基于情景模型预测的半导体照明节能潜力

刘虹 张清源

(1.国家发展改革委能源研究所，北京 100038;2.首都师范大学附中，北京 100037)

1 前言

本世纪初，白光半导体照明光源诞生，标志着人类一个新的绿色环保照明新时代的开始，我国作为世界上最大的光源生产国和消费国，半导体照明技术的出现和发展，必将对今后我国照明市场的发展产生深远的影响。本文基于未来半导体照明新技术发展，就其对我未来照明用电的影响进行了多情景的定量预测分析。

2 研究方法

2.1 数据基准与基本假设

本文只限于半导体在通用照明领域的节能分析，并以2005年为基准年，2050为期末年。2005年我国照明用电及照明产品提供光照服务的基本情况，是根据2005年我国照明用电和照明产品使用的调查数据［1］计算得出。照明产品的年光照输出量用式(1)计算。

式中 I——所有光源的年光照输出量 (lm·h/y);

i——光源种类，共有n种光源被各类照明场合使用;

Vi——i类光源保有量;

Wiave——i类光源平均功率 (W);

Ei——i类光源平均光效 (lm/W);

Hi——i类光源平均每天燃点时间。

本文根据未来照明技术的自然发展和照明市场的发展变化，设定了5个情景，其中1个参考情景和4个半导体照明发展情景。参考情景假设传统照明灯具依然较长时间存在，但结构趋于优化，高效照明产品逐步替代低效产品，半导体照明随市场自然发展，无国家特殊政策支持，到2050年，半导体通用照明量 (这里照明量特指光源发出的光照流明量)约占全部照明总量的比例为10%，而其他四种半导体发展情景则假设这一比例分别为30%、50%、60%、80%(见表1)。

表1 未来半导体通用照明光效发展路径假设

2.2 照明需求量预测方法

本文在分析预测未来照明需求量时，对不同照明场合和照明品质进行分类考虑，照明场合分为城市住宅，农村住宅，商业建筑，工业建设，公共场合及其他场合;照明品质按光源品种显色指数的不同分为高、中、低三类。同时依据已有的我国未来建筑物发展规模预测研究结果，按标准照度分别推算出未来不同类型照明场合的照明需求量及照明需求品质结构［1］。

2.3 照明用电量预测方法

在已知未来某年份的照明需求量的基础上，已知该年份的各类照明光源照明量的比例，照明用电量用式 (2)计算。

式中 Lj、yi和 Pi——分别表示某一年第 j种显色性的流明需求分量、对应的照明产品供应结构中第i种光源产品的发光效率、第i种光源对流明需求的贡献比例 (市场供应份额比例)。流明需求按显色性分高中低三种，不同显色需求的流明需求分量由n种光源产品提供，光源品种结构在各流明需求分量区间各有不同。

2.4 照明节能潜力的计算

不同情景之间照明用电量之差反映了不同情景下相对的节能潜力，4种不同半导体发展情景相对参考情景的差值，体现了不同的半导体发展情景所拥有节能潜力。

3 研究结果

3.1 照明需求预测

预测结果显示:全国照明总需求量从2005年16007万亿lm·h增加到2050年的44487万亿 lm·h，2005—2050年平均增长速度约为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 (见图1，表2)。

图1 2005—2050年全国建筑照明需求增长趋势与光品质构成

表2 2005—2050年全国建筑照明需求预测结果及部门构成 单位:万亿lm·h

3.2 照明用电情景预测结果

图2显示的是2005年至2050年间三个不同情景的照明用电发展走势，不同情景下照明用电高低体现了情景间节电潜力的大小。2050年半导体照明渗透30%、50%、60%、80% 四种发展情景相对参考情景的节电潜力分别为1172.3亿kWh和1658.1亿kWh，2070亿kWh、2668亿kWh，各情景相对参考情景的节电率分别为20%、29%、39%、51%。

图2 各情景下全国照明用电量发展趋势

表3 各情景相对基础情景的节电率

4 结论

LED照明技术将成为未来照明节电领域最具发展潜力的技术，无疑会对中国未来照明市场和照明用电产生重大影响，研究结果表明:

(1)2050年我国照明总量需求将在2005年的基础上增加约2倍左右，通过国家大力推行长期性的照明节电计划，2050年的我国照明用电总量预计将达到5408.85亿度左右，相对2005年用量翻了一番，照明用电峰值可能出现在2045年前后，最大用电量将不超过6000亿度。

(2)通过采用LED新型高效光源，我国照明用电的效率得到提高，2050年相对2005年，在照明服务需求增加2倍的基础上，电力需求只需增加1倍，照明电力需求弹性系数可保持在0.5左右，节电效益明显。

(3)通过设定LED照明发展的不同情景，比较发现:我国照明领域到2030年和2050年分别拥有超过1000亿度和2000亿度左右的节电潜力。

［1］陈良惠，刘虹．中国工程院．中国能源中长期能源发展 (2030—2050)战略研究节能专题——照明节能分报告，2010，7．

［2］刘虹，沈天行．“LED进入普通照明市场的预测及照明节电分析”．照明工程学报，2005，3．

［3］沈天行，刘虹． “我国照明需求量未来发展趋势分析”．照明工程学报，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．技术创新与技术扩散．北京:北京航空航天大学出版社．

［10］国家发展和改革委员会．半导体照明节能产业发展意见，2009，4．