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照明设备的节能改造与再生：绿色照明解决方案指南

作译者：刘宁,齐菲菲

出版时间：2014-10 千字数：432 版次：01-01 页数：308

开本：16(185*235) 装帧： I S B N ：9787121242342

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纸质书定价：￥68.0

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前言
第一部分　普通照明系统的节能潜力	1
    　商业照明系统	2
    　新兴照明技术	5
第一章　线性荧光系统	7
    　高效荧光灯和高性能镇流器	8
    　线性荧光灯/镇流器改造方案表	13
    　线性荧光系统的照明控制	20
  　　占位传感器对荧光灯性能的影响	26
    　手动调光控制的荧光镇流器	30
    　带自动控制装置的可调光荧光镇流器	34
    　提高现有荧光灯具的性能	36
    　高性能的替代灯具	51
    　表面安装和吊挂的线性荧光灯具	56
第二章　白炽、紧凑型荧光以及固态系统	65
　    灯管更换改造方案	68
　    照明控制	81
　    灯具具体改造方案	85
　    现有的紧凑型荧光灯具	105
  第三章　高压气体放电系统	109
      HID镇流器和灯管的替换	111
      HID反射镜改造	116
      照明控制注意事项	117
      HID灯具改造方案	118
      灯具替换	126
  第四章　特殊照明应用	131
      工业照明系统	132
      户外照明系统	143
      特殊商业照明应用	161
第二部分　照明改造过程	167
      过程简介	169
  第五章　改造项目资格	171
      参与者：他们是谁？有什么目的？对整个过程有怎样的
              影响？	171
      项目资格鉴定阶段	177
  第六章　数据收集和实地审查	181
      计划审查	182
      与设备经理和建筑运营商面谈	188
  第七章　照明工程和评估	205
      评估照明数量和质量	205
      改造方法——更换灯管vs重新设计	214
      记录和评估能源节约	217
      照明改造能源分析	222
      照明系统改造报告	228
  第八章　投标、施工和调试	233
      投标文件	233
      照明改造说明书和/或计划表	234
      图纸	236
      项目投标或协商	237
      施工阶段	239
      灯管和镇流器的处理	240
      灯具的处理和回收利用	241
      评估和调试	243
      节能的验证	246
      持续维护	248
  第九章　经济评估	251
      照明成本的构成	252
      维护成本	255
      物业租赁及其如何影响投资决策	258
      照明设备改造的经济评估方法	258
      其他经济评估问题	263
  附录一　术语表	267
  附录二　资源	277
  附录三　照明度的计算	279
  附录四　照明度的测量	287
  附录五　电能质量	291

前言
在商业建筑的电力使用中，照明设备所占的比重已超过三分之一。高效的照明改造和再生可以大大减少能源的使用，同时改善视觉环境，提高照明质量。节能的最大潜力就存在于现有的商业建筑之中。
本书旨在鼓励应用节能技术，对建筑照明系统进行改造和改善。
商业和建筑物业主经常向承包商、照明顾问、能源审计师或公共事业代表询问关于能源效率问题的信息和指导，其中包括照明设备改造。本书为业主及业主询问的对象提供了合理的、技术的、经济的照明设备改造信息。
过去几年里，照明改造方案已经扩大，公用事业不再是他们背后的唯一动力。本文作者——灯光设计师、工程师詹姆士本亚，以及建筑师、照明设计师唐娜莱班——通过为公共项目、能源服务公司以及直接为业主和设计专业人士进行照明审计，已成为业界专业人士。
《照明设备的节能改造与再生》介绍了建筑的审计、节能照明技术的评估及其在照明系统中的应用。
这本应用指南分为两个主要部分：
第一部分　着重介绍照明技术，以及它们是如何用于照明改造的。
第二部分　介绍照明改造过程中每一步的细节，以及照明方案的财务分析。
除了主要部分以外，还另有附录以供参考。然而照明改造技术的完整数据库已超出了本书的范围，许多最新的照明技术的发展成果会通过一些表格来探讨，以评估其能源节约的潜力。
这本书的用法有很多，使用方法取决于你在一个项目中的角色：
设施经理是主要对象，作者也尝试回答经常从此类专业人员处听到的照明相关问题。
业务或建筑业主可能主要对底线问题感兴趣，而对照明技术的具体应用兴趣不大。第二部分强调了对照明从A到Z改造的过程和参与改造的人员，第九章则探讨了财务问题的重要性。
电业承办商应该认识到整本书的价值，即使他们不是直接地参与照明审计或指定审计措施的实施。那些推崇照明措施改造的承办商将能很好地对程序和推荐技术进行检查，因为想要跟上快节奏的变化已变得越来越难。
进行照明审计的电气工程师和照明顾问会发现，第一部分中的表格特别有用。这些表格对现有照明系统的具体照明替代品进行评估，进而提供实用的节能数据。数据收集和分析工具对那些尚未开发自己工具的审计人员也十分有用。
毫无疑问，每个项目的改造过程都不相同，这取决于项目的规模、复杂程度和因素大小。当然，并不是所有的任务都会在每个项目中实施。一方面，照明改造项目可能包括转向本地硬件，以及采购螺旋紧凑型荧光灯来取代白炽灯。另一方面，它会涉及详细审计、短期照明系统监测、工程可行性研究、原型装置、招投标和谈判、调试，以及工后评估监测。
改造项目的其中一个任务正越来越普遍，即短期监测设备的安装，如便携式数据记录仪，以便精确测量照明操作时间，通过用户传感器和其他类型的自动照明控制系统确定节能的多少。在过去，通常是假定照明系统操作仅用4000小时/年。而研究表明，实际操作时间能改变30%或更多，这就对能源节约的预测造成巨大的误差。短期监测曾是一项非常昂贵的任务，但利用现代化设备，精确的数据就能以非常合理的费用获得。这就使得短期监测成为越来越多的照明改造项目中的一个普通程序。
照明改造的意义
节能照明改造能为大多数商业建筑带来良好的经济效益。用先进的节能组件代替旧照明组件可节省多达50%的建筑物的照明能源成本，同时保持或提高工作场所的视觉质量。通过节约能源，大多数照明改造会在不到五年的时间内为自己付清改造的花费。在经济分析时，若业主的满意度和员工的工作效率也被考虑在内，那照明改善的好处会立竿见影。
照明是商业建筑能源终端使用中的一大主力，占商业部门电力消耗量的1/3以上。在美国商业面临不断提高生产率和降低成本的压力下，照明改造无疑是实现这些目标的最具成本效益的方式之一。
照明改造的意义何时显现
照明改造能节省照明能源，同时实现合理的回报率，与资金的其他用途相比，它无论何时都能产生经济效益。这通常发生在建筑中的下列条件之一或更多：
■ 过多的照明度。建筑里绝大部分空间都是强光照明。
■低效的技术。照明设备的年龄已超过十年。
■ 维护不善。灯管已超出其使用寿命，灯具也维护不良。
■ 照明操作时间过长。照明设备运作时间超过所需时间多时。
■ 高额电费或需求收费。每千瓦时或千瓦的减少能节省更多的钱。
■非最理想的照明条件。无论如何，那些维护不善或不充分的照明系统需要改进。
过多的照明度
使用强光照明的建筑物常常是照明改造的不二候选。大多数1990年前建造的未改进的建筑物使用强光照明可能有以下几个原因：
■ 在20世纪50—60年代被广泛接受的荧光灯使得设计高照明度的照明系统在技术上变得可行。习惯上，过度照明在安装时秉着“更多即更好”的信念。
■ 20世纪90年代前，由北美照明工程协会推荐的照明水平以及其他建设方针要高于现在的标准。
■ 视觉作业已经改变。20世纪90年代初以来，许多工人在电脑屏幕前度过了太多时间，而且由于改进的打印机和复印机技术，纸上作业也已大大改进。
■ 在设计建筑物时往往没有考虑日光作为一种可用光源的潜能。当日光照明条件允许时，电力照明就没有必要了。
低效的技术
自20世纪70年代中期的第一次能源危机以来，照明设备的效率得到明显提高。设备效率提高的同时，照明质量也在提高。例如，电子镇流器消除荧光闪烁，新型T-8和T-5荧光灯具有更好的显色性。然而，旧的低效设备仍在普遍使用，它的更换是照明改造的基本策略。
维护不善
不常维护或维护不善容易导致灰尘和污垢在灯和灯座上堆积。这就干扰了光的传送，并降低照明设备的效率。维护不善也导致灯具使用超出其额定寿命。旧灯具使用的功率和新灯具一样或比新灯具多，但它产生的光线明显很少。
照明运作时间过长
即使照明效率的一个小改进（功率降低）就能节省相当多的能源，即便照明系统几乎在不间断地运作。照明系统运作时间长的典型场所像医院、警察局、监狱等，更容易证明照明改造的经济效益。
照明运作时间过长也说明自动控制很有必要，如可编程的灯光控制面板、感应器及其他设备。最常见、最不必要的能源浪费表现之一，就是在无人的空间内亮着灯。而高效设备可以降低照明能源的使用多达50%，关灯则可节省100%。
不管已使用的控制装置，为建筑用户提供照明控制使用的相关信息总是很重要的。 
高额电费或需求收费
较高的电费更容易证明高效照明的投资成果。虽然改造成本保持不变，但能源成本节省的也不少。
由于公用事业必须根据预期高峰的能源使用来决定他们的动力输送潜力，因而他们试图通过需求收费和差别收费，即电力收费的价格在需求高峰时段大幅高于非高峰时段，降低高峰程度。使电气照明在高峰时段的使用最小化的策略，如采光控制、任务照明、感应控制，将比那些在非高峰时段减少用电的措施节约相应更多的能源。
随着公用事业和政府对电网系统的改进进行投资，照明改造也迎来新的机遇。“智能电表”实时定价的功能，使公用事业能够按小时定电价。在炎热、阳光明媚的日子，当日光照明控制系统最有效时，这项措施会显著增加正午的电费。其他降低消耗的聪明办法，以及靠替代能源来产生和储存电力，可能会随着智能电网的广泛发展而产生。 
非最理想的照明条件（延期的资本再投资）
虽然本指南的重点是改装照明系统来节约能源，但也不能忽略高质量的视觉环境和所有者的福祉以及生产力之间的联系。无充分照明系统的建筑物早已需要改进。若建筑物的照明系统得到改善，通过使用高效照明技术，照明能源的使用就可以保持不变或减少。通过州、联邦或公用事业的奖励以及其他新照明系统的好处，资本再投资就可减到最少。
照明系统改进的其他好处
照明改造对建筑物业主和用户有很多好处。直接的好处是减少电力需求、节约能源、降低建筑的运营成本。无形的好处，如在现有照明条件差或不足的情况下能改善照明质量和潜在提高生产力，这也可能在一些设施里是重要的。这些将在第七章照明工程和评估中详细讨论。 
降低能源成本
改造过时照明系统的最明显、最直接的好处就是降低能源成本，减少与照明相关的营运开支。这往往被认为评估照明改造的成本效益中唯一的好处。照明改造减少电力使用和需求。节约措施包括直接降低照明功率、减少照明运作时间以及间接空调节能（消除建筑物中电灯产生的较少热量）。改造有时能减少电费账单中照明部分的50%。根据目前到位的照明技术，一个典型办公楼的总电费往往可以减少20%～25%。现有设备越旧，空间越多过量照明，节省空间就越大。 
降低照明维修成本
大多数节能照明改造还可以减少维修费用。在许多现有建筑物中，照明系统只在设备出现故障（如灯管和镇流器烧坏）时才进行维修，而常规分组换灯和灯座清洁则是个例外。因为照明改造方案通常涉及重大设备的更换，所以他们会克服10年或更久的缺陷。提供一个开始新维修程序的机会，从长远来看可以降低维护成本，建筑的整体外观也将得到改善。由于节能产品的寿命几乎总是很长，因此旧的灯具和镇流器带来的日后维修成本可以省略。
照明投资回报
照明改造的预期节能可被用作“资产净值”来负担照明改善的经费。这种资金可以通过公用事业项目、州或联邦规划获得，同时能源服务公司（ESCOs）通过未来节能也可以承担改造的经费。成套改进经常是可行的，以便使需要替换的较旧的建筑设备能够列入改造计划。
经济竞争力
照明改造可以使企业降低经营成本，在世界经济中更具竞争力。这可能会使国家和地区的经济增长更快，以便积极推动能源效率改造。
更清洁的空气
大量的电力是通过燃烧天然气和燃煤发电厂产生，在燃烧过程中又向大气排放污染物。这些污染物导致气候变化、酸雨和其他环境问题的产生。通过照明改造节约能源，可以大大减少这些污染物的排放。环境保护署（EPA）对电力节能相关的减排量做了估计。
例如，改造商用白炽射灯以及紧凑型荧光灯或LED灯将消除二氧化碳排放1390亿磅、二氧化硫排放4.64亿千克、氧化氮排放2.46亿千克，这样，每年就能节约能源870亿千瓦时。
改善公众形象
照明改造不仅能节约能源，降低运营成本，减少空气污染，还可以帮助那些进行改造的客户和促进改造的公用事业营造更积极的形象。环境保护署发起的“绿色照明”计划能被积极参与，大部分是因为环境保护署成功提升了参与企业的正面形象。创造和支持LEED＆reg;（领导环境和节能设计）建筑评级系统的美国绿色建筑委员会（USGBC），支持通过LEED对现有建筑进行升级，为绿色建筑运营和维护提供参考指南。这个评级系统已获得国际标准的认可及参与者的公开赞同。
提高照明和生产力
对照明改造和工人生产力之间的关系进行记录和量化是非常困难的，有些人甚至说不可能。然而很少人会觉得改善视觉环境会损害生产力。相反，如果工作场所没有刺眼的光，电灯的色彩更好，光也不闪烁，那毫无疑问工人将更有效率。困难的是，怎样给这些好处设定一个货币价值。但是，如果工人在工作场所抱怨头痛和眼睛疲劳，那很容易就能证明照明是问题的一个潜在原因。
薪水开支在经商成本中占主导地位，只有稍微的提升才相当有效。根据1990年对全国大型写字楼的调查，工资成本占每平方英尺131美元，比预计每平方英尺1.53美元的电力成本高了近85倍。就算生产力提高仅1%也只是和全年的电费相等。虽然从那时起平均工资增加了一点，在许多地方能源成本也大致翻了一倍，但这个总体观念仍然是正确的。
证明照明改造对员工的工作效率有影响的另一种办法就是引用如下一些例子：
■ 宾夕法尼亚州电力和照明公司是改造制图室里的照明系统。改造成本是8362美元，每年节省能源成本2035美元。此外，员工缺勤率下降了25%，生产率提高了13.2%。
■ 园丁供应取代了仓库和配送中心的灯具，花费原材料和劳动力64000美元，节约能源近50%，公用退税15000美元。初期投资回收期在6个月以下。虽然远程仓库区域的照明通过感应控制能够在一天中的大部分时间都保持关闭状态，危险流通区域的照明改进有助于提高安全性。明亮的环境有助于工人即使在值第二班岗时仍然更加警惕。
■ 波音飞机公司改造了其制造工厂之一里的照明系统。公司不仅节省90%用于照明的电力成本，而且在检测缺陷上进步了20%。
这些例子都代表着照明改造只在能源节约上的进步。生产率的提高则是一个意想不到的额外的好处。 
克服照明改造的障碍
尽管节能照明技术有利实用，但企业和建筑经营者要接受这些新技术仍受到诸多障碍。由于顾客对技术的迷茫，而且面临电子和能源规则的不断变化以及中断运作的风险，他们往往不信任新产品。过去20年的公用电力能源管理计划已经证明，若提供准确信息以及对投资做出良好回报的承诺，顾客将会接纳更加高效节能的照明解决方案。
障碍
对照明技术改进所需的高额初始成本有所抵触是由于下列任一或所有因素：
■ 认为照明技术改进需要高额初始成本
■ 缺乏对节能需要的认识
■ 对较好照明条件的优势了解不深
■ 不相信新技术的可靠性
■ 混淆了各式各样的产品
■ 对一些照明设备制造商代理的广告产生困惑及怀疑
■ 对改进过程中生意的中断表示担忧
在大多数情况下，因为缺乏信息，这些错误认识才会产生，而这个缺陷也在逐步克服。国家和公用事业资助的项目会提供一个信誉度高的信息来源。商业贸易杂志上能源顾问的文章和制造商的广告也使那些订阅杂志的顾客增强了照明产品改造方面的意识。不愿改造是因为没有认识到照明改造必定能削减经营成本。表面上，要量化环境效益以及工人生产力的提高可能要难得多，但很多企业主已心悦诚服，现在正享受改造照明的好处。 
用电需求管理（DSM）计划
20世纪90年代初开始，规范的公用事业开始发展这些计划来管理用电负荷增长，其经济和环境成本要比建设新发电厂花费得更少。现在，市民也有了环保意识，相比建新发电厂而言，他们更喜欢高效的替代能源。随着电力能源成本的上升为能源效率创造了极大的动力，在许多国家普遍存在的需求管理计划的开支已减少。然而，更大更昂贵的商业和工业改造项目对所用的可靠信息和激励措施的需求也有所增加。
成功的方案能降低需求，减少能源使用，其成本比兴建新发电厂还要少。“最低成本计划”这个词适用于仔细评估节能的机会以及增加发电能力机会这一过程。照明改造通常是减少电力需求和降低能源利用的最具成本效益的方法之一。
用电需求管理计划采用许多方法以促进节能照明的投资。这些措施包括：为广大客户提供援助；直接通过能源服务子公司（ESCO）参与；为客户提供照明审计以及技术建议帮助；通过回扣、赠款和融资提供照明改进成本补贴；帮助业主和设计师选择高效照明设备和评估照明方案；通过需求方竞价购买节能设备；向公众和照明专家提供教育和示范设施。
这三个策略中，提供照明改造成本补贴的潜在影响最大。公用事业退税可以大大降低安装成本，从而加快了投资回收期，增加投资和设备寿命周期成本节约的回报。照明改造经济价值的提高使这项计划对决策者而言更具吸引力。同样，审计和设备安装的赠款和有吸引力的融资方案也鼓励建筑业主改造照明。

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