该方案的节电效益为16049.1元。

方案2: 若仅根据相对投资回收期这一指标，由于高二节能设备T5/28W替换T8/36W的相对投资回收期是0.695。改造方案是高二T8/36W换120根，高一T12/40W换113根。该方案的节电效益为12167.8元。

方案3: 高二T8/36W的相对剩余时间是1.02，比高一的小，但比高三的大。若仅根据相对剩余时间这一指标，改造方案是高三T12/40W换120根，高二T8/36W换113根。该方案的节电效益为13153.5。

方案4 (最佳方案):高三T12/40W全换，高一T12/40W换113根，高二T8/36W全没换。其节电效益为16096.0元。

由上可得，综合节电效益、相对投资回收期及年运行时间，可以使照明节电改造方案达到最优。但节电效益效果与现实情况有所偏差，毕竟在现实生活中节电效益并不是很明显。主要原因有:电价便宜，人工安装费用大;节能灯使用寿命短及价格高［1］。根据以上原因可得节电效益的灵敏度分析如表6。

表6 节电效益的灵敏度分析

在表6中，(1)由于目前我国的平均电价为0.5元/每度，同时我国生产照明节能设备的技术所限，大多照明节能设备的使用寿命并没能达到标准。若保守估计照明节能设备T5/28W的使用寿命只是标注寿命的一半，节电效益会在原基础上下降一半。(2)近年来我国的经济发展迅速，导致通货膨胀率偏高。若近年通货膨胀率在10%基础上升到15%，其节电效益会在原基础下降11%。

结合表6和实际情况，当投资额为2000元时，电价是0.5元/每度并且效益折损率为15%，节能设备T5/28W的价格上升1倍且每盏节能灯的人工安装费为5元［1］，最佳节电方案的节电效益是5558.6元。其节电效益与现实生活中的实际情况吻合［1］，这体现了本文的经济评价是切实可靠。

5 结束语

本文通过效益比、相对投资回收期、相对剩余时间3个指标建立经济评价，从而实现在有限投资资金的约束下获得对当前荧光灯设备的最佳节能改造方案。因照明设备具有共性，因此该方法可推广应用于其他照明设备的节能改造。当然，一个具备了经济技术指标良好的照明节能方案只是具备了“节能”的基础，是否真正“节能”关键还取决于日常的使用者。节能的关键在人，当提高人们的节电意识时，其节能的效果远比节能技术应用产生的效果大得多。

［1］http:∥www.china-esi.com/Pat/List/List_157.htm l，2010，08，26.

［2］李辉群，周春艳.关于电子节能灯的综述［J］.节能技术，2004，22(124)，pp:64-65.

［3］齐天文.节能技术经济分析［J］.北方经济，2005，(10)，pp:79.

［4］GB/T 13471—2008.节电技术经济效益计算与评价方法［S］.

［5］陈晓.住宅小区集中供冷系统的技术及经济性评价［D］.湖南大学，2002.

［6］刘云.工业企业节电决策支持系统的研究［D］.武汉大学，2004.

［7］杨凌志.建设项目投资决策系统研究［D］.西安建筑科技大学，2003.

［8］节能灯镇流器初级教材［EB OL］.http:∥www.docin.com/p-2346367.htm l#documentinfo，2010，08，26.

［9］http:∥www.taobao.com/，2010，08，26.