穆啟天， 高亞靜， 楊用春， 高紅艷

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

為解決當(dāng)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(yīng)用最為廣泛的二次能源，由于其不可長時(shí)間大量存儲(chǔ)的特點(diǎn)，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(huì)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(cè)節(jié)能關(guān)注的重點(diǎn)[2]。

近些年來，先進(jìn)的照明技術(shù)不斷出現(xiàn)，為電力用戶照明節(jié)能提供了技術(shù)支持。緊湊型熒光燈現(xiàn)已成為人們公認(rèn)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(duì)低廉的成本迅速占領(lǐng)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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工廠、體育場館等場合的照明；LED光源的發(fā)明和應(yīng)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(diǎn)，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(jìn)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(yīng)用于照明系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于C-Bus總線的智能照明控制系統(tǒng)，文獻(xiàn)[5]中介紹了一種應(yīng)用于地下車庫節(jié)能照明的基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)；在新能源照明方面，光導(dǎo)照明等新型照明方式正逐漸發(fā)展成熟，越來越多應(yīng)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(jī)制，為節(jié)能改造提供了新思路。文獻(xiàn)[6]介紹了合同能源管理的運(yùn)作模式，并對(duì)電網(wǎng)企業(yè)實(shí)施EMC進(jìn)行了研討。文獻(xiàn)[7]分析了合同能源管理的風(fēng)險(xiǎn)和收益。文獻(xiàn)[8]結(jié)合當(dāng)前我國的EMC發(fā)展環(huán)境，分析當(dāng)前存在的問題，提出加速發(fā)展EMC的建議對(duì)策。

本文在對(duì)合同能源管理模式運(yùn)作機(jī)制和效益計(jì)算等分析的基礎(chǔ)上，論證其應(yīng)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(yīng)用節(jié)能管理模式，分析其改造成本及經(jīng)濟(jì)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(jī)制，正在我國推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)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(yùn)作機(jī)制

合同能源管理是指節(jié)能服務(wù)公司(Energy Service Corporation, ESCo)與客戶簽訂節(jié)能服務(wù)合同后，為客戶提供包括節(jié)能潛力評(píng)估、節(jié)能方案設(shè)計(jì)、節(jié)能設(shè)備采購、安裝調(diào)試、設(shè)備保養(yǎng)與維護(hù)、人員培訓(xùn)及節(jié)能質(zhì)量的檢測與驗(yàn)證等節(jié)能改造服務(wù)[9]。這種投資管理模式，以節(jié)能收益為基礎(chǔ)回收項(xiàng)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(shí)施流程，一般包括能源審計(jì)、節(jié)能改造方案設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、項(xiàng)目融資、施工、安裝與調(diào)試、節(jié)能效益評(píng)估、回收節(jié)能項(xiàng)目投資和利潤等步驟[10]，具體實(shí)施流程如圖1所示。

圖1 節(jié)能改造實(shí)施流程圖

EMC模式是以節(jié)能改造的預(yù)期收益為基礎(chǔ)而訂立的雙邊節(jié)能改造合同。ESCo以盈利為目的，在與欲進(jìn)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(wù)，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(jī)制進(jìn)行的節(jié)能改造項(xiàng)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(fèi)用的資金可在改造后支付能源費(fèi)用和ESCo的費(fèi)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(shè)備的所有權(quán)，由客戶自己負(fù)責(zé)經(jīng)營。圖2為EMC模式節(jié)能改造項(xiàng)目效益示意圖。

圖2 EMC模式節(jié)能改造項(xiàng)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(fēng)險(xiǎn)

合同能源管理的節(jié)能改造模式能夠?qū)⑵髽I(yè)承擔(dān)的改造風(fēng)險(xiǎn)大大降低[11]。合同能源管理這一基于市場運(yùn)作的節(jié)能機(jī)制，不僅促進(jìn)了節(jié)能產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，更減少了企業(yè)用戶進(jìn)行能源改造的成本投入。

(2)促進(jìn)節(jié)能效果的發(fā)揮

EMC不僅能夠降低企業(yè)客戶進(jìn)行節(jié)能改造的風(fēng)險(xiǎn)，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(wù)公司作為節(jié)能設(shè)備的購買者和企業(yè)客戶節(jié)能改造的實(shí)施者，將充分利用其豐富的經(jīng)驗(yàn)和成熟的技術(shù)發(fā)揮出節(jié)能設(shè)備最大效用。在以節(jié)能收益為效益的模式中，有利于促進(jìn)節(jié)能設(shè)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(gè)重要組成部分，不合理的照明會(huì)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(yán)重等問題。因此，在綠色照明的理念下，采用先進(jìn)的燈具對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)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(xué)的照明設(shè)計(jì)，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(xué)習(xí)、生活條件與質(zhì)量，從而創(chuàng)造一個(gè)高效、舒適、安全、經(jīng)濟(jì)、有益的環(huán)境并體現(xiàn)現(xiàn)代文明的照明[12]。

用戶進(jìn)行照明改造應(yīng)以綠色照明為指導(dǎo)思想，在滿足用戶對(duì)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(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行合理規(guī)劃配置，達(dá)到節(jié)約電能的效果。

2.2 主要的技術(shù)指標(biāo)

要對(duì)企業(yè)進(jìn)行照明節(jié)電改造，必須要有準(zhǔn)確、全面的技術(shù)指標(biāo)對(duì)照明效果進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)行業(yè)規(guī)范，常采用以下技術(shù)指標(biāo)[13]。

(1)光通量

光通量是以標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者對(duì)輻射的反映所推導(dǎo)出的光得度量，該光度量的符號(hào)為φ，單位為流明(lm),1 lm=1 cd·sr。對(duì)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(dāng)在單色輻射時(shí)，明視覺條件下的KM值為683 lm/W(λM=555 nm時(shí))。

(2)照度

表面上一點(diǎn)的照度是入射在包含該點(diǎn)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(guān)鍵步驟

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

(1)照明調(diào)查

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

(2)照明方案設(shè)計(jì)

照明方案設(shè)計(jì)是照明改造中最重要的環(huán)節(jié)，在對(duì)客戶原有照明情況進(jìn)行調(diào)查了解的基礎(chǔ)上，結(jié)合照明改造的預(yù)期目標(biāo)，對(duì)光源種類、燈具類型、功率、數(shù)量等進(jìn)行選擇，并進(jìn)行照明仿真模擬，得到照明改造的初步實(shí)施計(jì)劃。

以病理診斷結(jié)果為金標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件，計(jì)算出彈性成像對(duì)甲狀腺良惡性結(jié)節(jié)鑒別診斷的敏感度、特異性和準(zhǔn)確性。比較采用χ2檢驗(yàn)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

(3)樣板測試

樣板測試是指根據(jù)設(shè)計(jì)的照明方案進(jìn)行樣板安裝，并對(duì)照明效果進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(píng)價(jià)照明改造成功與否的重要指標(biāo)。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(fèi)支出、燈具維護(hù)更換費(fèi)用等。

3 案例分析

3.1 項(xiàng)目基本情況

某企業(yè)寫字樓是集辦公、會(huì)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(biāo)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(jì)2 647盞。由于照明設(shè)備比較落后，現(xiàn)應(yīng)客戶要求對(duì)該寫字樓進(jìn)行照明改造，要求在保證照度的基礎(chǔ)上，盡量降低電能消耗，實(shí)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(gè)會(huì)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(duì)象，共計(jì)1320盞燈。

3.2 現(xiàn)場照明調(diào)查與節(jié)能診斷

公室亮燈時(shí)間按照9 h/天，每年按250天計(jì)算，年亮燈時(shí)間為2 250 h。會(huì)議室亮燈時(shí)間按5 h/天，每年按250天計(jì)算，年亮燈時(shí)間為1 250 h。

根據(jù)以上調(diào)查結(jié)果，對(duì)該寫字樓進(jìn)行照明用電調(diào)查，各燈具工作功率按其額定功率計(jì)算，得出該寫字樓照明用電調(diào)查結(jié)果如表1所示。

表1 某寫字樓室內(nèi)照明調(diào)查表

在對(duì)該寫字樓進(jìn)行燈具使用種類和數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(duì)主要統(tǒng)計(jì)區(qū)域進(jìn)行照度現(xiàn)場測試，測試匯總結(jié)果如表2所示。

3.3 照明方案設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)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(duì)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(duì)原燈具進(jìn)行一對(duì)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(duì)原有燈具進(jìn)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(shè)計(jì)方案

3.4 樣板測試

通過對(duì)照明改造區(qū)域進(jìn)行照度測試的方式來驗(yàn)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(jì)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(huì)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(duì)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(xiàng)目改造區(qū)域較多、改造投資較高、改造風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，客戶與節(jié)能服務(wù)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(xiàng)目收益業(yè)主分享8%，節(jié)能服務(wù)公司分享92%。

表4 改造區(qū)照度測試匯總表

對(duì)某寫字樓進(jìn)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(jié)果，可近似估計(jì)出整棟寫字樓進(jìn)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(jià)格，該項(xiàng)目燈具投資為381 040元，施工費(fèi)用為37 620元，其他費(fèi)用包括項(xiàng)目管理費(fèi)、檢測費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)等按燈具費(fèi)和施工費(fèi)總和的8%計(jì)算。

按改造前后年用電小時(shí)數(shù)不變計(jì)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(jià)按0.9元/kW·h,則改造后年電費(fèi)節(jié)約104 685元，項(xiàng)目收益按節(jié)省電費(fèi)減去維護(hù)費(fèi)用，維護(hù)費(fèi)用按5 000元/年計(jì)算，則該項(xiàng)目年收益為99 685元。

由于該項(xiàng)目采用EMC模式進(jìn)行照明改造，故采用內(nèi)部收益率分析方法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，分析結(jié)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(xiàng)目節(jié)電率為67.8%，項(xiàng)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(xiàng)目投資成本，并承擔(dān)改造失敗風(fēng)險(xiǎn)；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(xiàng)目失敗風(fēng)險(xiǎn)，并取得較好的節(jié)能收益。

4 總結(jié)

在全球范圍的節(jié)能環(huán)保背景下，針對(duì)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(jìn)行了改造驗(yàn)證，結(jié)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(fèi)支出。同時(shí)，在合同能源管理模式下的改造，用戶和節(jié)能服務(wù)公司均得到較好的節(jié)能收益，降低照明改造的風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到預(yù)計(jì)節(jié)能效果，為電力用戶節(jié)能改造提供了重要的參考。