基于情景模型預測的半導體照明節能潛力

劉虹 張清源

(1.國家發展改革委能源研究所，北京 100038;2.首都師范大學附中，北京 100037)

1 前言

本世紀初，白光半導體照明光源誕生，標志著人類一個新的綠色環保照明新時代的開始，我國作為世界上最大的光源生產國和消費國，半導體照明技術的出現和發展，必將對今后我國照明市場的發展產生深遠的影響。本文基于未來半導體照明新技術發展，就其對我未來照明用電的影響進行了多情景的定量預測分析。

2 研究方法

2.1 數據基準與基本假設

本文只限于半導體在通用照明領域的節能分析，并以2005年為基準年，2050為期末年。2005年我國照明用電及照明產品提供光照服務的基本情況，是根據2005年我國照明用電和照明產品使用的調查數據［1］計算得出。照明產品的年光照輸出量用式(1)計算。

式中 I——所有光源的年光照輸出量 (lm·h/y);

i——光源種類，共有n種光源被各類照明場合使用;

Vi——i類光源保有量;

Wiave——i類光源平均功率 (W);

Ei——i類光源平均光效 (lm/W);

Hi——i類光源平均每天燃點時間。

本文根據未來照明技術的自然發展和照明市場的發展變化，設定了5個情景，其中1個參考情景和4個半導體照明發展情景。參考情景假設傳統照明燈具依然較長時間存在，但結構趨于優化，高效照明產品逐步替代低效產品，半導體照明隨市場自然發展，無國家特殊政策支持，到2050年，半導體通用照明量 (這里照明量特指光源發出的光照流明量)約占全部照明總量的比例為10%，而其他四種半導體發展情景則假設這一比例分別為30%、50%、60%、80%(見表1)。

表1 未來半導體通用照明光效發展路徑假設

2.2 照明需求量預測方法

本文在分析預測未來照明需求量時，對不同照明場合和照明品質進行分類考慮，照明場合分為城市住宅，農村住宅，商業建筑，工業建設，公共場合及其他場合;照明品質按光源品種顯色指數的不同分為高、中、低三類。同時依據已有的我國未來建筑物發展規模預測研究結果，按標準照度分別推算出未來不同類型照明場合的照明需求量及照明需求品質結構［1］。

2.3 照明用電量預測方法

在已知未來某年份的照明需求量的基礎上，已知該年份的各類照明光源照明量的比例，照明用電量用式 (2)計算。

式中 Lj、yi和 Pi——分別表示某一年第 j種顯色性的流明需求分量、對應的照明產品供應結構中第i種光源產品的發光效率、第i種光源對流明需求的貢獻比例 (市場供應份額比例)。流明需求按顯色性分高中低三種，不同顯色需求的流明需求分量由n種光源產品提供，光源品種結構在各流明需求分量區間各有不同。

2.4 照明節能潛力的計算

不同情景之間照明用電量之差反映了不同情景下相對的節能潛力，4種不同半導體發展情景相對參考情景的差值，體現了不同的半導體發展情景所擁有節能潛力。

3 研究結果

3.1 照明需求預測

預測結果顯示:全國照明總需求量從2005年16007萬億lm·h增加到2050年的44487萬億 lm·h，2005—2050年平均增長速度約為4.3%。2030年照明需求量是2005年的2.3倍，2050年是2005年的2.8倍 (見圖1，表2)。

圖1 2005—2050年全國建筑照明需求增長趨勢與光品質構成

表2 2005—2050年全國建筑照明需求預測結果及部門構成 單位:萬億lm·h

3.2 照明用電情景預測結果

圖2顯示的是2005年至2050年間三個不同情景的照明用電發展走勢，不同情景下照明用電高低體現了情景間節電潛力的大小。2050年半導體照明滲透30%、50%、60%、80% 四種發展情景相對參考情景的節電潛力分別為1172.3億kWh和1658.1億kWh，2070億kWh、2668億kWh，各情景相對參考情景的節電率分別為20%、29%、39%、51%。

圖2 各情景下全國照明用電量發展趨勢

表3 各情景相對基礎情景的節電率

4 結論

LED照明技術將成為未來照明節電領域最具發展潛力的技術，無疑會對中國未來照明市場和照明用電產生重大影響，研究結果表明:

(1)2050年我國照明總量需求將在2005年的基礎上增加約2倍左右，通過國家大力推行長期性的照明節電計劃，2050年的我國照明用電總量預計將達到5408.85億度左右，相對2005年用量翻了一番，照明用電峰值可能出現在2045年前后，最大用電量將不超過6000億度。

(2)通過采用LED新型高效光源，我國照明用電的效率得到提高，2050年相對2005年，在照明服務需求增加2倍的基礎上，電力需求只需增加1倍，照明電力需求彈性系數可保持在0.5左右，節電效益明顯。

(3)通過設定LED照明發展的不同情景，比較發現:我國照明領域到2030年和2050年分別擁有超過1000億度和2000億度左右的節電潛力。

［1］陳良惠，劉虹．中國工程院．中國能源中長期能源發展 (2030—2050)戰略研究節能專題——照明節能分報告，2010，7．

［2］劉虹，沈天行．“LED進入普通照明市場的預測及照明節電分析”．照明工程學報，2005，3．

［3］沈天行，劉虹． “我國照明需求量未來發展趨勢分析”．照明工程學報，2005，1．

［4］Arthur D．Little．Inc．“Energy savings Potential of Solid State Lighting in General Lighting Application”，Report for U.S.Department of Energy，April 2001．

［5］Hilary Graves． “What if White light LEDs can produce more than 150 Lumen/Watt by 2020?Implications for UK energy use and CO2emissions”BRE Environment，Garston，Watford，WD259XX，UK．

［6］Stephen Johnson.“LEDs—An Overview of the State of the Art in Technology and Application”Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory，University of California，March 2002．

［7］Navigant Consulting．Inc．“USLighting Market Characterization”Report of US Department of Energy”September 2002．

［8］“Diffusion Theory in Marketing:Ahistorical Perspective”Frank M Bass 1999．

［9］官建成．技術創新與技術擴散．北京:北京航空航天大學出版社．

［10］國家發展和改革委員會．半導體照明節能產業發展意見，2009，4．