基于系統動力學的能源需求規劃

黃元生，張 茜

(華北電力大學 經濟管理系，河北 保定 071003)

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基于系統動力學的能源需求規劃

黃元生，張 茜

(華北電力大學 經濟管理系，河北 保定 071003)

能源是國民經濟發展和社會進步的重要物質基礎，也是影響人類生存環境的重要因素。本文基于系統動力學原理，運用相應的軟件模擬預測我國2015-2020年的能源消費需求。為了滿足能源需求，必須調整能源結構，大力發展科學技術，提高能源利用效率，逐步引進碳排放稅。

系統動力學；能源需求；GDP；人口；環境

能源是國民經濟發展和社會進步的重要物質基礎，也是影響人類生存環境的重要因素。能源在經濟和社會發展的諸多方面甚至起決定作用。隨著經濟的發展，國民經濟各部門之間的關系日趨復雜，能源系統規模越來越大，各個能源子系統之間的關系也越來越復雜。能源系統是一個非線性的復雜系統，社會進步、經濟發展、科技進步、宏觀政策和國際關系都可能直接影響能源系統的運行；與此同時，能源供給結構也反過來影響經濟發展和環境變化。因此，能源規劃與分析對于能源需求、能源供給以及電力系統的規劃以及能源結構的調整有十分重要的意義。

一、能源需求概述

隨著經濟的發展我國能源需求呈持續增長的狀況，1978年我國能源需求總量為57144萬噸標準煤，2000年能源需求總量為145531萬噸標準煤，到2011年能源需求總量為348002萬噸標準煤。但與此同時我國能源消費結構日趨合理化，但是仍然處于煤炭占主導地位的情況中，1978年煤炭消費占能源消費總量的70.7%，2000年年煤炭消費占能源消費總量的69.2%，2011年煤炭消費占能源消費總量的68.4%。1993年我國成為石油純進口國，2003年我國煤炭的進口量也超過了出口量，這對國內甚至國際能源生產和消費都產生十分顯著的影響[1]。本文基于系統動力學原理進行能源需求規劃以期為能源生產、能源供給、能源消費以及能源結構等方面的調整提供科學的依據。

二、系統動力學概述

系統動力學(System Dynamic)是通過分析社會經濟系統內部各變量之間的反饋結構關系，來研究整個系統整體行為的理論。系統動力學方法研究復雜問題要求從系統整體角度出發，進行定性分析和定量分析，結合實際進行推理。系統動力學被稱為“政策的實驗室”，它采用實驗的方法針對社會科學問題進行模擬和研究，然后根據仿真模擬的結果對政策進行調整。

(一)系統動力學特點

系統動力學的特點主要包括以下幾個方面：

1.區別于傳統的按經濟變量之間的關系建立均衡模型，系統動力學根據事物的因果關系建立“頭腦模型”，即根據人的思維建立因果關系。

2.系統動力學運用軟件解決資料不完整等問題。

3.系統動力學主要關注系統的結構及其行為而不是強調數據的分析和預測，盡管可能存在一定的誤差但是只要模型能夠反映真實世界的狀況就算作是成功[2]。

(二)系統動力學軟件

隨著計算機技術的發展，出現了很多系統動力學軟件，本文采用Vensim 軟件建立能源需求預測的模型。Vensim 是由美國Ventana Systems公司研發的可視化建模軟件。軟件具有強大的圖形編輯環境，通過使用該軟件可以對建立的系統動力學模型進行仿真、分析和檢驗。

(三)系統動力學基本步驟

系統動力學方法是把所研究的對象看作復雜的反饋結構，是隨時間變化的動態系統，通過系統分析繪制表示系統結構和動態的流程圖，然后把各個變量之間的關系定量化，建立系統的結構方程式，以便用計算機進行模擬，從而預測系統的未來。系統動力學的具體步驟如下：

1.確定系統的目標與邊界。

2.建立系統動力學模型，確定影響因素之間的因果關系。

3.畫系統流程圖和建立狀態方程、速率方程、輔助方程，并確定模型參數。

4.將模型運用Vensim軟件進行計算機仿真，對模型參數進行有效性檢驗。

三、研究方法與步驟

(一)系統目標和邊界的確定

本文旨在研究能源需求與經濟增長、環境、人口以及技術進步等因素的之間的因果關系，通過分析該因果關系進行計算機仿真，從而預測出未來的能源需求。

(二)建立模型

因果關系分析：

本文能源消費需求系統包括經濟增長、環境、人口和技術進步四部分。系統每部分的運行既取決于系統自身內部的結構也取決于外部系統對本系統的作用。能源消費需求的增長的主要原因是經濟的發展，經濟發展能夠拉動能源消費需求的增長，能源消費需求的增長又拉動經濟的增長。人口的增長可以為經濟的發展提供大量的勞動力從而促進經濟的增長，經濟的增長促進技術投資加大，即促進能源技術進步和減少污染物排放，能源技術進步促使能源需求加大[3]，而能源需求的加大又會帶來環境污染。具體的能源消費需求各個因素之間的因果關系如圖1所示。

圖1 能源消費需求系統各因素之間的因果關系

在分析能源消費需求系統各個子系統之間的相互關系和相互作用時，確定該模型的反饋回路，其中正號表示正反饋關系，負號表示負反饋關系：

能源消費需求→+GDP總量→+人均GDP→+能源消費需求；

能源消費需求→+GDP總量→+能源消費需求；

能源消費需求→+GDP總量→+技術投資→+經濟規模→+能源消費需求；

GDP總量→+技術投資→+能源技術投資→+能源技術進步→-能源消費需求→-GDP總量；

5.GDP總量→+技術投資→+環保技術投資→+污染物處理量→-污染物排放量→-能源消費需求總量→+GDP總量。

能源系統的主要變量是能源消費總量，而能源消費總量是有基期的能源消費總量以及能源消費量變化率決定的，能源消費變化率受經濟增長率、節能技術因子和能源消費彈性系數等因素的影響。經濟發展子系統主要的變量是GDP總量，通過技術投資帶動技術進步進而影響能源消費需求量和污染物的排放。人口子系統主要的變量是人口總量，它通過影響人均GDP來影響能源消費需求。而環境系統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生量也考慮了能源二氧化硫減少量。本文的各個風險因素的計算方程內容比較繁瑣，在這里不再贅述。本文所建立的能源消費系統流程圖如圖2所示。

圖2 能源消費需求系統流程圖

(三)計算機仿真結果分析

本文以2006年為初始年，通過將全國的GDP、人口、能源消費需求的初始值輸入系統進行仿真模擬并得出2009-2011年仿真模擬的結果，具體的結果如表1所示。

表1 仿真結果預測分析

根據表1可以得出，根據模型仿真2009-2011年的GDP、人口和能源消費需求計算出來的結果與實際值之間的誤差均不超過10%(系統動力學仿真誤差不得超過10%，否則則重新設定參數)，所以證明本文所建立的系統動力學模型能夠較為真實的反映實際的能源消費需求系統的狀況，可以用于進一步的能源消費需求預測仿真模擬。表2是計算機仿真得到的2015-2020年的能源消費需求、GDP和人口的預測值。

表2 2015-2020年仿真預測結果

由表2仿真預測結果可以得出2015-2020年GDP增速逐漸漸緩，人口增長的速度也逐漸緩慢。但是，隨著經濟的發展和科學技術的進步，能源消費需求的增速依然保持現有的速度，甚至到2020年能源消費需求將有可能突破4億噸標準煤。

四、對策建議

隨著經濟發展和技術進步我國在未來幾年中能源需求將持續增長，這給國內能源市場甚至國際能源市場帶來巨大的壓力，因此，我們應當盡可能的調整供給和需求以滿足未來對能源的需求。

(一)調整能源結構

我國是世界上第二大能源消費需求國，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構不僅耗費大量的煤炭資源和資金，而且也使得環境污染問題日益嚴重。現階段我國煤炭能源消費需求占能源消費需求總量的68.4%，仍然占據主導地位。調整能源結構從根本上是需要調整能源消費結構，引導能源投資、消費方向。例如近日國務院常會議上提出擬推出六項解決措施解決光伏行業的發電量收購、補貼發放和融資困難等問題[4]。除了引導能源投資、消費方向，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，促進能源品種的多樣化。

(二)大力發展科學技術，提高能源利用效率

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

(三)逐步引進碳排放稅

減少能源消費需求的另一方法是引進碳排放稅，引進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企業做環保項目使用清潔能源，改善能源消費結構。因為對煤炭能源消費的產品征收碳稅能夠拉近煤炭能源的價格與其他清潔能源的價格，從而具有提高煤炭能源的替代彈性[5]。

[1] 國家統計局.中國能源統計年鑒[M].北京：中國統計出版社，2006.

[2] 王其潘.系統動力學[M].北京：清華大學出版社，1994.

[3] 劉東.基于系統動力學的區域電力負荷中長期預測模型研究[D].北京：華北電力大學碩士學位論文，2012.

[4] 韓可琦，王玉浚.中國能源消費的發展趨勢和前景展望[J].中國礦業大學學報，2004(1).

[5] 馬曉微，劉蘭翠.中國區域能源產業終端能源消費的影響因素[J].中國能源，2007(7).

(責任編輯：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(保定)經濟管理系主任，教授；張茜，女，華北電力大學(保定)經濟管理系碩士研究生。

F206

A

1008-2603(2016)01-0018-04