基于合同能源管理的照明節能改造研究

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境問題，節能減排勢在必行。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、使用環節中有很大的節能潛力[1]。照明用電是居民和工商業用電中的重要部分，占全社會用電量14%左右，并一直保持上升趨勢，照明節電改造成為用電側節能關注的重點[2]。

近些年來，先進的照明技術不斷出現，為電力用戶照明節能提供了技術支持。緊湊型熒光燈現已成為人們公認的代替白熾燈的節能燈具，以其出色的照明質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，發光效率高、節能效果好、使用壽命長等優點，廣泛應用于工廠、體育場館等場合的照明；LED光源的發明和應用則是現代照明史上的一次重要變革[3]，LED燈和傳統燈具相比具有更加節能、壽命長、低熱量等一系列優點，已經成為新一代照明的主要產品。隨著節能減排觀念深入人心，照明節能改造逐漸得到人們的重視。在燈源選擇方面，各種先進光源已經得到推廣；在照明控制方面，各種智能控制系統相繼應用于照明系統。文獻[4]提出了一種基于C-Bus總線的智能照明控制系統，文獻[5]中介紹了一種應用于地下車庫節能照明的基于ZigBee無線網絡控制技術；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)作為一種節能投資新機制，為節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，并對電網企業實施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發展環境，分析當前存在的問題，提出加速發展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能改造的可行性，并在某寫字樓的照明改造中應用節能管理模式，分析其改造成本及經濟效益，為電力用戶節能改造提供新思路。

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能新機制，正在我國推進生態文明建設中發揮巨大的作用，并取得了良好的節能效果。

1.1 合同能源管理內容及其基本運作機制

合同能源管理是指節能服務公司(Energy Service Corporation, ESCo)與客戶簽訂節能服務合同后，為客戶提供包括節能潛力評估、節能方案設計、節能設備采購、安裝調試、設備保養與維護、人員培訓及節能質量的檢測與驗證等節能改造服務[9]。這種投資管理模式，以節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能改造有一定的實施流程，一般包括能源審計、節能改造方案設計、施工設計、項目融資、施工、安裝與調試、節能效益評估、回收節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 節能改造實施流程圖

EMC模式是以節能改造的預期收益為基礎而訂立的雙邊節能改造合同。ESCo以盈利為目的，在與欲進行節能改造的公司簽訂合同后，為用戶提供“一條龍”的節能改造服務，以節能改造后的節能效益作為雙方合作的收益。以EMC機制進行的節能改造項目，在合同期內，ESCo的收益與節能收益直接掛鉤，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，客戶享有全部的節能收益以及節能設備的所有權，由客戶自己負責經營。圖2為EMC模式節能改造項目效益示意圖。

圖2 EMC模式節能改造項目效益示意圖

1.2 合同能源管理的優勢

(1)降低客戶節能改造風險

合同能源管理的節能改造模式能夠將企業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能機制，不僅促進了節能產業的迅速發展，更減少了企業用戶進行能源改造的成本投入。

(2)促進節能效果的發揮

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

2 企業照明改造

照明用電是企業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，不利于能源的節約使用。目前，一些企業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進行改造勢在必行，成為企業節能改造的重要組成部分。

2.1 綠色照明的概念和內容

綠色照明是指通過科學的照明設計，采用效率高、壽命長、安全和性能穩定的照明電器產品，充分利用天然光，改善提高人們工作、學習、生活條件與質量，從而創造一個高效、舒適、安全、經濟、有益的環境并體現現代文明的照明[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量的要求下，用高效、節能的燈具替換老化、效率低下的燈具，并對照明系統進行合理規劃配置，達到節約電能的效果。

2.2 主要的技術指標

要對企業進行照明節電改造，必須要有準確、全面的技術指標對照明效果進行評估。根據行業規范，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為光源發光所消耗得電功率。

2.3 照明節電改造中的關鍵步驟

照明節電改造是一個復雜的、系統的工程，各個環節緊密聯系，缺一不可。通常照明改造分以下幾個步驟。

(1)照明調查

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

(2)照明方案設計

照明方案設計是照明改造中最重要的環節，在對客戶原有照明情況進行調查了解的基礎上，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統計軟件，計算出彈性成像對甲狀腺良惡性結節鑒別診斷的敏感度、特異性和準確性。比較采用χ2檢驗，以P<0.05為差異有統計學意義。

(3)樣板測試

樣板測試是指根據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，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，實現綠色照明的理念。

該寫字樓屬于辦公建筑，據了解，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、三層作為照明調查的調查對象，共計1320盞燈。

3.2 現場照明調查與節能診斷

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。

根據以上調查結果，對該寫字樓進行照明用電調查，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查結果如表1所示。

表1 某寫字樓室內照明調查表

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

3.3 照明方案設計

根據對該寫字樓的現場調查情況來看，該寫字樓主要燈具以T8熒光燈和6寸筒燈為主。而這兩種燈節能效果不是很好，根據對市場上燈具比較及用戶要求，決定使用光效高、節能效果好的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，節電率在60%以上，滿足照明節電的要求。

表2 某寫字樓照明區域照度調查匯總表

表3 某寫字樓照明設計方案

3.4 樣板測試

通過對照明改造區域進行照度測試的方式來驗證改造方案的照明質量。其中經LED照明改造后的統計區域的照度匯總數據如表4所示。

從以上測試匯總的數據可以看出，經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。各改造區域平均照度都有大幅提高，滿足照明改造對照明質量提高的要求。

3.5 改造投資與效益分析

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

表4 改造區照度測試匯總表

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，根據上述調查匯總結果，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,則改造后年電費節約104 685元，項目收益按節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，故采用內部收益率分析方法進行經濟分析，分析結果如表5所示。

表5 照明改造效益分析表

根據表5分析，該項目節電率為67.8%，項目改造中收益率為12.22%，獲得較好的節能改造收益。在傳統模式下，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，用戶在合同期內年獲得節電收益7 975元，合同期滿年獲得全部節電收益99 685元，大規避了項目失敗風險，并取得較好的節能收益。

4 總結

在全球范圍的節能環保背景下，針對電力節能，探討了基于合同能源管理模式的照明改造。經過研究討論，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，用戶和節能服務公司均得到較好的節能收益，降低照明改造的風險，達到預計節能效果，為電力用戶節能改造提供了重要的參考。