碳中和污水處理廠合同能源管理模式決策

王慶會WANG Qing-hui

（華北水利水電大學水利學院，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上升趨勢[1]，是名副其實的高碳行業(yè)，建立碳中和污水處理廠已勢在必行。污水處理廠的碳中和措施主要是改進工藝以減少過程中能源消耗和碳排放，或采用沼氣發(fā)電、引入清潔能源實現碳補償。但是成本高，且技術迭代較快，引入清潔能源增加碳匯是污水處理廠實現碳中和目標可行性路徑。碳中和污水處理廠的實現有賴于各種節(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，風-光互補發(fā)電、沼-光互補發(fā)電的聯(lián)合調度等問題。

合同能源管理（EPC）引入市場手段實現節(jié)能減排目標，由節(jié)能服務公司根據節(jié)能目標和項目特點，提供節(jié)能方案設計、融資、建設和運維服務[2]。這種服務機制提高了節(jié)能效率和能源利用效率，為碳中和污水處理廠的實現提供了全新選擇。但現今EPC 研究主要集中在風險管理和節(jié)能效益分配方面，污水處理廠中EPC 模式的應用研究很少受到關注。

在碳中和目標的牽引下，風、光等清潔能源將是增加污水處理廠碳匯的主要方式，對EPC 模式的研究也需要轉移到前端的模式選擇。選擇合適的EPC 運營模式是污水處理廠節(jié)能目標實現的保障，也是節(jié)能效益分配和節(jié)能方案設計的依據。因此本研究以碳中和污水處理廠EPC管理模式決策問題為研究對象，建立EPC 模式選擇的指標體系和決策模型，為污水處理廠的碳中和運行提供理論基礎。

1 合同能源管理模式

根據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)能服務公司共同制定節(jié)能目標，選定節(jié)能計算方式，按合同約定的內容分攤項目收益。期滿后，用能單位免費獲得節(jié)能設備的使用權，并獨享節(jié)能效益。但市場的波動幅度和用能單位本身、項目的年回收節(jié)能效益的方式的選擇等因素，會導致節(jié)能服務公司承擔一定的風險，或制約其資金周轉速率。

節(jié)能量保證型，用能單位提供項目建設資金，節(jié)能服務公司將更多的資金用于節(jié)能設備的升級和改造中，達到一定的節(jié)能量以保證EPC 項目的穩(wěn)定收益。用能單位承擔較小風險，節(jié)能服務公司分擔了大部分性能風險。此外，節(jié)能服務公司可以同時投資開發(fā)相似的EPC 項目，以達到降低運行成本、提高項目運行能力的目的。

能源費用托管型，由用能單位將能源費用交由節(jié)能服務公司管理，節(jié)能服務公司承包EPC 項目，提供規(guī)劃設計、建設實施，對用能系統(tǒng)進行升級和更新。期滿后，如成本低于能源費用，剩余資金歸節(jié)能服務公司所有，如超出，超出的部分由節(jié)能服務公司承擔。節(jié)能服務公司承擔了市場風險，同時需有強大的技術能力以應對節(jié)能設備升級更新。

節(jié)能融資租賃型，節(jié)能服務公司以項目的未來收益為擔保，與融資租賃公司達成合作。而融資租賃公司按照合同約定進行設備的采購并享有設備的所有權。期滿后，設備所有權由用能單位無償獲得。融資租賃公司將承擔項目的財務風險，減輕了節(jié)能服務公司需承受的財務壓力，但對合同能源管理項目的投資收益具有較高的要求。

2 指標建立和權重確定

2.1 指標體系構建

為了實現污水處理廠碳中和目標，刺激項目參建各方節(jié)能改造的積極性，需要采取有效的投資運營模式和節(jié)能服務機制。一方面，需要詳細、真實且準確的數據分析模型，以便針對節(jié)能改造項目，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協(xié)同努力推進，國家推行更加完善的政策引導及支持，并在高效規(guī)范的市場運作機制下運行。目前國際上已廣泛采用合同能源管理，節(jié)能改造投資建設和和服務運作機制具備效率高、專業(yè)化、市場化也得到了證實，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)能服務公司對污水處理廠、設備供應商、能源供應單位、節(jié)能監(jiān)測機構等企業(yè)進行整合，為污水處理廠實現碳中和而提供的從設計、建造到維修等的一系列服務。合同能源管理項目的成功與項目自身規(guī)模、節(jié)能潛力具有密切關系。由此可見，對合同能源管理模式進行選擇是污水處理廠節(jié)能項目可持續(xù)運行的前提。本文在查閱文獻的基礎上[3-5]，結合專家訪談法，構建如表1 所示的碳中和污水處理廠EPC 模式決策指標體系。

2.2 指標權重確定

設有n 個評價指標R1，R2，…Rn，專家采用1～9 標度法提供n 個指標的判斷矩陣A=（aij）n×n，基于一致性矩陣的性質akj=aki·aij，在專家原始判斷矩陣的任意一行元素的基礎上，構造新的一致性矩陣，一共構造出n 個一致性矩陣，以n 個矩陣相對權重的平均值作為指標權重，具體的計算方法如下所示：

3 評價模型的建立

3.1 畢達哥拉斯模糊TOPSIS 法

畢達哥拉斯模糊集（Pythagorean Fuzzy Sets，PFS）是用來解決實際決策過程中專家評價的不確定性。和直覺模糊集相比，畢達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，更能適用于解決現實中的決策問題。

3.2 畢達哥拉斯模糊集

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

3.3 評價模型

本文使用TOPSIS 來處理畢達哥拉斯模糊集多屬性決策問題。首先選出專家評價值的最優(yōu)和最劣方案，根據各備選方案與最優(yōu)和最劣方案的距離選出最優(yōu)結果。

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，由科學與管理中心、有機質處理中心、污水處理中心及預留區(qū)、污水廠尾水人工濕地試驗區(qū)、海綿城市試驗區(qū)、農業(yè)安全研究基地六個區(qū)域組成。其中，有機質中心負荷率維持在85%以上，日均可產沼氣約2000 標方，日發(fā)電量可達3300 度。

睢縣第三污水處理廠日用電7400 度，平均每個月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施沼-光互補項目，由河南水谷創(chuàng)新研究院有限公司作為節(jié)能服務公司。運用本研究的指標體系和方法，為該項目選定合適的合同能源管理模式。

4.1 確定指標權重

邀請具有污水處理和合同能源管理相關經驗的專家，根據9 標度法對指標的重要性給出評價值。以一級指標的權重計算過程為例。

①構造一致性矩陣。專家對指標的重要性進行判斷，打分結果匯總后如下：

4.2 評價模型

睢縣第三污水處理廠以資源能源回收為目標，期望建成碳中和污水處理廠，場內用電缺口由分布式光伏發(fā)電補充，多于發(fā)電量可并網銷售，節(jié)能效益巨大，前景可觀，現為該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決策指標權重

①首先，由專家組根據節(jié)能要求、項目特點以及節(jié)能服務公司的能力，對四種合同能源管理模式進行決策，決策結果用畢達哥拉斯模糊數表示，如表3 所示。

表3 專家決策矩陣

②根據定義3 的比較關系，找出正負理想解T+和T-享型＞節(jié)能融資租賃型＞節(jié)能量保證型＞能源費用托管型。最終該項目應選擇節(jié)能效益分享型管理模式，與實際實施過程中選擇結果一致，表明指標體系和決策方法是有效的，能被用于實踐中。

5 結論

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體系和模型，并將該模型應用于睢縣第三污水處理廠合同能源管理項目的模式選擇中，表明了決策模型的可行性和有效性。本文為污水處理廠實行合同能源管理項目選擇合適的管理模式提供了理論基礎，為污水處理廠碳中和目標的實現提供了技術支持。

③根據評價值與T+和T-的距離，并計算出親近度，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決策結果

從評價結果可以看出，模式排序依次為：節(jié)能效益分