基于系統(tǒng)動力學(xué)的耗能企業(yè)節(jié)能減排政策模擬

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)

進入21 世紀(jì)以來，我國經(jīng)濟迅速發(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。“十七大”提出要深入貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀，促進社會和諧，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)能減排計劃，而企業(yè)才是實現(xiàn)節(jié)能減排的主體，如何引導(dǎo)企業(yè)加強節(jié)能減排管理，如何更好的落實節(jié)能減排政策是實現(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)變運輸方式、改變物流消費結(jié)構(gòu)方面進行了政策模擬，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，缺乏了市場機制和價格機制的引導(dǎo)，不能形成持久有效的減排機制。因此在不斷發(fā)展節(jié)能減排技術(shù)、加強節(jié)能減排投入的同時需要對節(jié)能減排政策進行定性、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，借助計算機進行仿真實驗對系統(tǒng)發(fā)展趨勢進行預(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，因此適用于系統(tǒng)動力學(xué)方法對其進行研究。

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、管理水平的提高都將促進節(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)未能達到目標(biāo)，政府將采取懲罰措施。同時政府指導(dǎo)下實行按能耗標(biāo)準(zhǔn)的階梯電價，通過價格杠桿的作用促進企業(yè)進行節(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

本文以重點耗能企業(yè)為對象，查閱歷史統(tǒng)計年鑒和各類耗能行業(yè)特點取算數(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

模型的效驗應(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 進行真實性檢驗，對重點能耗企業(yè)節(jié)能減排動力學(xué)模型正確性進行了檢驗，檢驗結(jié)果完全滿足要求;

(3)通過模型運行，得出能反映其經(jīng)濟環(huán)境和社會效益的結(jié)果通過檢驗證實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，實行階梯電價;方案三:在原有方案的基礎(chǔ)上，實行節(jié)能減排補助;方案四:在原有方案上同時進行階梯電價和節(jié)能減排補助;

方案五:所有的節(jié)能減排政策一同實施。

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)果可以看出實行階梯電價最能增加企業(yè)節(jié)能減排的意愿，促進單位產(chǎn)值能耗量下降。

通過總能耗和總電費的仿真結(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。可以看出到仿真的第四年以后電費成本已經(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:

(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)能減排投資進行補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)展也能促進節(jié)能減排方案的實施。

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