基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的能源需求規(guī)劃

黃元生，張 茜

(華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理系，河北 保定 071003)

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基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的能源需求規(guī)劃

黃元生，張 茜

(華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理系，河北 保定 071003)

能源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是影響人類生存環(huán)境的重要因素。本文基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理，運(yùn)用相應(yīng)的軟件模擬預(yù)測(cè)我國2015-2020年的能源消費(fèi)需求。為了滿足能源需求，必須調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展科學(xué)技術(shù)，提高能源利用效率，逐步引進(jìn)碳排放稅。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；能源需求；GDP；人口；環(huán)境

能源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是影響人類生存環(huán)境的重要因素。能源在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的諸多方面甚至起決定作用。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國民經(jīng)濟(jì)各部門之間的關(guān)系日趨復(fù)雜，能源系統(tǒng)規(guī)模越來越大，各個(gè)能源子系統(tǒng)之間的關(guān)系也越來越復(fù)雜。能源系統(tǒng)是一個(gè)非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步、宏觀政策和國際關(guān)系都可能直接影響能源系統(tǒng)的運(yùn)行；與此同時(shí)，能源供給結(jié)構(gòu)也反過來影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境變化。因此，能源規(guī)劃與分析對(duì)于能源需求、能源供給以及電力系統(tǒng)的規(guī)劃以及能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整有十分重要的意義。

一、能源需求概述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展我國能源需求呈持續(xù)增長的狀況，1978年我國能源需求總量為57144萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，2000年能源需求總量為145531萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，到2011年能源需求總量為348002萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。但與此同時(shí)我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)日趨合理化，但是仍然處于煤炭占主導(dǎo)地位的情況中，1978年煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量的70.7%，2000年年煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量的69.2%，2011年煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量的68.4%。1993年我國成為石油純進(jìn)口國，2003年我國煤炭的進(jìn)口量也超過了出口量，這對(duì)國內(nèi)甚至國際能源生產(chǎn)和消費(fèi)都產(chǎn)生十分顯著的影響[1]。本文基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行能源需求規(guī)劃以期為能源生產(chǎn)、能源供給、能源消費(fèi)以及能源結(jié)構(gòu)等方面的調(diào)整提供科學(xué)的依據(jù)。

二、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)概述

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamic)是通過分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi)部各變量之間的反饋結(jié)構(gòu)關(guān)系，來研究整個(gè)系統(tǒng)整體行為的理論。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法研究復(fù)雜問題要求從系統(tǒng)整體角度出發(fā)，進(jìn)行定性分析和定量分析，結(jié)合實(shí)際進(jìn)行推理。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)被稱為“政策的實(shí)驗(yàn)室”，它采用實(shí)驗(yàn)的方法針對(duì)社會(huì)科學(xué)問題進(jìn)行模擬和研究，然后根據(jù)仿真模擬的結(jié)果對(duì)政策進(jìn)行調(diào)整。

(一)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

1.區(qū)別于傳統(tǒng)的按經(jīng)濟(jì)變量之間的關(guān)系建立均衡模型，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)根據(jù)事物的因果關(guān)系建立“頭腦模型”，即根據(jù)人的思維建立因果關(guān)系。

2.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)運(yùn)用軟件解決資料不完整等問題。

3.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)主要關(guān)注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其行為而不是強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的分析和預(yù)測(cè)，盡管可能存在一定的誤差但是只要模型能夠反映真實(shí)世界的狀況就算作是成功[2]。

(二)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件，本文采用Vensim 軟件建立能源需求預(yù)測(cè)的模型。Vensim 是由美國Ventana Systems公司研發(fā)的可視化建模軟件。軟件具有強(qiáng)大的圖形編輯環(huán)境，通過使用該軟件可以對(duì)建立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真、分析和檢驗(yàn)。

(三)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本步驟

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法是把所研究的對(duì)象看作復(fù)雜的反饋結(jié)構(gòu)，是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，通過系統(tǒng)分析繪制表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)的流程圖，然后把各個(gè)變量之間的關(guān)系定量化，建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方程式，以便用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，從而預(yù)測(cè)系統(tǒng)的未來。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的具體步驟如下：

1.確定系統(tǒng)的目標(biāo)與邊界。

2.建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，確定影響因素之間的因果關(guān)系。

3.畫系統(tǒng)流程圖和建立狀態(tài)方程、速率方程、輔助方程，并確定模型參數(shù)。

4.將模型運(yùn)用Vensim軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)。

三、研究方法與步驟

(一)系統(tǒng)目標(biāo)和邊界的確定

本文旨在研究能源需求與經(jīng)濟(jì)增長、環(huán)境、人口以及技術(shù)進(jìn)步等因素的之間的因果關(guān)系，通過分析該因果關(guān)系進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，從而預(yù)測(cè)出未來的能源需求。

(二)建立模型

因果關(guān)系分析：

本文能源消費(fèi)需求系統(tǒng)包括經(jīng)濟(jì)增長、環(huán)境、人口和技術(shù)進(jìn)步四部分。系統(tǒng)每部分的運(yùn)行既取決于系統(tǒng)自身內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也取決于外部系統(tǒng)對(duì)本系統(tǒng)的作用。能源消費(fèi)需求的增長的主要原因是經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)發(fā)展能夠拉動(dòng)能源消費(fèi)需求的增長，能源消費(fèi)需求的增長又拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)的增長。人口的增長可以為經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供大量的勞動(dòng)力從而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的增長，經(jīng)濟(jì)的增長促進(jìn)技術(shù)投資加大，即促進(jìn)能源技術(shù)進(jìn)步和減少污染物排放，能源技術(shù)進(jìn)步促使能源需求加大[3]，而能源需求的加大又會(huì)帶來環(huán)境污染。具體的能源消費(fèi)需求各個(gè)因素之間的因果關(guān)系如圖1所示。

圖1 能源消費(fèi)需求系統(tǒng)各因素之間的因果關(guān)系

在分析能源消費(fèi)需求系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系和相互作用時(shí)，確定該模型的反饋回路，其中正號(hào)表示正反饋關(guān)系，負(fù)號(hào)表示負(fù)反饋關(guān)系：

能源消費(fèi)需求→+GDP總量→+人均GDP→+能源消費(fèi)需求；

能源消費(fèi)需求→+GDP總量→+能源消費(fèi)需求；

能源消費(fèi)需求→+GDP總量→+技術(shù)投資→+經(jīng)濟(jì)規(guī)?！?能源消費(fèi)需求；

GDP總量→+技術(shù)投資→+能源技術(shù)投資→+能源技術(shù)進(jìn)步→-能源消費(fèi)需求→-GDP總量；

5.GDP總量→+技術(shù)投資→+環(huán)保技術(shù)投資→+污染物處理量→-污染物排放量→-能源消費(fèi)需求總量→+GDP總量。

能源系統(tǒng)的主要變量是能源消費(fèi)總量，而能源消費(fèi)總量是有基期的能源消費(fèi)總量以及能源消費(fèi)量變化率決定的，能源消費(fèi)變化率受經(jīng)濟(jì)增長率、節(jié)能技術(shù)因子和能源消費(fèi)彈性系數(shù)等因素的影響。經(jīng)濟(jì)發(fā)展子系統(tǒng)主要的變量是GDP總量，通過技術(shù)投資帶動(dòng)技術(shù)進(jìn)步進(jìn)而影響能源消費(fèi)需求量和污染物的排放。人口子系統(tǒng)主要的變量是人口總量，它通過影響人均GDP來影響能源消費(fèi)需求。而環(huán)境系統(tǒng)最主要的變量是二氧化硫排放存量，本文不僅僅考慮了能源二氧化硫產(chǎn)生量也考慮了能源二氧化硫減少量。本文的各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的計(jì)算方程內(nèi)容比較繁瑣，在這里不再贅述。本文所建立的能源消費(fèi)系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 能源消費(fèi)需求系統(tǒng)流程圖

(三)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果分析

本文以2006年為初始年，通過將全國的GDP、人口、能源消費(fèi)需求的初始值輸入系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬并得出2009-2011年仿真模擬的結(jié)果，具體的結(jié)果如表1所示。

表1 仿真結(jié)果預(yù)測(cè)分析

根據(jù)表1可以得出，根據(jù)模型仿真2009-2011年的GDP、人口和能源消費(fèi)需求計(jì)算出來的結(jié)果與實(shí)際值之間的誤差均不超過10%(系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真誤差不得超過10%，否則則重新設(shè)定參數(shù))，所以證明本文所建立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型能夠較為真實(shí)的反映實(shí)際的能源消費(fèi)需求系統(tǒng)的狀況，可以用于進(jìn)一步的能源消費(fèi)需求預(yù)測(cè)仿真模擬。表2是計(jì)算機(jī)仿真得到的2015-2020年的能源消費(fèi)需求、GDP和人口的預(yù)測(cè)值。

表2 2015-2020年仿真預(yù)測(cè)結(jié)果

由表2仿真預(yù)測(cè)結(jié)果可以得出2015-2020年GDP增速逐漸漸緩，人口增長的速度也逐漸緩慢。但是，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，能源消費(fèi)需求的增速依然保持現(xiàn)有的速度，甚至到2020年能源消費(fèi)需求將有可能突破4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

四、對(duì)策建議

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步我國在未來幾年中能源需求將持續(xù)增長，這給國內(nèi)能源市場(chǎng)甚至國際能源市場(chǎng)帶來巨大的壓力，因此，我們應(yīng)當(dāng)盡可能的調(diào)整供給和需求以滿足未來對(duì)能源的需求。

(一)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)

我國是世界上第二大能源消費(fèi)需求國，也是以煤炭為主要的能源的國家之一。以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)不僅耗費(fèi)大量的煤炭資源和資金，而且也使得環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。現(xiàn)階段我國煤炭能源消費(fèi)需求占能源消費(fèi)需求總量的68.4%，仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。調(diào)整能源結(jié)構(gòu)從根本上是需要調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)能源投資、消費(fèi)方向。例如近日國務(wù)院常會(huì)議上提出擬推出六項(xiàng)解決措施解決光伏行業(yè)的發(fā)電量收購、補(bǔ)貼發(fā)放和融資困難等問題[4]。除了引導(dǎo)能源投資、消費(fèi)方向，最主要的措施是提高可再生能源的比重，降低煤炭能源所占比重，促進(jìn)能源品種的多樣化。

(二)大力發(fā)展科學(xué)技術(shù)，提高能源利用效率

加大節(jié)能科技和環(huán)境污染治理科技投資，提高能源的利用效率節(jié)約能源的同時(shí)降低能源消費(fèi)所帶來的環(huán)境污染。在煤炭方面除了要更新技術(shù)減少每千瓦時(shí)發(fā)電煤耗，還需要注意居民燃煤時(shí)大力推廣使用節(jié)煤爐具，在居民耗煤方面減少能源消費(fèi)，提高能源利用效率。

(三)逐步引進(jìn)碳排放稅

減少能源消費(fèi)需求的另一方法是引進(jìn)碳排放稅，引進(jìn)碳排放稅不僅僅能夠減少二氧化碳等溫室氣體的排放還能夠引導(dǎo)企業(yè)做環(huán)保項(xiàng)目使用清潔能源，改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。因?yàn)閷?duì)煤炭能源消費(fèi)的產(chǎn)品征收碳稅能夠拉近煤炭能源的價(jià)格與其他清潔能源的價(jià)格，從而具有提高煤炭能源的替代彈性[5]。

[1] 國家統(tǒng)計(jì)局.中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，2006.

[2] 王其潘.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1994.

[3] 劉東.基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的區(qū)域電力負(fù)荷中長期預(yù)測(cè)模型研究[D].北京：華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

[4] 韓可琦，王玉浚.中國能源消費(fèi)的發(fā)展趨勢(shì)和前景展望[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(1).

[5] 馬曉微，劉蘭翠.中國區(qū)域能源產(chǎn)業(yè)終端能源消費(fèi)的影響因素[J].中國能源，2007(7).

(責(zé)任編輯：李瀟雨)

Energy Demand Planning Based on System Dynamics

HUANG Yuan-sheng，ZHANG Qian

(Department of Economic Management，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

Energy is an important material foundation of national economic development and social progress, and is also an important factor affecting the survival of the human environment. In this paper, it predicts energy consumption demand in China during 2015-2020 with software simulation based on system dynamics theory. To meet energy demand,it needs to adjust energy structure,fully develop science and technology and introduce carbon emission tax gradually.

system dynamics; energy demand; GDP; population; environment

2015-10-20

黃元生，男，華北電力大學(xué)(保定)經(jīng)濟(jì)管理系主任，教授；張茜，女，華北電力大學(xué)(保定)經(jīng)濟(jì)管理系碩士研究生。

F206

A

1008-2603(2016)01-0018-04