基于能源結構調整的能源統計方法探討

吳智泉，張屹山，劉明浩，安連鎖

(1.吉林大學 數量經濟研究中心,長春 130021；2.華北電力大學 能源與動力工程學院,河北 保定 071003)

0 引言

不同品種的能源之間存在明顯的差異。從熱力學的角度出發，這些差異主要體現在能源總量和能源品質兩個方面。在能源總量方面，單位不同品種能源的發熱量不同；在能源品質方面，具有單位熱量的不同品種的能源，其做功能力不同。通行的能源統計核算方法通常是不考慮能源的做功能力，而是按照不同品種能源的熱值統一折算為標準煤或標準油來進行統計核算的。這種統計核算方法忽略了燃料品質上的差異，必然導致某種程度上的不公正，存在著明顯的理論和實踐上的缺陷。

實際上，能源利用的本質是能質的利用。也就是說，在能源利用的實際過程中，能的數量并未減少，而能的質量（品質或品位）卻降低，也就是熱力學價值減少。因此，在能源利用的過程中應最大限度減少能源品質的損失，在能夠滿足用能要求的前提下，應選取品位低的能源。吳仲華[1]提出“溫度對口、梯級利用”的能源高效利用原則；吳智泉等[2]提出基于熱力學第二定律的折算標準煤系數，這些都是基于能源品質利用的角度而提出的。在實際的生產與生活中，受能源需求與供應兩者匹配結構的限制，能源在利用過程中存在著巨大的能質損失。對區域能源結構進行優化配置，減少能源需求與供應匹配過程中的能質損失，對于提高區域整體能源利用效率具有十分重要的意義。本文將從能質的角度分析區域能源需求與供應的統計核算方法，為區域能源結構優化提供理論基礎。

1 能源的“當量電”折算

在各能源品種中，通常認為功和電的能質最高，適宜選取功或者電作為能源品位的量度。江億院[3]士通過系統討論當前能源統計核算方法中存在的現實性矛盾和問題，提出了“等效電法”的折算思路，即以高品位的電作為標準，將其它終端能源按一定的折算系數轉化為電量。本文同樣也選取電量作為能源品質的量度。通過分析各品種能源的物理化學特性和當前的技術水平，從能質的角度將各品種能源折算為“當量電”，以實現對不同品種能源的統計核算。

1.1 礦物燃料

通常采用礦物燃料的燃料火用衡量其做功能力，燃料火用包括物理火用和化學火用。由于在常規的能源動力系統中，礦物燃料通常是采用直接燃燒的方式將燃料的化學能轉換成熱能(物理火用)，并通過熱力循環實現熱功之間的轉換。因此，根據礦物燃料物理火用的計算方法[4]以及火用與電的換算系數，可得到礦物燃料的理論當量電折算公式為：

式（1）中：Tbum表示礦物燃料的理論燃燒溫度；T0表示環境溫度，兩者均為絕對溫度；Q表示礦物燃料的低位發熱量，單位kJ；E表示折算的當量電量，單位kWh。

由于礦物燃料在空氣中燃燒的最高溫度約為2000℃，因此，根據式（1）可知，礦物燃料的實際當量電折算公式應為：

式（2）中，Q表示單位礦物燃料的低位發熱量，其中，標準煤、油品和天然氣的低位發熱量分別為29271kJ/kg、43070kJ/kg與38931kJ/m3；E表示單位礦物燃料的當量電量。

1.2 蒸氣

蒸汽屬于二次能源，是通過礦物燃料、電能或其它形式的能源轉化而得到。所能提供與使用的能量可以用蒸汽的焓表示，做功能力為蒸汽的火用值，可以按照公式（3）計算[5]。根據火用與當量電的折算，單位焓值蒸汽的當量電可按照公式（4）計算。

式中，h''與s''分別表示對應溫度或壓力下的蒸汽的焓和熵。

1.3 電力與新能源

電力按照1比1的比例折算為當量電。目前絕大多數新能源都通過轉換為電力的形式而被利用，例如風能、太陽能和生物質發電等。這些能源的折算按照其生產的電力折算為當量電。

2 區域能源的統計核算

2.1 能源需求的統計核算

能源需求的本質是對能質的需求，因此，只有從能質的角度出發才能實現對區域能源需求量的準確統計。下面將分能源品種討論區域各行業對不同品種能源的當量電需求量，以期科學合理的統計各行業的能源需求情況。

2.1.1 煤炭

由于行業差異，煤炭在不同行業中的用途和使用環境各異。在石油加工、煉焦和核燃料加工業中，煤炭主要被用做原材料，使用設備以煉焦爐為主；在電力、熱力的生產與供應業中，煤炭主要被用于發電和生產蒸汽，使用設備以大型燃煤鍋爐為主；在化工行業中，小部分煤炭被用做原材料，大部分煤炭被用做提供熱量，使用設備以工業鍋爐為主；在其它行業中，煤炭則主要被用做提供熱量，使用設備以工業鍋爐、供暖鍋爐和普通爐為主。針對各行業使用煤炭的實際情況，可按照以下方法統計各行業對煤炭的當量電需求量。

對于電力、熱力的生產與供應業，首先統計燃煤電廠所生產的電力和熱力，然后將這部分電力和熱力折算為當量電，即可得到該行業對煤炭的當量電需求量。

對于石油加工、煉焦和核燃料加工業，由于煤炭被當作原材料，而并不是以能源的形式被消耗，在能源結構調整中將不考慮這部分煤炭的影響。

對于化工行業，被用做原材料的部分煤炭同樣也不考慮。而對于用于提供熱量的部分煤炭，首先統計這部分煤炭的消耗量，然后根據化工行業使用煤炭的溫度和煤炭的燃燼率將這部分煤炭折算為在該使用溫度下的當量電，即可得到該行業對煤炭的當量電需求量。其中，煤炭的燃燼率主要受燃燒溫度、與空氣的接觸面積以及過量空氣系數的影響，一般對于工業行業，煤炭的燃燼率約為90%，對于居民和工商業，煤炭的燃燼率約為80%。[6]

對于其它行業，煤炭主要以熱量的方式被利用，因此根據這些行業使用煤炭的溫度、煤炭的燃燼率和煤炭的終端消耗量，運用煤炭當量電折算公式，即可計算出這些行業對煤炭的當量電需求量。

2.1.2 油品

在實際生產中，各行業使用油品主要用于提供動力，通常是驅動內燃機。當前，重型內燃機熱效率約為40%，普通內燃機的熱效率約為35%，在交通運輸業中油品的熱效率約為35%，其它行業約為33%。[7]但在電力、熱力的生產與供應業中，油品則主要用于發電，使用設備以燃油鍋爐和燃煤鍋爐為主，該行業對油品的當量電需求量的計算方法可參照該行業對煤炭的當量電需求量的計算方法。由于油品的燃料火用與熱量幾乎相等，因此，對于其它行業可根據行業使用油品的平均熱效率和油品的使用量計算該行業在使用油品過程中所需求的火用量，將電與火用的換算系數折算為當量電，即得到這些行業對油品的當量電需求量。

2.1.3 天然氣

天然氣與煤炭類似，除少量用于工業原料外，主要通過燃燒的方式提供熱量。因此，各行業對天然氣的當量電需求量的統計方法與煤炭類似。需要注意的是，由于天然氣屬于氣體燃料，除少部分泄露外，一般都能夠充分燃燒，因此天然氣的燃燼率通常認為是1。

2.1.4 電力

在電力消耗中，大部分用于提供動力，也有少部分用于提供熱量。因此，統計各行業對電力的當量電需求量時，需分兩種情況考慮。對于提供動力的部分，當量電需求量即為消耗的電量；對于提供熱量的部分，則需要根據熱量需求側的溫度計算被有效利用的當量電。

2.1.5 熱力

熱力全部用于供熱，供熱過程中的不可逆損失主要取決于傳熱過程中的溫差，因此，可以根據蒸汽的溫度和傳熱溫差統計各行業對蒸汽的當量電需求量。

綜合上述分析，可根據相應的公式計算各行業對不同品種能源的當量電需求量。再根據當量電的等價性，通過求和的方式即可計算各行業對當量電的需求總量以及整個區域對當量電的需求總量。

2.2 能源供應的統計核算

區域能源供應的統計核算方法相對簡單，主要包括以下幾個步驟：

（1）統計各行業不同品種能源的實物供應量；

（2）將不同品種能源的實物供應量折算為當量電量；

（3）分行業求和得到各行業的當量電供應量，整體求和得到區域的當量電供應量。

其中，能源實物供應量取決于終端能源消耗量、能源儲運損失與能源庫存變化量，通常能源庫存的變化量較小，尤其是電力和熱力，庫存幾乎一直維持為零，因此，可以近似用各行業的終端能源消耗量與儲運損失之和代替能源的實物供應量。

對于區域的能源統計，各行業的終端能源消耗量相對容易統計，而儲運損失則難以精確到行業。能源的儲運損失是指能源在運輸和儲存過程中因泄漏、自耗等導致的損失，這部分損失主要取決與能源的儲運方式。在同一技術水平下，能源的儲運方式主要決定于能源品種，例如電力主要通過電網運輸，煤炭主要通過鐵路、公路和水路交通運輸。因此，可以粗略的以區域內各品種能源的平均儲運損失率代替各行業對應能源品種的儲運損失率。

3 北京市能源的統計核算

在北京市統計局公布的數據中，擁有完整統計數據的最近年份為2013年，因此，本文以北京市2013年的數據為案例，通過統計核算分行業不同品種能源的需求量和供應量，詳細介紹區域能源需求和供應的統計核算方法以及統計核算的具體步驟。

3.1 行業的劃分

本文在北京市統計局對社會經濟行業劃分的基礎上，結合不同行業消耗能源的特征將行業整合為表1中的12個行業。

表1 北京市社會經濟行業劃分

3.2 分行業能源需求與供應統計核算

3.2.1 環境參數

在各品種能源的當量電折算中，首先需要確定環境參數。根據北京市氣象局的數據，全年參考溫度為12.7℃(285.85K)，環境壓力變化甚微，可以近似的看作為標準大氣壓[8]。將環境參數代入式（1）-式（4），即可得到北京市環境參數下不同品種能源的當量電折算公式。

3.2.2 終端能源統計

首先從北京市統計局獲取2013年分行業主要能源的終端消耗量數據，由于行業劃分差異，需將獲取的初步數據按照表1中的行業劃分進行整合。然后根據北京市環境參數下各品種能源的當量電折算公式，計算各行業所消耗主要能源的當量電量，結果見表2。

3.2.3 能源需求統計

根據上述分析可知，在統計各行業對煤炭、天然氣和部分電力的當量電需求量時，需已知能源需求側的溫度。鑒于統計各行業不同品種能源需求側的溫度工作量巨大，而且北京市沒有相關的統計數據。通過查閱相關文獻發現，一些學者針對美國和南非主要行業熱力需求的溫度平均溫度進行了研究，本文參考美國和南非的數據。[9,10]

在統計各行業對電力的當量電需求量時，由于電力不僅提供動力還提供熱量，且這兩種用能方式的當量電折算存在較大的差異，因此，需統計各行業消耗的電力中用于提供動力和熱量的比例。同樣，鑒于統計這項數據的工作量巨大，本文參考希臘等國家的數據。[11]

表2 北京市2013年分行業消耗主要能源的當量電量 (單位：億千瓦時)

綜合上述分析，根據各行業需求熱量的平均溫度、油品的熱效率、電力消耗中用于提供動力和提供熱量的比例等，計算得到北京市2013年分行業對不同品種能源的當量電需求量見表3。

需要說明的是，在我國無法查找到的數據在歐美和南非等國家卻有研究，更加說明我國的能源統計方法和基礎工作需要進一步加強。

3.2.4 能源供應統計

上文計算了分行業主要能源的終端消耗量，因此，再確定北京市2013年各品種能源的平均儲運損失率即可統計出北京市分行業能源的供應量。根據北京市統計局的數據[8]，2013年各主要品種能源的儲運損失率分別為：煤炭，3.15%；油品，4.29%；天然氣，5.42%，電力，5.80%；熱力，6.36%。

根據表2中的數據以及各主要品種能源的儲運損失率計算得到北京市2013年分行業主要能源的供應量見表3。

比較表3中各行業的能源需求和供應數據，可以發現同一行業對同種能源的供應量明顯大于需求量，這說明北京市在能源利用過程中存在著巨大的能質損失。同時，從表3中能源需求量占能源供應量的比例來看，不同能源品種之間存在較大的差異，同種能源不同行業之間也存在明顯的差異，這說明區域各行業在使用能源時，能源之間不僅存在絕對優勢，還存在行業間的比較優勢，通過利用這兩方面的優勢，對區域能源結構進行合理配置，將可以挖掘出大量的節能潛力，實現區域能源的節約利用。

4 結論

能源統計核算是區域能源評價和能源規劃的基礎條件之一，只有在科學合理的統計能源需求量和供應量的基礎上，才能全面評價區域的能源利用現狀和能源政策，從而制定出最優的能源規劃方案。本文從熱力學第二定律的角度出發，提出了基于能源結構調增的能源統計核算方法，該方法在反映能源的“量”和“質”的同時，還結合了當前的技術水平和行業用能特征，使得能源統計核算更貼近實際。同時，通過比較區域各行業對不同品種能源的需求量和供應量，還可以得到各行業在使用不同品種能源過程中的能量損失情況。最后，本文以北京市為例詳細介紹了區域能源需求和供應統計核算的具體步驟。案例分析結果表明，能源消耗中被有效利用的比例不僅存在能源品種間的差異，還存在行業間的差異，這為區域能源結構的調整提供了良好的理論基礎，通過充分挖掘能源品種之間的絕對優勢和行業間的比較優勢，優化配置能源的需求與供應結構，可減少能源損失，實現能源節約。

表3 能源需求量占能源供應量的比例

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