節能服務公司參與的低碳供應鏈減排研究

趙道致，史功明

(天津大學管理與經濟學部，天津 300072)

當前國際社會越來越重視全球變暖問題，強調減少溫室氣體排放的低碳經濟迅速成為各國應對全球氣候變化的經濟發展新模式。低碳經濟對傳統供應鏈提出了新的要求，低碳供應鏈應運而生。低碳供應鏈中各個企業都尋求最優的節能減排方式，目前主要有兩種:一種是通過減排研發活動進行技術減排或合作技術減排，這種減排方式需要供應鏈節點企業自身承擔研發風險，且往往意味著較多的投入;另一種是通過碳排放權交易行為進行減排，是一種市場化的減排模式［1］。

市場化的減排模式催生出低碳供應鏈的新經濟主體——節能服務公司。節能服務公司(energy service company，ESCo)，又稱為能源管理公司，是提供能源效率服務，通過合同能源管理機制運作、實施節能項目、通過節能獲得效益、以合同能源管理項目為主業、具有獨立法人資質的專業化服務公司。節能服務公司與用戶簽訂節能服務合同，向用戶提供能效診斷、可行性研究、項目設計、項目融資、設備和材料采購、工程施工、人員培訓，以及節能測試與驗證、運行、維護和管理等部分或全部節能服務，并通過合同能源管理項目與用戶分享項目實施后產生的節能效益［2］。

目前，國內外關于低碳供應鏈運營優化的研究較為豐富。低碳背景下消費者行為影響低碳供應鏈運營的重要因素，得到了一些學者們的重視。Gill［3］和Girod、de Haan［4］分析了消費者對于低碳產品的消費偏好，并構建低碳產品的需求函數。Zugang(Leo)Liu等［5］研究消費者低碳意識對于供應鏈博弈參與方利潤的影響。曾剛等［6］對碳排放權交易體制等細節問題進行了全面的綜述，分析碳交易市場基本制度和運行特征。碳排放約束對于低碳供應鏈企業運營影響也得到一些學者們的關注。Hua等［7］研究在碳交易機制下，企業面臨確定性需求，企業庫存管理的最優訂貨批量優化問題。Benjaafa等［8］研究供應鏈合作減排對供應鏈運營成本和碳排放量的影響，提出激勵供應鏈上下游企業尋求合作減排的策略。Xiting Gong等［9］采用動態模型研究碳排放交易對于制造商產量決策的影響，確定使成本最小化的最優碳交易決策與產量決策。王芹鵬等［10］研究零售商主導的兩級供應鏈中，制造商零售商減排水平在合作契約下最高、但供應鏈總價值在合作契約下最大是有條件的。碳排放約束會改變傳統供應鏈結構。Cachon等［11］研究了碳足跡對供應鏈空間結構設計和供應鏈運營的影響。Chaabane等［12］運用規劃方法設計一個在碳交易框架下的可持續供應鏈結構。部分學者對于低碳供應鏈博弈相比傳統供應鏈博弈，對博弈主體變化進行深入研究。Du等［13］考慮在總量控制和配額交易體系下，提出一種新的低碳供應鏈結構，由非盈利綠色組織作為碳排放權供應商與碳排放依賴企業進行博弈，采用報童模型分析低碳供應鏈企業行為與決策。夏良杰等［14］考慮政府與企業間的博弈問題，比較合作與競爭2種情況下企業利潤與社會福利關系。

關于節能服務公司相關的研究，主要集中在發展趨勢研究［15］、風險管理以及融資研究［16］等方面。鮮有文獻在低碳供應鏈的視角下對節能服務公司主體進行研究。

本文在低碳供應鏈運營優化等研究的文獻基礎上，采用博弈論的方法，將節能服務公司視為低碳供應鏈博弈中的重要經濟主體，對比無節能服務公司參與的低碳供應鏈博弈和有節能服務公司參與的低碳供應鏈博弈，分析節能服務公司的相關決策以及供應鏈總體的減排效果。

1 模型建立及求解

本文基于完全信息下單個供應商和單個制造商組成的傳統供應鏈結構，分別研究供應商和制造商合作減排研發的低碳供應鏈結構和節能服務公司作為新主體參與的低碳供應鏈結構。制造商生產產品直接銷售給消費者，供應商向制造商供應與產品等量的零部件。

1.1 已知參數與決策變量

c:供應商生產零部件成本，設為常數，且c＜w;

q:制造商產品需求;

I:企業減排研發投入;

t:企業減排研發效率系數，tU和tESCo分別表示合作減排效率系數和節能服務公司研發減排的效率系數;

a:產品需求函數中的市場容量;

b:制造商產品需求對價格彈性系數;

d:制造商產品需求對總減排量彈性系數;

ρM:碳排放權市場上單位減排量價格，本文暫不考慮市場價格波動，視為常數;

eG:政府強制規定減排量，eGS和eGM分別表示政府強制規定供應商和制造商減排量;

∏:各主體利潤，∏S、∏M、∏U、∏ESCo分別表示供應商、制造商、供應鏈、節能服務公司利潤;

p:制造商決策變量，產品價格;

w:供應商決策變量，零部件價格，且w＜p;

e:供應鏈、節能服務公司決策變量，減排研發效果，即減排量，eU表示合作研發下供應鏈決策合作研發減排量，eB表示節能服務公司參與下供應鏈決策購買減排量;

ρESCo:節能服務公司決策變量，單位減排量價格。

1.2 基本假設

1)假設低碳供應鏈企業遵循碳排放量的總量控制和配額交易(Cap＆Trade)原則。供應鏈企業成本收益結構發生變化:企業成本不僅包括生產性成本，還包括為減排活動投入的成本;企業收益不僅包括產品銷售收益，還包括碳排放權交易實現的收益。

2)隨著低碳經濟的發展，消費者低碳意識逐漸加強，產品的低碳屬性影響消費者的心理和行為選擇，消費者對產品的低碳偏好越來越明顯。企業通過技術減排或者依托節能服務公司技術減排無形中起到彰顯企業社會責任的作用，將對產品需求產生一定的影響。因此，假設供應鏈產品需求函數符合q=a－bp+de，其中:a反映市場容量;b反映價格變化對于需求的影響;e表示供應鏈合作研發或者通過節能服務公司服務獲得的減排量;d反映供應鏈總減排量e變化對于需求的影響程度。

3)減排研發屬于企業研發活動之一，假設暫不考慮企業關于產品的其他研發活動。研發活動存在規模不經濟性［17］，類比 d’Aspremont和Jacqumin［18］的AJ模型關于研發的成本函數，符合規模收益遞減規律。因此企業減排研發投入I=te2，其中減排研發效率系數t表示減排研發投入與減排效果之間的關系。

4)假設節能服務公司依靠承包供應鏈企業減排研發并向供應鏈企業出售減排量盈利，供應鏈企業購買減排量超出政府強制減排量部分不再參與碳交易市場交易。節能服務公司研發剩余減排量歸屬于節能服務公司，并通過碳交易市場出售剩余減排量。

2 模型的構建與分析

2.1 合作減排研發下低碳供應鏈博弈模型(無節能服務公司參與下的低碳供應鏈博弈模型)

供應商和制造商在合作進行減排研發的情形下建立一種充分合作的關系。供應鏈上下游聯合起來決策減排研發效果以獲得供應鏈整體利潤最大化。在此合作關系下，減排投入與剩余減排量交易收益按照各自承擔政府強制減排量進行分攤。2個企業進行的是一個三階段的博弈:第1階段由雙方共同選擇供應鏈減排研發效果，以獲得供應鏈整體利潤最大化;第2階段由供應商根據觀察供應鏈減排研發效果決策決定零部件價格;第3階段，制造商根據觀察供應商零部件價格決策決定產品價格。

圖1 合作減排研發下低碳供應鏈博弈模型

供應鏈利潤函數為:

供應商利潤函數為:

制造商利潤函數為:

根據逆推歸納法，首先考慮第3階段，對于第1階段確定的eU和第2階段確定的w在此階段視為既定，制造商為最大化其利潤，將制定最優產品價格決策，因此令，可得:

將式(5)代入式(4)中，可得:

2.2 節能服務公司參與下低碳供應鏈博弈模型

節能服務公司作為低碳供應鏈中的新主體與傳統供應鏈中上下游主體有著明顯的不同。傳統供應鏈中上下游主體企業主要依靠產品等實體資源關系維系并進行博弈，企業輸入生產性資源輸出產品。供應鏈只涉及生產性資源市場和產品市場的交易，因此交易模式屬于二維交易模式。低碳供應鏈中企業除了參與生產性資源市場與產品市場的交易外，由于降低減排成本的驅動，企業還參與碳交易市場碳排放權的交易，因此低碳供應鏈下的交易模式屬于三維交易模式。節能服務公司依靠為低碳供應鏈提供節能服務降低供應鏈整體碳排放的服務資源關系維系并進行博弈，是第三維交易市場的聯結者。

在節能服務公司參與低碳供應鏈的博弈中，可視為以下4個階段的博弈:第1階段，供應鏈中供應商和制造商共同選擇從節能服務公司購買總減排量水平eB，以實現供應鏈利潤最大化;第2階段，節能服務公司根據其服務需求eB決策其減排研發水平eESCo以及單位減排量價格ρESCo，以實現節能服務公司利潤最大化;第3階段與第4階段與合作研發下低碳供應鏈供應商和制造商的價格博弈相似，供應商決定零部件價格之后，制造商決定產品價格。供應商和制造商的購買減排量支付給節能服務公司的費用與剩余減排量交易收益仍按照各自承擔政府強制減排量進行分攤。

圖2 節能服務公司參與下低碳供應鏈博弈模型

供應鏈利潤函數為:

其中，假定eB恒滿足eB≥eGS+eGM。

供應商利潤函數為:

制造商利潤函數為:

節能服務公司利潤函數:

根據逆推歸納法，首先考慮第4階段，對于第1階段確定的eB、第2階段確定的ρESCo和eESCo以及第3階段確定的w，在此階段視為既定。制造商為最大化其利潤，將制定最優產品價格決策，因此令，可以解得:

將式(12)代入式(11)中，可以解得:

第2階段對于節能服務公司來說，第1階段確定的eB在此階段視為既定。節能服務公司為最大化其利潤，將制定最優ρESCo和eESCo決策，解決約束極值問題:

其中，ρESCo－MAX表示供應鏈中供應商和制造商能夠接受的減排服務的最大價格，否則供應商和制造商將選擇合作進行減排研發或者各自單獨進行減排研發，是節能服務公司參與低碳供應鏈博弈的前提。此外，還需要保證節能服務公司研發的減排量足夠滿足供應鏈中企業的需求，即eESCo≥eB。

假定eB恒滿足即節能服務公司最優研發減排量能夠滿足供應鏈企業減排量需求時，容易證明，當時，該約束極值問題的解為:

將 ρESCo= ρESCo－MAX以及式(13)代入式(7)中，令，可得:

2.3 模型結果分析

2.3.1 節能服務公司決策分析

1)服務定價決策

命題1 在節能服務公司參與下低碳供應鏈中，節能服務公司服務定價的均衡價格即節能服務公司能夠制定的最大價格為:

證明 對于供應商和制造商而言，選擇合作減排研發還是采用節能服務公司服務進行減排，其依據是供應鏈整體是否能夠獲得利潤最大化。將以上2種低碳供應鏈博弈模型下的供應鏈利潤函數最大值進行比較，令 ∏U(合作減排研發)=∏U(節能服務公司參與)，求得供應鏈企業可以接受的減排服務的最大價格為:

ρESCo－MAX為節能服務公司服務價格決策臨界點:當節能服務公司提供單位減排量服務價格小于ρESCo－MAX時，供應鏈中供應商和制造商傾向于向節能服務公司購買減排量服務，此時∏U(合作減排研發)＜∏U(節能服務公司參與);當節能服務公司提供單位減排量服務價格大于ρESCo－MAX時，選擇節能服務公司的供應鏈總利潤小于合作研發下供應鏈總利潤，節能服務公司將喪失客戶，此時∏U(合作減排研發)＞∏U(節能服務公司參與)。由于節能服務公司也是追求利潤最大化的主體，因此供應鏈企業與節能服務公司博弈的均衡策略是ρESCo= ρESCo－MAX，此 時∏U(合作減排研發)= ∏U(節能服務公司參與)。同時，由式(19)可以看出:節能服務公司在對單位減排量服務進行定價時，不僅需要考慮目前碳交易市場上單位減排量的價格，而且需要針對低碳供應鏈產品需求函數特征因素制定價格。此外，低碳供應鏈合作減排研發的效率以及供應鏈強制規定減排量也是影響節能服務公司進行服務定價的重要因素。

2)節能服務公司存續機制

命題2 在節能服務公司參與下低碳供應鏈中，節能服務公司如果實現存續，則需要滿足以下條件:

證明 節能服務公司若想要維持存續，必須保證其提供減排服務有利可圖，即令∏ESCo＞0。節能服務公司的核心能力來自于其減排研發能力，減排研發能力越強，減排的邊際成本越低，從而保證服務有利可圖。

2.3.2 供應鏈總體減排效果分析

命題3 在其他條件不變的情況下，當政府強制減排量的市場購買成本大于合作研發減排投資成本時，節能服務公司參與的低碳供應鏈將能夠改善供應鏈名義減排效果。

證明 節能服務公司參與低碳供應鏈下，供應商和制造商名義實現總減排量為:

供應商和制造商合作減排研發的低碳供應鏈下，供應商和制造商實現總減排量為:

直接比較eB與eU的大小比較困難，因而對式(20)進行變形:

將式(21)代入式(22)可得:

式(23)的經濟含義是:節能服務公司的參與是否能夠改善供應鏈名義總體減排效果，取決于供應鏈企業從碳交易市場獲得政府強制減排量的市場購買成本(ρM(eGS+eGM))與合作研發減排投資成本之間的大小關系。在其他條件不變的情況下，當政府強制減排量的市場購買成本大于合作研發減排投資成本時，節能服務公司參與的低碳供應鏈能夠改善供應鏈名義減排效果。

需要關注的是:在節能服務公司參與低碳供應鏈下，供應商和制造商實際實現總減排量為當節能服務公司減排效率滿足時，供應鏈實際實現總減排量將得到改善。由此可見，節能服務公司在減排研發能力足夠強并足以滿足供應鏈企業需要的情形下，供應鏈實際總體減排效果較合作研發情形下有所改善。

3 算例分析

以某低碳供應鏈為例，假設該供應鏈是由一個供應商和一個制造商構成的兩級供應鏈，分別比較合作減排研發、節能服務公司參與下的低碳供應鏈情境下的結果，并通過敏感性分析驗證參數對結果的影響關系。其中參數如表1所示。

表1 參數表

3.1 計算結果

由表1可以得到:合作減排研發下，供應鏈合作研發減排量eU為34483，產品價格p為24897，零部件價格w為23931。因而可以計算出該情境下，供應鏈產量 q為 386，供應鏈利潤∏U(合作減排研發)為593793。

將參數代入式(19)中可以得到:在節能服務公司參與下，對比合作研發情境，可以求得節能服務公司服務定價最大值即供應鏈企業能夠接受的最大價格ρESCo－MAX為15，小于碳交易市場單位減排量價格20。當節能服務公司按照最大價格進行定價時，將參數代入式(16)～(18)中，可以得到供應鏈購買減排量即供應鏈名義減排量eB為41622，產品價格p為25030，零部件價格w為24667。因而，可以計算出該情境下，供應鏈產量q為404，供應鏈利潤∏U(節能服務公司參與)為593793。

對于低碳供應鏈新主體——節能服務公司，將相關結果代入式(18)中，可以得到節能服務公司研發減排量eESCo為50000，因而可以計算出節能服務公司利潤∏ESCo為298219。節能服務公司參與的低碳供應鏈總體實際減排量(50000)大于合作研發下供應鏈總體減排量(34483)。

3.2 敏感性分析

低碳供應鏈與傳統供應鏈最大的不同在于低碳供應鏈考慮低碳對于消費者需求的影響以及考慮碳交易問題，因而本文敏感性分析僅考慮制造商產品需求對總減排量彈性系數和碳排放權市場價格對于各數值結果的影響。

1)制造商產品需求對總減排量彈性系數d根據表1參數，假定其他因素不變，取d∈［0.005，0.015］。

制造商產品需求對總減排量彈性系數d變化對于節能服務公司制定最大價格ρESCo－MAX、供應鏈名義減排量(eU，eB)以及供應鏈利潤(∏U)的影響如圖3所示。

在給定取值范圍內，隨著制造商產品需求對總減排量彈性系數增加，即消費者低碳意識對于需求的影響增加，節能服務公司定價呈上升趨勢;名義減排量方面，節能服務公司參與改善名義減排量的優勢越來越不明顯，合作研發產生的名義減排量呈緩慢上升趨勢;而對于供應鏈企業利潤而言，能夠提高供應鏈整體利潤。

2)碳排放權市場價格ρM

根據表1參數，假定其他因素不變，取ρM∈［15，25］。

碳排放權市場價格ρM的變化對于節能服務公司制定最大價格 ρESCo－MAX、供應鏈名義減排量(eU，eB)以及供應鏈利潤(∏U)的影響如圖4所示。

圖3 制造商產品需求對總減排量彈性系數敏感度分析

圖4 碳排放權市場價格敏感度分析

在給定取值范圍內，隨著碳排放權市場價格的增加，節能服務公司制定最大價格總體呈下降趨勢，節能服務公司的價格優勢越加明顯;名義減排量方面，節能服務公司參與改善名義減排量的優勢越來越不明顯，合作研發產生的名義減排量呈上升趨勢;而對于供應鏈企業利潤而言，隨著碳排放權市場價格增加，供應鏈整體利潤呈上升趨勢。

4 結束語

在遵循碳排放量總量控制和配額交易原則的低碳供應鏈視角下，作為新經濟主體的節能服務公司參與供應鏈主體間的博弈，使得傳統供應鏈的博弈機制更加復雜化。博弈機制從傳統供應鏈只涉及產品決策擴展到既包含產品決策同時需要考慮節能減排決策，以實現利潤最大化目標。供應鏈中供應商和制造商等既可以選擇合作減排研發以實現低碳供應鏈利潤最大化目標，也可以借助節能服務公司完成減排實現利潤最大化目標。本文通過分別建立合作減排研發下低碳供應鏈博弈模型和節能服務公司參與下低碳供應鏈博弈模型，闡述新經濟主體參與下供應鏈減排博弈模式的變化。同時，分析了節能服務公司定價機制和存續條件并推導出節能服務公司參與下低碳供應鏈總體減排效果獲得改善的條件。最后采用本文算例分析與敏感性分析證明模型的正確性。

本文為簡化模型復雜度，假定需求為確定性需求，同時回避了碳交易市場上碳排放權的供求關系變化設定碳交易價格為常數。實際中需求往往是隨機性需求，碳排放權交易價格也是變動的。未來研究中將逐步使模型更加貼近實際。此外，本文尚未考慮節能服務公司參與產生的風險轉移效應，如供應鏈減排研發轉移給節能服務公司以及碳交易市場的收益風險等，未來研究中將進一步考慮和完善。

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