基于合同能源管理的照明节能改造研究

穆启天， 高亚静， 杨用春， 高红艳

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

为解决当今困扰全世界的能源环境问题，节能减排势在必行。电能作为目前应用最为广泛的二次能源，由于其不可长时间大量存储的特点，电能的输送、配送、使用环节中有很大的节能潜力[1]。照明用电是居民和工商业用电中的重要部分，占全社会用电量14%左右，并一直保持上升趋势，照明节电改造成为用电侧节能关注的重点[2]。

近些年来，先进的照明技术不断出现，为电力用户照明节能提供了技术支持。紧凑型荧光灯现已成为人们公认的代替白炽灯的节能灯具，以其出色的照明质量和相对低廉的成本迅速占领照明市场；金属卤化物灯具有较好的光色一致性，发光效率高、节能效果好、使用寿命长等优点，广泛应用于工厂、体育场馆等场合的照明；LED光源的发明和应用则是现代照明史上的一次重要变革[3]，LED灯和传统灯具相比具有更加节能、寿命长、低热量等一系列优点，已经成为新一代照明的主要产品。随着节能减排观念深入人心，照明节能改造逐渐得到人们的重视。在灯源选择方面，各种先进光源已经得到推广；在照明控制方面，各种智能控制系统相继应用于照明系统。文献[4]提出了一种基于C-Bus总线的智能照明控制系统，文献[5]中介绍了一种应用于地下车库节能照明的基于ZigBee无线网络控制技术；在新能源照明方面，光导照明等新型照明方式正逐渐发展成熟，越来越多应用于建筑采光。

合同能源管理(Energy Performance Contracting,EPC；又称EMC)作为一种节能投资新机制，为节能改造提供了新思路。文献[6]介绍了合同能源管理的运作模式，并对电网企业实施EMC进行了研讨。文献[7]分析了合同能源管理的风险和收益。文献[8]结合当前我国的EMC发展环境，分析当前存在的问题，提出加速发展EMC的建议对策。

本文在对合同能源管理模式运作机制和效益计算等分析的基础上，论证其应用于照明节能改造的可行性，并在某写字楼的照明改造中应用节能管理模式，分析其改造成本及经济效益，为电力用户节能改造提供新思路。

1 合同能源管理

合同能源管理作为一种新型、有效的能源管理模式和在市场化背景下的节能新机制，正在我国推进生态文明建设中发挥巨大的作用，并取得了良好的节能效果。

1.1 合同能源管理内容及其基本运作机制

合同能源管理是指节能服务公司(Energy Service Corporation, ESCo)与客户签订节能服务合同后，为客户提供包括节能潜力评估、节能方案设计、节能设备采购、安装调试、设备保养与维护、人员培训及节能质量的检测与验证等节能改造服务[9]。这种投资管理模式，以节能收益为基础回收项目成本和获得利润。

在合同能源管理模式下的节能改造有一定的实施流程，一般包括能源审计、节能改造方案设计、施工设计、项目融资、施工、安装与调试、节能效益评估、回收节能项目投资和利润等步骤[10]，具体实施流程如图1所示。

图1 节能改造实施流程图

EMC模式是以节能改造的预期收益为基础而订立的双边节能改造合同。ESCo以盈利为目的，在与欲进行节能改造的公司签订合同后，为用户提供“一条龙”的节能改造服务，以节能改造后的节能效益作为双方合作的收益。以EMC机制进行的节能改造项目，在合同期内，ESCo的收益与节能收益直接挂钩，客户原先用于支付能源费用的资金可在改造后支付能源费用和ESCo的费用；在合同期满后，客户享有全部的节能收益以及节能设备的所有权，由客户自己负责经营。图2为EMC模式节能改造项目效益示意图。

图2 EMC模式节能改造项目效益示意图

1.2 合同能源管理的优势

(1)降低客户节能改造风险

合同能源管理的节能改造模式能够将企业承担的改造风险大大降低[11]。合同能源管理这一基于市场运作的节能机制，不仅促进了节能产业的迅速发展，更减少了企业用户进行能源改造的成本投入。

(2)促进节能效果的发挥

EMC不仅能够降低企业客户进行节能改造的风险，还将帮助企业客户发挥出最佳节能效果。在EMC模式下，节能服务公司作为节能设备的购买者和企业客户节能改造的实施者，将充分利用其丰富的经验和成熟的技术发挥出节能设备最大效用。在以节能收益为效益的模式中，有利于促进节能设备充分发挥其效用，保证节能效果。

2 企业照明改造

照明用电是企业用电的一个重要组成部分，不合理的照明会造成电能的大量流失，不利于能源的节约使用。目前，一些企业使用的灯具存在着耗电量大、寿命短、频闪严重等问题。因此，在绿色照明的理念下，采用先进的灯具对照明系统进行改造势在必行，成为企业节能改造的重要组成部分。

2.1 绿色照明的概念和内容

绿色照明是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品，充分利用天然光，改善提高人们工作、学习、生活条件与质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并体现现代文明的照明[12]。

用户进行照明改造应以绿色照明为指导思想，在满足用户对照明质量的要求下，用高效、节能的灯具替换老化、效率低下的灯具，并对照明系统进行合理规划配置，达到节约电能的效果。

2.2 主要的技术指标

要对企业进行照明节电改造，必须要有准确、全面的技术指标对照明效果进行评估。根据行业规范，常采用以下技术指标[13]。

(1)光通量

光通量是以标准光度观察者对辐射的反映所推导出的光得度量，该光度量的符号为φ，单位为流明(lm),1 lm=1 cd·sr。对于明视觉有：

(1)

式中：dφe(λ)/dλ为辐射通量的光谱分布；V(λ)为光谱效率；KM为辐射的光谱能效极大值，当在单色辐射时，明视觉条件下的KM值为683 lm/W(λM=555 nm时)。

(2)照度

表面上一点的照度是入射在包含该点的面元上的光通量dφ除以该面元面积dA所得之商，即

(2)

(3)光源的发光效能。

光源的光通量与光源功率的比值，简称光效，通常用K表示。单位为流明每瓦特(lm/W)。

K=φ/P

(3)

式中：φ为光源的光通量；P为光源发光所消耗得电功率。

2.3 照明节电改造中的关键步骤

照明节电改造是一个复杂的、系统的工程，各个环节紧密联系，缺一不可。通常照明改造分以下几个步骤。

(1)照明调查

照明调查是指对客户现有的照明场所的照明情况进行现场勘查，通过统计、测量并记录客户照明灯具的电参数、光参数、使用时间、供电方式等信息，为照明改造方案提供设计依据。

(2)照明方案设计

照明方案设计是照明改造中最重要的环节，在对客户原有照明情况进行调查了解的基础上，结合照明改造的预期目标，对光源种类、灯具类型、功率、数量等进行选择，并进行照明仿真模拟，得到照明改造的初步实施计划。

以病理诊断结果为金标准，应用SPSS 13.0统计软件，计算出弹性成像对甲状腺良恶性结节鉴别诊断的敏感度、特异性和准确性。比较采用χ2检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

(3)样板测试

样板测试是指根据设计的照明方案进行样板安装，并对照明效果进行测试，根据测试结果对原设计方案进行修正和完善。

(4)成本效益分析

成本效益分析也是照明改造中的重要一环，是评价照明改造成功与否的重要指标。其中照明改造的主要成本包括灯具投资、施工投资等，收益主要为减少照明电费支出、灯具维护更换费用等。

3 案例分析

3.1 项目基本情况

某企业写字楼是集办公、会议等功能为一体的综合性大楼，总建筑面积为7 449.6m2,，建筑标高为18.2 m，建筑层高为4.16 m，共有四层。原有灯具主要为荧光灯、筒灯、吸顶灯等共计2 647盏。由于照明设备比较落后，现应客户要求对该写字楼进行照明改造，要求在保证照度的基础上，尽量降低电能消耗，实现绿色照明的理念。

该写字楼属于办公建筑，据了解，该楼四层一、二层布置基本相同，照明主要为办公室工作照明；三、四层除办公室照明外还各有一个会议室，照明布局也基本相同。因此，本案例选取具有代表性的一层、三层作为照明调查的调查对象，共计1320盏灯。

3.2 现场照明调查与节能诊断

公室亮灯时间按照9 h/天，每年按250天计算，年亮灯时间为2 250 h。会议室亮灯时间按5 h/天，每年按250天计算，年亮灯时间为1 250 h。

根据以上调查结果，对该写字楼进行照明用电调查，各灯具工作功率按其额定功率计算，得出该写字楼照明用电调查结果如表1所示。

表1 某写字楼室内照明调查表

在对该写字楼进行灯具使用种类和数量进行统计后，根据各灯具的额定功率即可得出该写字楼照明用电情况。接下来要对主要统计区域进行照度现场测试，测试汇总结果如表2所示。

3.3 照明方案设计

根据对该写字楼的现场调查情况来看，该写字楼主要灯具以T8荧光灯和6寸筒灯为主。而这两种灯节能效果不是很好，根据对市场上灯具比较及用户要求，决定使用光效高、节能效果好的LED灯具对原灯具进行一对一替换，具体的替换方案如表3所示。

从改造方案中可以清晰地看出，用LED灯具对原有灯具进行改造，使照明用电功率大幅下降，节电率在60%以上，满足照明节电的要求。

表2 某写字楼照明区域照度调查汇总表

表3 某写字楼照明设计方案

3.4 样板测试

通过对照明改造区域进行照度测试的方式来验证改造方案的照明质量。其中经LED照明改造后的统计区域的照度汇总数据如表4所示。

从以上测试汇总的数据可以看出，经LED照明改造后，办公室平均照度提升了1.7倍，走廊平均照度提高约1.25倍，会议室平均照度提高约2倍。各改造区域平均照度都有大幅提高，满足照明改造对照明质量提高的要求。

3.5 改造投资与效益分析

由于该项目改造区域较多、改造投资较高、改造风险高等特点，客户与节能服务公司订立的是节能效益分享型改造合同，合同期为8年，项目收益业主分享8%，节能服务公司分享92%。

表4 改造区照度测试汇总表

对某写字楼进行的照明改造，由前面上述分析讨论可得，该写字楼一、二层照明情况近似相同，三、四层照明情况近似相同，根据上述调查汇总结果，可近似估计出整栋写字楼进行改造共涉及约2 640盏灯具。根据市面上LED灯具的平均价格，该项目灯具投资为381 040元，施工费用为37 620元，其他费用包括项目管理费、检测费、保险费等按灯具费和施工费总和的8%计算。

按改造前后年用电小时数不变计算，整栋写字楼改造前年照明用电量约为171 541 kW·h，改造后照明用电量为55 224 kW·h，电价按0.9元/kW·h,则改造后年电费节约104 685元，项目收益按节省电费减去维护费用，维护费用按5 000元/年计算，则该项目年收益为99 685元。

由于该项目采用EMC模式进行照明改造，故采用内部收益率分析方法进行经济分析，分析结果如表5所示。

表5 照明改造效益分析表

根据表5分析，该项目节电率为67.8%，项目改造中收益率为12.22%，获得较好的节能改造收益。在传统模式下，客户需要5年才可收回项目投资成本，并承担改造失败风险；而在ESCo 模式下，用户在合同期内年获得节电收益7 975元，合同期满年获得全部节电收益99 685元，大规避了项目失败风险，并取得较好的节能收益。

4 总结

在全球范围的节能环保背景下，针对电力节能，探讨了基于合同能源管理模式的照明改造。经过研究讨论，最终用LED光源代替原有光源，并在某写字楼进行了改造验证，结果显示通过照明改造，在保证照明要求的前提下，大大节省了照明电费支出。同时，在合同能源管理模式下的改造，用户和节能服务公司均得到较好的节能收益，降低照明改造的风险，达到预计节能效果，为电力用户节能改造提供了重要的参考。