中國農業與工程機械尾氣減排控制措施的費效分析

龐凱莉，張凱山，第寶鋒，馬 帥

（四川大學建筑與環境學院，四川成都 610000）

近年來，我國非道路機械的保有量不斷增加。截至2015 年底，我國的非道路機械數量突破7000 萬，其中農業機械、工程機械數量大致占據了非道路機械總數的80%[1]，且數量在持續增長。例如，2010—2015 年農業機械、工程機械分別以3%～5%、6%～22%的增長率增加[2,3]。由于非道路機械大多數以柴油為燃料，其尾氣排放不容忽視。據估算，2006 年農業機械對NOx、PM 污染物的貢獻率分別為37%和59%，而工程機械對NOx、PM 污染物的貢獻率分別為14%和16%[4]。

與道路移動源相比，非道路移動源尾氣排放管理尚處于初步階段。國內外常見的減排控制措施主要有整車淘汰、發動機更換、發動機維修三種。整車淘汰是指將整臺機械淘汰并換新；發動機更換是指淘汰舊發動機，換為新發動機；發動機維修指加裝尾氣后處理設備。這三種減排措施均有各自的優缺點，如整車淘汰效率最高、減排效果最好，但經濟成本大。在實際制定尾氣減排控制政策時，除考慮減排的效果外，費用也往往是決定性要素。因此，評價尾氣減排控制措施是否經濟、有效，是所有決策的關鍵和前提，尤為重要。

本文選取我國非道路機械中保有量和排放量較大的農業機械和工程機械為研究對象，采用費效分析（CBA）方法對整車淘汰、發動機更換、發動機維修三種尾氣減排控制措施進行評估。通過對全國范圍內每類農業機械、工程機械的價格、殘余值、保有量、年齡分布、油耗、排放因子等進行調查統計及實測，估算2015—2020 年采取上述減排措施的經濟成本和減排效果，探討農業和工程機械尾氣排放控制最經濟有效的措施。研究所用的數據主要來自生態環境部環保公益項目[5]的研究成果，并在此基礎之上進一步擴充。

1 研究方法

本研究利用費效分析方法對我國非道路農業和工程機械尾氣減排控制措施進行評價，討論的三種主要減排措施為整車淘汰、發動機更換及發動機維修。費效分析方法是一種廣泛使用的對經濟活動方案的得失、優劣進行評價、比較以供合理決策的經濟數量分析方法[6-8]。雖然機械的活動水平會隨著機械年齡的變化而變化，但是根據目前我國尾氣排放清單估算的現狀以及本著簡化分析的角度出發，本研究假設農業機械和工程機械的活動水平不隨年齡的變化而變化，各自的使用年限分別為15 年和10 年。而且，在分析的年份區間內，各類機械的年齡分布均保持不變。另外，在采取相應的減排措施后，所有機械均達到國IV 排放標準。

本研究費效分析中的費用分析主要考慮新機械或發動機的費用、舊機械或發動機的殘余值、燃料費用、后處理設施及維修費用等，而效益分析主要以采取減排措施后NOx、PM 污染物的減排量表征。

本部分內容包括以下五方面：①機械分類；②機械保有量、年齡分布；③機械活動水平；④機械排放因子與油耗；⑤機械價格、殘值率、利率等經濟指標；⑥減排措施費用、效益估算。詳述如下：

1.1 機械分類

本研究主要關注農業機械和工程機械。農業機械主要是指在作物種植和畜牧生產過程以及農、畜產品加工和處理過程中使用的機械；工程機械是指用于工程建設的機械的總稱。本研究參照《中國工程機械工業年鑒》《中華人民共和國農業行業分類標準》及美國NONROAD[9]、OFFROAD[10]等非道路移動源排放模型中機械分類，將農業機械和工程機械分別分為12 和11 小類，如表1 所示。

表1 非道路農業機械、工程機械分類

1.2 機械保有量、年齡分布

機械保有量將影響尾氣的減排量和所需的費用。由于本研究假設機械在采取減排措施后，減排效果一樣，因此，機械的年齡分布并不影響其減排量。但由于不同年齡的機械的殘余值不同，年齡分布將影響本研究的經濟分析，因而是列入分析的考慮因素之一。

本研究應用神經網絡模型[11-13]估算和預測2004—2025年非道路農業及工程機械的保有量。對農業機械，選取農業機械購置（萬元）、農機總動力（萬kW）、機耕面積（km2）、機播面積（km2）、機收面積（km2）5 個因素作為模型變量。由于最近幾年數據不完整，本研究根據國家和行業統計年鑒，以及地方統計局發布的數據，采用1990—2014 年上述各模型變量和農業機械保有量的數據進行保有量的預測分析。在具體的模型構建時，先用1990—2010 年的數據搭建和訓練神經網絡模型，再用2011—2014 年的數據進行模型驗證。這些模型的驗證誤差均在1%以內。在應用建立的神經網絡模型之前，本研究利用這些歷史數據采用前饋神經網絡方法[14,15]逐年預測2015—2025 年的各模型變量的數值，并利用這些預測值估算相應年份的農業機械保有量。

而工程機械保有量的預測方法與上述農業機械類似，只是所采用的模型變量有所區別。工程機械保有量神經網絡模型的變量為施工面積、竣工面積、建筑業總產值。

此外，對于機械年齡分布，則是根據1990—2014 年各類型非道路機械的銷售量、進口量、出口量，以及各類機械的市場增加量估算得到。本研究采用國家和行業統計年鑒[3]中推薦的每年新增機械數量的估算方法，估算農業機械2000—2014 年（因其使用年限為15 年）、工程機械2005—2014 年（因其使用年限為10 年）每年新增機械的數量。該方法考慮了機械每年的銷售量、進口量、出口量、不確定性參數等，并假設在這些新增機械被淘汰之前其數量均保持不變的前提下，以某一機械車齡下，該年新增機械的數量占所有機械年齡機械數量總和的百分比，來估算各年齡的數量分布。在后續的分析中，假設這些年齡分布均保持不變。例如，在農業機械的使用年限內，2000—2014 年每年新增農業機械數量之和即為2014 年農業機械總保有量，其間任何一年的新增機械數量與2014 年機械總保有量的比值即為該年對應機械年齡的分布比例。工程機械的分析與農業機械類似。

非道路農業機械和工程機械各年份的保有量和基準年份的年齡分布分別如表2 和表3 所示。

表2 農業機械、工程機械各年份的保有量 (單位：萬臺)

這里必須指出的是，不同的機械類型，其年齡分布存在一定差異。但由于數據的嚴重缺乏，為了簡化估算，本研究中農業機械和工程機械小類的年齡分布也同樣參考表3的數值。

表3 農業機械、工程機械的年齡分布

1.3 機械活動水平

我國針對非道路機械活動水平的研究較少，且精確度低，涉及機械種類少。農業機械依據作業類型的不同，其年均工作時間在100～2000 小時[16]，而工程機械的平均工作時間可在1100～1800 小時[17]。本研究的機械活動水平主要參照2014 年原環保部頒布的《非道路移動污染源排放清單編制技術指南》[18]。

1.4 機械排放因子與油耗

由于我國對非道路機械尾氣排放研究尚處于初步階段，加之非道路機械尾氣排放的實際測量較為復雜且難度較大，因此排放數據相對缺乏。目前對于這類機械尾氣排放因子的確定主要參考國外NONROAD、OFFROAD 等模型的結果。本研究中所有機械的排放因子主要來自NONROAD 模型和部分實測數據[5]，詳見表4 和表5。

表4 農業機械排放因子 ［單位：g/（kW·h）］

表5 工程機械排放因子 ［單位：g/（kW·h）］

另外，油耗數據來源于20 臺非道路機械的實測數據[5]，其中包括15 臺工程機械、5 臺農業機械。油耗數據為多次測量的小時平均數據。通常情況下每次測量的時間為1～2h。使用實測數據建立工程機械油耗與相應功率之間關系，相關指數為0.9。兩者間的關系為：

式中，y 為油耗（L/h）；x 為對應功率（kW）。

為簡化計算，對于工程機械，本研究使用上述公式依據機械的平均功率估算相應機械的油耗。對于農業機械，由于測量數據較少，油耗和功率之間沒有明顯的關系趨勢，故采用上述5 臺機械實測數據的均值作為所有農業機械的平均油耗。

1.5 機械價格、殘值率、利率等經濟數據

本研究中機械價格為調研的市場平均價格，如表6 所示。固定資產殘值率來源于《中華人民共和國企業所得稅暫行條例及實施細則》，一般為5%。國家統計局公布2014年通貨膨脹率為2.6%，一年期利率為3.25%，使用2014 年通貨膨脹率及利率進行年均化費用的計算。

1.6 減排措施費用、效益估算

本研究發動機維修主要針對安裝柴油顆粒過濾器而言。根據前期對顆粒過濾器生產廠家以及加裝過濾器的非道路機械用戶等的調研結果，安裝柴油過濾器后，每年需要增加的維修費用約為2000 元。

1.6.1 費用的年均化

為了便于多種措施之間的經濟費用比較，本研究中考慮了通貨膨脹對貨幣價值的影響，將2014 年需投入的費用以機械的使用年限為基礎，考慮通貨膨脹后將費用在機械的使用年限內進行年均化，即每年需投入的費用。

表6 農業及工程機械價格 （單位：萬元）

式中，t 為控制措施，如整車淘汰、發動機更換、發動機維修；Ca,t為每類機械采取t 減排措施考慮利率后年均化的費用；Cc,t為2014 年采取t 減排措施投入的費用；i 為機械年齡，j 為機械或發動機的使用年限，本研究中對農業機械，j=15；對工程機械，j=10；k 為將通貨膨脹率計算在內的利率，為5.85%。

1.6.2 機械或發動機殘余值

在進行整車淘汰和發動機更換時，本研究均考慮了機械、發動機的殘余值，進行固定資產的折舊。年齡越大的機械，其折損價值越高，殘余值越低。

式中，Cd,i為機械或發動機在使用i 年后的價值，j ＞i≥1；Ce為機械或發動機購買時價格；m 為在達到使用年限后，機械或發動機的殘值率，為5%，未將通貨膨脹率考慮在內。

1.6.3 燃料費

在費用投入中，除采取減排措施直接投入外，還考慮了每年機械的燃油投入。

式中，PFe為2014 年每類機械所需燃料費年均值；Fe為每類機械的單位時間耗油量（L/h）；AF 為0 號柴油2014 年全國平均價格，7.4（元/L）；Ae為一類機械年均活動時間（h/a）。

1.6.4 年均化總費用

年均化總費用除需包含減排控制措施的直接費用外，還需包含機械采取減排措施前后的燃料費。這樣才能較全面地評價減排措施所需要的經濟總投入。盡管無論減排控制與否，燃料消耗都是不可避免。但由于減排措施會改變機械燃料的燃燒效率，即便在活動水平不變的條件下，其燃料費用也將有所區別。

式中，e 為機械類型；TCa,t,e為e 類機械在采取t 減排措施后年均化費用總和；Pe為一類機械的保有量；PFe,t為采取t 減排措施后每類機械所需燃料費的年均值；PFe同式（4）。

1.6.5 減排效益的計算方法

減排效益以污染物的減排量表征，基于時間的排放因子來自基于功率的排放因子與額定功率的乘積。

式中，TEBe為e 類機械總的減排效益（t/a）；EFB為采取減排措施前的排放因子（g/h）；EFA為采取排放措施后的排放因子（g/h）；Ae同式（4），Pe同式（5）。

2 結果與討論

本部分主要介紹農業機械和工程機械不同尾氣減排控制措施的費效分析結果。詳細介紹如下：

2.1 農業機械和工程機械尾氣減排控制措施的費用評估

農業機械2015—2020 年采取三種減排措施所需費用如表7 所示。從整體上看，整車淘汰所需投入費用最高，且遠大于發動機更換、發動機維修；發動機更換費用略高于發動機維修費用。從單類機械上看，多數機械發動機的維修所需投入高于發動機更換；排灌機械采用兩種減排措施所需的費用基本相當；對收獲機械、拖拉機兩類機械而言，發動機更換的費用高于發動機維修的費用，這可能是由于這兩類機械的發動機相比其他機械而言價格更高。農業機械中以收獲后處理機械、農用搬運機械及拖拉機的保有量較大、較為常見。如收獲后處理機械，2015 年其保有量約為1085 萬輛，若所有機械采用整車淘汰的減排措施，需投入70 900 億元；若采用發動機更換，需投入2200 億元；若采用發動機維修，需投入2400 億元。農用搬運機械2015 年保有量約為1967 萬輛，若所有機械采用整車淘汰的減排措施，需投入48 800 億元；若采用發動機更換，需投入4000億元；若采用發動機維修，需投入4300 億元。拖拉機2015年保有量約為1203 萬輛，若將所有拖拉機整車淘汰，需投入34 900 億元，所需投資額巨大；若將其發動機更換，需投入3600 億元；若將其發動機維修，需投入2600 億元，由此，對于收獲后處理機械，采取發動機更換的減排措施所需要的投資額最小。而對于拖拉機，采取發動機維修的減排措施所需要的投資額最小。

工程機械2015—2020 年三種減排措施所需費用如表8所示，與農業機械相似，從整體上看，整車淘汰所需投入費用最高，且遠高于其他兩種減排措施，發動機維修所需費用最低。從單類機械上看，與農業機械不同，所有工程機械發動機更換所需投入費用均高于發動機維修，或兩者費用相當。工程機械中以挖掘機械、鏟土運輸機械、工業車輛的保有量較大。如挖掘機械，2015 年保有量約為155萬輛，若將所有的挖掘機整車淘汰，需投入11 400 億元，投資巨大；若將其發動機更換，需投入1200 億元；若將其發動機維修，需投入1100 億元。鏟土運輸機械2015 年保有量約為208 萬輛，所有機械采用整車淘汰的減排措施，需投入7400 億元；若采用發動機更換，需投入1600 億元；若采用發動機維修，需投入1400 億元。工業車輛2015 年保有量約為134 萬輛，所有機械采用整車淘汰的減排措施，需投入費用900 億元；若采用發動機更換，需投入500 億元；若采用發動機維修，需投入400 億元。由此，對于挖掘機械、鏟土運輸機械、工業車輛三類機械，采取發動機維修的減排措施所需要的投資額最小。

2.2 農業和工程機械的效益評估

效益評估中，假設減排目標均為達到國IV 排放限值標準。以PM、NOx的減排量評估減排效益。

農業機械中，以排灌機械的減排效益最多，NOx每年減排量為27 萬～31 萬t，這與其保有量較大有關。其次是拖拉機，NOx每年的減排量為6 萬～7 萬t。工程機械中，以挖掘機械、鏟土運輸機械的減排效益最好。采取減排措施后，挖掘機械每年NOx的減排量為32 萬～33 萬t，PM 每年減排量為3 萬～4 萬t；鏟土運輸機械NOx每年的減排量為15 萬～16 萬t，PM 每年減排量為9 萬～10 萬t。

由于國IV 排放限值標準中的排放因子根據機械的平均額定凈功率劃分，農業機械整體上平均額定凈功率較低，而對額定凈功率小的機械，國IV 標準中排放因子較大，即對小功率的農業機械，排放標準較為寬松，導致農業機械PM 減排效益低。

工程機械由于平均額定凈功率較大，在采取減排措施后，PM 每年減排量約為16 萬t。按照“十三五”規劃要求，2015—2020 年，氮氧化物累計減少15%，細顆粒物未達標地級及以上城市濃度下降18%，而2015 年我國NOx排放1851.02 萬t，PM 排 放1538.01 萬t[19]。2015—2020 年NOx減排總量應達到277.7 萬t，PM 減排總量約為276.9 萬t。若每年減排量保持一致，則每年NOx、PM 的減排量分別為55.5 萬t、55.4 萬t。如圖1 和圖2 所示，從所有非道路農業、工程機械均達到國IV 排放標準的分析結果看，若采取合理措施控制其排放，對NOx、PM 的減排將做出大的貢獻。

表7 農業機械減排所需費用 （單位：×106萬元）

表8 工程機械減排所需費用 （單位：×106萬元）

圖1 農業機械NOx和PM減排效益

圖2 工程機械NOx和PM減排效益

2.3 不確定性的影響因素

由于數據的缺乏及其原有的特性，這些數據的不確定性將影響本研究的分析結果。例如，對于非道路機械尾氣排放的控制效果而言，研究所用的排放因子、活動水平、保有量等，由于我國在這方面的研究起步較晚，數據極其缺乏，特別是尾氣排放的實測數據更是少之又少，所以很多數據只能借用國際上現有的一些模型數據，如美國環保署的NONROAD 模型，從而存在很多的不確定性。對于尾氣排放控制的經濟投入而言，經濟數據受市場變化、通貨膨脹等因素影響，而且，機械的維護費用也受機械的使用習慣、使用時間等因素的影響，與尾氣排放控制措施相關的經濟投入也存在巨大的不確定性。另外，由于各地區的經濟數據收集困難且存在地區差異，因此本研究中費用部分沒有考慮各地區報廢補貼等政府鼓勵費用，從而使得結果不可避免將存在一定的不確定性。因此，后續研究需要收集和補充各類經濟數據，以拓寬本研究成果的應用性。

本研究假設整車淘汰、發動機更換、發動機維修三種減排控制措施都可以實現達標排放的效果。但由于機械在實際的使用中，受工況和工作條件等因素的影響，其尾氣排放的實際水平將出現一定的差異。因此，為了提高費效分析的準確度，未來工作需要針對具體措施選擇其代表性的排放因子，以減少該假設所帶來的費效分析結果的不確定性。

此外，本研究的重點只針對機械均采用整車淘汰、發動機更換或者發動機維修的其中一種減排措施進行費效分析，對于現實中可能根據實際的經濟條件和技術的可用性等進行多種措施的組合并沒有進行深入的討論。多種措施的組合實際上是尋求系統優化方案的研究范疇，由于這部分并非本研究的重點，所以相關的內容將在后續的研究中加以分析討論。

3 結論

本研究對非道路農業機械和工程機械的三種減排控制措施進行費效分析。由于假設控制措施的減排目標一致，三種措施的根本區別僅在于所需的經濟成本。分析表明：

（1）費用投入：從整體上看，農業機械減排措施的投入明顯高于工程機械減排措施的投入。三種減排措施中，農業機械、工程機械整車淘汰需要投入的費用明顯高于發動機更換、發動機維修。

（2）對農業機械，從整體上看，發動機更換所需費用略高于發動機維修所需費用；從單類機械上看，多數機械發動機維修所需投入高于發動機更換，收獲機械、拖拉機除外。所有工程機械發動機更換所需費用均高于發動機維修。所以，在做整體決策時，對于農業機械，采用發動機更換的減排方式更佳；對于工程機械，采用發動機維修的減排措施更經濟、有效。

（3）從效益上看，工程機械可以達到的減排效果好于農業機械，由于大多數農業機械額定凈功率較小，NOx每年減排量可達40 萬～45 萬t，PM 減排效益不明顯，而工程機械由于平均額定凈功率較大，在采取減排措施后，NOx每年減排量可達約52 萬t，PM 每年減排量可達約16 萬t。