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        城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合仿真研究

        2022-10-29 07:06:34帥符曉藝王天尊
        上海節(jié)能 2022年10期
        關鍵詞:主體

        洪 帥符曉藝王天尊

        1.河北經(jīng)貿(mào)大學京津冀協(xié)同發(fā)展河北省協(xié)同創(chuàng)新中心

        2.河北經(jīng)貿(mào)大學經(jīng)濟研究所

        0 引言

        隨著我國加快推動能源消費革命,進一步提高傳統(tǒng)化石能源的清潔高效利用水平,節(jié)能減排和提高能效成為低碳化過程中的重中之重。由早年“高排放、高污染、高消耗”發(fā)展路徑所引起的生活污染、能源危機等環(huán)境問題,給人們的生產(chǎn)、生活帶來諸多不便。城市社區(qū)作為人們生活、居住、學習的主要場所,是推動節(jié)能、降耗、減排的基礎地域單元,更是實現(xiàn)城市人居環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要空間載體。

        城市能源可持續(xù)發(fā)展的目標是通過對資源的優(yōu)化管理和為市民提供全面的、高質量的潛在生活來實現(xiàn)的[1]。城市社區(qū)一級的能源規(guī)劃對減緩氣候變化至關重要[2],德國政府明確城市社區(qū)更新改造的實施流程和要點,旨在實現(xiàn)既有建筑達到氣候中和的規(guī)劃目標[3]。美國和波蘭等國家的居住建筑ESPC項目發(fā)展順利且成效明顯主要取決于健全的法律環(huán)境、完善的居住建筑ESPC服務體系、有效的推廣政策和手段[4]。民生科技對城市社區(qū)建設的節(jié)能環(huán)??冃в兄匾脑u估功能和作用[5]。城市社區(qū)能源供應結構主要以電力為主,可再生能源收入與能源使用之間不存在顯著關系,家庭使用的耗能裝備多為非高效設備[6]。對于寒冷氣候區(qū),城市社區(qū)能源偏差評估方法為其典型既有社區(qū)能源系統(tǒng)節(jié)能改造提供參考方向[7]。

        對社區(qū)能源的總體態(tài)度是積極的,社會規(guī)范、信任、環(huán)境關注和社區(qū)認同是社區(qū)能源參與意愿的重要決定因素[8]。城市社區(qū)能源問題需要在所有社會和機構層面上綜合解決,社區(qū)能源可作為能源行為改變催化劑的理論基礎[9],開放城市能源數(shù)據(jù)是支持能源決策的重要方式[10]。依據(jù)目標人群的不同需求,低碳城市發(fā)展與居民行為存在差異關系,低碳城市中居民對現(xiàn)有居住環(huán)境具有重要的改造影響[11]。英國的能源效率承諾制度推動了居民和社區(qū)提高能效[12]。一個人與自然和諧共生,融生產(chǎn)、生活、生態(tài)為一體的創(chuàng)新綠色節(jié)能住宅社區(qū),最大限度地釋放地面空間,形成生態(tài)、節(jié)能良好的自循環(huán)系統(tǒng),滿足人們對田園生活的向往和對安全食品的心理需求[13]。

        基于此,聚焦城市社區(qū)節(jié)能,厘清多元主體耦合關系,構建城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合模型,探索城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合均衡,為解決城市社區(qū)節(jié)能改造和節(jié)能降耗等重大問題以及推動城市的可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論借鑒和管理啟示。

        1 基于Logistic方程的城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合模型

        借助生態(tài)學理論中種群動力學理論分析城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合模型。以城市社區(qū)節(jié)能為情景,以服務于節(jié)能為目標。假設城市社區(qū)節(jié)能多元主體分別為政府、城市社區(qū)、節(jié)能企業(yè)、科研機構。以多元主體的規(guī)模變化表示其成長過程,多元主體規(guī)模越來越大表示其成長良好,進一步認為對支撐其成長的資源的占有率就越大;多元主體規(guī)模越來越小表示其趨于消亡,進一步認為對支撐其成長的資源的占有率就越小。多元主體資源占有率為零則表明其已消亡。多元主體所用資源是消耗包括市場資源、自然資源、信息資源及其它資源在內(nèi)的資源總稱。資源的總量限制著多元主體的規(guī)模。不同類型的主體消耗的資源存在差異,進一步認為城市社區(qū)節(jié)能多元主體消耗的資源具有明顯的互補性。同一類型的多元主體共同消耗同樣的資源。多元主體的成長過程服從Logistic成長過程,其增長率受到多元主體密度的影響。多元主體密度增加,則其增長率就下降,這種影響作用沒有時滯,瞬間發(fā)生。多元主體的變化與個體的年齡無關,即最早出現(xiàn)和最晚出現(xiàn)的個體對其成長過程的影響是一樣的。當城市社區(qū)節(jié)能多元主體成長的邊際收益等于邊際成本時,多元主體將停止增長,達到最大規(guī)模。

        城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合的過程實際上就是具有不同程度節(jié)能需求的政府、城市社區(qū)、節(jié)能企業(yè)、科研機構以服務于節(jié)能作為一致目標,共同參與節(jié)能活動并不斷提高節(jié)能水平的過程。因此,可借助生態(tài)種群增長模型建立城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合模型。城市社區(qū)節(jié)能多元耦合主體相互作用時,其關鍵問題還是兩兩之間的耦合問題,因此可應用Logistic方程。當存在n個耦合主體時,任意第i個耦合主體都符合模型(1)。

        模型(1)中,參數(shù)Ni是第i個耦合主體的最大潛在數(shù)量規(guī)模,xi是第i個耦合主體的當前實際規(guī)模;參數(shù)Nj是其它n-1個耦合主體中第j個耦合主體的最大潛在數(shù)量規(guī)模,xj是其它n-1個耦合主體中第j個耦合主體的當前實際規(guī)模。

        城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合模型實質上是關于n個耦合主體的方程組。設“x1”表示政府部門,“x2”表示城市社區(qū),“x3”表示節(jié)能企業(yè),“x4”表示科研機構,則城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合的方程,如方程(2)所示。

        方程(2)中,系數(shù)bij表示城市社區(qū)節(jié)能多元耦合主體j對耦合主體i的耦合系數(shù),其取值的不同表示耦合的強弱程度不同。當bij取值為0時,說明城市社區(qū)節(jié)能耦合主體j和i是獨立共存的,互相不影響;當bij取值為正數(shù)時,說明城市社區(qū)節(jié)能耦合主體j和i是競爭耦合關系;當bij取值為負數(shù)時,說明城市社區(qū)節(jié)能耦合主體j和i是協(xié)調耦合關系。

        縱觀城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合方程系數(shù)bij共有12個之多,其取值決定了城市社區(qū)節(jié)能多元主體的耦合關系。

        1)系數(shù)bij均為零,則城市社區(qū)節(jié)能多元主體相互之間獨立共存,各自發(fā)展,互不影響。

        2)系數(shù)bij均為正數(shù),則城市社區(qū)節(jié)能多元主體相互之間競爭耦合,競爭的實質是通過影響其它耦合主體獲得適合其自身發(fā)展需要的資源。適合耦合主體自身發(fā)展需要的資源存在互補性,但各耦合主體仍需要通過影響其它耦合主體來獲得更多適合自身發(fā)展需要的資源。由于城市社區(qū)節(jié)能多元主體并不是同一類型,且需要的資源類型不盡相同,使得系數(shù)bij難以出現(xiàn)均為正數(shù)且相等的情況,但存在均為正數(shù)且不等的可能。

        3)系數(shù)bij均為負數(shù),則城市社區(qū)節(jié)能多元主體相互之間協(xié)調耦合,協(xié)調的實質是城市社區(qū)節(jié)能多元主體相互協(xié)調、互惠互利,促進資源、信息有效傳遞,共同實現(xiàn)節(jié)能的終極目標。由于城市社區(qū)節(jié)能多元主體在規(guī)模類型、互利程度、利益分配等方面存在差異,使得系數(shù)bij難以出現(xiàn)均為負數(shù)且相等的情況,但存在均為負數(shù)且不等的可能。

        4)系數(shù)bij有正數(shù)也有負數(shù),則城市社區(qū)節(jié)能多元主體相互之間的關系界于競爭耦合與協(xié)調耦合之間。為方便區(qū)別,將系數(shù)bij均為正數(shù)視為城市社區(qū)節(jié)能多元主體之間絕對競爭耦合;將系數(shù)bij均為負數(shù)視為城市社區(qū)節(jié)能多元主體之間絕對協(xié)調耦合。若系數(shù)bij為正數(shù)的個數(shù)多于為負數(shù)的個數(shù),則視為城市社區(qū)節(jié)能多元主體之間相對競爭耦合;若系數(shù)bij為負數(shù)的個數(shù)多于為正數(shù)的個數(shù),則視為城市社區(qū)節(jié)能多元主體之間相對協(xié)調耦合。bij系數(shù)正負個數(shù)如圖1所示。對于bij系數(shù)正負個數(shù)的討論實際上就是確定城市社區(qū)節(jié)能多元主體間的耦合關系。

        圖1 bij系數(shù)正負個數(shù)圖

        2 城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合仿真研究

        在缺乏大量時間序列數(shù)據(jù)時,數(shù)值模擬就成為相對最有效的實證方法。通過仿真分析城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合演化過程,確定城市社區(qū)節(jié)能多元主體是如何相互作用和相互影響的。通常來說,bij系數(shù)間沒有確定的關系,為方便研究,僅討論bij各系數(shù)相互獨立的情形。

        假設城市社區(qū)節(jié)能多元主體最大的潛在數(shù)量規(guī)模Ni分別為政府部門N1=50,城市社區(qū)N2=100,節(jié)能企業(yè)N3=200,科研機構N4=80。賦予政府部門、城市社區(qū)、節(jié)能企業(yè)、科研機構的當前實際規(guī)模數(shù)量分別為30、50、80、40。令r1=0.01、r2=0.03、r3=0.04、r4=0.02,迭代400次和1 000次進行觀察。以下各圖中橫軸表示迭代次數(shù),縱軸表示城市社區(qū)節(jié)能多元主體的規(guī)模數(shù)量?!?+-+”線表示政府部門規(guī)模數(shù)量的變化,“****”線表示城市社區(qū)規(guī)模數(shù)量的變化,“++++”線表示節(jié)能企業(yè)規(guī)模數(shù)量的變化,“----”線表示科研機構規(guī)模數(shù)量的變化。

        圖2 bij系數(shù)均為負數(shù)

        圖2是城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合系數(shù)bij均為負數(shù),且取值范圍為區(qū)間(-0.5,0),迭代400次和1 000次的仿真結果。根據(jù)當前耦合系數(shù)bij的取值,參與城市社區(qū)節(jié)能的政府部門規(guī)模數(shù)量持續(xù)上升,在迭代300次左右后達到峰值500;參與節(jié)能的城市社區(qū)規(guī)模數(shù)量持續(xù)上升,在迭代350次左右后達到峰值1 100;參與城市社區(qū)節(jié)能的節(jié)能企業(yè)規(guī)模數(shù)量持續(xù)上升,在迭代400次左右后達到峰值2 600;參與城市社區(qū)節(jié)能的科研機構規(guī)模數(shù)量持續(xù)上升,迭代360次左右后達到峰值800。政府部門、城市社區(qū)、節(jié)能企業(yè)、科研機構規(guī)模數(shù)量均大幅度突破了最大潛在數(shù)量規(guī)模,這說明在城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合系數(shù)bij均為負數(shù)的情況下,現(xiàn)有資源可供更多的政府部門、城市社區(qū)、節(jié)能企業(yè)、科研機構參與城市社區(qū)節(jié)能,這是由城市社區(qū)節(jié)能多元主體間絕對協(xié)調耦合關系決定的。

        圖3 bij系數(shù)均為正數(shù)

        圖3是城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合系數(shù)bij均為正數(shù),且取值范圍為區(qū)間(0,0.5),迭代400次和1 000次的仿真結果。根據(jù)當前耦合系數(shù)bij的取值,參與城市社區(qū)節(jié)能的政府部門規(guī)模數(shù)量緩慢下降,在迭代340次左右后穩(wěn)定于28;參與節(jié)能的城市社區(qū)規(guī)模數(shù)量小幅緩慢上升,在迭代110次左右后達到峰值52;參與城市社區(qū)節(jié)能的節(jié)能企業(yè)規(guī)模數(shù)量持續(xù)下降,在迭代200次左右后穩(wěn)定于74;參與城市社區(qū)節(jié)能的科研機構規(guī)模數(shù)量持續(xù)上升,在迭代300次左右后達到峰值49。政府部門、節(jié)能企業(yè)規(guī)模數(shù)量均小幅低于當前實際規(guī)模數(shù)量;城市社區(qū)、科研機構規(guī)模數(shù)量雖小幅高于當前實際規(guī)模數(shù)量,但遠低于最大潛在規(guī)模數(shù)量。這說明在城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合系數(shù)bij均為正數(shù)的情況下,現(xiàn)有資源不能完全保證政府部門、城市社區(qū)、節(jié)能企業(yè)、科研機構參與城市社區(qū)節(jié)能,這是由城市社區(qū)節(jié)能多元主體間絕對競爭耦合關系決定的。

        圖4 bij系數(shù)為負數(shù)的個數(shù)多于正數(shù)的個數(shù)

        圖4是城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合系數(shù)bij為負數(shù)的個數(shù)多于正數(shù)的個數(shù),且取值范圍為區(qū)間(-0.5,0.5),迭代400次和1 000次的仿真結果。根據(jù)當前耦合系數(shù)bij的取值,參與城市社區(qū)節(jié)能的政府部門規(guī)模數(shù)量緩慢持續(xù)上升,在迭代300次左右后達到峰值60;參與節(jié)能的城市社區(qū)規(guī)模數(shù)量持續(xù)上升,在迭代200次左右后達到峰值130;參與城市社區(qū)節(jié)能的節(jié)能企業(yè)規(guī)模數(shù)量持續(xù)上升,在迭代110次左右后達到峰值,爾后緩慢下降維持在260;參與城市社區(qū)節(jié)能的科研機構規(guī)模數(shù)量緩慢上升,在迭代100次左右后達到峰值60。政府部門、城市社區(qū)、節(jié)能企業(yè)規(guī)模數(shù)量均小幅度突破了最大潛在數(shù)量規(guī)模,科研機構規(guī)模數(shù)量小幅低于最大潛在數(shù)量規(guī)模。這說明在城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合系數(shù)bij為負數(shù)的個數(shù)多于正數(shù)的個數(shù)情況下,現(xiàn)有資源能夠滿足較多的政府部門、城市社區(qū)、節(jié)能企業(yè)、科研機構參與城市社區(qū)節(jié)能,這是由城市社區(qū)節(jié)能多元主體間相對協(xié)調耦合關系決定的。

        圖5 bij系數(shù)為正數(shù)的個數(shù)多于負數(shù)的個數(shù)

        圖5是城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合系數(shù)bij為負數(shù)的個數(shù)少于正數(shù)的個數(shù),且取值范圍為區(qū)間(-0.5,0.5),迭代400次和1 000次的仿真結果。根據(jù)當前耦合系數(shù)bij的取值,參與城市社區(qū)節(jié)能的政府部門規(guī)模數(shù)量幾乎呈現(xiàn)出一種水平狀態(tài),維持在30左右,僅有非常微小的波動;參與節(jié)能的城市社區(qū)規(guī)模數(shù)量持續(xù)上升,在迭代60次左右后達到峰值70,隨后開始下降,在迭代320次左右后穩(wěn)定于53;參與城市社區(qū)節(jié)能的節(jié)能企業(yè)規(guī)模數(shù)量持續(xù)上升,在迭代400次左右后達到峰值180;參與城市社區(qū)節(jié)能的科研機構規(guī)模數(shù)量持續(xù)上升,在迭代200次左右后達到峰值100。政府部門、城市社區(qū)、節(jié)能企業(yè)規(guī)模數(shù)量均沒有達到最大潛在數(shù)量規(guī)模,其中政府部門、城市社區(qū)僅維持在當前實際規(guī)模數(shù)量,而節(jié)能企業(yè)趨于接近最大潛在數(shù)量規(guī)模,科研機構規(guī)模數(shù)量小幅突破最大潛在數(shù)量規(guī)模。這說明在城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合系數(shù)bij為正數(shù)的個數(shù)多于負數(shù)的個數(shù)情況下,現(xiàn)有資源僅能供較少的政府部門、城市社區(qū)、節(jié)能企業(yè)、科研機構參與城市社區(qū)節(jié)能,這是由城市社區(qū)節(jié)能多元主體間相對競爭耦合關系決定的。

        圖6 bij系數(shù)為正數(shù)的個數(shù)等于負數(shù)的個數(shù)

        圖6是城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合系數(shù)bij為負數(shù)的個數(shù)等于正數(shù)的個數(shù),且取值范圍為區(qū)間(-0.5,0.5),迭代400次和1 000次的仿真結果。根據(jù)當前耦合系數(shù)bij的取值,參與城市社區(qū)節(jié)能的政府部門規(guī)模數(shù)量持續(xù)上升,在迭代350次左右后達到峰值73;參與節(jié)能的城市社區(qū)規(guī)模數(shù)量小幅上升后,持續(xù)下降,在迭代750次左右后趨近于零;參與城市社區(qū)節(jié)能的節(jié)能企業(yè)規(guī)模數(shù)量快速上升,在迭代90次左右后達到峰值180,爾后持續(xù)下降,在迭代550次左右后穩(wěn)定于100;參與城市社區(qū)節(jié)能的科研機構規(guī)模數(shù)量持續(xù)上升,在迭代400次左右后達到峰值117。政府部門、科研機構規(guī)模數(shù)量均突破最大潛在數(shù)量規(guī)模,規(guī)模數(shù)量趨近于零的城市社區(qū)相當于退出城市社區(qū)節(jié)能,節(jié)能企業(yè)規(guī)模數(shù)量僅達到最大潛在數(shù)量規(guī)模的一半。這說明在城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合系數(shù)bij為正數(shù)的個數(shù)等于負數(shù)的個數(shù)情況下,現(xiàn)有資源難以支撐更多的政府部門、城市社區(qū)、節(jié)能企業(yè)、科研機構參與城市社區(qū)節(jié)能,這是由城市社區(qū)節(jié)能多元主體介于相對競爭耦合和相對協(xié)調耦合關系決定的。

        為保證仿真結果更有效,嘗試保持城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合系數(shù)bij的絕對值不變,改變多元主體耦合系數(shù)bij正負個數(shù),得到的仿真結果與上述分析結果具有基本一致的變化趨勢。這說明,城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合的結果取決于多元主體的耦合關系,即耦合系數(shù)bij的正負個數(shù),系數(shù)bij正負個數(shù)的不同將導致城市社區(qū)節(jié)能多元主體間產(chǎn)生不同的耦合均衡結果。

        3 結論

        通過分析城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合仿真結果,可得如下結論。

        1)城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合均衡結果取決于耦合系數(shù)bij的正負個數(shù)。城市社區(qū)節(jié)能多元主體耦合的優(yōu)劣依次為絕對協(xié)調耦合、相對協(xié)調耦合、相對競爭耦合、絕對競爭耦合。

        2)當耦合系數(shù)bij均為負數(shù)時,城市社區(qū)節(jié)能多元主體處于絕對協(xié)調耦合狀態(tài),各主體間相互協(xié)調和促進使得現(xiàn)有資源能夠滿足更多的政府部門、城市社區(qū)、節(jié)能企業(yè)、科研機構參與城市社區(qū)節(jié)能。

        3)當耦合系數(shù)bij為負數(shù)的個數(shù)多于正數(shù)的個數(shù)時,城市社區(qū)節(jié)能多元主體處于相對協(xié)調耦合狀態(tài),各主體間協(xié)調和促進多于競爭和爭奪使得現(xiàn)有資源能夠滿足較多的政府部門、城市社區(qū)、節(jié)能企業(yè)、科研機構參與城市社區(qū)節(jié)能。

        4)當耦合系數(shù)bij為負數(shù)的個數(shù)少于正數(shù)的個數(shù)時,城市社區(qū)節(jié)能多元主體處于相對競爭耦合狀態(tài),各主體間協(xié)調和促進少于競爭和爭奪使得現(xiàn)有資源僅能夠滿足較少的政府部門、城市社區(qū)、節(jié)能企業(yè)、科研機構參與城市社區(qū)節(jié)能。

        5)當耦合系數(shù)bij均為正數(shù)時,城市社區(qū)節(jié)能多元主體處于絕對競爭耦合狀態(tài),各主體間相互競爭和爭奪使得現(xiàn)有資源僅能滿足更少的政府部門、城市社區(qū)、節(jié)能企業(yè)、科研機構參與城市社區(qū)節(jié)能。

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