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    全排列多邊形圖示指標法區域能效評價
    博燃網● 2015-05-12

    摘 要:在分析現有能效評價方法的基礎上,介紹全排列多邊形圖示指標法(簡稱多邊形法)的原理、特點和應用,以多邊形法為基礎構建了區域綜合能效評價的指標體系。依據十一五期間河北省的統計數據,采用多邊形法對河北省的綜合能效進行了評價,以多邊形法進行綜合能效評價具備實際操作意義。

    關鍵詞:綜合能效評價; 全排列多邊形圖示指標法; 雙曲線標準化; 綜合能效指數

    Evaluation of Regional Energy Efficiency Based on Full Permutation Polygon Synthetic Indictor Method

    AbstractBased on the analysis of current evaluation methods of energy efficiency,the principle,characteristics and applications of full permutation polygon synthetic indicator method(hereafter referred to as polygon method)are introducesThe index system for regional comprehensive energy efficiency evaluation is tmih based on the polygon methodAccording to the statistical data of Hebei Province inEleventh Five-Year”period,the comprehensive energy efficiency of Hebei Province is evaluated by the polygon methodThe polygon method for comprehensive energy efficiency evaluation has practical operation significance

    Keywordscomprehensive energy efficiency evaluation;full permutation polygon synthetic indicator method;double CHIVe standardization;comprehensive energy efficiency index

     

    1 概述

    隨著城市化進程的推進,能源與資源、環境、社會發展的矛盾日益突出,京津冀地區大范圍的霧霾就是例證。為了解決這些發展中的問題,我國政府在“十二五”規劃中,將結構調整定位于首要目標,并確定了從阻礙地區經濟增長的深層次問題來尋求區域定位的整體發展戰略。上述變化給能源應用效果的評價提出了更高的要求,我國傳統的以單位國內生產總值(GDP)能耗(每產生1×104GDP所消耗的能源)作為衡量指標的評價體系已不能滿足要求。本文將生態、環境評價中廣泛使用的全排列多邊形圖示指標法模型引入能源應用效率的評價中,試圖為區域能源利用的全面評價尋找涵蓋多方面因素的綜合評價方法。

    2 現有能效評價方法

    隨著能源效率評價的內涵逐漸推廣到經濟、能源、環境等綜合層面,大家對能源應用的評價方式也由單要素的能源效率評估向多要素指標轉化[1],關注的重點也向省際、區域應用效果評價轉移。這些能效評價方法在不同的時期滿足了當時經濟社會發展的要求,并各具特點。

    以單位GDP能耗為代表的單要素能源效率評價,能一定程度反映能源利用效率的變化趨勢,促使產業結構進行調整。但它無法對能源結構不同的經濟體之間的能源效率差異做出有效反映。

    DEA模型為代表的全要素能源效率評價主要以勞動力、資本存量和能源消耗為投入指標,以GDP為產出指標。隨著研究的深入,DEA模型也逐漸考慮污染排放[2],以及能源種類投入對經濟增長的影響[1]等不同領域,但仍然是以行業能效評價為主。該方法也有一定缺陷,它無法剔除環境因素和隨機誤差的影響,因此,不能得出比較準確的結論[3]。

    3 全排列多邊形圖示指標法簡介

    全排列多邊形圖示指標法依據合理原則選取多個評價指標,對選取的多個指標進行雙曲線標準化,標準化值參與全排列多邊形綜合指數計算。綜合指數計算結果即綜合評價結果,綜合指數越大,評價結果越優。

    3.1 全排列多邊形圖示指標法原理

    全排列多邊形圖示指標法假設共有N個指標(標準化后的值),以這些指標的上限值為半徑構成一個中心正N邊形,各指標值的連線構成一個不規則中心N邊形,這個不規則中心N邊形的頂點是N個指標的一個首尾相接的全排列。

    采用雙曲線標準化函數將N個指標值標準化。標準化函數F(x)同時滿足公式(1)、(2)、(3)。

    F(x)|x=L=-1      (1)

    式中x——指標值

    F(x)——標準化函數

    L——指標戈的下限值

    F(x)|x=T=0       (2)

    式中T——指標戈的臨界值(臨界值指從一種狀態轉變到另外一種狀態時,某一物理量所達到的值)

    F(x)|x=U=1       (3)

    式中U——指標x的上限值

    根據上述條件,可得雙曲線標準化函數:

    F(x)=[(U-L)(x-t)]/[(U+L-2T)x+UT+LT-2UL]   (4)

    對于第i個指標,標準化函數計算公式為:

    F(xi)=[(Ui-Li)(xi-Ti)]/[(Ui+Li-2Ti)xi+UiT+LiTi-2UiLi]  (5)

    式中i——指標序號

    F(xi)——i個指標的標準化值

    Ui——i個指標上限值

    Li——i個指標下限值

    xi——i個指標值

    Ti——i個指標臨界值

    標準化過程中,對于第i個指標xi、以及相應的Li、Ti、Ui均是有單位的值,例如:本文中的人均GDP,單位為/人;F(xi)為標準化后的值,是無量綱量。

    利用N個指標上限值可以做出一個中心正N邊形,此正N邊形的N個頂點對應F(xi)=1,中心點對應F(xi)=-1,中心點到頂點的線段為各指標標準化值所在區[-1,1],而F(xi)=0(xi=T)構成的多邊形為指標的臨界線。臨界線以內的區域表示各指標的標準化值在臨界值以下,其值為負;臨界線以外的區域表示各指標的標準化值在臨界值以上,其值為正。全排列多邊形圖示指標法見圖1。

     

    各指標標準化值相互連接組成的不規則的N邊形的面積,與相應的中心正N邊形面積的比值即為全排列多邊形綜合指數,其計算公式見式(6)。

     

    式中S——綜合指數

    N——指標總數

    F(xj)——j個指標的標準化值

    綜合指數越大,表示綜合評價結果越優良,在圖上表示則是上述不規則N邊形的面積越大。

    3.2 全排列多邊形圖示指標法的特點及應用

    采用全排列多邊形圖示指標法能夠根據指標分級層層評估,有助于深入分析原因。此方法既有單項指標又有綜合指標;既有靜態指標,又有動態趨勢;既有幾何直觀圖示,又有代數解析數值。與傳統簡單的加權法相比,不用專家主觀評判權重系數的大小,只要確定與決策相關的上限、下限和臨界值即可,減少了主觀隨意性。

    全排列多邊形圖示指標法在環境、資源評價應用中得到了廣泛認可[4-7],并擴展到其他領域,諸如評價科技發展對大型金屬礦產資源基地可持續發展能力的影響,評價土地集約利用情況、水質評價、海洋資源開發利用綜合效益評價等方面[8-11]。

    4 全排列多邊形圖示指標法能效評價指標體系

    4.1 指標體系構建

    在建立指標體系時,為充分體現社會統一協調發展,設置了能源、環境、社會經濟等系統的一級指標。其中,社會經濟系統的指標反映產業結構的合理程度以及對提高能源高效利用的投入力度,是能源高效利用的基礎保障。環境系統的指標反映能源回收再利用的有效性,是能源高效利用的間接體現。能源系統的指標則直接反映出能源利用過程的效率。在實際操作過程中,依據指標體系構建的完備性、客觀性、可獲得性、可測性、動態性、獨立性等原則,為每個一級指標設置了多個二級指標作為支撐。

    4.2 各指標內涵

    社會經濟系統指標主要表征區域經濟發展能力以及社會可持續發展能力,共5個二級指標。人均國內生產總值(人均GDP)反映該地區的經濟發展水平;工業增加值占總產值比例、第三產業增加值占總產值比例評價產業結構的優化程度;研究與試驗發展經費(R&D經費)占工業產值比例反映該地區對新產品、新技術以及新能源使用方式的重視程度;環保投資額占財政支出比例反映該地區對環境治理投入力度。其中人均GDP、第三產業增加值占總產值比例、R&D經費占工業產值比例、環保投資額占財政支出比例為正向指標,工業增加值占總產值比例為逆向指標。

    環境系統指標主要表征區域對環境可持續發展的管理力度,共6個二級指標。建成區綠化覆蓋率用來評價該地區空氣污染物吸附程度,城市綠化覆蓋率高表明城市碳匯水平高。CO2排放強度反映能源對環境的影響,主要評價能源利用對環境造成影響的程度,體現能源在滿足經濟和社會需求的同時所產生的負面影響。SO2排放總量、煙塵粉塵排放總量反映人們生產、生活過程中使用能源對大氣環境容納量的影響程度。工業廢水排放達標率、生活垃圾無害化處理率反映該地區廢棄物處理情況,體現資源循環利用,減少對環境的負面影響。其中建成區綠化覆蓋率、工業廢水排放達標率、生活垃圾無害化處理率為正向指標,其他為逆向指標。

    能源系統指標主要表征能源使用全過程的綜合效果,共10個二級指標。單位GDP能耗是反映技術水平、能源利用效率的重要指標。工業增加值能耗和三產增加值能耗反映產業結構與能源結構綜合優化情況。地均能源消耗反映一定區域內能源承載力情況,是能源消耗對環境系統壓力的體現。人均生活能耗反映該地區與經濟產出不直接相關的能源利用情況,但一定程度上反映經濟發展水平。煤炭占一次能源消費量比例、天然氣占一次能源消費量比例反映能源結構的合理性。能源加工轉換效率用以評價能源轉換技術效率以及節能與管理技術的先進性。三廢綜合利用產品產值、回收能利用率指標反映污染物減量化、廢物廢能回收利用措施實施程度。其中天然氣占一次能源消費量比例、能源加工轉換效率、三廢綜合利用產品產值、回收能利用率為正向指標,其他為逆向指標。

    5 實例計算結果及分析

    5.1 數據來源及計算

    本文以河北省為例,采用全排列多邊形圖示指標法進行能效評價。數據來源于20062010年《中國統計年鑒》、《中國能源統計年鑒》相關指標及根據相關指標計算得出,其中回收能利用率是區域內能源在生產轉換過程中能源回收量占區域內終端能源消費量的比率。國內生產總值、工業增加值、第三產業增加值折算為2005年可比價參與指標計算。能源消費量折算為標準煤參與指標計算。以20062010年的數據為選取范圍,數據選取過程中,指標下限值根據評估地區相應指標5的最小值確定,指標上限值根據評估地區相應指標5的最高值確定,臨界值根據評估地區相應指標5的平均值確定。標準化后的值使用MATLAB軟件進行編程計算,分析測算河北省綜合能效5年間的變化情況。

    根據確定的指標體系,以上述標準選擇數據,得出評價指標數據,見表1。

     

    5.2 計算結果

    以表1中的數據為基礎,根據標準化函數計算公式(5),得出各指標的標準化值,并根據公式(6)進一步計算綜合指數,得到的計算結果見表2。2009年、2010年的綜合指數比2006年、2007年、2008年的綜合指數要大,得知2009年、2010年綜合評價結果較好。

     

    2中各能效評價指數即不規則多邊形面積占該中心正多邊形面積的比值。能效綜合指數、社會經濟綜合指數、環境綜合指數、能源綜合指數從2006年到20105年間多個指標首尾連接組成的多邊形分別見圖2、3、4、5。根據標準化函數公式(1)、(2)、(3),正多邊形頂點對應F(xi)=1,正多邊形中心點對應F(xi)=-1。部分指標標準化值為下限值F(xi)=-1,為使多邊形圖示效果更易觀察,本文將中心點從-1向內延伸到-2,從中心點(-2)到頂點F(xi)=1的線段被F(xi)=-1、F(xi)=0三等分。

     

     

     

    依據全排列多邊形圖示指標法原理,將2006—2010年綜合能效各指標標準化值繪制成21邊形,得到20062010年綜合能效指標評價結果,見圖2,圖2中序號同表1中序號121。圖2中不規則多邊形面積總體趨勢逐年增大,個別指標并非隨年份增長越來越優,例如地均能源消耗、人均生活能耗。圖2表明:河北省十一五綜合能效逐年改善,但略有波動。

    20062010年社會經濟綜合指數各指標標準化值繪制成5邊形,得到20062010年社會經濟指標綜合評價結果,見圖3,圖3中序號同表1中序號15。圖3中多邊形面積逐年增大,表明經濟總體呈增長趨勢,并且用于環保、科研的資金投入逐年增加。指標“工業增加值占總產值比例”和“第三產業增加值占總產值比例”相互影響,“工業增加值占總產值比例”在2007年到2008年、2009年到2010年分別略有增加。

    20062010年環境綜合指數各指標標準化值繪制成6邊形,得到20062010年環境指標綜合評價結果,見圖4,圖4中序號同表1中序號611。圖4中的多邊形面積呈顯著性逐年增大,表明環境治理力度逐年加大。河北省在環境方面逐年加大建成區綠化覆蓋率,在污染物排放方面逐年加強脫硫、除塵等措施,并提高綜合處理工業廢水和生活垃圾比。

    20062010年能源綜合指數各指標標準化值繪制成l0邊形,得到20062010年能源指標綜合評價結果,見圖5,圖5中序號同表1中序號1221。圖5中多邊形面積逐年增加,表明能源結構趨于合理,能源生產、利用、回收等各環節效率均逐年提高。“三產增加值能耗”、“三廢綜合利用產品產值”、“回收能利用率”等指標在不同年份略有波動。“地均能源消耗”、“人均生活消耗”等指標隨著經濟發展而增加,相應的指標值逐年變差。

    5.3 結果分析

    根據計算結果可以看出,河北省在十一五期間綜合能效有顯著提升,但能源結構不合理性依然嚴重,產業結構調整任重道遠;環境廢棄物處理得到提升,但整體壓力依然巨大。

    社會經濟進步明顯,人均GDP大幅提升,企業研發、環保投入均有增加,表明河北省科技水平、社會發展水平不斷提升。經濟的發展,逐漸滿足人們日益增長的需求,使得人均生活能耗逐年增加。

    環境改善投逐年增大,但壓力依然很大。河北省建成區綠化覆蓋率逐年增加,從2006年的35.6%提高到2010年的42.7%。建成區綠化植物對建成區生產、生活排放的C0。具有一定的吸收作用。

    能源結構依然不甚合理,煤炭占能源消費比例近年雖有所下降,但一直高于50%,而天然氣占能源消費比例僅為1%的水平。產業結構的調整效果不明顯,工業增加值占總產值比例從2006年的47.1%下降到了2010年的46.8%,僅下降0.3%。三產增加值占總產值比例從2006年的33.8%上升到了34.9%,僅上升了1.1%。

    隨著循環經濟深入人心,河北省的三廢綜合利用產品產值呈增加趨勢,工業廢水排放達標率、生活垃圾無害化處理率逐年提高。

    與此同時,地均能源消耗(標準煤)2006年的0.89×104tkm2上升到2010年的1.15×104tkm2,表明河北省有限空間內的環境容量水平仍然面臨著巨大的考驗,特別是在工業集中的區域,環境污染問題不容小覷。

    6 結論及建議

    本文基于全排列多邊形圖示指標法,利用十一五”期間河北省統計數據,以與能源相互協調的社會經濟、環境等共計21項指標組成評價指標體系,對河北省綜合能效進行評價。評價結果表明,河北省綜合能效呈整體上升趨勢,但產業結構調整壓力、能源結構的不合理性依然存在,特別是隨著地均能耗的逐年增加,地區環境容量面臨極大壓力,環境污染的形勢不容樂觀。這與其他分析方法所得的匯總結果基本一致[12],表明以全排列多邊形圖示指標法對能源的全生命周期進行綜合評估具備實際操作意義。該種分析辦法可以避免從單一的角度看待問題,符合新時期社會可持續發展的要求。

     

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    本文作者:喬艷麗  王振興  王燁

    作者單位:新奧能源服務有限公司

      河北建投國融能源服務股份有限公司

     

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