公共建筑中普通日光灯和LED日光灯生命周期费用分析

宋楠楠，尚春静，李艳荣，王雪青

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口570228;2.天津大学经济管理学院，天津300072)

国家“十一五”规划以来，政府大力提倡节能减排，为此海南省国际旅游岛建设也将节能减排作为重要的目标.房屋建筑特别是公共建筑中的照明灯具，在使用过程中会消耗大量的电能，而电能属于二次能源，其生产会排放大量CO2和SO2等废气.据国家能源局统计，2010年全社会的用电总量为41 936.5亿kW·h，其中，照明用电约占13%.预计到2015年全社会的用电量将达到60 000亿kW·h，照明电量约为总电量的15%，按“十二五”15%的节能目标，2015年照明用电必须节能1 350亿kW·h方能达到预期目标［1］，因此，使用高效照明灯具将有助于“十二五”期间节能目标的实现.然而，尽管LED灯具有发光效率高、耗电量少、使用寿命长、安全环保、开关时间短等优点，但是LED灯的普及程度却很低，究其原因主要是价格较高［2］.那么，使用LED灯在经济上是否合算?这是一个相对于普通日光灯的互斥方案的选择问题.为分析这一问题，笔者应用生命周期理论和工程经济定量分析方法，对公共建筑中具相同照明功能的普通日光灯和LED日光灯的生命周期费用及投资收益进行了比较分析，以期为公共建筑照明灯具的选择提供参考.

1 生命周期费用分析法和增量投资收益率

生命周期费用(LCC，Life Cycle Cost)理论起源于美国国防部对于军用物资成本控制的研究［3－4］.20世纪60年代，美国国防部为了控制军费开支，要求军用物资供应商按要求提供的物资在其生命周期内全部费用之和最低，美国国防部将LCC定义为设置和获得系统以及系统一生所消耗的总费用.这项研究有效控制了美国国防部的军用开支，此后对生命周期费用的研究亦逐渐扩展到民用领域.

1.1 生命周期费用分析法 生命周期费用分析主要包括生命周期费用年值分析和生命周期费用现值分析.在实际运用中，考虑到学校费用的支付方式以年结算为主，因此，为方便比较分析，笔者采用了生命周期费用年值分析法.

生命周期费用年值分析法是运用技术经济学中动态经济分析的方法，将灯具在其生命周期内所产生费用折算成其生命周期中每年分摊的年费用，计算公式为

式中，P为现值，可通过P=∑F(1+i)-n来计算，其中，F为某一特定时间点的资金价值，n为计息期数，一般以年为单位，i为基准收益率.

基准收益率是企业、行业或投资者以动态观点所确定的项目方案的最低标准收益水平［5］，可通过式(2)来计算.

式中，i1是资金成本和机会成本，i1=max{单位资金成本和单位投资机会成本}，i2是风险补贴率，i3是通资膨胀率.

1.2 增量投资收益率分析法 在实际投资中，可能会出现某个方案的投资额较小，但其运营成本却较高;而另一个方案的投资额较大，但其运营成本却较低的情况，对于这类互斥方案的选择，可通过比较增量投资收益率来分析.

增量投资收益率是指增量投资所带来的经营成本上的节约与增量投资之比［5］，其计算式为

式中，R为增量投资收益率;C1，C2分别为2种方案的年经营(使用)费用，C1＞C2;I1，I2分别为2种方案的投资额，I2＞I1.

若计算的增量投资收益率大于基准收益率，则投资大的方案可行，它表明投资的增量(I2－I1)完全可以通过经营费用的节约(C2－C1)来获得补偿;反之，投资小的方案可行［5］.

2 普通日光灯和LED日光灯的基本组成及其工作原理

普通日光灯由灯管、镇流器、启辉器等组成，其工作原理为:接通电源后，在电源电压的作用下，启辉器产生辉光放电，其动触片受热膨胀后与静触片形成通路，电流通过并加热灯丝发射电子，这时辉光放电停止，动触片冷却，恢复原来形状，在触点断开的瞬间，电路突然切断，镇流器产生较高的自感电动势，并与电源电压叠加，在灯管两端形成高电压，在高电压作用下，灯丝通电、加热和发射电子流，电子撞击汞原子，使其电离而放电，放电过程中发射出的紫外线又激发灯管内壁的荧光粉，从而发出可见光［6］.

发光二极管(LED，Light Emitting Diode)的核心部位是半导体晶片，它由2部分组成，一部分是空穴占主导地位的P型半导体，另一部分是电子占主导地位的N型半导体，它们组成了一个“P－N结”，当正向电流通过晶片时，电子会被推向P区，并与空穴复合放出能量，发出光来［7－8］.

普通日光灯使用频率为50 Hz的交流电源，其工作时随着电压和电流的变化，它所发出的光也会周期性地明暗闪动，产生频闪效应，容易损伤人的视觉系统［9］.而LED日光灯为直流驱动，无频闪，不会损害人的视觉系统［10］.

3 普通日光灯和LED日光灯生命周期费用及增量投资收益实证分析

由于36 W普通日光灯和18 W的LED日光灯满足相应照明功能的需求，为便于分析计算，笔者选取长度和管径相同的某品牌36 W普通日光灯和18 W LED日光灯进行比较.为比较公共建筑采用普通日光灯和LED日光灯方案的效果，笔者以海南某大学所有公共教室的照明灯具为例，计算并分析了2种方案的生命周期费用及增量投资收益率.

3.1 灯具生命周期费用 根据谢尔德和杨(Shields and Yang)的观点，产品生命周期的含义可以分别从市场、生产者、消费者、社会等视角来认识［2］，鉴此，笔者从消费者的视角来分析.灯具的生命周期是指灯具“从摇篮到坟墓”的整个过程［11］，包括购置阶段、安装使用阶段及废弃处置阶段.因此，基于美国国防部对于LCC的定义，从消费者视角来看，灯具LCC是指在其生命周期内所产生的全部费用，主要包括:(1)购置费用:指购买灯具的原价、运杂费等;(2)安装费用:主要指安装灯具所消耗的人工费;(3)使用费用:指灯具在其使用阶段所耗能源的费用;(4)废弃处置费用:灯具废弃时的处置费用，主要指人工费、运杂费等.

3.2 普通日光灯和LED日光灯生命周期费用年值分析

3.2.1 日光灯原始数据 由表1可知，该大学所需36 W普通日光灯的灯具和镇流器各为5 500支，照明时间为年平均2 000 h.按照普通日光灯使用寿命3 000 h和镇流器使用寿命6 000 h计算，在一般情况下，该大学1支普通日光灯可使用1.5年，1支镇流器可使用3年.如果上述教室全部换用18 W的LED日光灯，也需5 500支，按照该大学年均实际使用2 000 h和LED日光灯的使用寿命50 000 h计算，1支LED日光灯可使用25年.

表1 海南某大学使用的普通日光灯和拟采用的LED日光灯的基本参数

从表1光通量看，18 W LED日光灯光通量大于36 W普通日光灯的光通量，且是单面发光，有超过98%的能耗用于发光，只有不到2%的能耗用于发热［12］，发光效率高，大大减少了能源的浪费;从电能的消耗看，相同照明强度下普通日光灯每小时耗电45 W，LED日光灯每小时耗电18 W，可见LED日光灯要比普通日光灯每小时节电27 W，节能60%.

3.2.2 基准收益率的确定 由于学校购买和安装照明灯具所发生的资金费用是为满足日常教学活动需求而必须支出的，故i1的取值仅考虑资金成本，这里按银行长期贷款利率取值，取近2年平均值i1=6.76%;鉴于此项费用为学校教学活动中的费用支出，故可不考虑风险贴补率;通货膨胀率主要表现为物价指数的变化，本文取2006年以来的平均物价指数变化率i3=4.02%(因2008，2009年爆发经济危机，故舍去这2年的数据)作为通货膨胀率，由式(2)计算得i=11.05%.

3.2.3 2种日光灯的生命周期费用年值计算 如前文所述，灯具生命周期费用主要包括购置费用、安装费用、使用费用和废弃处置费用.其中，灯具的购置费用按实际采购成本计算;灯具的安装费用，按海南的劳务水平取定为20 000元/次;日常使用费用主要是消耗电能的费用，电费按0.78元/度计算.根据近10年海南电费增长的情况，其电费按年2%幅度递增来计算;在废弃灯具的处置费用中，由于拆除灯具时会安装另一批灯具，故拆除费用放在安装费用中考虑，又由于拆除的灯具仅占大学生活垃圾的极少部分，因此可不考虑运杂费.结合表1数据，计算普通日光灯和LED日光灯生命周期各年的费用如表2和表3所示.

表2 普通日光灯生命周期费用

表3 LED日光灯生命周期费用

根据式(1)计算，得到普通日光灯和LED日光灯的生命周期费用年值分别为AC普通=50.661万元和ACLED=34.997 万元.

3.3 2种方案的增量投资收益分析 普通日光灯和LED日光灯的年平均使用费用分别为39.387万元和25.368万元.由式(3)计算得到LED日光灯和普通日光灯的增量投资收益率为R=17.58%.

3.4 分析 根据计算结果，普通日光灯的生命周期费用年值为50.661万元，LED日光灯的生命周期费用年值为34.997万元，LED日光灯的生命周期费用年值仅为普通日光灯生命周期费用年值的2/3左右.因此，从年运营费用上考虑，使用LED日光灯要远比普通日光灯经济效果好.

同时，由差额投资收益率计算得到日光灯和普通日光灯的差额投资收益率(R=17.58%)大于基准收益率(i=11.05%)，这表明该大学公共教室如果全部使用LED日光灯，由使用LED引起的增量(I2－I1)投资完全可以由节约的经营费用(C2－C1)来得到补偿，且还有富余，这也说明使用LED日光灯较使用普通日光灯经济.

4 结论

根据上述分析，在照明方面，LED日光灯完全可以替代普通日光灯满足相同的照明功能，并且相同功能的LED日光灯可比普通日光灯节能60%;在生命周期费用方面，普通日光灯的生命周期费用年值是LED日光灯的1.5倍.增量投资收益率结果表明，LED日光灯在初始增加的投资完全可以由使用过程中所节约的电费来补偿.因此，综上所述，对于长期大量使用照明灯具的公共建筑，在相同生命周期内，LED日光灯比普通日光灯具有较低的费用、较高的投资收益和较好的节能效果.

［1］李永明.浅谈照明节能技术［J］.科技风，2011(5):201.

［2］林丰岩.产品生命周期成本:内涵、演变及启示［J］.理论学刊，2006(7):60－70.

［3］龚芬.产品全生命周期的成本管理问题［J］.企业家天地，2009(3):72－73.

［4］韩庆兰，水会莉.产品生命周期成本理论应用研究综述［J］.财务与金融，2012(3):33－38.

［5］刘晓君.工程经济学［M］.第2版.北京:建筑工业出版社，2008:64－72.

［6］王晓明，郭伟玲，高国，等.LED——新一代照明光源［J］.现代显示，2005(53):15 －19.

［7］朱克.建筑电工［M］.第2版.北京:中国建筑工业出版社，2008:49－57，181－182.

［8］文小红.推广使用LED节约电力资源［J］.科学之友，2010(3):15－16.

［9］赵勇.减轻日光灯频闪效应危害的方法［J］.农业知识，2007(34):48－49.

［10］李平.LED 照明设计基础［J］.电子制作，2010(5):6－10.

［11］尚春静，储成龙，张智慧.不同结构建筑生命周期的碳排放比较［J］.建筑科学，2011，27(12):66－70.

［12］欧司朗光电半导体亚洲有限公司.完整生命周期评估证明LED灯具有出色环保性能［J］.中国照明电器，2009(8):40.