王慶會(huì)WANG Qing-hui

（華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州 450045）

0 引言

近年來，污水處理過程中的溫室氣體排放將呈指數(shù)上升趨勢(shì)[1]，是名副其實(shí)的高碳行業(yè)，建立碳中和污水處理廠已勢(shì)在必行。污水處理廠的碳中和措施主要是改進(jìn)工藝以減少過程中能源消耗和碳排放，或采用沼氣發(fā)電、引入清潔能源實(shí)現(xiàn)碳補(bǔ)償。但是成本高，且技術(shù)迭代較快，引入清潔能源增加碳匯是污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)可行性路徑。碳中和污水處理廠的實(shí)現(xiàn)有賴于各種節(jié)能減排方式之間的有效協(xié)同，比如各用能系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)，風(fēng)-光互補(bǔ)發(fā)電、沼-光互補(bǔ)發(fā)電的聯(lián)合調(diào)度等問題。

合同能源管理（EPC）引入市場(chǎng)手段實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，由節(jié)能服務(wù)公司根據(jù)節(jié)能目標(biāo)和項(xiàng)目特點(diǎn)，提供節(jié)能方案設(shè)計(jì)、融資、建設(shè)和運(yùn)維服務(wù)[2]。這種服務(wù)機(jī)制提高了節(jié)能效率和能源利用效率，為碳中和污水處理廠的實(shí)現(xiàn)提供了全新選擇。但現(xiàn)今EPC 研究主要集中在風(fēng)險(xiǎn)管理和節(jié)能效益分配方面，污水處理廠中EPC 模式的應(yīng)用研究很少受到關(guān)注。

在碳中和目標(biāo)的牽引下，風(fēng)、光等清潔能源將是增加污水處理廠碳匯的主要方式，對(duì)EPC 模式的研究也需要轉(zhuǎn)移到前端的模式選擇。選擇合適的EPC 運(yùn)營模式是污水處理廠節(jié)能目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的保障，也是節(jié)能效益分配和節(jié)能方案設(shè)計(jì)的依據(jù)。因此本研究以碳中和污水處理廠EPC管理模式?jīng)Q策問題為研究對(duì)象，建立EPC 模式選擇的指標(biāo)體系和決策模型，為污水處理廠的碳中和運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)。

1 合同能源管理模式

根據(jù)合作方式和效益分配方式，可分為以下四種模式：

節(jié)能效益分享型，用能單位和節(jié)能服務(wù)公司共同制定節(jié)能目標(biāo)，選定節(jié)能計(jì)算方式，按合同約定的內(nèi)容分?jǐn)傢?xiàng)目收益。期滿后，用能單位免費(fèi)獲得節(jié)能設(shè)備的使用權(quán)，并獨(dú)享節(jié)能效益。但市場(chǎng)的波動(dòng)幅度和用能單位本身、項(xiàng)目的年回收節(jié)能效益的方式的選擇等因素，會(huì)導(dǎo)致節(jié)能服務(wù)公司承擔(dān)一定的風(fēng)險(xiǎn)，或制約其資金周轉(zhuǎn)速率。

節(jié)能量保證型，用能單位提供項(xiàng)目建設(shè)資金，節(jié)能服務(wù)公司將更多的資金用于節(jié)能設(shè)備的升級(jí)和改造中，達(dá)到一定的節(jié)能量以保證EPC 項(xiàng)目的穩(wěn)定收益。用能單位承擔(dān)較小風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)能服務(wù)公司分擔(dān)了大部分性能風(fēng)險(xiǎn)。此外，節(jié)能服務(wù)公司可以同時(shí)投資開發(fā)相似的EPC 項(xiàng)目，以達(dá)到降低運(yùn)行成本、提高項(xiàng)目運(yùn)行能力的目的。

能源費(fèi)用托管型，由用能單位將能源費(fèi)用交由節(jié)能服務(wù)公司管理，節(jié)能服務(wù)公司承包EPC 項(xiàng)目，提供規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)實(shí)施，對(duì)用能系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和更新。期滿后，如成本低于能源費(fèi)用，剩余資金歸節(jié)能服務(wù)公司所有，如超出，超出的部分由節(jié)能服務(wù)公司承擔(dān)。節(jié)能服務(wù)公司承擔(dān)了市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)需有強(qiáng)大的技術(shù)能力以應(yīng)對(duì)節(jié)能設(shè)備升級(jí)更新。

節(jié)能融資租賃型，節(jié)能服務(wù)公司以項(xiàng)目的未來收益為擔(dān)保，與融資租賃公司達(dá)成合作。而融資租賃公司按照合同約定進(jìn)行設(shè)備的采購并享有設(shè)備的所有權(quán)。期滿后，設(shè)備所有權(quán)由用能單位無償獲得。融資租賃公司將承擔(dān)項(xiàng)目的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，減輕了節(jié)能服務(wù)公司需承受的財(cái)務(wù)壓力，但對(duì)合同能源管理項(xiàng)目的投資收益具有較高的要求。

2 指標(biāo)建立和權(quán)重確定

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

為了實(shí)現(xiàn)污水處理廠碳中和目標(biāo)，刺激項(xiàng)目參建各方節(jié)能改造的積極性，需要采取有效的投資運(yùn)營模式和節(jié)能服務(wù)機(jī)制。一方面，需要詳細(xì)、真實(shí)且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析模型，以便針對(duì)節(jié)能改造項(xiàng)目，參建各方能作出行之有效、合理的決策；另一方面，則依賴參建各方同目標(biāo)協(xié)同努力推進(jìn)，國家推行更加完善的政策引導(dǎo)及支持，并在高效規(guī)范的市場(chǎng)運(yùn)作機(jī)制下運(yùn)行。目前國際上已廣泛采用合同能源管理，節(jié)能改造投資建設(shè)和和服務(wù)運(yùn)作機(jī)制具備效率高、專業(yè)化、市場(chǎng)化也得到了證實(shí)，因此得到了國家大力推廣。

碳中和污水處理廠中的合同能源管理是節(jié)能服務(wù)公司對(duì)污水處理廠、設(shè)備供應(yīng)商、能源供應(yīng)單位、節(jié)能監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)等企業(yè)進(jìn)行整合，為污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和而提供的從設(shè)計(jì)、建造到維修等的一系列服務(wù)。合同能源管理項(xiàng)目的成功與項(xiàng)目自身規(guī)模、節(jié)能潛力具有密切關(guān)系。由此可見，對(duì)合同能源管理模式進(jìn)行選擇是污水處理廠節(jié)能項(xiàng)目可持續(xù)運(yùn)行的前提。本文在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[3-5]，結(jié)合專家訪談法，構(gòu)建如表1 所示的碳中和污水處理廠EPC 模式?jīng)Q策指標(biāo)體系。

2.2 指標(biāo)權(quán)重確定

設(shè)有n 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)R1，R2，…Rn，專家采用1～9 標(biāo)度法提供n 個(gè)指標(biāo)的判斷矩陣A=（aij）n×n，基于一致性矩陣的性質(zhì)akj=aki·aij，在專家原始判斷矩陣的任意一行元素的基礎(chǔ)上，構(gòu)造新的一致性矩陣，一共構(gòu)造出n 個(gè)一致性矩陣，以n 個(gè)矩陣相對(duì)權(quán)重的平均值作為指標(biāo)權(quán)重，具體的計(jì)算方法如下所示：

3 評(píng)價(jià)模型的建立

3.1 畢達(dá)哥拉斯模糊TOPSIS 法

畢達(dá)哥拉斯模糊集（Pythagorean Fuzzy Sets，PFS）是用來解決實(shí)際決策過程中專家評(píng)價(jià)的不確定性。和直覺模糊集相比，畢達(dá)哥拉斯模糊集可以克服隸屬度和非隸屬度之和必須小于等于1 的局限性，更能適用于解決現(xiàn)實(shí)中的決策問題。

3.2 畢達(dá)哥拉斯模糊集

定義2：若βi=〈μβi，vβi〉（i=1，2）為PFN，則滿足：β1≥β2

3.3 評(píng)價(jià)模型

本文使用TOPSIS 來處理畢達(dá)哥拉斯模糊集多屬性決策問題。首先選出專家評(píng)價(jià)值的最優(yōu)和最劣方案，根據(jù)各備選方案與最優(yōu)和最劣方案的距離選出最優(yōu)結(jié)果。

4 碳中和污水處理廠合同管理模式選擇

睢縣第三污水處理廠位于河南省睢縣，由科學(xué)與管理中心、有機(jī)質(zhì)處理中心、污水處理中心及預(yù)留區(qū)、污水廠尾水人工濕地試驗(yàn)區(qū)、海綿城市試驗(yàn)區(qū)、農(nóng)業(yè)安全研究基地六個(gè)區(qū)域組成。其中，有機(jī)質(zhì)中心負(fù)荷率維持在85%以上，日均可產(chǎn)沼氣約2000 標(biāo)方，日發(fā)電量可達(dá)3300 度。

睢縣第三污水處理廠日用電7400 度，平均每個(gè)月22萬度，自給自足的情況下需要光伏發(fā)電4100 度，年用電缺口約150 萬度。睢縣第三污水處理廠決定實(shí)施沼-光互補(bǔ)項(xiàng)目，由河南水谷創(chuàng)新研究院有限公司作為節(jié)能服務(wù)公司。運(yùn)用本研究的指標(biāo)體系和方法，為該項(xiàng)目選定合適的合同能源管理模式。

4.1 確定指標(biāo)權(quán)重

邀請(qǐng)具有污水處理和合同能源管理相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的專家，根據(jù)9 標(biāo)度法對(duì)指標(biāo)的重要性給出評(píng)價(jià)值。以一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算過程為例。

①構(gòu)造一致性矩陣。專家對(duì)指標(biāo)的重要性進(jìn)行判斷，打分結(jié)果匯總后如下：

4.2 評(píng)價(jià)模型

睢縣第三污水處理廠以資源能源回收為目標(biāo)，期望建成碳中和污水處理廠，場(chǎng)內(nèi)用電缺口由分布式光伏發(fā)電補(bǔ)充，多于發(fā)電量可并網(wǎng)銷售，節(jié)能效益巨大，前景可觀，現(xiàn)為該EPC 選擇合適的管理模式。用T1表示節(jié)能效益分享型模式，T2表示節(jié)能量保證型模式，T3表示能源費(fèi)用托管型模式，T4表示節(jié)能融資租賃模式。

表2 睢縣第三污水處理廠合同能源管理模式?jīng)Q策指標(biāo)權(quán)重

①首先，由專家組根據(jù)節(jié)能要求、項(xiàng)目特點(diǎn)以及節(jié)能服務(wù)公司的能力，對(duì)四種合同能源管理模式進(jìn)行決策，決策結(jié)果用畢達(dá)哥拉斯模糊數(shù)表示，如表3 所示。

表3 專家決策矩陣

②根據(jù)定義3 的比較關(guān)系，找出正負(fù)理想解T+和T-享型＞節(jié)能融資租賃型＞節(jié)能量保證型＞能源費(fèi)用托管型。最終該項(xiàng)目應(yīng)選擇節(jié)能效益分享型管理模式，與實(shí)際實(shí)施過程中選擇結(jié)果一致，表明指標(biāo)體系和決策方法是有效的，能被用于實(shí)踐中。

5 結(jié)論

本文建立了碳中和污水處理廠合同能源管理模式選擇的指標(biāo)體系和模型，并將該模型應(yīng)用于睢縣第三污水處理廠合同能源管理項(xiàng)目的模式選擇中，表明了決策模型的可行性和有效性。本文為污水處理廠實(shí)行合同能源管理項(xiàng)目選擇合適的管理模式提供了理論基礎(chǔ)，為污水處理廠碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持。

③根據(jù)評(píng)價(jià)值與T+和T-的距離，并計(jì)算出親近度，得出四種模式的決策排序，如表4 所示。

表4 睢縣第三污水處理廠合同能源管理模式?jīng)Q策結(jié)果

從評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，模式排序依次為：節(jié)能效益分