基于物質流分析的大學校園投入產出研究

李恩敬 林 野 何 平 王 霜

(1.北京大學環境保護辦公室環境科學與工程學院，北京 100871;2.北京大學數學科學學院，北京 100871;3.北京大學實驗室與設備管理部，北京 100871;4.北京大學節能辦公室，北京 100871)

黨的十八大明確提出，把生態文明建設放在突出地位，融入經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設各方面和全過程，努力建設美麗中國。生態文明建設在我國已經提升為國家意志，教育領域中以大學為載體落實國家生態文明戰略，將現有教育資源綠色化，創建有可持續發展特色的綠色校園，是高校肩負的歷史使命，也是大學與世界接軌的重要標志［1，2，3］。

大學具有城市生態系統的特性，是城市生態系統的縮影。同時邊界比較清晰，物質流動方向相對單一，不存在復雜經濟系統內的不同部門之間的產品轉移的問題，因此可以更客觀地、接近現實地反映作為城市生態系統的物質和能量代謝情況［4］。

社區是我國最小的行政單元，將北京大學塑造成完整、特殊的社區單元，尤其在北京這種“獨門獨院”的事業單位(如，高校、工業園區、事業單位、社區、大型遺址等)云集的特大城市，其研究具有現實的理論和推廣意義［5］。

目前，綠色校園建設更多停留在概念層面，定性描述多，定量表述少。對于一所大學是否建設成為綠色校園的評判依據模糊、衡量標準不清，并因評價主體的主觀經驗感受不同有較大差異。因而造成在建設綠色校園實踐中，缺少有的放矢的措施和途徑，使綠色校園建設流于形式和口號。系統掌握支撐校園發展的物質、能量流動規律及其驅動因子，將為北京大學進行綠色校園規劃與建設提供定量化依據，從而促進我國大學中可持續發展辦學理念的推廣和大學可持續發展整體進程［6－9］。

1 研究方法

本研究首先通過建立校園代謝核算體系(框架，圖1)，明確校園投入產出關系［10，11］。

圖1 北京大學校園物質代謝過程及投入產出

其次，通過物質流分析方法，測度和解析校園物質輸入和輸出情況，以及支撐校園的資源和能源在時空的變化及消耗強度。物質流分析方法指在一定時空范圍內針對特定系統的物質流動和貯存的系統性分析，廣泛應用于循環經濟和可持續發展研究領域［12－17］。借鑒城市物質代謝的過程，可以將校園代謝過程分為輸入、消耗和輸出三個過程。輸入包含重復利用消耗過程中產生廢物的過程，即回收利用。按國際通用的物質劃分方法，將進入經濟系統的自然物質分為生物物質、固體非生物物質、水和空氣4 類;將排出經濟系統的物質分為固體廢棄物、廢水、廢氣和其他氣體物質3 類。經濟系統中物質使用量包括自然物質和生態包袱(或隱藏流)的輸入［18－20］。從數據可獲取性和可控性角度，校園的輸入物質重點考慮水和固體非生物物質等三類，其中固體非生物物質包括煤、建材、食物、電(隱藏流)等;校園的輸出物質重點考慮廢水和固體廢棄物。

輸入:TMR=TMI=DMI+IF;其中，TMR:物質需求總量;TMI:物質總投入;DMI:直接物質投入量;HF:隱藏流;

輸出:TMO=TDO;其中，TMO:物質總排出量;TDO 園區內總排出量。

最后，在梳理和統計北京大學校園物質輸入與輸出量的基礎上，分析校園需求強度(人均、單位面積或單篇SCI 等)。根據需求強度研究，篩選需求變化較大的輸入項作為研究單元，通過假設和模型，研究影響該需求的驅動因子，探討該輸入項與產出間的定量或半定量關系(本研究結果建立在部分假設前提和模型上，因此作者稱之為半定量關系)。

本文主要通過EXCEL 和SPSS 統計軟件，采用描述和統計，相關分析、偏相關分析和多元線性回歸分析方法，對北京大學歷年的數據進行處理和分析，揭示其內在規律和聯系。

表1 輸入與輸出項數據來源及相關說明

2 物質流分析

2.1 物質輸入與輸出量

本研究邊界界定為北京大學校本部。由于學校統計口徑有差異，物理邊界以校發展規劃部界定的校本部邊界規劃圖和學校地圖為準(圖2)。

圖2 學校本部邊界規劃圖

體現北京大學正常運轉的資源支撐能力的輸入因子基本包含5 方面，即水、電、煤、建材和食品。輸出因子由可獲取數據的角度列為煤渣、生活垃圾，綠化養護垃圾、危險廢物和生活污水等5 方面。

2006－2009年的數據統計結果顯示，影響輸入量的最大影響因素是用水量，占比最大約為74.8%，其它依次為建材(13.7%)、供暖(5.5%)、用電(3.2%)、食物(2.7%)(圖3)。輸出因子中，除污水以外，比例從高到底的依次為，煤碴(45%)、生活垃圾(36%)、綠化養護垃圾(19%)和危險廢物(接近0%)。北京大學校園系統的總輸入量和輸出量基本維持在35 萬噸和22 萬噸左右。輸出占輸入量的平均比值為63%(4)，略高于我國經濟系統比值(物質輸出總量約占物質輸入總量的55%)22。。北京大學人均物質輸入總量約為9 噸，每萬平米建筑面積需求為657 噸。

2.2 需求強度(資源支撐)研究

圖3 各輸入因子結構

圖4 各輸出因子平均結構(不含污水)

圖5 北京大學物質輸入量與輸出量，輸出占輸入比

圖6 北京大學人均和單位面積總輸入需求量變化

輸入量中最大影響因素的用水量可以細分為人均需水量、培養學生所需單位用水量和產出SCI 用水量，三者均呈逐年遞減趨勢。人均需水量從1998年的22.04噸減少到2012年的5.61 噸，減少75%，單篇SCI 產出所需平均用水量由2002年的307.58 噸減少到2011年的79.79 噸。

圖7 北京大學人均需水、科學研究和人才培養需水量變化圖

根據房屋建筑面積及房屋類型的調查，1999年和2000年間北京大學經歷了一個大規模的擴建過程，房屋占地面積明顯上升，此后呈現穩定趨勢;房屋建筑面積一直呈現穩定上升趨勢。房屋類型顯示，教學、科研、輔助用房及學生宿舍所占比例呈現上升趨勢，行政辦公用房及教職工住宅并無明顯變化［l1］。根據實驗室及儀器設備的投入使用情況調查，近年實驗室總使用面積、各類儀器設備數量、大型儀器設備數量均呈現明顯的上升趨勢，其中大型儀器設備投入占各類儀器設備的很大比重。實驗室單位面積設備量的變化呈逐年增長趨勢(本文前述的建材用量是通過每年增加的建筑面積為基數計算而成，但是在這里僅介紹下房屋建筑面積情況及房屋類型)(圖8)。以實驗室中單位面積的設備量的增長速度，將很快就達到飽和，因此，盡快增加實驗室面積是學校的當務之急。

圖8 北京大學歷年實驗室單位面積設備量變化

2006－2011年間，在供暖用煤的需求上，人均、單位面積和人才培養上均顯示較均衡增長。但是，從生產每篇SCI 的角度衡量，供暖用煤量呈逐年遞減趨勢(表2)。

北京大學人均用電量呈逐年增長趨勢，2012年總用電量和人均用電量分別為1998年的3.6 倍和1.94 倍(圖9)。單位面積用電需求從2001年始保持穩定并小幅增長，產出每篇SCI 對應電量關系在4.8 噸上下小幅波動(圖10)。

人均食物量在1998－2010年間，基本保持在0.25噸/人·年的水平，沒有明顯變化。

3 主要輸入(電能)單元驅動因子分析

3.1 基本思路

支撐北京大學發展的資源和食物中，用電量變化呈明顯增長趨勢。其中，用電大戶是教學科研，且教學科研、行政辦公和后勤施工用電量和占比均明顯增加，學生宿舍和路燈用電量減少(圖11)。因此，本文擬以用電量為核心，通過數據分析，研究可能對用電量造成影響的因素，以及研究用電量的變化對教學科研成果帶來的影響。

表2 供暖用煤需求列表

圖9 人均用電量(標準煤，噸)變化圖

圖10 單位面積用電量(標準煤，噸)與科學研究產出關系變化圖

圖11 北京大學分用途用電情況及2004年和2012年不同用途用電量對比

為進一步了解造成用電量變化的影響因子，通過搜集到的數據以及背景知識，假設總人數、設備量和建筑面積3 個因素會對用電量造成主要影響(除上述三項主要影響電量的因素外，人的用電行為是非常重要的一項，但是由于沒有多年累積的可統計的數據，因此，在這里沒有將此因素考慮再模型計算范圍內)。為了進一步了解電量與另外三者的定量關系，我們先通過R 語言編程對數據進行可視化。

如圖12 所示，從左到右可以看出人數、設備、建筑面積三者逐年呈增長趨勢，點顏色的深淺代表用電量的多少。我們不難看出隨著人數、設備、建筑面積逐漸增加，點的顏色越來越紅，說明用電量逐漸增加，且線性趨勢較明顯。多組數據的散點圖(圖13)，可以看出四個因素兩兩之間關系的直觀示意圖。

圖12 北京大學設備量、總人數、總面積三維散點圖

通過簡單相關分析發現，總人數、總設備價值和建筑面積與用電量的相關系數分別是0.914、0.970、0.971。接近1，說明密切相關，假設成立。再通過偏相關分析結果，得出如下結論:當控制總人數和總設備價值不變時，建筑面積和用電量的相關系數為0.791;當控制總設備價值和建筑面積不變時，總人數和用電量的相關系數為0.493;當控制總人數和建筑面積不變時，總設備價值和用電量的相關系數為0.672。由此可見，3個因素均與用電量相關，但影響用電量的主要因素的建筑面積，其次是設備價值，最后是總人數。為探究這三者具體如何影響用電量，并且能更好地預測用電函數，通過多元線性回歸分析的方法建立具體的數學模型。即，

圖13 總人數、總面積、設備量、總用電量多組數據的散點圖

總電量=人數×a+面積×b 設備價值×c+d

通過SPSS 得到方程:

總電量=人數×0.074+面積×2.742+設備價值×206.390－1659.566

該模型通過檢驗，發現p 值為3.5 ×108，十分顯著。因此，可以得到如下結論:①用電量與人數、建筑面積、設備量均成正相關，即使用人員越多，或是使用面積越大，或是設備數量(價值)越大，用電量越多，且呈線性;②多元回歸方程的系數經過標準化后分別為0.169、0.475、0.378，說明人數、建筑面積和設備量對于電量的貢獻百分比分別是16.5%、46.5%、37.0%。建筑面積影響最大，設備量次之，人數排最后。

該模型給出了用電量的具體算法。只要輸入1 個人數數據，1 個面積數據，1 個設備價值數據，就可以預測總的用電量大概取值。可以通過對以上3 個影響因素的改變趨勢進行分析，進而得到用電量的預測。

3.2 用電量的影響因素探究

3.2.1 模型一:總用電量控制

整個校園如何控制用電量，做到節約且高效，是綠色校園建設的關鍵問題之一。通過該模型，我們可以解決若要控制人均用電量達到一定水平，其他資源該如何配置的問題。例如，如果人均用電量減少10%，假設總人數維持穩定不變的情況下，通過(1)式，代入2011年的數據，我們可以得到之后的預測曲線(圖14)。

因為現實中建筑面積減少的可能較小，因此要達到相同的節能效果，只有減少設備用電量來實現，設備量與面積具體的變化曲線如上圖所示，具體方程為:

建筑面積變化=－75.27 ×設備量變化－429.53

(建筑面積單位:1000m2，設備量單位:億元)

圖14 設備—面積變化曲線

方程具體表達的含義是，為達到人均節能10%的效果，在面積不變的情況下，需要減少5.70 億元的設備;而每減少1 億元設備，可以增加7.5 萬m2的建筑面積。圖中標注的幾個點是當設備量減到與歷史某一時期的設備量持平時。例如241.1284615，那一點代表:當建筑面積增加了24.1 萬m2時，為了達到節能10%的效果，必須減少8.8 億元的設備量，這將回到2006年的設備量水平。另外3 個點分別對應05、02、98年北京大學的設備量水平。

如果假設，總用電量要減少5%，而建筑面積增加了6.4%(通過計算得出建筑面積的年平均增長率為6.4%)，那么，此時需要對設備量和人數進行控制。當人數減少到一定程度時，設備量甚至可以增加，依然可以達到節能的目標。

具體方程:設備量變化=－3.59 ×人數變化－4.73×104(設備量單位:萬元，人數單位:人)

圖15 顯示，當人數減少1.3 萬人時，達到拐點，此時設備量可以開始增加。每減少錄取1 個人，節省電量可以多購置3.59 萬元的設備。圖中，最上邊的點代表如果人數恢復到98年的水平，則可多購置2.6 億元的設備，依然能達到節能指標。(第三象限的點代表恢復到2005年水平)。

圖15 人數和設備量的關系

3.2.2 模型二:教學科研用電量控制

雖然模型一反映了總用電量的影響因素，但是由于建筑面積這一因素未來的發展趨勢是只會增加不會減少，所以該模型在討論如何控制總用電量的時候會受到一定限制。但是，如果以教學用電量為對象，與之相對應的教學使用面積則可以減少，能夠達到較好的反映如何控制總用電量。

為獲得教學科研用電量與總人數、教學科研輔助用房面積和設備量之間的關系，根據教學科研的相關數據，擬合了多元線性方程，得到函數:

教研用電量=人數×(－ 0.083)+ 教研面積×46.419+設備價值×1155.133－9816.971

(教研用電量:千度，教研面積單位:1000m2，設備價值:億元)

該模型通過檢驗，發現p 值為0.036，顯著性較高。結果顯示，人數并不是影響教學科研用電量的主要因素。假設控制人數為定數，即可根據模型預測教研面積和設備量對節約教學用電的影響。如果想要使人均教學用電量保持在每年增幅均減少10%的程度，且一直持續到2018年，假定人數不變，此時需要同時控制教學科研使用面積和設備量的增幅。為了達到節能目標，需要平均每年教研面積的漲幅保持在8.16 萬m2，同時設備價值漲幅控制在1.63 億元以內。

另外，當用電量不變時，設備量與教研面積可以相互轉化。其具體關系式為:

設備量變化=－0.040 ×教學科研面積變化

也就是對于新增的教研面積與設備量來說，預計新增的每減少1 萬m2的教學科研面積，可以再多增加4000 萬的設備價值，這對于教學用電量是幾乎沒有影響的，反之亦然。

3.3 用電量與科研產出間相關分析

3.3.1 用電量與SCI 論文數、科研項目數

通過SPSS 分別采用四種(S 型，J 型，線性，多項式型)可能類型，擬合分析2004－2011年電量與SCI 論文數和科研項目數。研究發現，電量與SCI 論文數的J型擬合較好，電量與科研項目數呈線性關系。說明，北京大學處于科研工作穩定發展、科研產出加速發展的階段。

3.3.2 生命科學與化學案例研究

通過分析研究部分理科院系(化學、生物)用電量與SCI 及其影響因子之間的關系，發現除生物專業2010年的SCI 文章情況外，各院系用電量基本呈現逐年上升趨勢，各院系SCI 文章數量及其與影響因子的綜合指標均呈現整體的上升趨勢，且用電量與SCI 文章的數量及質量呈現出正相關關系。通過對比生物及化學專業單篇SCI 的用電量，可以看出生物專業單篇SCI 的耗電量明顯高于化學專業，且化學專業單篇SCI 的耗電量呈現平穩趨勢，而生物專業2010年單篇SCI 的用電量明顯高于其普通水平，波動較為明顯。

4 結論與討論

4.1 結論

(1)北京大學校園系統的總輸入量和輸出量基本維持在35 萬噸和22 萬噸左右。輸出占輸入量的平均比值為63%。北京大學人均物質輸入總量約為9 噸，每萬平米建筑面積需求為657 噸。

(2)北京大學人均需水量、培養學生所需單位用水量和產出SCI 用水量均呈逐年遞減趨勢。北京大學1999年與2000年北京大學經歷了一個大規模的擴建過程，房屋占地面積明顯上升，此后一直呈現穩定上升趨勢;房屋類型方面，教學、科研、輔助用房及學生宿舍所占比例呈現上升趨勢，行政辦公用房及教職工住宅并無明顯變化。供暖用煤方面，近年人均、單位面積和人才培養上均顯示較均衡增長，但從生產每篇SCI 的角度分析，供暖用煤量呈逐年遞減趨勢。用電方面，人均用電量呈逐年增長趨勢，單位面積用電需求保持穩定并小幅增長，產出每篇SCI 對應電量關系在4.8 噸上下小幅波動。食物方面，近年北京大學人均食物量基本保持在穩定。

(3)通過相關分析可得如下結論:總人數、總設備價值和建筑面積與用電量緊密相關。其中影響用電量的主要因素的建筑面積，其次是設備價值，最后是總人數，人數、建筑面積和設備量對于電量的貢獻百分比分別是16.5%、46.5%、37.0%。

(4)同時，通過與電量相關的其他因素的分析，可以得出以下結論:北京大學現在科研水平仍處于加速發展階段。隨著電量投入增多，科研水平的增長速率依然能維持在較穩定階段。實驗室中單位面積的設備量越來越多，逐年呈增長趨勢，因此設備對實驗室的面積需求越來越大，應當增加實驗室的面積。

(5)在用電用途方面，北京大學用電量逐年呈增加趨勢，其中，北京大學用電大戶是教學科研，且教學科研、行政辦公和后勤施工用電量和占比均明顯增加，學生宿舍和路燈用電量減少。

4.2 建議

(1)北京大學在創建世界一流過程中，應將綠色校園建設納入其重要的一項工作。同時，結合北京大學“三步走”建設目標，北京大學有必要科學規劃和合理設計校園，確保在高速發展的階段，設備量及相對應的建筑面積都要增長的前提下，減少人均或單位面積資源支撐數量，做到節能降耗，將生態文明建設落到實處。

(2)隨著建設世界一流大學步伐的加速，北京大學科研用房及設備均將有大幅度的增長。因此，有必要加強宣傳，提高師生的環境意識，不斷改進環境行為，騰出更多的節能減耗的空間。

(3)北京大學管理隊伍龐雜，但是缺少為綠色校園建設提供專門管理和服務的部門。管理中沒有成體系的專門隊伍，就不會有合理的規劃和管理方案，沒有專門制度作為保障，更談不上落實。同時，學校設立專門機構，有助于向校外爭取資源，宣傳成績，使北京大學成為落實生態文明的典范。

(4)為橫向對比國內外不同類型大學，定位北京大學在國際上投入產出情況，下一步開展國內外不同類型高校的投入產出研究。這將為建立我國綠色大學指標體系的建立，提供重要的研究支撐。

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