楊源 李偉華 周 署 賀洪玉

(暨南大學(xué)電氣自動(dòng)化研究所，珠海519070)

1 引言

我國(guó)政府將“建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)”作為基本國(guó)策，標(biāo)志著我國(guó)進(jìn)入建設(shè)節(jié)約型社會(huì)時(shí)期，許多用戶(hù)適時(shí)對(duì)照明設(shè)備進(jìn)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(qián)的現(xiàn)象，究其原因，市場(chǎng)上照明設(shè)備質(zhì)量參差不齊固然是一方面因素，更多的卻是因?yàn)橛脩?hù)沒(méi)有進(jìn)行節(jié)電效益計(jì)算就盲目進(jìn)行照明節(jié)能改造［1，2］。

因此，用戶(hù)要從經(jīng)濟(jì)角度，對(duì)節(jié)能改造方案的預(yù)期效果進(jìn)行分析。節(jié)能改造方案的經(jīng)濟(jì)分析，就是對(duì)不同的節(jié)能改造方案的經(jīng)濟(jì)效果進(jìn)行計(jì)算、分析和評(píng)價(jià)，從而選擇出最優(yōu)方案［3］。統(tǒng)計(jì)起來(lái)判斷照明節(jié)能方案經(jīng)濟(jì)性的常用方法主要有費(fèi)用法、投資能力法和凈現(xiàn)值法［4］。(1)費(fèi)用法以追求最小折現(xiàn)成本為目標(biāo)，適用于不同使用壽命期的多個(gè)方案的比較評(píng)價(jià)。(2)投資能力法評(píng)價(jià)投資的回收效果，通過(guò)投資回收期直觀(guān)地看出投資回收的速度。(3)凈現(xiàn)值法通過(guò)成本的貼現(xiàn)率評(píng)估短期內(nèi)確定型的投資項(xiàng)目［5，6］。不過(guò)費(fèi)用法不能看到投資回收的速度，投資能力法沒(méi)有考慮到效益的貼現(xiàn)率，凈現(xiàn)值法易使投資預(yù)期與實(shí)際結(jié)果產(chǎn)生很大的偏差［7］，即三種方法單獨(dú)應(yīng)用起來(lái)均有其缺限。本文考慮將三種方法結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，通過(guò)引入效益比、相對(duì)投資回收期和相對(duì)剩余時(shí)間3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，進(jìn)而得到最優(yōu)節(jié)電改造方案。

2 改造原則

照明設(shè)備主要?jiǎng)澐譃?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(hù)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(duì)象進(jìn)行分析，通過(guò)引入價(jià)格、功率、壽命和年運(yùn)行時(shí)間等4個(gè)因素建立經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，來(lái)得到其最優(yōu)節(jié)電改造方案。以上4個(gè)因素是照明設(shè)備的共同特點(diǎn)，因此本文基于經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)下的熒光燈節(jié)電改造方案，可推廣應(yīng)用于金屬鹵化物燈、高壓鈉燈和高壓汞燈等其他照明設(shè)備。

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

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

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

③ 若效益比的最大值和相對(duì)投資回收期的最小值同時(shí)存于不同設(shè)備，則這些設(shè)備的改造優(yōu)先權(quán)相同。在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)設(shè)備的相對(duì)剩余時(shí)間決定改造的具體對(duì)象。某區(qū)域設(shè)備的相對(duì)剩余時(shí)間越小，則意味著其可用天數(shù)越短，其報(bào)廢的可能性越大，應(yīng)優(yōu)先得到改造。

以上可知，效益比、相對(duì)投資回收期、相對(duì)剩余時(shí)間3個(gè)指標(biāo)的關(guān)系是從屬關(guān)系的。效益比的優(yōu)先權(quán)最大，相對(duì)投資回收期的優(yōu)先權(quán)次之，相對(duì)剩余時(shí)間的優(yōu)先權(quán)最小。若設(shè)備A的效益比大于設(shè)備B，則即使設(shè)備B的相對(duì)投資回收期小于設(shè)備A，都只應(yīng)優(yōu)先考慮改造設(shè)備A。同理，若設(shè)備A的相對(duì)回收期小于設(shè)備B，則即使設(shè)備B的相對(duì)剩余時(shí)間小于設(shè)備A，都只應(yīng)優(yōu)先考慮改造設(shè)備A。

3 基于經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)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(dāng)前照明設(shè)備節(jié)電的設(shè)備統(tǒng)稱(chēng)為照明節(jié)能設(shè)備。通過(guò)照明節(jié)能設(shè)備與當(dāng)前照明設(shè)備的功率轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到節(jié)電量，進(jìn)而求得照明節(jié)電改造的節(jié)電效益。

(1)照明設(shè)備的功率轉(zhuǎn)換關(guān)系［8］(見(jiàn)表1)

表1 功率轉(zhuǎn)換關(guān)系

根據(jù)功率轉(zhuǎn)換關(guān)系，可得到在光通量不變的條件下，節(jié)能設(shè)備比當(dāng)前設(shè)備節(jié)省的耗電量。

(2)節(jié)電量［6］

式中，ΔA′i——第i類(lèi)照明設(shè)備被替換后的單位小時(shí)節(jié)電量;

ai——第i類(lèi)照明設(shè)備的單位小時(shí)耗電量;

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

m——要被替換的照明設(shè)備總數(shù)量。

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

(3)單位照明節(jié)能設(shè)備的節(jié)電效益

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

式中，M′i——第i類(lèi)照明設(shè)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(lèi)照明設(shè)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(jià)，單位為元/(kW·h);

c′it——第i類(lèi)照明設(shè)備被替換后第t年攤派的投資成本;

T′it——第i類(lèi)照明設(shè)備被替換后第t年的運(yùn)行時(shí)間，未來(lái)每年的運(yùn)行時(shí)間要根據(jù)往年數(shù)據(jù)來(lái)擬合;

pi——第i類(lèi)照明設(shè)備的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格;

p′i——第i類(lèi)照明設(shè)備的替換成本，為購(gòu)買(mǎi)照明節(jié)能設(shè)備的成本;

m′it——第i類(lèi)照明設(shè)備被替換后第t年的維護(hù)成本，可以把它當(dāng)作一個(gè)定值;

Ti——第i類(lèi)照明設(shè)備的使用壽命;

T′i——照明節(jié)能設(shè)備的使用壽命;

is——折現(xiàn)率;

ni——第i類(lèi)照明設(shè)備被替換后的使用總年數(shù)。

為簡(jiǎn)化過(guò)程，只考慮照明節(jié)能設(shè)備的購(gòu)買(mǎi)成本，不考慮照明節(jié)能設(shè)備的維護(hù)成本。假設(shè)設(shè)備改造前后的每年運(yùn)行時(shí)間不變及電價(jià)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(dāng)不同功率的照明設(shè)備替換時(shí)，節(jié)電效益是

舉例，T8/18W的使用壽命為10000小時(shí)，它的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格為10元。當(dāng)T8/18W替換T12/20W后，節(jié)電效益是:

②當(dāng)相同功率的設(shè)備替換時(shí)，節(jié)電效益是:

3.2 基于節(jié)電效益的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

根據(jù)節(jié)能設(shè)備的節(jié)電效益，得到各節(jié)能設(shè)備效益比的大小，進(jìn)而對(duì)改造對(duì)象進(jìn)行先后排序。效益比是總效益與總投資的比值。若設(shè)備的效益比越大，越應(yīng)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(shè)備的維護(hù)成本，所以總成本等于購(gòu)買(mǎi)照明節(jié)能設(shè)備的成本;

N′i——節(jié)能設(shè)備的購(gòu)買(mǎi)數(shù)量。

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

式中，I′i——投資回收期，單位為小時(shí);

R′i——相對(duì)投資回收期，它是投資回收期與年平均運(yùn)行時(shí)間的比值，單位為年;

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

得到效益比和相對(duì)投資回收期后，本文引入了相對(duì)剩余時(shí)間的指標(biāo)來(lái)解決如何確定照明設(shè)備改造區(qū)域的問(wèn)題。它是第i類(lèi)照明設(shè)備的剩余壽命與其年平均運(yùn)行時(shí)間的比值。

式中，Rij——第i類(lèi)照明設(shè)備在第j個(gè)區(qū)域的相對(duì)剩余時(shí)間;

Ti——第i類(lèi)照明設(shè)備的使用壽命;

Tij——第i類(lèi)照明設(shè)備在第j個(gè)區(qū)域的已運(yùn)行時(shí)間;

aij——表示第i類(lèi)照明設(shè)備在第j個(gè)區(qū)域的年使用時(shí)間，單位為每年的運(yùn)行總小時(shí)數(shù)。

3.3 基于經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的方案確定

一個(gè)最佳節(jié)電改造方案的確定有4個(gè)關(guān)鍵因素:資金、對(duì)象、時(shí)間、地點(diǎn)?，F(xiàn)實(shí)生活中改造資金通常是有限的，即使一個(gè)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(hù)能隨時(shí)根據(jù)資金值調(diào)整改造方案來(lái)獲取最佳效益。同時(shí)假設(shè)改造時(shí)間為當(dāng)前，即本文只針對(duì)當(dāng)前照明設(shè)備進(jìn)行改造。如此簡(jiǎn)化后最佳節(jié)電改造方案的產(chǎn)生只需確定兩個(gè)因素:改造對(duì)象與改造地點(diǎn)。

單純比較節(jié)電效益總值，只能獲得節(jié)能設(shè)備在無(wú)資金限制下的最大效益。而通過(guò)效益比可以獲得單位照明節(jié)能設(shè)備的節(jié)電效益。即相對(duì)值比總值的優(yōu)勢(shì)在于它追求的是單位質(zhì)量的最優(yōu)化。因此，以經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)比較不同設(shè)備在不同成本下的效益比，能直接地反映哪些設(shè)備在單位投資下產(chǎn)生的效益最大;比較不同設(shè)備在不同年運(yùn)行時(shí)間的投資回收期，能直接地反映哪些設(shè)備在單位投資下回收最快;而通過(guò)相對(duì)剩余時(shí)間反映各個(gè)區(qū)域設(shè)備改造的緊迫性，來(lái)確定有限資金條件下優(yōu)先進(jìn)行改造的具體位置。

綜上可知，改造對(duì)象的確定可根據(jù)效益比得到;改造地點(diǎn)可根據(jù)相對(duì)剩余時(shí)間來(lái)確定;而相對(duì)投資回收期的引入一來(lái)能解決當(dāng)兩設(shè)備效益比相同時(shí)如何取舍的困境，二來(lái)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(yùn)行流程圖

由圖1可得，基于經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的照明設(shè)備節(jié)能改造方案具體確定過(guò)程如下:首先，根據(jù)設(shè)備間的功率轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)得節(jié)電量，進(jìn)而結(jié)合電價(jià)、投資成本、折現(xiàn)率和使用壽命計(jì)得節(jié)電效益。其次，根據(jù)設(shè)備單價(jià)、節(jié)電效益和使用壽命得到各設(shè)備不同品牌的效益比。然后，根據(jù)使用壽命、價(jià)格和年運(yùn)行時(shí)間得到各設(shè)備的相對(duì)投資回收期。最后，根據(jù)各區(qū)域設(shè)備的使用壽命和年運(yùn)行時(shí)間計(jì)得其相對(duì)剩余時(shí)間，從而依據(jù)資金大小得到相應(yīng)的推薦方案。

4 實(shí)例分析

結(jié)合現(xiàn)實(shí)中各種照明設(shè)備及某學(xué)校的實(shí)際情況，依次根據(jù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)3個(gè)指標(biāo)，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(jì)評(píng)價(jià)模型也適合于電子鎮(zhèn)流器，故本文對(duì)電子鎮(zhèn)流器不作討論，并把燈管等同于熒光燈。通過(guò)計(jì)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(shè)備改造順序。熒光燈的價(jià)格與壽命見(jiàn)表2。

通過(guò)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)可得如下結(jié)論:T8/18W、T8/30W、T8/36W應(yīng)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(shè)備。替換不同功率的T8類(lèi)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(yīng)分別采用PH-T5/14W、PH-T5/21W和FS-T5/28W照明節(jié)能設(shè)備。替換不同功率的T12類(lèi)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(jià)格與壽命［9］

4.2 照明改造的最佳方案

該學(xué)校用于節(jié)能改造方案的投資資金是2000元，需改造的對(duì)象是教室的照明設(shè)備T8和T12。在得知投資資金和改造對(duì)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(dāng)前照明設(shè)備的具體情況。

表3 高中室內(nèi)照明情況

結(jié)合表2和表3，用照明節(jié)能設(shè)備FS T5/28W替換當(dāng)前照明設(shè)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(wèn)題，引入相對(duì)投資回收期指標(biāo)。由于高一T12/40W和高三T12/40W的相對(duì)投資回收期分別為0.52和0.39。高三T12/40W的相對(duì)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(dāng)前照明設(shè)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(gè)指標(biāo)得到最優(yōu)改造方案的問(wèn)題。結(jié)合表3和表4根據(jù)不同的指標(biāo)可產(chǎn)生相應(yīng)的4個(gè)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(biāo)，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(duì)投資回收期這一指標(biāo)，由于高二節(jié)能設(shè)備T5/28W替換T8/36W的相對(duì)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(duì)剩余時(shí)間是1.02，比高一的小，但比高三的大。若僅根據(jù)相對(duì)剩余時(shí)間這一指標(biāo)，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(méi)換。其節(jié)電效益為16096.0元。

由上可得，綜合節(jié)電效益、相對(duì)投資回收期及年運(yùn)行時(shí)間，可以使照明節(jié)電改造方案達(dá)到最優(yōu)。但節(jié)電效益效果與現(xiàn)實(shí)情況有所偏差，畢竟在現(xiàn)實(shí)生活中節(jié)電效益并不是很明顯。主要原因有:電價(jià)便宜，人工安裝費(fèi)用大;節(jié)能燈使用壽命短及價(jià)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(guó)的平均電價(jià)為0.5元/每度，同時(shí)我國(guó)生產(chǎn)照明節(jié)能設(shè)備的技術(shù)所限，大多照明節(jié)能設(shè)備的使用壽命并沒(méi)能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。若保守估計(jì)照明節(jié)能設(shè)備T5/28W的使用壽命只是標(biāo)注壽命的一半，節(jié)電效益會(huì)在原基礎(chǔ)上下降一半。(2)近年來(lái)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，導(dǎo)致通貨膨脹率偏高。若近年通貨膨脹率在10%基礎(chǔ)上升到15%，其節(jié)電效益會(huì)在原基礎(chǔ)下降11%。

結(jié)合表6和實(shí)際情況，當(dāng)投資額為2000元時(shí)，電價(jià)是0.5元/每度并且效益折損率為15%，節(jié)能設(shè)備T5/28W的價(jià)格上升1倍且每盞節(jié)能燈的人工安裝費(fèi)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(shí)生活中的實(shí)際情況吻合［1］，這體現(xiàn)了本文的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)是切實(shí)可靠。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)效益比、相對(duì)投資回收期、相對(duì)剩余時(shí)間3個(gè)指標(biāo)建立經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)在有限投資資金的約束下獲得對(duì)當(dāng)前熒光燈設(shè)備的最佳節(jié)能改造方案。因照明設(shè)備具有共性，因此該方法可推廣應(yīng)用于其他照明設(shè)備的節(jié)能改造。當(dāng)然，一個(gè)具備了經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)良好的照明節(jié)能方案只是具備了“節(jié)能”的基礎(chǔ)，是否真正“節(jié)能”關(guān)鍵還取決于日常的使用者。節(jié)能的關(guān)鍵在人，當(dāng)提高人們的節(jié)電意識(shí)時(shí)，其節(jié)能的效果遠(yuǎn)比節(jié)能技術(shù)應(yīng)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(guān)于電子節(jié)能燈的綜述［J］.節(jié)能技術(shù)，2004，22(124)，pp:64-65.

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

［4］GB/T 13471—2008.節(jié)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算與評(píng)價(jià)方法［S］.

［5］陳曉.住宅小區(qū)集中供冷系統(tǒng)的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)［D］.湖南大學(xué)，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(xué)，2004.

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

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

［9］http:∥www.taobao.com/，2010，08，26.