楊源 李偉華 周 署 賀洪玉

(暨南大學電氣自動化研究所，珠海519070)

1 引言

我國政府將“建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會”作為基本國策，標志著我國進入建設節(jié)約型社會時期，許多用戶適時對照明設備進行了節(jié)電改造。但據(jù)調(diào)查，目前許多照明節(jié)電改造工程卻出現(xiàn)了節(jié)電不節(jié)錢的現(xiàn)象，究其原因，市場上照明設備質量參差不齊固然是一方面因素，更多的卻是因為用戶沒有進行節(jié)電效益計算就盲目進行照明節(jié)能改造［1，2］。

因此，用戶要從經(jīng)濟角度，對節(jié)能改造方案的預期效果進行分析。節(jié)能改造方案的經(jīng)濟分析，就是對不同的節(jié)能改造方案的經(jīng)濟效果進行計算、分析和評價，從而選擇出最優(yōu)方案［3］。統(tǒng)計起來判斷照明節(jié)能方案經(jīng)濟性的常用方法主要有費用法、投資能力法和凈現(xiàn)值法［4］。(1)費用法以追求最小折現(xiàn)成本為目標，適用于不同使用壽命期的多個方案的比較評價。(2)投資能力法評價投資的回收效果，通過投資回收期直觀地看出投資回收的速度。(3)凈現(xiàn)值法通過成本的貼現(xiàn)率評估短期內(nèi)確定型的投資項目［5，6］。不過費用法不能看到投資回收的速度，投資能力法沒有考慮到效益的貼現(xiàn)率，凈現(xiàn)值法易使投資預期與實際結果產(chǎn)生很大的偏差［7］，即三種方法單獨應用起來均有其缺限。本文考慮將三種方法結合起來，揚長避短，通過引入效益比、相對投資回收期和相對剩余時間3個指標進行經(jīng)濟評價，進而得到最優(yōu)節(jié)電改造方案。

2 改造原則

照明設備主要劃分為:白熾燈、熒光燈(T12/T8/T5/緊湊型熒光燈)、高壓汞燈、高壓鈉燈(HPS)、金屬鹵化物燈(MH)。鎮(zhèn)流器包括電子鎮(zhèn)流器和電感鎮(zhèn)流器［8］。絕大部分用戶的耗電在室內(nèi)熒光燈照明方面，因此本文主要以熒光燈為對象進行分析，通過引入價格、功率、壽命和年運行時間等4個因素建立經(jīng)濟評價，來得到其最優(yōu)節(jié)電改造方案。以上4個因素是照明設備的共同特點，因此本文基于經(jīng)濟評價下的熒光燈節(jié)電改造方案，可推廣應用于金屬鹵化物燈、高壓鈉燈和高壓汞燈等其他照明設備。

一般情況下，用戶用于改造的資金都是有限的，因此不可能對所有照明設備進行節(jié)能改造。故本文引入適應的改造原則，以選出節(jié)電最優(yōu)方案。改造原則設定如下:

① 設備的效益比大于0，才允許進行改造。若節(jié)能設備的效益比越大，反映其產(chǎn)生的節(jié)電效益越大，則越應優(yōu)先得到改造。因此，按照“從大到小”的原則對效益比進行先后排序。根據(jù)效益比，可得到各設備的最優(yōu)品牌及各設備的改造順序。

② 若效益比最大值存在于不同設備，相對投資回收期最小的設備得到優(yōu)先改造。相對投資回收期越小，則收回單位投資成本的時間越短。因此相對投資回收期按“從小到大”的原則進行排序。

③ 若效益比的最大值和相對投資回收期的最小值同時存于不同設備，則這些設備的改造優(yōu)先權相同。在此基礎上，再根據(jù)設備的相對剩余時間決定改造的具體對象。某區(qū)域設備的相對剩余時間越小，則意味著其可用天數(shù)越短，其報廢的可能性越大，應優(yōu)先得到改造。

以上可知，效益比、相對投資回收期、相對剩余時間3個指標的關系是從屬關系的。效益比的優(yōu)先權最大，相對投資回收期的優(yōu)先權次之，相對剩余時間的優(yōu)先權最小。若設備A的效益比大于設備B，則即使設備B的相對投資回收期小于設備A，都只應優(yōu)先考慮改造設備A。同理，若設備A的相對回收期小于設備B，則即使設備B的相對剩余時間小于設備A，都只應優(yōu)先考慮改造設備A。

3 基于經(jīng)濟評價的照明改造方案

3.1 節(jié)電效益

本文定義，在光通量不變的條件下，能比當前照明設備節(jié)電的設備統(tǒng)稱為照明節(jié)能設備。通過照明節(jié)能設備與當前照明設備的功率轉換關系，得到節(jié)電量，進而求得照明節(jié)電改造的節(jié)電效益。

(1)照明設備的功率轉換關系［8］(見表1)

表1 功率轉換關系

根據(jù)功率轉換關系，可得到在光通量不變的條件下，節(jié)能設備比當前設備節(jié)省的耗電量。

(2)節(jié)電量［6］

式中，ΔA′i——第i類照明設備被替換后的單位小時節(jié)電量;

ai——第i類照明設備的單位小時耗電量;

a′i——在產(chǎn)生相同光通量條件下第i類照明設備被節(jié)能設備替換后的單位小時耗電量，也就是節(jié)能設備的單位小時耗電量;

m——要被替換的照明設備總數(shù)量。

得到節(jié)電量后，根據(jù)電價、投資成本、折損率和使用壽命計得節(jié)電效益，進而按其大小決定是否進行改造。

(3)單位照明節(jié)能設備的節(jié)電效益

第i類照明設備被替換后的第t年節(jié)電效益為第t年的節(jié)省電費扣除第t年的投資成本后的現(xiàn)值:

式中，M′i——第i類照明設備被替換后節(jié)電量總收益額現(xiàn)值，單位為元;

M′it——第i類照明設備被替換后第t年節(jié)電量年收益額現(xiàn)值，單位為元;

Pt——第t年電價，單位為元/(kW·h);

c′it——第i類照明設備被替換后第t年攤派的投資成本;

T′it——第i類照明設備被替換后第t年的運行時間，未來每年的運行時間要根據(jù)往年數(shù)據(jù)來擬合;

pi——第i類照明設備的購買價格;

p′i——第i類照明設備的替換成本，為購買照明節(jié)能設備的成本;

m′it——第i類照明設備被替換后第t年的維護成本，可以把它當作一個定值;

Ti——第i類照明設備的使用壽命;

T′i——照明節(jié)能設備的使用壽命;

is——折現(xiàn)率;

ni——第i類照明設備被替換后的使用總年數(shù)。

為簡化過程，只考慮照明節(jié)能設備的購買成本，不考慮照明節(jié)能設備的維護成本。假設設備改造前后的每年運行時間不變及電價恒為1元/每度電。并且總折損率(即平均通貨膨脹率)是10%。

①當不同功率的照明設備替換時，節(jié)電效益是

舉例，T8/18W的使用壽命為10000小時，它的購買價格為10元。當T8/18W替換T12/20W后，節(jié)電效益是:

②當相同功率的設備替換時，節(jié)電效益是:

3.2 基于節(jié)電效益的經(jīng)濟評價

根據(jù)節(jié)能設備的節(jié)電效益，得到各節(jié)能設備效益比的大小，進而對改造對象進行先后排序。效益比是總效益與總投資的比值。若設備的效益比越大，越應優(yōu)先得到改造。

式中，B′i——效益比;

O′i——總效益;

C′i——表示總成本，由于不考慮節(jié)能設備的維護成本，所以總成本等于購買照明節(jié)能設備的成本;

N′i——節(jié)能設備的購買數(shù)量。

得到各節(jié)能設備的效益比后，為解決效益比最大值存在于不同節(jié)能設備的問題，本文引入了相對投資回收期。由照明節(jié)能設備的年運行時間、使用壽命可得到相對投資回收期。

式中，I′i——投資回收期，單位為小時;

R′i——相對投資回收期，它是投資回收期與年平均運行時間的比值，單位為年;

A′i——年平均運行時間，單位為單位節(jié)能設備每年的運行總小時數(shù)。由于設備每年的運行時間相同，那么，年平均運行時間與各年的運行時間的數(shù)值是相等的，則

得到效益比和相對投資回收期后，本文引入了相對剩余時間的指標來解決如何確定照明設備改造區(qū)域的問題。它是第i類照明設備的剩余壽命與其年平均運行時間的比值。

式中，Rij——第i類照明設備在第j個區(qū)域的相對剩余時間;

Ti——第i類照明設備的使用壽命;

Tij——第i類照明設備在第j個區(qū)域的已運行時間;

aij——表示第i類照明設備在第j個區(qū)域的年使用時間，單位為每年的運行總小時數(shù)。

3.3 基于經(jīng)濟評價的方案確定

一個最佳節(jié)電改造方案的確定有4個關鍵因素:資金、對象、時間、地點?，F(xiàn)實生活中改造資金通常是有限的，即使一個方案能夠產(chǎn)生最大的效益比，若它所需的成本大于投資資金，那么也不得不放棄該方案。因此，本文從資金決定改造方案的角度出發(fā)，研究在有限資金下的最優(yōu)改造方案，使用戶能隨時根據(jù)資金值調(diào)整改造方案來獲取最佳效益。同時假設改造時間為當前，即本文只針對當前照明設備進行改造。如此簡化后最佳節(jié)電改造方案的產(chǎn)生只需確定兩個因素:改造對象與改造地點。

單純比較節(jié)電效益總值，只能獲得節(jié)能設備在無資金限制下的最大效益。而通過效益比可以獲得單位照明節(jié)能設備的節(jié)電效益。即相對值比總值的優(yōu)勢在于它追求的是單位質量的最優(yōu)化。因此，以經(jīng)濟評價比較不同設備在不同成本下的效益比，能直接地反映哪些設備在單位投資下產(chǎn)生的效益最大;比較不同設備在不同年運行時間的投資回收期，能直接地反映哪些設備在單位投資下回收最快;而通過相對剩余時間反映各個區(qū)域設備改造的緊迫性，來確定有限資金條件下優(yōu)先進行改造的具體位置。

綜上可知，改造對象的確定可根據(jù)效益比得到;改造地點可根據(jù)相對剩余時間來確定;而相對投資回收期的引入一來能解決當兩設備效益比相同時如何取舍的困境，二來可以兼顧投資回收期短的因素。那么產(chǎn)生最佳照明改造方案的流程如圖1。

圖1 系統(tǒng)運行流程圖

由圖1可得，基于經(jīng)濟評價的照明設備節(jié)能改造方案具體確定過程如下:首先，根據(jù)設備間的功率轉換關系計得節(jié)電量，進而結合電價、投資成本、折現(xiàn)率和使用壽命計得節(jié)電效益。其次，根據(jù)設備單價、節(jié)電效益和使用壽命得到各設備不同品牌的效益比。然后，根據(jù)使用壽命、價格和年運行時間得到各設備的相對投資回收期。最后，根據(jù)各區(qū)域設備的使用壽命和年運行時間計得其相對剩余時間，從而依據(jù)資金大小得到相應的推薦方案。

4 實例分析

結合現(xiàn)實中各種照明設備及某學校的實際情況，依次根據(jù)經(jīng)濟評價3個指標，可得到節(jié)電最優(yōu)的改造方案。

4.1 熒光燈的改造順序

熒光燈包括燈管和鎮(zhèn)流器兩部分。經(jīng)濟評價模型也適合于電子鎮(zhèn)流器，故本文對電子鎮(zhèn)流器不作討論，并把燈管等同于熒光燈。通過計算出各種熒光燈前3名品牌的效益比，可以得到各種熒光燈的最優(yōu)品牌及設備改造順序。熒光燈的價格與壽命見表2。

通過經(jīng)濟評價可得如下結論:T8/18W、T8/30W、T8/36W應分別采用PH-T5/14W(即飛利浦T5系列15W熒光燈)、PH-T5/21W(即飛利浦T5系列21W熒光燈)和FS-T5/28W(即佛山照明T5系列28W熒光燈)照明節(jié)能設備。替換不同功率的T8類型熒光燈后，其效益比分別為3.7、8.5、7.0。同理可得，T12/20W、T12/30W、T12/40W應分別采用PH-T5/14W、PH-T5/21W和FS-T5/28W照明節(jié)能設備。替換不同功率的T12類型熒光燈后，其效益比分別為6.1、8.5、11.0。

表2 熒光燈的價格與壽命［9］

4.2 照明改造的最佳方案

該學校用于節(jié)能改造方案的投資資金是2000元，需改造的對象是教室的照明設備T8和T12。在得知投資資金和改造對象的情況下，可得到節(jié)電效益最優(yōu)的改造方案。表3反映了該高中室內(nèi)當前照明設備的具體情況。

表3 高中室內(nèi)照明情況

結合表2和表3，用照明節(jié)能設備FS T5/28W替換當前照明設備T12/40W和T8/36W，并優(yōu)先替換T12/40W。由于高一和高三都是用FS T5/28W替換T12/40W，其效益比相同。為解決優(yōu)先改造高一還是高三的T12/40W這一問題，引入相對投資回收期指標。由于高一T12/40W和高三T12/40W的相對投資回收期分別為0.52和0.39。高三T12/40W的相對投資回收期比高一的小，優(yōu)先考慮改造高三的T12/40W。由公式(2)可得表4:

表4 替換一盞當前照明設備的效益

由于投資資金僅為2000元，不足以改造該高中室內(nèi)全部熒光燈。則面臨著如何根據(jù)各個指標得到最優(yōu)改造方案的問題。結合表3和表4根據(jù)不同的指標可產(chǎn)生相應的4個方案，如表5。

表5 不同照明改選方案的比較

方案1: 若僅根據(jù)節(jié)電效益這一指標，改造方案是高一T12/40W全換，高三T12/40W換113根。該方案的節(jié)電效益為16049.1元。

方案2: 若僅根據(jù)相對投資回收期這一指標，由于高二節(jié)能設備T5/28W替換T8/36W的相對投資回收期是0.695。改造方案是高二T8/36W換120根，高一T12/40W換113根。該方案的節(jié)電效益為12167.8元。

方案3: 高二T8/36W的相對剩余時間是1.02，比高一的小，但比高三的大。若僅根據(jù)相對剩余時間這一指標，改造方案是高三T12/40W換120根，高二T8/36W換113根。該方案的節(jié)電效益為13153.5。

方案4 (最佳方案):高三T12/40W全換，高一T12/40W換113根，高二T8/36W全沒換。其節(jié)電效益為16096.0元。

由上可得，綜合節(jié)電效益、相對投資回收期及年運行時間，可以使照明節(jié)電改造方案達到最優(yōu)。但節(jié)電效益效果與現(xiàn)實情況有所偏差，畢竟在現(xiàn)實生活中節(jié)電效益并不是很明顯。主要原因有:電價便宜，人工安裝費用大;節(jié)能燈使用壽命短及價格高［1］。根據(jù)以上原因可得節(jié)電效益的靈敏度分析如表6。

表6 節(jié)電效益的靈敏度分析

在表6中，(1)由于目前我國的平均電價為0.5元/每度，同時我國生產(chǎn)照明節(jié)能設備的技術所限，大多照明節(jié)能設備的使用壽命并沒能達到標準。若保守估計照明節(jié)能設備T5/28W的使用壽命只是標注壽命的一半，節(jié)電效益會在原基礎上下降一半。(2)近年來我國的經(jīng)濟發(fā)展迅速，導致通貨膨脹率偏高。若近年通貨膨脹率在10%基礎上升到15%，其節(jié)電效益會在原基礎下降11%。

結合表6和實際情況，當投資額為2000元時，電價是0.5元/每度并且效益折損率為15%，節(jié)能設備T5/28W的價格上升1倍且每盞節(jié)能燈的人工安裝費為5元［1］，最佳節(jié)電方案的節(jié)電效益是5558.6元。其節(jié)電效益與現(xiàn)實生活中的實際情況吻合［1］，這體現(xiàn)了本文的經(jīng)濟評價是切實可靠。

5 結束語

本文通過效益比、相對投資回收期、相對剩余時間3個指標建立經(jīng)濟評價，從而實現(xiàn)在有限投資資金的約束下獲得對當前熒光燈設備的最佳節(jié)能改造方案。因照明設備具有共性，因此該方法可推廣應用于其他照明設備的節(jié)能改造。當然，一個具備了經(jīng)濟技術指標良好的照明節(jié)能方案只是具備了“節(jié)能”的基礎，是否真正“節(jié)能”關鍵還取決于日常的使用者。節(jié)能的關鍵在人，當提高人們的節(jié)電意識時，其節(jié)能的效果遠比節(jié)能技術應用產(chǎn)生的效果大得多。

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

［2］李輝群，周春艷.關于電子節(jié)能燈的綜述［J］.節(jié)能技術，2004，22(124)，pp:64-65.

［3］齊天文.節(jié)能技術經(jīng)濟分析［J］.北方經(jīng)濟，2005，(10)，pp:79.

［4］GB/T 13471—2008.節(jié)電技術經(jīng)濟效益計算與評價方法［S］.

［5］陳曉.住宅小區(qū)集中供冷系統(tǒng)的技術及經(jīng)濟性評價［D］.湖南大學，2002.

［6］劉云.工業(yè)企業(yè)節(jié)電決策支持系統(tǒng)的研究［D］.武漢大學，2004.

［7］楊凌志.建設項目投資決策系統(tǒng)研究［D］.西安建筑科技大學，2003.

［8］節(jié)能燈鎮(zhèn)流器初級教材［EB OL］.http:∥www.docin.com/p-2346367.htm l#documentinfo，2010，08，26.

［9］http:∥www.taobao.com/，2010，08，26.