基于DEA-SOLVER的能源效率評價與優(yōu)化路徑研究
——以黃河流域地區(qū)為例

張夢潔

（西南大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，重慶 400715）

0 引 言

改革開放以來，中國經(jīng)濟(jì)獲得持續(xù)高速增長，伴隨而來的能源消費量也在不斷增加。中國是世界第二大能源消費國家，據(jù)國家統(tǒng)計局能源統(tǒng)計顯示，中國2020年全年能源消費總量為49.8 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。天然氣、風(fēng)電等清潔能源僅占能源消費總量的24.3%。尋找有效的方法提高能源效率水平迫在眉睫。

黃河流域地區(qū)在能源資源方面，上游主要以水資源為主，中下游則分布豐富的煤炭資源和石油資源，尤其是陜西、山西、河南、寧夏等地區(qū)，成為中國重要戰(zhàn)略儲備資源地。2021年10月底，習(xí)近平總書記在山東省主持召開深入推動黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會，強調(diào)要科學(xué)分析當(dāng)前黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展形勢，確?！笆奈濉睍r期黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展取得明顯成效，研究黃河流域能源效率及其提升路徑有著重要作用和意義。

1 文獻(xiàn)綜述

目前學(xué)術(shù)界對于能源效率水平測算方面的研究，主要分為單要素能源效率研究方法和全要素能源效率研究方法。

單要素能源效率研究中，史丹、張金?。?003）指出，我國經(jīng)濟(jì)自改革開放高速發(fā)展以來能源效率水平有顯著的提高，主要因素在于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)體制以及對外開放的程度。何建坤等（2005）在研究2001年至2004年我國GDP 能源強度上升的原因時，發(fā)現(xiàn)能源消費的增長主要取決于工業(yè)比重迅速增加。李廉水、周勇（2006）等以我國的工業(yè)部門為對象，分析認(rèn)為提高能源效率水平的關(guān)鍵在于技術(shù)進(jìn)步。

單要素能源效率方法實際測算的結(jié)果經(jīng)常相互矛盾，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。為了克服這些缺點，全要素能源效率分析法出現(xiàn)并逐漸完善。師博（2008）在利用全要素分析法時，將知識存量作為決策單位的一大投入指標(biāo)，進(jìn)行我國各省的全要素能源效率水平的測算和優(yōu)化。吳琦和武春友（2009）在對我國省市自治區(qū)的能源效率水平進(jìn)行評價的時候，選擇了固定資產(chǎn)的折舊和從業(yè)人數(shù)作為模型的投入指標(biāo)，將環(huán)境的影響和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出作為模型的產(chǎn)出指標(biāo)，從而構(gòu)成能源效率水平的全要素評價體系。田澤（2020）選擇勞動力投入、能源投入、資本投入、經(jīng)濟(jì)增長和環(huán)境污染作為變量構(gòu)建能源效率評價的體系，得出中國三大城市群能源效率總體處于中等水平。邱兆林（2022）采用Super-SBM 模型和GML 指數(shù)法，將非期望產(chǎn)出指標(biāo)環(huán)境污染具體到CO排放和SO排放，發(fā)現(xiàn)長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)效率GML 指數(shù)高于全國水平，黃河流域低于全國水平。

2 能源效率評價體系

確定黃河流域決策單位為兩個成本型投入指標(biāo)，為能源消費總量和資本投入。兩個效益型產(chǎn)出指標(biāo)，為地方生產(chǎn)總值和公共預(yù)算收入。由于數(shù)據(jù)的可得性，資本投入用資本形成總額替代。為了結(jié)果更加突出重點和理想化，這里假定規(guī)模收益不變（CCR）。

CCR 模型的基本原理和計算公式為。

假定系統(tǒng)內(nèi)部有（=1，2，…，）個決策單位，其中包括個投入和個產(chǎn)出，X，Y表示投入向量和產(chǎn)出向量，x，y表示決策單位的第，的投入和產(chǎn)出，則有數(shù)學(xué)表示為：

其中，和向量分別表示系統(tǒng)內(nèi)部的個投入和個產(chǎn)出的權(quán)向量。

關(guān)于效率評價指數(shù)的計算，在決策單位DMU（=1，2，…，），它的計算步驟表示為：

在該模型中，我們的目的是效率值越大越好，所以模型中的該分式規(guī)劃就應(yīng)該求取其最大值，數(shù)學(xué)方式表達(dá)為：

令作為技術(shù)效率值，上述模型的對偶模型為：

則有關(guān)CCR 模型的相關(guān)定義的含義表示為：

（1）若=1，且==0，則稱DMU為DEA 有效的。

（2）若=1，≠或≠0，則稱DMU為DEA弱有效的。

（3）若≠1，則稱DMU為DEA 無效的。

3 黃河流域地區(qū)能源效率現(xiàn)狀及結(jié)果分析

3.1 能源效率評價結(jié)果

運用DEA-Solver 軟件，計算黃河流域地區(qū)九個地理單位總體平均能源效率值，結(jié)果如表1所示。

表1 黃河流域地區(qū)能源效率評價相關(guān)指標(biāo)結(jié)果

就整個黃河流域來看，每年都有地理單位的能源效率值為1，為DEA 的有效年份。在能源效率值為1 的參考下，黃河流域地區(qū)每年最小值有較大波動，即不同地區(qū)之間，能源利用效率存在較大的差異，尤其是2018年，能源效率值之間的差異達(dá)到了最大為0.585 134 754。在這一點上，可以聯(lián)系實際情況，讓能源效率值低的地區(qū)向能源效率值高的地區(qū)學(xué)習(xí)和效仿，縮小差距，提高整個黃河流域地區(qū)的效率。另外在2010年至2019年這十年內(nèi)，黃河流域地區(qū)的能源效率水平?jīng)]有一個明顯的變化趨勢。2010年至2015年，黃河流域地區(qū)的能源效率評價值呈現(xiàn)出連續(xù)下降趨勢，即能源利用率較低，且提高能源效率措施的實施效果不明顯。2016年和2017年兩年內(nèi)能源效率有所上升，但是還未來得及穩(wěn)定下來，就在2018年陡然下降。雖然從表面上看2019年能源效率水平上升至0.831 691 960，實則僅僅回升到2017年年末的平均水平。如此一來一往，近四年內(nèi)黃河流域地區(qū)能源效率雖然保持在一個相對較高的水平，實則總體上沒有明顯的進(jìn)步。關(guān)于提高黃河流域地區(qū)能源效率水平的任務(wù)仍然任重道遠(yuǎn)。

另外通過DEA-SOLVER 軟件，計算得黃河流域地區(qū)能源效率值如表2所示。

表2 黃河流域地區(qū)分區(qū)域能源效率值

具體到省市，能源效率水平自南到北呈現(xiàn)逐漸降低趨勢。內(nèi)蒙古、甘肅和寧夏位于我國偏北部，能源效率水平最低。接著往內(nèi)陸逐漸上升，靠近中原的山西、山東和河南效率水平較高，靠西部的四川、陜西和青海則有明顯上升，其能源效率總體值高。這也表明黃河流域各省的能源效率水平和地理位置及經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間存在一定依賴性和空間相關(guān)性。

3.2 模型結(jié)果分析

利用DEA-SOLVER 軟件計算甘肅2010年能源效率水平，如圖1所示，其中Energy 為能源消費總量，Caption 為資本投入，GDP 為地區(qū)生產(chǎn)總值，Budget 為公共預(yù)算收入。

圖1 甘肅2010年能源效率優(yōu)化數(shù)據(jù)參照

橫向觀察2010年甘肅地區(qū)，能源消費量最優(yōu)值為3 437.55 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，與實際值5 829.85 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤之間相差2 392.30 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，即甘肅在2010年能源消費量下降41.04%才能達(dá)到效率的最優(yōu)值。資本投入下降9.92%時達(dá)到最優(yōu)值。國內(nèi)生產(chǎn)總值GDP 的實際值和最優(yōu)值相等，公共預(yù)算收入增長1.12%時可達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

將甘肅十年的Projection 項目能源消費總量匯總?cè)鐖D2所示，優(yōu)化空間指標(biāo)走勢如圖3所示。

圖2 甘肅地區(qū)能源消費總量優(yōu)化空間

圖3 甘肅地區(qū)優(yōu)化空間指標(biāo)走勢

縱向分析甘肅的決策指標(biāo)，能源消費量實際值下降近45%方能達(dá)到最優(yōu)。資本投入上，2018年是實際值和最優(yōu)值差距最大的一年，資本投入需要下降79.71%，其他年份保持下降10%的水平。國內(nèi)生產(chǎn)總值上，2010年至2014年實際值和最優(yōu)值重合，處于最優(yōu)狀態(tài)，2015年實際值需要上升2.59%，2016年實際值則要上升11.40%，后面三年實際值則又達(dá)到最優(yōu)值。公共預(yù)算收入方面良好，實際值上升3%即可達(dá)到最優(yōu)。

其他地區(qū)Projection 結(jié)果分析為：

（1）青海和四川評價指標(biāo)的實際值和最優(yōu)值間的優(yōu)化空間都是0，即吻合狀態(tài)。

（2）寧夏地區(qū)能源消費總量實際值和最優(yōu)值之間差距由2010年至2013年的2000 多萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤上升到2014年至2018年3000 多萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，在2019年兩者的差距達(dá)到最大為4 152.42 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。資本投入方面，寧夏達(dá)到最優(yōu)值的變化幅度保持在30%至60%之間。

（3）內(nèi)蒙古在能源消費總量方面，優(yōu)化空間處于30%至55%間。地區(qū)生產(chǎn)總值上內(nèi)蒙古態(tài)勢較好，實際值和最優(yōu)值之間的差距在不斷地縮小，從43.925%縮小至3.46%。

（4）山西特點鮮明。在2010年至2012年內(nèi)，山西保持最優(yōu)水平，與理想最優(yōu)值重合。自2013年開始，能源消費總量，資本投入以及地區(qū)生產(chǎn)總值的實際值和理想值出現(xiàn)差別。兩個產(chǎn)出指標(biāo)在2017年差距達(dá)到最大，優(yōu)化空間分別為30.26%和29.18%。

（5）陜西和山西的總體情況呈現(xiàn)互補狀態(tài)。2010年至2016年，陜西能源消費總量的實際值的優(yōu)化空間在45%到65%之間，需要對能源消費進(jìn)行嚴(yán)格管理和控制。但是2017年到2019年，陜西達(dá)到最優(yōu)并連續(xù)三年穩(wěn)定，提高能源效率水平工作有明顯的成果。

（6）河南在能源消費總量上，從2011年差距627.665萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，上漲到差距5 651.151 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。河南要將能源消費超標(biāo)問題重視起來。公共預(yù)算收入上進(jìn)步穩(wěn)定，在2011年優(yōu)化空間比例高達(dá)66.21%，經(jīng)過八年的管理和管控，2019年優(yōu)化空間縮小至16.69%，取得明顯的成效。

（7）山東能源消費總量和資本投入的優(yōu)化空間較大。2016年能源消費總量的實際值和最優(yōu)值差距最大，為13 256.387 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，優(yōu)化空間的比例為33.03%。2015年資本投入實際值和最優(yōu)值差額最大，為6 580.779 億元，進(jìn)步空間的比例為19.61%。

4 結(jié) 論

在全球能源短缺，國內(nèi)能源效率低下的背景下，上文將黃河流域地區(qū)優(yōu)化空間進(jìn)行量化處理，在此就技術(shù)改進(jìn)和管理優(yōu)化提出可操作性建議：

（1）技術(shù)改進(jìn)上，嚴(yán)格控制能源物質(zhì)總量的過度擴張，尤其是煤炭和石油的消費量，使得這些高碳能源物質(zhì)的比重降低；積極發(fā)展新能源和可再生能源，升級國內(nèi)能源供應(yīng)體系，同時降低對傳統(tǒng)的化石能源的依賴；鼓勵和引導(dǎo)發(fā)展節(jié)能型的知識密集型產(chǎn)業(yè)，形成以知識密集產(chǎn)品為主要輸出的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

（2）管理優(yōu)化上，明確政府監(jiān)管范圍，充分發(fā)揮能源市場的正外部性和公益性；深化黃河流域地區(qū)的分工協(xié)作，在國內(nèi)外相互交流溝通的背景下，沒有一個地區(qū)是一座孤島，結(jié)合黃河流域能源現(xiàn)狀和特點，找準(zhǔn)在國內(nèi)市場中合適的競爭位置，以最高的效率水平進(jìn)行分工協(xié)作。