具体实施方式
下面结合附图对本发明的能源利用效率评价方法的具体实施方式作详细描述。
图1为本发明的能源利用效率评价方法流程图,包括如下步骤:
在步骤S1中,根据能源评价的目的、设定的评价原则和评价内容构建能源效率评价模型。
在一个实施例中,所述评价原则包括:系统性原则、简明性原则、导向性原则、可比性原则、可操作性原则、实际性原则、可靠性及代表性原则。
所述评价内容包括能源子系统的评价、经济子系统的评价、环境子系统的效率评价和可持续性发展子系统的评价。
在步骤S2中,根据所述评价内容选取能源效率评价模型的评价指标。
在一个实施例中,所述评价指标包括:能源子系统的评价指标、经济子系统的评价指标、环境子系统的评价指标和可持续性发展子系统的评价指标。
在一个实施例中,对于所述评价指标,具体包括如下:
所述能源子系统的评价指标包括:
目标/对象:能源生产效率,及能源消费与供给的匹配;内涵:测评能源生产效率和能源消费结构。
所述经济子系统的评价指标包括:
目标/对象:能源消费对行政区域社会经济活动的影响;内涵:衡量区域内能源消费对社会经济活动的贡献,即评价区域内能源强度和产业结构。
所述环境子系统的评价指标包括:
目标/对象:能源消费对行政区域环境的影响;内涵:评价区域内能源消费的排放对区域大气、水资源和居民居住环境的影响。
所述可持续性发展子系统的评价指标包括:
目标/对象:能源消费对行政区域社会经济可持续发展的影响;内涵:评价区域能源供给和消费的可持续性,包括能源安全,低排放能源消费能力和新能源发展状况。
在步骤S3中,利用所述能源效率评价模型及其评价指标对被评价对象的能源利用效率进行评价。
在一个实施例中,具体的评价方法包括如下:
S301、根据能源效率评价模型及其评价指标,从最底层开始按设定规则逐级向上对被评价对象的能源利用效率进行评价,计算各个指标的得分。
S302、对所述指标的得分进行归一化处理。
在一个实施例中,指标可以包括方向指标(正向指标和逆向指标)和中心指标。
正向指标取值越大其能源经济效率越高,例如能源加工转换率;逆向指标取值越小能源经济效率越高,例如能源消费强度;中心指标,即指标的原始内容的“最佳状态”是某一个具体的数值,以该数值为中心,指标的取值偏离得越多,其指示的状态越差。
若所述指标为方向性指标,所述归一化处理的方法包括:
式(1)
原始的指标最佳和最差状态的参考取值分别为G、W,实际取值为V,归一化指标D,1>D>0。
若所述指标为中心指标,所述归一化处理的方法包括:
式(2)
原始的指标最佳参考状态为G,实际取值为V,归一化指标Dc。
本实施例中,针对方向指标和中心指标,采用如上述式(1)和式(2)两式所述的归一化处理技术,通过归一化处理后,可以将任何评价对象、任何量纲、任何域度的指标变换到统一的标准化[0,1]域度,使得同一领域的被评价对象具有可比性。
在步骤S4中,获取被评价对象的能源利用效率评价值。
通过获取的评价值,可以实现能源效率的综合评价,为能源利用效率的研究提供有力的数据支持,促进能源利用效率的提高。
图2为本发明的能源利用效率评价系统结构示意图,包括:
评价模型创建模块,用于根据能源评价的目的、设定的评价原则和评价内容构建能源效率评价模型;
评价指标选取模块,用于根据所述评价内容选取能源效率评价模型的评价指标;
能源利用率评价模块,用于利用所述能源效率评价模型及其评价指标对被评价对象的能源利用效率进行评价;
评价结果获取模块,用于获取被评价对象的能源利用效率评价值。
在一个实施例中,所述评价原则包括:系统性原则、简明性原则、导向性原则、可比性原则、可操作性原则、实际性原则、可靠性及代表性原则。
所述评价内容包括能源子系统的评价、经济子系统的评价、环境子系统的效率评价和可持续性发展子系统的评价。
所述评价指标包括:能源子系统的评价指标、经济子系统的评价指标、环境子系统的评价指标和可持续性发展子系统的评价指标。
进一步的,所述能源子系统的评价指标包括:
目标/对象:能源生产效率,及能源消费与供给的匹配;内涵:测评能源生产效率和能源消费结构;
所述经济子系统的评价指标包括:
目标/对象:能源消费对行政区域社会经济活动的影响;内涵:衡量区域内能源消费对社会经济活动的贡献,即评价区域内能源强度和产业结构;
所述环境子系统的评价指标包括:
目标/对象:能源消费对行政区域环境的影响;内涵:评价区域内能源消费的排放对区域大气、水资源和居民居住环境的影响;
所述可持续性发展子系统的评价指标包括:
目标/对象:能源消费对行政区域社会经济可持续发展的影响;内涵:评价区域能源供给和消费的可持续性,包括能源安全,低排放能源消费能力和新能源发展状况。
在一个实施例中,所述能源利用率评价模块包括:
层次评价单元,用于根据能源效率评价模型及其评价指标,从最底层开始按设定规则逐级向上对被评价对象的能源利用效率进行评价,计算各个指标的得分。
归一化处理单元,用于对所述指标的得分进行归一化处理。
其中,若所述指标为方向性指标,所述归一化处理的方法包括:
其中,原始的指标最佳和最差状态的参考取值分别为G、W,实际取值为V,归一化指标D,1>D>0。
若所述指标为中心指标,所述归一化处理的方法包括:
其中,原始的指标最佳参考状态为G,实际取值为V,归一化指标Dc。
本发明的能源利用效率评价系统与本发明的能源利用效率评价方法一一对应,在上述能源利用效率评价方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于能源利用效率评价系统的实施例中,特此声明。
为了便于对本发明的技术方案理解,以下提供一种基于本发明的思想来实现的能源效率评价方案。
一、能源效率3E&D评价指标体系的构建:
其中,3E是指能源—经济—环境,D是指可持续发展因素。
1、构建的原则;
能耗评价是对能源使用效果的综合反映,建立一套科学有效的能耗评价指标体系是进行区域或企业用能状况评价的基础,根据能源评价的目的和要求,指标体系的建立应满足以下原则:
(1)系统性原则。
评价指标体系应能综合全面地反映被评价对象的整体情况,既能反映直接效果,又能反映间接效果,保证用能评价的全面性和可信度。
(2)简明性原则。
评价指标体系要层次分明,简明扼要,在满足评价要求和给出决策所需要信息的前提下,尽量减少指标个数,突出主要指标;各指标要内涵清晰,尽量避免彼此间的相互关联。
(3)导向性原则。
评价指标体系应体现国家政策导向,引导区域或企业实现能源循环合理利用,提高能源利用效率,建立能源节约的导向;
(4)可比性原则。
评价指标体系应尽可能采用定量、相对量指标,便于评价对象之间的比较,为反映评价对象之间规模及某些难以量化属性上的差异,选取必要的绝对量、定性指标。
(5)可操作性原则。
评价指标体系所需数据原则上从现有能源消耗统计指标中产生,少量需重新统计的指标应是确定的且易于采集的。
(6)实际性原则。
评价指标体系应从区域或企业的实际出发,以企业的生产经营特点为基础。
(7)可靠性及代表性原则。
数据来源应尽可能选取具有足够代表性的综合指标和专业指标,以比较准确、简洁地表达所涵盖的侧面。
2、评价指标体系设计的基本思路。
按照评价指标体系建立的原则,以建立资源节约型、环境友好型的区域及企业为导向,结合具体情况和能源消耗统计的有关内容,建立一套符合地区或企业用能特点的科学规范的能耗评价指标体系。
按照节约资源、保护环境的目标与导向,能耗评价指标体系应切实体现低消耗、低排放、高效率的基本特征,引导能源高效利用和循环利用。同时,为了进一步明确指标的属性和相互关联,对有关能耗的评价指标进行重新划分和完善。为了增加层次性,将评价系统从高到低分为A、B、C、D四级,为了体现评价系统的开放性,D级指标可根据行政区域、行业、企业等不同的评价对象进行设置。
首先,根据建立能源评价模型的目的和原则,明确从能源、产出、环境和可持续性四个角度对能源效率进行综合评价。为便于横向比较和评价,指标的设置都满足技术类和效率类的特点。
3、评价的内容;
能源消费是典型的社会经济活动,能源效率综合评价首先需要考虑能源消费结构与供给的匹配程度和能源产品的加工转换效率;即,能源系统本身的评价。其次,消费能源的目的是保障区域、行业或企业的稳定发展,所以需要评价能源消费的能源投入与产出的效率。另外,能源消费伴随着环境损害,所以在碳排放约束的条件下需要评价能源消费的环境影响。最后,由于现有的能源生产和消费方式在短期内不可能完全改变,因此,在选择燃料、能源转换技术、输送和能源消费方式时,在充分考虑能源利用对人类健康、社会、大气、土壤和水环境的影响的基础上,评估目前的能源利用的可持续性,制定均衡的能源政策和激励措施,引导能源投资和消费,改变现状,建立能源与经济、社会和环境的和谐关系。正是基于能源在社会、经济、环境、可持续性问题中的关键作用,综合能源消费效率评价的内容可以分解为“能源系统”、“产出系统”、“环境系统”和“可持续性”等四个子系统的效率评价。
(1)能源系统效率的评价;
能源系统从能源的生产和消费角度对能源利用效率进行评价,其评价指标分为能源生产指标与能源消费指标两大类。
能源生产,即能源产品的生产,是指将自然形态的一次能源加工转换为便于终端消费直接使用的二次能源,是能源承载的物质形态转换。能源产品的生产需要消耗一定的能源资源,其目的是为终端消费提供能源物资。其消耗的能源越多,其为终端消费提供的能源就会越少。所以能源生产效率是能源效率综合评价的重要内容之一。
对于行政区域,能源的生产取决于可获得一次能源的物资禀性,即能源供给结构。行政区域的能源消费结构应该与其能源供给结构相匹配。这样,一则可以保障能源消费需求的稳定供给,二则可以降低能源消费成本。对于有能源产出的企业,企业自产的能源对其最终的消费有很大的影响。
能源消费结构也是能耗能源系统评价的另一个重要内容。能源消费结构是指各种一次能源占能源消费总量的比重,所以煤炭、石油和天然气的消费量占能源消费总量的比重构成了能源消费结构的基本评价指标。我国的资源禀赋确定了煤炭占我国一次能源绝对比重,而发电是目前效率最高的煤炭消费形式,且电力消耗不产生环境排放,所以电力消耗占能耗总量的比重是能源消费结构评价的总要补充指标。
(2)产出系统效率的评价;
产出系统从经济的角度对能源利用效率进行评价。其评价指标分为效益指标、弹性指标、结构指标、和非生产性能耗指标。
能源经济效益是指投入能源与产出的经济效果的比较。能源经济效益体现在能源系统流程的始终,它涉及生产领域,也涉及到消费领域和流通领域,存在于任何经济形态之中。可以从多方面、多层次了解能源在各个领域中的投入与产出情况以及能源的合理有效利用程度。能源经济效益指标按其反映的范围可分为宏观经济效益指标和微观经济效益指标。前者是反映全社会效益的能源经济效益的指标,后者是反映一个企业、一个单位的能源经济效益状况的指标。介于两者之间的为中观经济效益,如反映各个行政区域、各个行业的经济效益指标。很多指标既适用于反映宏观经济效益,也适用于反映微观经济效益,如单位产值能耗、单位产品能耗、单位建筑面积能耗等。
能源弹性指标反映能源消费增长速度与研究对象经济增长速度之间的比例关系,一般用经济或产品的增长率与能源消费总量增长率的比值来描述。
分析能源弹性的目的,主要为了研究地区、行业或企业经济发展与能源消费间的关系。能源消费弹性的发展变化与国民经济结构、技术装备、生产工艺、能源利用效率、管理水平以及人民生活等因素密切相关。当耗能高的部门比重大,科学技术水平还很低的情况下,能源消费增长速度总是比国民生产总值的增长速度快,即能源消费弹性系数大于1。随着科学技术的进步,能源利用效率的提高,经济或产品结构的变化,能源消费弹性系数会普遍下降。
产出系统的结构指标是指与能源消耗相关的区域产业结构或企业产品结构。能源消费与经济增长不可分割,能源消费量不仅仅与经济总是不可分割,而且受到经济结构的影响。各产业部门的构成及相互之间的联系、比例关系不尽相同,对能源利用效率的影响也不同。
区域产业结构是影响能源消费的一个重要因素。不同产业的能耗水平是不同的,如果高能耗产业在经济中比重较大,就会拉动整体能源消费,导致能源强度(即单位能耗,是衡量能源利用效率的重要指标)提高;反之,则会减少能耗水平,降低能源强度。产业结构或产品结构的变动会对能源效率产生较大影响。优化产业或产品结构对于区域或企业的健康发展具有重要意义
产业或产品结构的变动直接决定着能源强度的高低,从而影响能源消费和利用的效率。各产业的能源强度不同是导致产业结构变动对能源强度产生影响的主要原因,如果能源强度高的产业在国民经济中占有较大的比重并且上升较快,总的能源强度就会因此而增加。
产出系统的非生产性能耗指标是指区域的生活能耗或与企业的非生产环节相关的能源消耗指标。
行政区域的生活消费能源是指把能源作为最终产品使用,如家庭对煤气、电力的需求是为了做饭、照明等,属于经济领域的商品需求。企业的非生产能耗指企业的非核心业务的能源消耗。非生产性能源需求占整个社会能源消费的30%左右,所以非生产性能效评价应作为能源效率评价的主要内容之一。
(3)环境系统的效率评价;
所有能源在其生产、运输、交换、消费的过程中,都对生态环境产生不同程度的不利影响。任何形式的能源生产和消费都会产生一定的环境污染,污染程度与能源消费和生产的成本呈反方向关系。能源利用效率的环境效率评价指标分为减量化指数、循环指数、排放指数三个大类。
减量化指数是指与能源消耗相关的污染物总量控制、环境质量改善等方面的指标。在煤炭、石油等能源的使用过程中,大量的温室气体包括:甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等污染物被释放到大气中,粗放式的经济快速增长以巨大的资源浪费和环境污染为代价,经济发展与资源、环境的矛盾日趋尖锐。污染减排是调整经济结构、转变发展方式、改善民生的重要抓手,是改善环境质量、解决区域性环境问题的重要手段。CO2排放量,工业SO2去除率,工业烟尘去除率
循环指数描述经济及生产运行过程中能源的高效、循环利用的指标。资源循环利用率,工业废弃物综合利用率
排放指数与能源消耗相关的排放指标。
(4)可持续发展的能源效率评价;
能源消费是社会经济活动的基本保障,能源利用效率对社会经济可持续发展的质量有至关重要的影响,所以需要从社会经济可持续发展的角度评价能源利用效率的相关因素。
能源利用效率评价的目的是提高能源利用效率,就是节约能源,也是一种增加能源资源的途径,也就是保障社会经济可持续发展的途径之一。但从能源管理的角度考虑,能源消费的可持续性决定了社会经济发展的可持续性。所以能源供给安全是行政区域能源利用效率综合评价的重要内容之一。
二、综合能源效率评价的主要指标。
指标的选取和评价模型的使用是能源效率评价的核心问题。根据上一节的讨论,可以直接归纳出相应的能源效率指标。
(1)能源生产与消费的效率指标;
一次能源通常是指煤炭、石油和天然气碳化石能源,二次能源是电力,能源产品加工转换率通常用主要能源的加工转换率、综合能源加工转换率表示。能源的加工转换率、综合能源加工转换率是能源生产效率评价的重要指标。
另一方面,在碳排放约束条件下低排放能源受到欢迎。按照一次能源碳排放率的降序,化石能源的排序为煤炭、石油和天然气。其它能源,如核能、太阳能、风能和其它生物质能发电,也是能源产品的生产。但没有消耗通常意义下的化石能源,统计中它们归结为一次能源。它们的生产(消费)量与所有化石能源的生产(消费)量之和构成能源消费总量。另一方面,它们的生产没有碳排放与环境排放(或很少的环境排放),将小规模、分散的非碳排放能源生产与消费作为能源的“环境影响因素”。
能源生产(消费)结构是指各种一次能源占能源生产(消费)总量的比重,所以煤炭、石油和天然气的生产(消费)占能源生产(消费)重量的比重构成了能源生产(消费)结构的基本评价指标。因为我国的资源禀赋确定了煤炭占我国一次能源绝对比重,而发电是目前效率最高的煤炭消费形式,且电力消耗不产生环境排放,所以电力消耗占能耗总量的比重是能源消费结构评价的总要补充指标。
(2)能源消费的经济效率指标;
行政区域能源消费的经济效率指标包括直接评价和间接评价两方面的内容。
直接评价指标是指直接衡量区域能源消费对经济总量的贡献程度。一是衡量区域能源消费总量的静态经济效率指标,即单位能源消费的经济产出量(GDP)。由于在我国GDP是衡量行政区域经济发展水平(或者说考核行政区域政绩)的主要指标,该指标通常简称能源效率(或能耗效率,能效)。在国民经济核算统计中通常使用“单位经济产出的能源消费量”作为国民经济增长质量的评价指标,所以“能源效率”通常以“能源强度”(即能源消费强度)替代。二是衡量能源消费增长对经济增长贡献的动态经济效率指标,即单位经济增长率的能源消费增长率,称为经济增长的能源消费弹性,简称能源弹性。
间接指标是指间接影响能源消费经济效率的产业结构等指标。如上所述,三次产业的能源强度各不相同,其中第二产业的能源强度最大,第三产业的最小。所以,行政区域的产业结构一定程度地决定了其综合能源效率,从而间接影响了能源消费的经济效率。
对于产出系统,评价指标分为效益指标、弹性指标、结构指标和非生产性能耗指标四大类。其中,效益指标衡量地区或企业单位能耗的经济增加值,可用能耗强度、单位产品能耗、单位建筑面积能耗等指标描述;弹性指标衡量与生产力发展水平、国民经济结构、能源管理水平以及居民消费水平等密切相关的能源强度,可用经济/产品增长率与能源消费总量增长率的比值来描述;结构指标衡量与能源消耗相关的经济/产品结构,可用区域的产业结构、企业的产品结构来描述;非生产性能耗指标衡量与企业非生产环节相关的能源消耗情况,可用区域的人均生活能源消费量或企业的管理能耗指标、非主业能耗指标来描述。
(3)能源消费的环境效率指标;
提高能源消费的环境效率,即降低能源消费对环境污染程度的途径可以归结为两个方面:一是减少能源消费污染物的排放,二是废弃物的再利用。
对于行政区域而言,能源生产,特别是煤电生产是能源消费污染物排放的重要来源,其次是其它工业生产的污染物排放。所以能源消费污染物排放减少的程度可以用“污染物减量化指标”来衡量。例如单位产出的二氧化碳排放量、工业二氧化硫去除率等。
在一个行政区域内,一些生产单位的废弃物可能是某些单位可以利用的生产资料。例如火力发电厂的冷却水可用于民用建筑的取暖,排放的煤渣可以作为建筑材料的原料,等等。所以工业废弃物的综合利用率也可以作为区域能源消费环境效率的评价指标。
对环境系统的评价指标分为减量化指数、循环指数及排放指数三个大类。其中减量化指数衡量与能源消耗相关的污染物总量控制、环境质量改善等方面的情况,可用CO2排放量,工业SO2去除率,工业烟尘去除率等指标描述;循环指数描述经济及生产运行过程中能源的高效、循环利用的情况,可用资源循环利用率,工业废弃物综合利用率描述;排放指数衡量与能源消耗相关的排放情况,可用地区人均能耗CO2排放量,企业的单位产品CO2排放量描述。
(4)社会经济可持续发展的能源效率指标;
从社会经济可持续发展的角度,能源利用效率的评价需要考虑传统能源供给的可持续性,以及替代能源和新能源的可获得性。例如可开采的主要传统能源资源的蓄存量与产出量之比(通常用产-蓄比),可再生能源在建项目投资,以及新能源技术的研究与开发投资等。所以,能源消费的社会经济可持续可以归结为:能源安全、清洁能源的发展能力和新型替代能源的发展潜力。
对于可持续性的评价指标分为安全指数、低碳指数级政策投入水平三个大类。其中安全指数衡量地区或企业对能源的依赖程度,用能源自给率、主要能源的储-耗比衡量;低碳指数是指清洁能源的消费比重,可用区域能源的气化率或企业气化能源消费比重描述;政策投入水平衡量与能源消耗相关的地区/企业能源政策、节能技术及节能新产品的引进力度及资金投入等情况,用非化石能源比重、新能源在建项目、新能源开发资金投入等指标衡量。
如上所述,能源消费是一个非线性、复杂的能源-经济-环境-可持续性系统,其中每一个子系统由不同层级的因素或指标构成。能源消费的系统综合评价就是,采用统一的评分标准分层对每一个因素进行测评打分之后,采用一定的标准和技术框架,得到每个层级各个因素的综合评分,经过系统综合得到整个区域能源消费的“能源-产出-环境-可持续性”综合得分。因此,首先需要构建相应的评价指标体系。
三、能源效率3E&D评价模型的结构;
能源利用效率综合评价总目标是测评目标能源消费的社会经济综合效率,称其为“能源利用效率综合评价指标”,或系统的总指标。该指标形成评价系统的第一个层级,记为“A级”,相应的综合评价指标记为Ad。为明确起见,定义Ad取值越大,区域的能源综合利用效率越高。
如上一节所述,区域的能源利用效率社会经济综合评价系统由能源系统(Energysystem),能源消费的经济系统(Economic system)效率、环境系统(Environment system)和可持续发展性(Developoment system)等四个方面的评价内容组成。它们是四个各自构成相互区别、又具有一定联系的评价子系统,称为3E&D评价模型。
上述四个子系统构成了综合评价模型的第二个层级,记为“B级”;为便于叙述,依序记为Bdi,其中下标“d”表示“区域”(district)以区别其它对象评价系统,在不引起混淆的情况下省略;下标“i”取罗马序数I至IV,依序标识上述四个子系统。同样地,评价指标取值越大,系统的能源效率越高。
每个子系统由其相应的影响因子构成,这些影响因子具有一定的层级结构,其中第一层级的因素构成综合评价模型的第三层级指标,记为“C级”。评价值越高,相应的能源消费效率越高。以此类推构造“行政区域能源利用效率综合评价系统”的指标体系,分述如下:
(1)能源子系统评价指标的构成;
目标/对象:能源生产效率,及能源消费与供给的匹配。
内涵:测评能源生产效率和能源消费结构。
该子系统分为两类、两个层级。第一个层级由“能源生产技术”和“能源结构”两类因素组成,依序记为CI,1和CI,2。第二个层级是其上一个层级的具体内容或表现形式,是综合评价指标体系的最底层,它们可以从一定的数据源经过相应的计算或转换得到。
如表1所示,CI,1由区域内综合能源加工转换率DI,1、综合煤电转换率DI,2和区域内其它能源产品的综合转换加工效率DI,3组成。其中DI,1和DI,2来源于区域的能源统计报表,DI,3是区域内各行业能源产品生产效率的加权平均,其中的能源产品包括水、电、气、冷、热等企业生产过程中需要的生产资料,数据来源于区域内企业生产水、电、气、冷、热的综合能耗。
能源消费结构CI,2由煤炭占能源消费的比重指标DI,4,和电力占能源消费的比重指标DI,5组成,说明如下。
资源禀赋决定了我国以煤为主的能源供给结构,煤炭占能源消费的比重越高,能源消费结构越接近我国能源供给的禀赋,CI,2的得分应该越高。但是在分散能源消费单元的煤-电选择中,“以电代煤”单位能耗的用户经济成本最大、环境排放污染产生的社会成本最小(例如冬季采暖)。所以基于行政区域管理部门的公共监督职能,煤炭占能源消费总量的比重是综合能源效率评价的逆向指标。根据评价模型中层级指标的正向关系原则,取DI,4为煤炭消费比重的逆向指标,计算方法见下一小节。计算DI,4和DI,5的依据来源于区域能源统计资料。
天然气不是我国的传统化石能源,尽管其排放率最低,但到目前为止还没有超过5%,低于非化石能源电力消费(按发电煤耗计算法)。其次,原油主要用作化工原料和移动源能源动力,所以天然气和石油的消费比重没有列入能源系统的能耗结构。
(2)经济子系统评价指标的构成
目标/对象:能源消费对行政区域社会经济活动的影响。
内涵:衡量区域内能源消费对社会经济活动的贡献,即评价区域内能源强度和产业结构。
如表1所示,能源消费的经济效率评价子系统由能耗产出率的总量指标CII,1,弹性指标CII,2,产业结构指标CII,3,和区域内居民生活消费的能源效率指标CII,14等四个方面的内容构成。
表1:能源利用效率综合评价的3E&D指标体系
注:*表示没有足够数据源的指标;-表示逆向指标
从能源消费经济效率的角度考虑,总量指标CII,1定义为国民经济总产出与能源消费总量之比,即单位能源消费的产出量。尽管它可以用区域的能源消费效率(即能源消费强度的倒数)概括,但是在三次产业能源消费效率的恒等关系中E=w1E1+w2E2+w3E3,第一产业能源消费的比重w1很小(从1995年的4.2%下降到2010年的1.99%),其能源消费效率E1对区域能源消费效率E的影响相对较小,所以可以排除第一产业源消费的影响。从而按照正向评分原则,DII,1和DII,2分别定义为第二和第三产业能源消费效率E2和E3,计算依据来源于区域的能源统计资料。
按照定义,能源消费弹性实际上描述了经济增长率对能源消费增长率的贡献。按照正向指标原则,能源消费经济效率的弹性指标CII,2应该定义为“单位能源消费增长率的经济增长率”,即产出的能耗弹性:
其中ry和rx分别是产出y和能源消费x的增长率,由于
e=λ1θ1e1+λ2θ2e2+λ3θ3e3,
其中λi是三次产业的比重,θi=rxi/rx是三次产业能源消费增长率与能源消费总量增长率之比。因为我国第一产业增加值的比重λ1比较小(从1982年的33.4%逐年递减到2006年的11.1%和2010年的10.1%),同样仅考虑式(1)定义的产出总量,和第二、三产业增加值的能耗弹性系数作为弹性指标CII,2的组成,即DII,3=e,DII,4=e2和DII,5=e3。
同样的原因,能源消费的产业结构指标CII,3由区域内第二、三产业占其GDP的比重λ2和λ3组成,数据来源于区域的国民经济统计资料。
由于第二产业占我国能源消费总量的绝对比重(工业在71%以上,加上建筑业,则在73%左右),具有较大的节能减排空间,也是节能减排的重点控制对象;而第三产业的性质决定了其低能耗特征。也就是说,第二产业占区域内经济总量的比重越大,能源消费的经济效率越低;第三产业占经济总量的比重越大,能源消费的经济效率越高。所以取DII,6=λ2的逆向指标和DII,7=λ3的正向指标构造产业结构能源效率指标CII,3。
最后,讨论行政区域居民生活能源消费的效率评价指标CII,4的构成。显然,区域内人均能源消费量是这个评价内容合适的指标之一,它是CII,4的逆向指标,记为DII,8。数据来源是区域能源统计和国民经济统计资料。这一传统统计口径的能源消费仅仅包含了居民最终生活消费中直接消耗“能源产品”的数量,没有计算居民生活消费的非能源产品所包含的能源消耗量。所以指标DII,8仅仅是居民生活能源消费的一部分。
实际上,一切社会经济活动都是为了(也最终归结到)居民的终端生活消费,生产消耗的能源也通过产品(商品和服务)传递到居民的终端生活消费,例如面包房的能源消耗通过面包最终由居民消费。所以需要估算区域内的居民通过非能源产品的消费所消耗的能源。这种产品在生产过程中所消耗的能量叫做产品的“能源承载量”,或“内涵能源”。单位产品价值所承载的这种能源数量叫做“内涵能源强度”。区域内人均非能源产品的内涵能源消费量是评价指标之一记为DII,9,称为“人均间接能源消费量”。
(3)环境子系统评价指标的构成;
目标/对象:能源消费对行政区域环境的影响。
内涵:评价区域内能源消费的排放对区域大气、水资源和居民居住环境的影响。
工业废水、废气和固态废弃物的排放形成工业生产的环境污染,可分为能源与非能源产品生产排放,后者又可以分为能源消费的排放和非能源消费的排放。作为能源消耗综合效率评价的子系统,应该主要讨论能源生产和消费相关的环境污染因素,但有些工业废弃物蕴含较高的有效能,适当的综合利用不仅可以产生能源,而且能减少环境污染物排放。称这种与能源生产和消费相关的环境污染减排效率为“能源消费的环境效率”,相应的评价模型成为“能源消费的环境效率评价子系统”,简称“环境子系统”。
对于行政区域而言,能源生产,特别是煤电生产是能源消费污染物排放的重要来源,其次是其它工业生产的污染物排放。同时,一些生产单位的废弃物可能是某些单位可以利用的生产资料;例如火力发电厂的冷却水可用于民用建筑的取暖,排放的煤渣可以作为建筑材料的原料,等等。降低能源消费对环境污染程度的途径可以归结为两个方面:一是减少能源消费污染物的排放,二是废弃物的再利用。所以环境子系统由污染物减量化指数CIII,1、废弃物再利用指数CIII,2、居民消费终端排放指数CIII,3和空气质量CIII,4等四个方面的内容构成。
能源消费是支撑区域经济发展的必要因素,但其伴生的CO2排放只是造成大气污染,所以污染物减量化指数CIII,1由单位能耗CO2排放量DIII,1(逆向),工业二氧化硫去除率DIII,2和工业烟尘去除率DIII,3等3个指标构成。如表12.1所示,废弃物再利用指数CIII,2由包括能源生产在内的工业废弃物综合利用率DIII,4和区域资源循环利用率DIII,5等2个指标构成。与“经济子系统”类似,居民生活消费排放指数CIII,3由居民直接能源消费的CO2排放DIII,6和间接能源消费CO2排放DIII,7构成。
最后,空气质量可以一定程度地反映行政区域,特别是城市能源消费的环境效率。如表1所示,可以利用平均空气质量等级DIII,8和优级空气质量天数DIII,9等空气质量监测资料构造综合空气质量指数CIII,4。
(4)能源消费可持续性评价指标的构成
目标/对象:能源消费对行政区域社会经济可持续发展的影响。
内涵:评价区域能源供给和消费的可持续性,包括能源安全,低排放能源消费能力和新能源发展状况等。
能源消费的可持续性是社会经济可持续发展的基本保障,而能源供给的可持续性又是能源可持续消费的基础。所以,可持续性是能源消费效率评价的重要内容。
鉴于目前的能源利用技术,能源消费可持续性的首要内容是能源供给与消费的安全性;控制CO2排放是当前和未来能源消费的重要课题;传统化石能源资源终究会枯竭,新能源是未来的主要能源消费内容。所以,能源供给与消费的安全性CIV,1,低排放能源消费能力CIV,2和新能源开发能力CIV,3是能源消费可持续性评价系统的基本组成部分。
能源安全是能源供给与消费的一种匹配状态,专指突发事件引起外来能源供给中断导致能源消费无以为继,并影响正常的社会经济秩序。所以行政区域能源利用效率评价在能源安全性方面的首要指标是能源消费的自给率DIV,1。其次,传统化石能源还是中短期的主要能源动力,其现有能源需求的条件下可以继续开采的时间(等于蓄藏量与单位时间开采量之比)越长,则这种能源供给的安全性越高。所以传统化石能源的蓄-产比是能源安全的长期指标,可以分为煤炭、石油和天然气三种能源资源的蓄-产比,分别记为DIV,2、DIV,3和DIV,4。
随着应对气候变化国际合作的深入与普及,低排放是未来能源消费的基本要求。在当今能源利用的技术条件下,气体燃料的CO2排放率低于固体和液体燃料。尽管天然气不是我国的传统主打能源,但随着我国天然气供给建设项目的成熟,天然气占我国能源消费比重提高的主要障碍是天然气消费能力,所以区域内目前的天然气消费能力可以作为能源消费可持续性发展的指标之一,记为DIV,5。
其次,对区域内气态能源消费的预期是能源气化技术研发与项目投资,和未来气化能源供给的推动力。所以目前能源气化率DIV,6可以作为未来能源消费低排放CIV,2的构成指标。
长期来看,太阳能等非化石能源将成为能源消费的主要资源,现在的非化石能源消费是区域发展非化石能源生产和消费的基础,所以,区域现存非化石能源消费的比重DIV,7可以作为新能源评价内容的指标之一。此外,新能源在建项目和技术开发投资是地区未来新能源生产能力的先行指标,它们可以作为新能源评价内容的指标。
将上述四个B级评价系统的内容合并,得到行政区域能源利用效率综合评价的“能源-经济-环境-发展评价指标体系”如表1所示。对于给定的评价对象(例如某一个区域),综合评价的任务就是计算各个指标的得分。为便于叙述,称指标的得分为“指数”。
四、综合能源利用效率评价的分析方法
上述构建的评价系统是一个多维度、多层次、多指标的评价指标体系,基于上述综合评价指标可进行层次分析和主因子分析。
1、综合评分的基本问题;
实现多维度、多层次指标体系综合评价的基本路径是,从最底层开始按一定规则逐级向上计算各个指标的得分。为此需要做三项工作:一、计算最底层的指数;二、确定由下至上逐级计算指数的规则;三、划分A级综合指标的等级,即确定综合评价的等级数和相应的沉余值。
最底层指数的计算可以从相应的数据源提取数据,并按照定义计算得到;下至上逐级计算指数的不同规则形成不同的综合评价方法;而A级综合指标的等级及其沉余值则可以根据需要确定。所以,综合评价的关键问题逐级计算指数的规则。
如果同一级指标是相互独立的,可采用关联指数加权平均逐级计算上一级指标,称为“层次分析法”;其关键技术是指标体系的正交设计和权重的确定。否则可以采用“主因子分析法”,其关键技术是利用样本提取主因子。
“层次分析法”的优点是,只要求被评价对象有一组计算底层指数的数据源;弱点是要求同一层指标是相互独立的,并且需要事先确定每一级指标的权重。而“主因子分析法”的优点是不需要指标相互独立和权重;弱点是要求有一定样本量的底层样本指数,这就要求数据源有一定的样本量。可见这两种方法优势互补。
对于表1的评价指标体系,无论应用上述哪一种规则都存在一定的困难。层次分析法的应用有两个方面的困难,一是各级指标权重的确定还没有科学客观的方法,而到目前为止广泛应用的“专家打分法”则存在不可避免的主观偏见的影响;二是表1的评价指标体系不一定是正交的,例如能源结构中的“煤炭消费比重”是基于碳排放的指标,与环境子系统中的“减量化指标”有一定的关联性。
尽管我们可以从典型的能源统计资料中得到大部分D级指标足够的样本,但是其它如能源产品综合转换率DI,3、工业二氧化硫去除率DIII,2和工业烟尘去除率DIII,3等非典型指标缺乏可靠的数据源,所以应用主因子分析法存在足够样本量的数据源问题。所以应用主因子分析法需要修正表1的指标体系,我们将在下一小节根据数据源情况做具体的修正。
2、层次分析的评价模型修正;
尽管层次分析法对数据源的要求不强,但要求指标是正交的。为此,对于有足够样本量的指标采用统计方法检验其正交性,即如果两个序列弱相关则可以认为它们是正交的,如果两个序列强相关,则可以通过主成分构造“主因子”,或选取代表因子。对于没有足够数据源的非典型指标则采用定性方法修正其构成,使它们形成正交性指标系。为演示评价模型的修正方法,将表1的评价指标体系应用于我国能源效率的综合评价。
数据来源于《中国能源统计年鉴》和《中国统计年鉴》,其中1980至2010年数据完全的项目可以构造一部分指标。如表1所示,在子系统BI和BII中只有DI,2和DII,9两个指标没有完全数据源,占14个指标中的七分之一;而在BIII和BIV中只有DIII,1,DIII,6,和DIV,1,DIV,5和DIV,7五个指标的计算有足够的数据源,占两个子系统指标的十八分之五。也就是说,BI和BII以具有足够数据源的指标为主,而BIII和BIV以非完全数据源指标为主;总体上具有足够数据源的指标和没有足够数据源的指标各占二分之一(15个)。所以单纯采用主因子(也叫主成分)分析方法存在不可抗逆的困难,但可以通过正交化修正指标体系后应用层次分析法。
首先从定性的角度考察各个子系统中没有足够数据源指标的正交性,有足够数据源的指标在下一小节讨论。
在BI与BII系统中分别只有DI,2和DII,9两个没有足够数据源的指标,其的计算依赖于其它算法,可以认为它们与系统中的其他指标是正交的。
表面上看,BIII中除了CIII,2之外其它三个C级指标有一定的联系,但综合考虑它们的构成因素和相互关系,可以认为它们是弱相关的。例如,通常情况下减量化指数CIII,1越高,空气质量会越好,即CIII,4越高;但是CIII,1作为固定源排放的减量指标只能解释CIII,4的一部分,另一部分由移动源排放决定。一般的规律是,CIII,1较高的地区(例如发达城市)移动源排放越大,相应地CIII,4会降低。所以综合考虑,可以认为CIII,1与CIII,4没有必然联系。CIII,3的内容是生活消费直接和间接排放的CO2,其对CIII,4的影响要通过煤炭的生活消费产生影响,所以近似认为它们CIII,3对CIII,4没有直接影响,其主要影响是对全局意义下的大气影响。
最后,BIV中各个指标的选择已经经过细致地考虑,3个C级指标以及相应的D级指标之间可以认为是独立的。
3、指标归一化;
依据AHP方法的基本程式和总目标评定标准,D级指标的值域也应该为[0,1]。尽管比重类相对指标能满足这一条件,例如类似于“综合能源加工转换率”的指标通常取值是在0和1之间,且最理想的状态是1(即100%的转换率),不需要做任何处理。但个别的如“能源强度”、“能源弹性”和其它部分指标的取值不一定能满足这个要求,需要进行“标准化”。其次,按照原始定义,D级指标原始内容的量纲不尽相同,需要进行具有可比性的非量纲化处理。
另一方面,有些指标取值越大其能源经济效率越高(称为正向指标,例如能源加工转换率),有些则是取值越小能源经济效率越高(称为逆向指标,例如能源消费强度)。这一类指标称之为方向性指标。除此之外还有另一类中心指向性指标,即指标的原始内容的“最佳状态”是某一个具体的数值,以该数值为中心,指标的取值偏离得越多,其指示的状态越差,我们称之为中心指标。所以需要对指标进行标准化(或归一化处理),并且标准化指标的取值越大,其反映的状态越好。为此,我们分别对其作以下变换。
(1)方向指标;
记原始指标的最佳和最差状态的参考取值分别为G(>0)和W(>0),实际取值为V,则方向性指标归一化的算法为
对于正向指标有G>W,并且通常情况下G>V>W,此时1>D>0。当然也不排除V≥G或W≥V的特殊情况,这时D≥1或D≤0)。对于逆向指标,G<W,并且通常情况下G<V<W,所以1>D>0;当V≤G或V≥W时,D≥1或D≤0。所以上述变换对正向指标和逆向指标同样有效。
(2)中心指标;
记原始指标的最佳参考状态为G(>0),实际取值为V,则中心指标归一化的算法为
其中以下标c用以区别方向指标,而没有其它含义。
对于中心指标,显然有Dc≤1,当且仅当实际指标达到最佳状态时等号成立。另外,当|V-G|>G时Dc<0,此时V>2G,或V<0;可以理解为评价对象处于“恶劣状态”。
依据做归一化变换的难点是G、W的取值,由于D级指标的多样性,在B、W或B的取值准则也各不相同,对于G、W和V的取值,例如正向指标“综合煤电转换率DI,2”取理论转换率63%为理想状态,即G=0.63,和W=0;而能源结构类中心指标可以参照相应的标准取值(例如“十二五”规划),G>W的为正向指标,G<W为逆向指标,仅给出G的是中心指标;D列是计算得到的标准化评价指标值。
4、综合评价的主成分分析方法;
在许多实际问题中,会涉及到许多变量。并且,由于这些变量自身之间存在一定的相关性,使得它们作为单个变量来说,都是不显著的,但是,作为一个整体,它们却是显著的。
若直接用这些变量构建模型,则模型将会变得相当复杂;若去掉一些变量,则模型将难以正确地解释实际问题。因此,在对这类问题构建数学模型时,希望压缩变量个数,简化问题。即根据原始变量,构造一个或几个“综合变量”。用这些综合变量代表原始变量。
主成分分析就是利用观测数据,将许多变量压缩为少数几个变量,构造综合变量的统计方法。
五、3E&D综合能源利用效率评价系统的实现方法。
1、3E&D能效评价系统的功能构成;
通过对能源利用效率评价系统的需求分析,我们可以得出描述此系统功能的用例图。
参见图3、图4所示,图3为3E&D能效评价系统功能的用例图,图4为企业能效评价得分管理用例图,主要参与者为管理员。管理员的用例包括:评价体系管理、评价指标管理、评价体系明细管理、评价主体管理、评价得分管理、得分对应来源数值管理中的增添、查询、修改、删除功能。
2、3E&D能效评价系统的数据模型;
描述3E&D能效评价系统数据模型的分析类图可以参见图5所示,图5为区域能效评价分析模型类图,类图(Class diagram)显示了系统的静态结构,特别是系统模型中存在的类、类的内部结构以及它们与其他类的关系等。
在概念类定义之后,我们需要定义类的属性,根据属性的简单性原则,可以初步的确定概念类的属性。在确定完属性之后,要将系统中的类与类之间的关系找出来。识别出全部概念类之后,通过添加属性、添加关联,以及泛化处理后形成数据模型。
3、3E&D能效评价系统的功能详细设计;
描述3E&D能效评价系统关键功能的顺序图可以参见图6至8所示,其中,图6为新增评价体系明细顺序图,图7为计算独立指标得分顺序图,图8为计算组合指标得分顺序图。
顺序图描述设计用例实现的多个对象实例以及对象交互时传递的消息,并按照用例执行步骤为顺序指明对象的交换顺序。顺序图的基本元素有对象、参与者和消息。
系统的顺序图是在系统实现一个用例的时候,从用户在图形界面进行操作开始,将写到界面的数据进行获取,然后通过后台代码对数据的封装处理,再到将封装的数据在数据库中进行操作,这一个完成的流程都通过系统顺序图呈现出来的。
在完成一个用例的顺序图的时候,要包含参与者、界面类、控制类以及相关的所有实体类等这些因素,多数时候理解实体类对应的是数据库中的表。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。