基于系统动力学的耗能企业节能减排政策模拟

杨勇波，陈 缨，羊 静，刘明忠，姜振超，曾 荣

(国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610071)

进入21 世纪以来，我国经济迅速发展同时能源消耗也在按10%的增速快速增长，环境问题、资源问题日益受到政府、企业、个人的重视。“十七大”提出要深入贯彻落实科学发展观，促进社会和谐，推动科学发展的规划，政府在“十二五”规划对节能减排工作提出了具体要求。政府提出了节能减排计划，而企业才是实现节能减排的主体，如何引导企业加强节能减排管理，如何更好的落实节能减排政策是实现节能减排的关键因素。尚羽等［1］以物流园节能减排为对象，构建了物流园区节能减排动力学模型，通过仿真研究了节能减排投入与园区产值和能耗之间的关系。唐丽敏等［2］则通过增加投入、转变运输方式、改变物流消费结构方面进行了政策模拟，刘丽娟等［3－5］通过构建火电企业动力学模型，分析了企业单位电量煤耗和综合厂用电率与企业利润的关系。

而王灵梅等［6］通过不同方案比较得出最适合可持续发展的方案，C． Narasimha 等［7］以中小企业为对象研究了能耗与持续发展之间的关系，提供可靠数据为节能减排政策提供依据。张华等［8］通过对钢铁企业生产建立系统动力学模型，重点考虑降低能源消耗和减少成本。孙浩［9］等利用协调学方法提出了钢铁工业节能模式。公兵［10］等用博弈论的方法，建立了钢铁行业节能减排博弈模型，为节能减排提供建议。以上文献都为后人建立系统动力学模型分析提供了参考，但文中建立的系统动力学模型缺乏市场机制，而这正是现阶段节能减排存在的问题:政策执行不利，缺乏了市场机制和价格机制的引导，不能形成持久有效的减排机制。因此在不断发展节能减排技术、加强节能减排投入的同时需要对节能减排政策进行定性、定量的研究。本文则利用系统动力学的方法对节能减排政策进行研究，通过定量的数据分析，研究各种节能减排的效益，为政府决策提供依据。

1 节能减排政策系统动力学分析

1．1 系统动力学简介

系统动力学(System Dynamics)由美国麻省理工学院Forrester 教授在20 世纪60 年代创立，他们在应用反馈控制理论的概念研究工业系统时，形成了系统动力学的最初思想。系统动力学是一门以控制反馈理论为基础，通过建立系统动态模型，借助计算机进行仿真实验对系统发展趋势进行预测的学科;是一种定性与定量结合，系统、分析、综合与推理的方法 ，以定性分析为先导，定量分析为支持［11－13］。系统动力学模型本质上是带时滞的一阶微分方程，一阶反馈回路包含三种基本变量:状态变量、速率变量与辅助方程。他们可以用状态方程、速率方程与辅助方程描述，同时为了建立辅助方程还需要辅以某些数学函数、逻辑函数、信息与物质延迟函数、表函数和常函数。其数学描述式为

式中

L——状态向量;

R——速率向量;

A——辅助变量向量;

L˙——纯速率向量;

T——转移矩阵;

W——关系矩阵。

系统动力学最大的特点就是能够适用于宏观、复杂系统，能很好解决系统中的动态性、非线性、反馈性和难以量化的问题。而企业节能减排投资政策模拟系统恰好具有以上特点，因此适用于系统动力学方法对其进行研究。

图1 节能减排系统流程图

1．2 模型假设

对重点耗能企业建模的过程中，为了更好的适用于各类企业，更直观的反映节能减排投资和政策的效果，通过以下的假设来简化模型。

(1)企业发展良好，市场未处于饱和状态。

(2)以企业为边界条件，企业产能长期保持稳定增长。

1．3 模型因果关系图

分析了各个因素之间关系，建立了节能减排系统因果关系图，如图1 所示。

(1)节能减排投资→节能投资→能源结构优化水平(节能设备和技术)→资源利用率→企业总产值;节能减排投资→减排投资→废弃处理投资(废水处理投资)→相对环境污染度→企业总产值。这都是正反馈回路，反映了节能投资和减排投资对企业经济效益的影响，并反馈到了节能减排投资，调整投资力度。

(2)节能减排投资→减排投资→废气处理投资(废水处理投资)→废水处理(废弃处理)→相对环境污染度→超标排放惩罚→企业成本→企业总产值;节能减排投资→节能投资→能源结构优化水平(节能设备和技术)→资源利用率→阶梯电价→企业成本→企业总产值，这是政策子系统，通过使用阶梯电价和超标惩罚政策提高企业成本来刺激企业进行节能减排改造。

2 节能减排系统动力学模型分析

本研究使用VENSIM 软件建立的节能减排模型，该模型中包含了5 个状态变量可以简化为5 个一阶微分方程。下面分子系统介绍。

图2 企业子系统模型

2．1 企业子系统

由图2 可以看出，该子系统包含企业总产量(QYZCL)和单位产品成本(DCCB)2 个状态变量，分别受总产量变化量(QYZCBD)、成本增加(CBZJ)和成本减少(CBJS)3 个速率影响。

本研究中对企业产量进行了假设，规定了企业产量增长速率呈现稳定增长。企业对节能减排投资会造成企业短期成本增加(见方程)，同时通过技术改造、设备升级、生产方式改进等多种方式减少资源消耗量，对成本的降低具有一定的延时，见式(8)。企业成本子系统政府可以通过提供节能减排补助，超标惩罚等刺激措施力图通过对企业成本的影响刺激企业节能减排改造。

该系统的主要方程

图3 节能子系统模型

2．2 节能子系统

节能子系统中节能投资效果因子是对企业通过节能投资改进生产设备、提高管理水平的抽象表示。生产设备的改进、管理水平的提高都将促进节能减排效果因子。政府为企业节能减排制定目标，一旦企业未能达到目标，政府将采取惩罚措施。同时政府指导下实行按能耗标准的阶梯电价，通过价格杠杆的作用促进企业进行节能改造。

系统方程

图4 减排子系统模型

2．3 减排子系统

企业生产过程中会产生SO2和SOD 虽然能够在大气环境下自然分解但速度缓慢，企业需要对污染物进行排放处理。SO2和SOD 的处理能力分别用SO2XGXZ 和CODXGXZ 表示万元投资力度下的处理能力。

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 变量表

3 节能减排系统动力学政策模拟与仿真

3．1 系统参数确定

本文以重点耗能企业为对象，查阅历史统计年鉴和各类耗能行业特点取算数平均值。这类参数有企业总产量变化率为年均增长5%，单位产值能耗为2． 5(t 标准 煤/万 元)，大 气SO2浓 度 单 位 为mg/m3，水、COD 含量单位为mg/L。

3．2 模型效验

模型的效验应该分为以下几步:

(1)模型的建立是在全面分析节能减排政策、分析企业节能减排的基础上建立的，能反映其各子系统之间动态制约关系的系统动力学模型;

(2)利用仿真软件VENSIM 进行真实性检验，对重点能耗企业节能减排动力学模型正确性进行了检验，检验结果完全满足要求;

(3)通过模型运行，得出能反映其经济环境和社会效益的结果通过检验证实所建立的模型较好地反映火电企业节能减排的本质特征。

3．3 系统仿真

根据系统动力学的思想，全面分析节能减排的各类因素的基础上搭建了系统动力学模型，设定时间界限为2010 年到2020 年，步长为一年。不同于传统思维对各种调控变量的改变，本文采用四种不同的方案，通过模拟仿真对比比较各种政策对企业节能减排的影响。

方案一:保持原状，无任何节能减排政策;

方案二:在原有方案的基础之上，实行阶梯电价;方案三:在原有方案的基础上，实行节能减排补助;方案四:在原有方案上同时进行阶梯电价和节能减排补助;

方案五:所有的节能减排政策一同实施。

3．4 结果分析

对于单位产值能耗这一指标，所有方案都为下降趋势。方案一、二、三、四仿真结果可以看出实行阶梯电价最能增加企业节能减排的意愿，促进单位产值能耗量下降。

通过总能耗和总电费的仿真结果可以明显看出在使用阶梯电价方案下会增加初期的电费成本，会促使企业通过节能减排改造降低单位产值能耗，从而降低用电成本。可以看出到仿真的第四年以后电费成本已经低于不采取任何节能减排措施的方案一。方案三和方案四在用电成本上都呈现出线性下降的趋势，相比较而言惩罚制度的效果要好于补贴。

图5 各方案单位产值能耗图

图6 各方案总能耗图

图7 各方案总电费图

对于SO2和COD 含量的仿真中，见图8、图9 我们可以看出通过阶梯电价这一价格杠杆能很好的抑制排放量。分析原因有以下两点:

(1)在单位产值能耗下降的同时也伴随着污染物排放的减少。

(2)本研究中污染物排放量的确定使用单位产值排放量这一指标，方案二能够很好的降低单位产品的成本从而降低了企业的产值。

图8 各方案SO2 含量图

图9 各方案COD 含量图

综合各个因素比较可以得出利用阶梯电价价格杠杆的方式最能促进耗能企业的节能减排，但也存在这会增加初期企业用电成本的问题。对企业的节能减排投资进行补助是单个方案中作用力度最小的方案，但是最为平稳的一种方案。在政府补助下单位产值，污染物排放量与方案一比较都呈现明显的下降。

4 结论

本文区别于传统的系统动力学仿真利用改变控制变量提供不同的方案进而来作出判断，而是通过在相同断面下采用不同的政策，通过仿真数据来研究各类政策对节能减排的影响。通过仿真研究我们可以得出对节能改造补助、阶梯电价、能耗超标惩罚3 种政策而言，企业最能接受节能改造补助，同时也是对企业生产经营活动影响最小的一种措施。而阶梯电价通过价格杠杆作用节能减排的效果是最好的，也能受到电网企业的欢迎，但在初期使企业承受更大的成本，对企业的经营会产生一定困难。能耗超标惩罚政策虽然能促进企业节能减排但是会增加企业的成本，大量惩罚不利于企业的经营。因此，在节能减排工作中政府可以根据企业类型、发展阶段采用1 到2 种节能减排方案，既可以保证企业正常发展也能促进节能减排方案的实施。

［1］尚羽，董景峰，王立海．基于系统动力学的物流园区节能系统仿真研究［J］．森林工程，2012，28(3):78 －84．

［2］唐丽敏，曾颖，王成武，等． 基于系统动力学的物流节能减排政策模拟［J］．系统工程，2013(6):15．

［3］刘丽娟，王灵梅，武卫红．火电企业节能减排的系统动力学模拟与调控［J］．山西电力，2012(1):36 －39．

［4］李自怡．基于目标成本管理的火电厂成本控制体系［J］．电网与清洁能源，2014，30(4):36 －39．

［5］王喜平，刘兴会，张锴，等． 基于系统动力学的火电企业节能减排投资研究［J］．黑龙江电力，2013，35(3)．

［6］王灵梅，张金屯，倪维斗．火电厂生态工业园的系统动力学模拟与调控［J］． 系统工程理论与实践，2005，7(7):119 －121．

［7］Narasimha C，Nagesha N． Energy efficiency in sustainable development of Small and Medium Enterprises:An empirical study［C］//Intelligent Systems and Control (ISCO)，2013 7th International Conference on．IEEE，2013:487 －491．

［8］张华，陈凤银，王艳红，等． 钢铁企业节能减排投资系统动力学研究［J］．现代制造工程，2012(7):22 －25．

［9］孙浩，涂序彦． 基于协调学的钢铁工业节能模式研究［J］．冶金能源，2006，25(1):3 －5．

［10］公兵，王会清，汪波． 基于博弈论的钢铁行业节能减排对策分析［J］．武汉理工大学学报:信息与管理工程版，2014，36(2):229 －232．

［11］王其藩．系统动力学［M］．北京:清华大学出版社，1994:95 －11．

［12］钟永光，贾晓菁，李旭． 系统动力学［M］． 北京:科学出版社，2009．

［13］苏惫康． 系统动力学原理及应用［M］． 上海:上海交通大学出版社，1991．