楊勇波，陳 纓，羊 靜，劉明忠，姜振超，曾 榮

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610071)

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展同時能源消耗也在按10%的增速快速增長，環(huán)境問題、資源問題日益受到政府、企業(yè)、個人的重視?！笆叽蟆碧岢鲆钊胴瀼芈鋵?shí)科學(xué)發(fā)展觀，促進(jìn)社會和諧，推動科學(xué)發(fā)展的規(guī)劃，政府在“十二五”規(guī)劃對節(jié)能減排工作提出了具體要求。政府提出了節(jié)能減排計(jì)劃，而企業(yè)才是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的主體，如何引導(dǎo)企業(yè)加強(qiáng)節(jié)能減排管理，如何更好的落實(shí)節(jié)能減排政策是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵因素。尚羽等［1］以物流園節(jié)能減排為對象，構(gòu)建了物流園區(qū)節(jié)能減排動力學(xué)模型，通過仿真研究了節(jié)能減排投入與園區(qū)產(chǎn)值和能耗之間的關(guān)系。唐麗敏等［2］則通過增加投入、轉(zhuǎn)變運(yùn)輸方式、改變物流消費(fèi)結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了政策模擬，劉麗娟等［3－5］通過構(gòu)建火電企業(yè)動力學(xué)模型，分析了企業(yè)單位電量煤耗和綜合廠用電率與企業(yè)利潤的關(guān)系。

而王靈梅等［6］通過不同方案比較得出最適合可持續(xù)發(fā)展的方案，C． Narasimha 等［7］以中小企業(yè)為對象研究了能耗與持續(xù)發(fā)展之間的關(guān)系，提供可靠數(shù)據(jù)為節(jié)能減排政策提供依據(jù)。張華等［8］通過對鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)建立系統(tǒng)動力學(xué)模型，重點(diǎn)考慮降低能源消耗和減少成本。孫浩［9］等利用協(xié)調(diào)學(xué)方法提出了鋼鐵工業(yè)節(jié)能模式。公兵［10］等用博弈論的方法，建立了鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排博弈模型，為節(jié)能減排提供建議。以上文獻(xiàn)都為后人建立系統(tǒng)動力學(xué)模型分析提供了參考，但文中建立的系統(tǒng)動力學(xué)模型缺乏市場機(jī)制，而這正是現(xiàn)階段節(jié)能減排存在的問題:政策執(zhí)行不利，缺乏了市場機(jī)制和價格機(jī)制的引導(dǎo)，不能形成持久有效的減排機(jī)制。因此在不斷發(fā)展節(jié)能減排技術(shù)、加強(qiáng)節(jié)能減排投入的同時需要對節(jié)能減排政策進(jìn)行定性、定量的研究。本文則利用系統(tǒng)動力學(xué)的方法對節(jié)能減排政策進(jìn)行研究，通過定量的數(shù)據(jù)分析，研究各種節(jié)能減排的效益，為政府決策提供依據(jù)。

1 節(jié)能減排政策系統(tǒng)動力學(xué)分析

1．1 系統(tǒng)動力學(xué)簡介

系統(tǒng)動力學(xué)(System Dynamics)由美國麻省理工學(xué)院Forrester 教授在20 世紀(jì)60 年代創(chuàng)立，他們在應(yīng)用反饋控制理論的概念研究工業(yè)系統(tǒng)時，形成了系統(tǒng)動力學(xué)的最初思想。系統(tǒng)動力學(xué)是一門以控制反饋理論為基礎(chǔ)，通過建立系統(tǒng)動態(tài)模型，借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測的學(xué)科;是一種定性與定量結(jié)合，系統(tǒng)、分析、綜合與推理的方法 ，以定性分析為先導(dǎo)，定量分析為支持［11－13］。系統(tǒng)動力學(xué)模型本質(zhì)上是帶時滯的一階微分方程，一階反饋回路包含三種基本變量:狀態(tài)變量、速率變量與輔助方程。他們可以用狀態(tài)方程、速率方程與輔助方程描述，同時為了建立輔助方程還需要輔以某些數(shù)學(xué)函數(shù)、邏輯函數(shù)、信息與物質(zhì)延遲函數(shù)、表函數(shù)和常函數(shù)。其數(shù)學(xué)描述式為

式中

L——狀態(tài)向量;

R——速率向量;

A——輔助變量向量;

L˙——純速率向量;

T——轉(zhuǎn)移矩陣;

W——關(guān)系矩陣。

系統(tǒng)動力學(xué)最大的特點(diǎn)就是能夠適用于宏觀、復(fù)雜系統(tǒng)，能很好解決系統(tǒng)中的動態(tài)性、非線性、反饋性和難以量化的問題。而企業(yè)節(jié)能減排投資政策模擬系統(tǒng)恰好具有以上特點(diǎn)，因此適用于系統(tǒng)動力學(xué)方法對其進(jìn)行研究。

圖1 節(jié)能減排系統(tǒng)流程圖

1．2 模型假設(shè)

對重點(diǎn)耗能企業(yè)建模的過程中，為了更好的適用于各類企業(yè)，更直觀的反映節(jié)能減排投資和政策的效果，通過以下的假設(shè)來簡化模型。

(1)企業(yè)發(fā)展良好，市場未處于飽和狀態(tài)。

(2)以企業(yè)為邊界條件，企業(yè)產(chǎn)能長期保持穩(wěn)定增長。

1．3 模型因果關(guān)系圖

分析了各個因素之間關(guān)系，建立了節(jié)能減排系統(tǒng)因果關(guān)系圖，如圖1 所示。

(1)節(jié)能減排投資→節(jié)能投資→能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平(節(jié)能設(shè)備和技術(shù))→資源利用率→企業(yè)總產(chǎn)值;節(jié)能減排投資→減排投資→廢棄處理投資(廢水處理投資)→相對環(huán)境污染度→企業(yè)總產(chǎn)值。這都是正反饋回路，反映了節(jié)能投資和減排投資對企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的影響，并反饋到了節(jié)能減排投資，調(diào)整投資力度。

(2)節(jié)能減排投資→減排投資→廢氣處理投資(廢水處理投資)→廢水處理(廢棄處理)→相對環(huán)境污染度→超標(biāo)排放懲罰→企業(yè)成本→企業(yè)總產(chǎn)值;節(jié)能減排投資→節(jié)能投資→能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平(節(jié)能設(shè)備和技術(shù))→資源利用率→階梯電價→企業(yè)成本→企業(yè)總產(chǎn)值，這是政策子系統(tǒng)，通過使用階梯電價和超標(biāo)懲罰政策提高企業(yè)成本來刺激企業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排改造。

2 節(jié)能減排系統(tǒng)動力學(xué)模型分析

本研究使用VENSIM 軟件建立的節(jié)能減排模型，該模型中包含了5 個狀態(tài)變量可以簡化為5 個一階微分方程。下面分子系統(tǒng)介紹。

圖2 企業(yè)子系統(tǒng)模型

2．1 企業(yè)子系統(tǒng)

由圖2 可以看出，該子系統(tǒng)包含企業(yè)總產(chǎn)量(QYZCL)和單位產(chǎn)品成本(DCCB)2 個狀態(tài)變量，分別受總產(chǎn)量變化量(QYZCBD)、成本增加(CBZJ)和成本減少(CBJS)3 個速率影響。

本研究中對企業(yè)產(chǎn)量進(jìn)行了假設(shè)，規(guī)定了企業(yè)產(chǎn)量增長速率呈現(xiàn)穩(wěn)定增長。企業(yè)對節(jié)能減排投資會造成企業(yè)短期成本增加(見方程)，同時通過技術(shù)改造、設(shè)備升級、生產(chǎn)方式改進(jìn)等多種方式減少資源消耗量，對成本的降低具有一定的延時，見式(8)。企業(yè)成本子系統(tǒng)政府可以通過提供節(jié)能減排補(bǔ)助，超標(biāo)懲罰等刺激措施力圖通過對企業(yè)成本的影響刺激企業(yè)節(jié)能減排改造。

該系統(tǒng)的主要方程

圖3 節(jié)能子系統(tǒng)模型

2．2 節(jié)能子系統(tǒng)

節(jié)能子系統(tǒng)中節(jié)能投資效果因子是對企業(yè)通過節(jié)能投資改進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備、提高管理水平的抽象表示。生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)、管理水平的提高都將促進(jìn)節(jié)能減排效果因子。政府為企業(yè)節(jié)能減排制定目標(biāo)，一旦企業(yè)未能達(dá)到目標(biāo)，政府將采取懲罰措施。同時政府指導(dǎo)下實(shí)行按能耗標(biāo)準(zhǔn)的階梯電價，通過價格杠桿的作用促進(jìn)企業(yè)進(jìn)行節(jié)能改造。

系統(tǒng)方程

圖4 減排子系統(tǒng)模型

2．3 減排子系統(tǒng)

企業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生SO2和SOD 雖然能夠在大氣環(huán)境下自然分解但速度緩慢，企業(yè)需要對污染物進(jìn)行排放處理。SO2和SOD 的處理能力分別用SO2XGXZ 和CODXGXZ 表示萬元投資力度下的處理能力。

DQSO2CL=INTEG

(SO2ZZ－SO2JS－SO2XSL，DQSO2CL0)(15)CODHL=INTEG

(CODZZ－CODJS－CODZRXJ，CODHL0)(16)

SO2JS=FQCLTZ·SO2XGXZ (17)SO2XSL=DQSO2CL·XSXS (18)

SO2ZZ=DWSOPL·ZCZ (19)FQCLTZ=JPTZ·FQCLTZBL (20)CODZZ=ZCZ·DWCODPL (21)CODZRXJ=CODXJXS·CODHL (22)CODJS=CODXGXZ·FSCLTZ (23)

FSCLTZ=JPTZ·FSCLTZBL (24)

表1 變量表

3 節(jié)能減排系統(tǒng)動力學(xué)政策模擬與仿真

3．1 系統(tǒng)參數(shù)確定

本文以重點(diǎn)耗能企業(yè)為對象，查閱歷史統(tǒng)計(jì)年鑒和各類耗能行業(yè)特點(diǎn)取算數(shù)平均值。這類參數(shù)有企業(yè)總產(chǎn)量變化率為年均增長5%，單位產(chǎn)值能耗為2． 5(t 標(biāo)準(zhǔn) 煤/萬 元)，大 氣SO2濃 度 單 位 為mg/m3，水、COD 含量單位為mg/L。

3．2 模型效驗(yàn)

模型的效驗(yàn)應(yīng)該分為以下幾步:

(1)模型的建立是在全面分析節(jié)能減排政策、分析企業(yè)節(jié)能減排的基礎(chǔ)上建立的，能反映其各子系統(tǒng)之間動態(tài)制約關(guān)系的系統(tǒng)動力學(xué)模型;

(2)利用仿真軟件VENSIM 進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)，對重點(diǎn)能耗企業(yè)節(jié)能減排動力學(xué)模型正確性進(jìn)行了檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果完全滿足要求;

(3)通過模型運(yùn)行，得出能反映其經(jīng)濟(jì)環(huán)境和社會效益的結(jié)果通過檢驗(yàn)證實(shí)所建立的模型較好地反映火電企業(yè)節(jié)能減排的本質(zhì)特征。

3．3 系統(tǒng)仿真

根據(jù)系統(tǒng)動力學(xué)的思想，全面分析節(jié)能減排的各類因素的基礎(chǔ)上搭建了系統(tǒng)動力學(xué)模型，設(shè)定時間界限為2010 年到2020 年，步長為一年。不同于傳統(tǒng)思維對各種調(diào)控變量的改變，本文采用四種不同的方案，通過模擬仿真對比比較各種政策對企業(yè)節(jié)能減排的影響。

方案一:保持原狀，無任何節(jié)能減排政策;

方案二:在原有方案的基礎(chǔ)之上，實(shí)行階梯電價;方案三:在原有方案的基礎(chǔ)上，實(shí)行節(jié)能減排補(bǔ)助;方案四:在原有方案上同時進(jìn)行階梯電價和節(jié)能減排補(bǔ)助;

方案五:所有的節(jié)能減排政策一同實(shí)施。

3．4 結(jié)果分析

對于單位產(chǎn)值能耗這一指標(biāo)，所有方案都為下降趨勢。方案一、二、三、四仿真結(jié)果可以看出實(shí)行階梯電價最能增加企業(yè)節(jié)能減排的意愿，促進(jìn)單位產(chǎn)值能耗量下降。

通過總能耗和總電費(fèi)的仿真結(jié)果可以明顯看出在使用階梯電價方案下會增加初期的電費(fèi)成本，會促使企業(yè)通過節(jié)能減排改造降低單位產(chǎn)值能耗，從而降低用電成本?？梢钥闯龅椒抡娴牡谒哪暌院箅娰M(fèi)成本已經(jīng)低于不采取任何節(jié)能減排措施的方案一。方案三和方案四在用電成本上都呈現(xiàn)出線性下降的趨勢，相比較而言懲罰制度的效果要好于補(bǔ)貼。

圖5 各方案單位產(chǎn)值能耗圖

圖6 各方案總能耗圖

圖7 各方案總電費(fèi)圖

對于SO2和COD 含量的仿真中，見圖8、圖9 我們可以看出通過階梯電價這一價格杠桿能很好的抑制排放量。分析原因有以下兩點(diǎn):

(1)在單位產(chǎn)值能耗下降的同時也伴隨著污染物排放的減少。

(2)本研究中污染物排放量的確定使用單位產(chǎn)值排放量這一指標(biāo)，方案二能夠很好的降低單位產(chǎn)品的成本從而降低了企業(yè)的產(chǎn)值。

圖8 各方案SO2 含量圖

圖9 各方案COD 含量圖

綜合各個因素比較可以得出利用階梯電價價格杠桿的方式最能促進(jìn)耗能企業(yè)的節(jié)能減排，但也存在這會增加初期企業(yè)用電成本的問題。對企業(yè)的節(jié)能減排投資進(jìn)行補(bǔ)助是單個方案中作用力度最小的方案，但是最為平穩(wěn)的一種方案。在政府補(bǔ)助下單位產(chǎn)值，污染物排放量與方案一比較都呈現(xiàn)明顯的下降。

4 結(jié)論

本文區(qū)別于傳統(tǒng)的系統(tǒng)動力學(xué)仿真利用改變控制變量提供不同的方案進(jìn)而來作出判斷，而是通過在相同斷面下采用不同的政策，通過仿真數(shù)據(jù)來研究各類政策對節(jié)能減排的影響。通過仿真研究我們可以得出對節(jié)能改造補(bǔ)助、階梯電價、能耗超標(biāo)懲罰3 種政策而言，企業(yè)最能接受節(jié)能改造補(bǔ)助，同時也是對企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動影響最小的一種措施。而階梯電價通過價格杠桿作用節(jié)能減排的效果是最好的，也能受到電網(wǎng)企業(yè)的歡迎，但在初期使企業(yè)承受更大的成本，對企業(yè)的經(jīng)營會產(chǎn)生一定困難。能耗超標(biāo)懲罰政策雖然能促進(jìn)企業(yè)節(jié)能減排但是會增加企業(yè)的成本，大量懲罰不利于企業(yè)的經(jīng)營。因此，在節(jié)能減排工作中政府可以根據(jù)企業(yè)類型、發(fā)展階段采用1 到2 種節(jié)能減排方案，既可以保證企業(yè)正常發(fā)展也能促進(jìn)節(jié)能減排方案的實(shí)施。

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