（管理科学与工程专业论文）基于3r理论的城市能源供应分析.pdf

摘要 近年来，我国城市化演进过程不断加快，能源消耗逐渐向城市集中，能源的 可持续利用和城市的生态环境问题也随之而来，制定科学合理的城市能源供应规 划，实现能源利用的生态化、节约化和可再生化，对于提高一个城市的可持续发 展能力和生态环境质量具有重要的现实意义。 本文首先在综述国内外能源形势和已有能源供应模型的基础上，从循环经济 和能源供应的基本规律出发，阐述了能源供应链生态化改造的理论基础；其次， 通过对城市能源类型的判定，将研究对象确定为能源依赖型城市，并对国内八个 典型能源依赖型城市做了对比：再次，运用归纳的方法构建出城市能源系统的 i s m 模型，改造传统的m a r k a l 模型，建立城市能源生态供应的概念模型，并对 模型的各个要素和要素之间的关系进行了分析。最后，提出实施城市生态化改造 的相应对策和建议。 关键词：能源供应3 r 能源供应模型生态化 a b s t r a c t t h ee e o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h ep r o c e s s i o no fc i v i l i z a t i o ni no u r c o u n t r yh a v eb e e ns p e e d i n gu pi nr e c e n ty e a r s w i t ht h ec e n t r a l i z a t i o n o fe n e r g yc o n s u m p t i o nt oc i t i e s ，s u s t a i n a b l eu t i l i t yo fe n e r g ya n dt h e e c o l o g i c a le n v i r o n m e n tp r o b l e m so fc i t i e sh a v ee m e r g e d i ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c e f o r i m p r o v i n g s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n ta b i l i t y a n d e c o e n v i r o n m e n t a lq u a l i t yo fc i t i e st om a k ee n e r g ys u p p l yp l a n sa n de n e r g y u t i l i t ye c o l o g i c a l ，e c o n o m i c a l a n dr e g e n e r a t i v e o nt h eb a s i so fs u m m a r yo ft h ee n e r g ys i t u a t i o na n dc u r r e n tm o d e l s o fe n e r g ys u p p l yh o m ea n do v e r s e a s ，t h ep a p e re x p l a i nt h eb a s i ct h e o r y a b o u te c o t y p ea l t e r a t i o no fe n e r g ys u p p l yc h a i na c c o r d i n gt ot h eb a s i c l a wo fr e c y c l i n ge c o n o m ya n de n e r g ys u p p l y t h e n ，f r o mt h ej u d g eo fc i t y e n e r g yt y p e ，t h ea u t h o rp r o v e st h eo b j e c ta se n e r g yd e p e n d e n tc i t ya n d m a k e sac o n t r a s t a m o n ge i g h tt y p i c a le n e r g yd e p e n d e n tc i t i e s i no u r c o u n t r y t h i r d l y ，t h ep a p e rs e t su pt h ei s mm o d e l o fc i t ye n e r g ys y s t e m b yi n d u c t i o na n dr e c o n s t r u c t st r a d i t i o n a lm a r k a lm o d e l ，t h e r e f o r e ，b u i i d n o t i o n a lm o d e lo fc i t ye n e r g ye c o l o g i c a ls u p p l ya n dm a k ea n a l y s i s0 nt h e f a c t o r sa n dt h e i rr e l a t i o n so ft h em o d e l i nt h ee n do ft h ep a p e r ，i t p r e s e n t sr e l e v a n tm e a s u r e sa n dp r o p o s a l so nt h ec i t ye c o t y p ea l t e r a t i o n k e yw o r d s ：e n e r g ys u p p ly3 r e n e r g ys u p p iym o d e e c o t y p e 大连理工大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下开展研究 工作所得的成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何其他个人或体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得大连理工 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律后果，并愿为此承担一切法律责任。 学位论文作者签名 静畛 日期：2 0 0 3 年9 月1 5 日 基于3 r 理论的城市8 源供应分析 1 引言 能源是人类赖以生存的关键要素，是国民经济和社会发展的重要战略物资。 当前，可持续发展问题已成为人类迫切需要解决的问题，其中各类资源尤其是能 源的可持续性使用是重中之重，其实质就是通过协调人类经济活动和生态环境的 关系，寻求“能源经济生态”三维复合系统整体的可持续发展。 近年来，随着现代城市化演进过程的不断加快，城市系统已成为全球主要的 生态因素之一。城市的生态功能是城市发展过程中各项生态要素的集合，反映区 域生存质量与发展质量，是城市发展的动力与客观规律之一。能源作为生态要素 中的一个主导性要素，直接输入城市产业生态系统，其在系统中的流动过程是以 各类能源的消耗与转化为主要特征的。循环经济理论和大量实证案例表明，在城 市能源供应系统中实现生态化是城市可持续发展的决定性因素。 1 1 选题意义 1 国民经济发展带动能源消费需求的增加 今后几十年，我国将处于经济快速增长的黄金时期，而中国经济高速增长的 必要支撑条件之一是能源使用的迅速增长。根据发达国家发展的历史经验，在一 个国家进入工业化和城市化的特殊历史阶段，社会发展将创造巨大的投资需求和 消费需求，必然拉动能源消耗的快速增长。1 9 8 1 年到2 0 0 0 年的二十年星，我国 国民经济年均增长速度为9 5 ，而能源消费年均增长4 7 ，能源消费弹性系数 ( 能源消费增长速度经济增长速度) 平均为0 4 9 。在未来若干年内即使中国 经济年均增长速度只有7 ，能源消耗的增长年均速度也在3 以上。 2 能源消耗呈现向城市集中的趋势 城市作为人类文明、社会进步的象征和生产力的空间载体，聚集了相应地域 范围内的生产资料、资本、劳动力和科学技术，从而成为一定地域内经济集聚实 体和纵横交错经济网络的枢纽，区域经济活动的中心。综观全球态势，经济重心 主要集中在城市集聚区，如英国伦敦曼彻斯特城市集聚区：美国东海岸的波 士顿华盛顿城市集聚区，西海岸的旧金山洛杉矶城市集聚区。在1 9 5 0 1 9 9 0 年之间，世界城市人口占总人口的比重由1 9 5 0 年的2 8 4 上升到1 9 9 0 年 的4 5 2 已有7 0 多个国家和地区城市人口占总人口的一半以上，而北美和西 基于3 r 理论的城市能源供应分析 欧的发达国家城市人口占全国人口比重早已超过6 0 ，城市能源消耗则占到各国 能源消耗总额的七成以上。中国经济的迅猛发展极大地促进了城市综合实力的增 强，城市国民生产总值1 9 8 8 - - 1 9 9 6 年的年平均增幅为1 8 ，大大高于全国平均 国民生产总值增长速度。城市能源消耗的增长速度也远高于全国的平均水平。“ 城市是能源消耗的主要区域和区域经济活动的中心，城市的能源使用费用及 消耗过程中所带来的环境问题是整个区域经济发展过程中的主要限制因素。能源 与城市经济增长之间存在密切关系。一方面表现为经济增长对能源的依赖性，能 源是经济增长的基础；另一方面，不合理利用能源必然会导致环境恶化、资源匮 乏，反过来制约经济增长。显然，能源既是经济增长的动力因素，同时也是一种 障碍因素。 只有城市及其集聚区能源供应体系持续健康发展，才会有区域经济的繁荣稳 定。因此，研究城市的能源消费构成，以3 r 理论为指导，优化城市能源结构、 鼓励使用清洁能源和低污染能源、提高节能技术对于增强城市可持续发展的能 力具有重要的现实意义。 3 ，能源利用不合理对城市生态环境造成的影响 随着我国经济发展和城市化进程的加速，由能源消耗所导致的环境污染和生 态破坏日益严重，己成为制约我国社会、经济持续发展的重大问题。中国现已成 为世界上仅次于美国的能源消耗大国，也是世界上最大的燃煤国家，而且使用中 以直接燃烧原煤的形式为主。能源利用带来了严峻的环境污染问题。并且成为扩 大能源生产和利用的主要限制因素，制约着能源发展战略和技术的选择。 在能源生产和使用过程中，可能导致的区域环境成本主要包括大气、水体、 土壤、生物以及社会环境诸要素，它们相互关联、相互影响、相互制约，构成一 个统一的整体。污染物进入某一组成要素中，会影响其他因素。实际上，污染物 是在整个环境中进行迁移转化，最后引起环境质量变化的。2 0 0 0 年，全国废气 中二氧化硫排放总量1 9 9 5 万吨，烟尘排放总量1 1 6 5 万吨，工业粉尘排放量1 0 9 2 万吨，其中9 0 的s o 。，6 7 的氮氧化物，7 9 的烟尘，8 5 的c 侥，7 1 的一氧化碳 都来自煤炭的燃烧。“1 城市作为区域能源消耗的中心，能源使用过程中所排放的 污染物远远超过自然生态体系本身的承载能力。 2 0 0 0 年国家环保总局的调查结果显示由于城市地区能耗增加和不合理利 用带来的污染，部分大城市的颗粒物和二氧化硫浓度已经超过世界卫生组织标准 的2 5 倍，7 8 的城市河段不适宜作饮用水源。5 0 的城市地下水受到污染。北 京、沈阳、西安、上海、广州5 城市名列世界污染最重的城市之列。“1 城市环境 基于3 r 理论的城市能源供应分析 的恶化不仅使国民经济受到巨大的损失，而且已严重威胁到城市居民的健康。 4 建立城市生态化能源供应体系的紧迫性 中国消耗了9 的世界能源，却仅产出世界g d p 总量的3 4 ，而同期美国消 耗了2 0 的世界能源，产出了世界g o p 总量的3 5 。”1 能源的生态化高效率利用 刻不容缓。 城市能源总体战略是一项系统工程，既要考虑城市的经济发展、社会变化、 科技进步与环保因素等等，又要研究城市周边能源市场与国家能源战略。从能源 开发的固有规律和基本特点来看，由于能源工业是资本密集型工业，材料消耗大， 能源供应项目建设周期长、投资大、见效慢，因此应依照规划在一定程度上先于 城市整体经济水平发展。在过去的几十年里，我国的能源禀赋及经济技术发展水 平决定了城市能源结构中一直以煤为主。随着改革开放的深入，我国国民经济持 续快速发展，城市能源消耗目益增加，为了避免能耗成本的升高和环境的恶化， 能源结构逐渐由以煤为主向可再生化、清洁化的能源结构演变。为了维持经济的 持续健康发展，当前我国各大城市正实施可持续能源发展战略，以建立“能源一 经济一环境”协调发展的可靠、安全、稳定的能源供应保障体系。实质上，能源 的生态化利用已经逐渐受到重视。 由此可见，随着我国经济的发展，城市能源消耗所带来的环境问题日益突出， 城市走能源可持续发展的道路是解决该问题的主要途径，而这个过程又离不开生 态理论的指导，因此研究城市能源供应系统的生态化改造就显得非常必要。 1 2 国内外相关研究综述 人类的生活和一切活动过程都在使用和消耗能量，诸如机械能、热能、电能、 光能、声能、化学能等等。这些能量有的可从自然资源中直接得到，有些则需要 通过转化才能获得。凡是能够直接或者经过转换而产生所需能量的含能资源( 比 较集中的含能物或含能过程) 统称为能源。 能源的形式是多种多样的，按其形式划分可以分为一次能源和二次能源。一 次能源又称为天然能源，是指从自然界直接取得并不改变其形态和品位的能源， 如煤炭、石油、天然气等。二次能源又称为次生能源，是由一次能源经过加工或 转换而得到的能源形式，如电力、热能、液化气等。二次能源成分单一，便于输 送、贮存、管理和使用。 按照利用状况，又可以分为有用能源和最终能源。有用能源是指使用者为了 基于3 r 理论的城市能源供应分析 达到使用目的，将能源转化为特殊的使用形式，如电动机的机械能、炉子的热能、 灯的光能等。最终能源则是能源使用的最终目的，它是存在于产品中或投入到环 境中的能量形式，如抽水机把机械能转化为水的势能，日光灯把光能投入到明亮 的环境中，最终转变为热量消耗掉。 从生态学角度来看，能源又可以分为非绿色能源和绿色能源，狭义的绿色能 源包括开拓应用自然界中可再生与清洁能源( 太阳能、地热能、风能、海洋能等 可再生能源以及氢能等清洁能源) ，广义的绿色能源，除上述能源外，还包括用 清洁能源技术加工处理过的非再生能源、各种化石能源等，如洁净煤、天然气、 核能、水合甲烷、硅能等。 本文所研究的能源范围主要指城市能源供应中的煤炭、石油、天然气、电力 和其他清洁能源。水能由于和水资源一体化研究相关联，自成一个独立体系，因 此不在本文讨论范围之内。 1 2 1 世界能源消费趋势预测 未来3 0 年内，全球能源需求将以每年1 7 的比率逐年递增，至2 0 3 0 年将 达到年消耗1 5 3 亿吨油当量，以煤炭、石油、天然气为主的传统能源仍将占据世 界能源结构中的主要部分，并满足未来三十年9 0 左右的新增能源需求叫“。如 图1 1 所示。 百 万 吨 ；由 当 重r k 一：歹 少一穗靴 ，一 壤矩 一。一“+ 一、 图1 1世界能源使用趋势图 c h a r t l 1t r e n dc h a r to fw o r l de n e r g yc o n s u m p t i o n 在传统能源中，天然气的使用将出现大幅增长，预计其年增长率将达到2 4 ， 并在2 0 1 0 年左右取代煤炭而成为世界第二大能源来源。天然气需求增长的6 0 基于3 r 理论的城市能源供应分析 来自新建的燃气发电厂。这些电厂将普遍采用复合循环燃气涡轮，由于这一技术 体系具有能量转换利用率高、资本投入低的特点，因此将逐步取代煤炭电厂和核 电厂。同时由于在环保方面的优越性，天然气将逐步取代煤炭和石油的使用。液 化天然气的商业化应用以及燃料电池技术的日益成熟也将大大推动天然气的使 用。 虽然随着石油使用效率的提高，其在总体能源消耗中的比重会稍有下降，但 全球的石油需求量仍将以每年1 6 的比例递增，日消耗量由2 0 0 0 年的7 5 百万 n 天增长至2 0 1 0 年的8 9 百万桶天。使用量的增长主要来自交通业，因为在公 路运输、海运、空运方面，其他类别能源还无法动摇石油的地位。包括生物能、 太阳能、风能等各类生态能源，将在未来若干年内使用量平均每年递增3 3 。 虽然依据当前的技术水平，还不能认为这些可再生能源在短时间内便可满足快速 增长的能源需求，并成为主要能源之一，但随着可再生能源使用技术的突飞猛进， 各类可再生能源将逐渐从试验、推广阶段步入大规模商业化使用阶段。“” 表1 i世界部分国家2 0 0 0 年一次能源消费结构“3 1 t a b l e l ip r i m a r ye n e r g yc o n s u m p t i o nf r a m e w o r ko fs o m ec o u n t r i e so ft h ew o r l di n1 9 9 9 能源消费总量占消赘量的比重( ) 百万吨油当量油天然气煤核电 水电 美国 2 2 0 4 94 0 0 42 5 1 82 4 6 48 9 7 1 1 7 中国 7 5 2 62 6 5 72 5 66 7 9 00 5 42 ，4 2 俄罗斯6 0 7 8 2 0 7 65 3 8 51 7 9 85 1 32 2 7 日本 5 0 7 45 1 0 11 3 2 21 8 0 31 6 1 61 5 8 印度 2 7 6 43 4 2 9 7 7 45 4 2 7l 1 92 5 0 英国 2 2 2 43 5 3 93 7 1 01 6 1 01 1 1 5o 2 7 世界总计 8 5 3 3 64 0 5 72 4 1 92 4 9 5 7 6 32 6 6 当前，世界各国大力发展洁净煤技术、水煤浆、煤炭气化、新型核电系统， 以及风能、水能、太阳能、地热能、生物质能、氢能、太空太阳能等可再生能源， 生态能源的使用取得了突飞猛迸的迅速发展。各类传统能源的新使用方法以及各 类可再生能源有望在未来1 0 年内成为世界能源使用方式的主流技术，这包括各 类生态能源、燃料电池、油沙等新能源。由能源使用而导致的二氧化碳排放量将 以略低于能源供给增长幅度的速度继续增长，而排放的二氧化碳主要来自发电和 运输业，约占到所有二氧化碳排放量的四分之三左右。 基于3 r 理论的城市能源供应分析 1 2 2 发达国家城市能源生态化供应体系现状 城市自身的发展与获得外部的能源密切相关，怎样协调城市可持续发展的能 力与城市耗能不断增多、排放物快速增长趋势，从而实现都市代谢与生物圈系统 相协调一致，是城市发展过程中需要解决的迫切问题。城市能源供应链是一个动 态的复杂的过程，受到地区能源发展战略的变化和能源市场需求变化的影响，当 前发达国家正致力于遵循减量化、再利用和再循环的指导思想，运用生态学中的 循环再生原则改造城市能源消耗体系，提高城市能源使用效率。 1 能量的循环使用与集中规划 城市是能源消耗的集聚地，在城市内部实现能量按不同用途梯级利用，可以 最大限度的提高整个城市的能源使用效率。当前发达国家城市主要采用能源系统 优化技术对现有能源供需体系进行不断地改造。 由于在各类燃料转化为电力的过程中只能达到6 0 7 0 的转化率，而输配电 过程中又要损失l o 一1 5 ，所以各自独立的电力取暖已经成为发达国家城市能源 系统着力改变的低效能源使用方式，代之以热电联产和集中供热体系，利用发电 厂和工矿企业运转过程中的多余热能为分散的热能使用者提供热量。这不仅可以 提高城市能源利用率，而且燃料集中使用有利于控制污染物排放，还能够为电力 企业和工业企业提供多余的热能，降低能源转化费用。“” 为了在有效控制污染的同时实现经济上的可行性，发达国家城市政府开始集 中规划高能耗企业，尤其是在发电、供热行业，政府通过各种政策鼓励甚至强制 发展簇状能源消耗集群，以便于利用大型能源预处理设备和排放物控制设备集中 处理各类污染物排放。市区本身便是能源消耗集聚地，而发电与供热产业是严重 的污染物排放部门，为了保证人口密集的市区的环境质量，市政当局纷纷开始对 其进行大幅度改造，将市区内燃煤和燃油电厂向郊区迁移，只在市区内保留必要 的燃气电厂。发达国家多数大城市的电力超过5 0 从市区以外输入。“这一措施 能够大大缓解市区内空气质量的压力，同时将小型火力电厂和取暖锅炉集中迁 址，集中规划，可以建设大型高效能热能使用设备，并通过使用石油和煤炭大型 燃料预处理设备实现燃料的低成本脱硫、脱氮处理，有效的减少污染物最终排放。 2 清洁能源的使用 根据能源使用过程中对环境的污染程度，可将各类能源分为污染型能源和清 洁型能源。煤炭和石油属污染型能源，天然气、电力、太阳能和风能等属清洁型 能源。纵观人类历史上的几次能源替代，煤炭代替薪柴，石油替代煤炭以及天然 基于3 r 理论的城市能源供应分析 气和电力替代煤炭和石油，都是随着经济和科学技术( 包括能源科学技术和能源 利用技术) 的发展而实现的，经济水平和资源条件决定了每一个时期不同国家的 不同能源结构。美国等工业发达国家经济实力强，一次能源消费已经基本完成了 前两次能源替代。而发展中国家如中国、印度等一次消费还是以煤炭为主。 在各类清洁能源中，天然气是当前各发达国家主要发展的能源，并开始以天 然气逐步取代煤炭和石油的使用。与煤炭和石油相比，天然气不仅储量丰富，而 且使用过程中污染物排放少，按等量有效热值计算，天然气燃烧过程中氮氧化合 物排放仅相当于煤炭的5 5 ，石油的3 7 ：二氧化碳排放仅相当于煤炭的4 8 ， 燃油的7 4 ；并且天然气燃烧后不排放s o 。，不会造成酸雨。”7 3 煤炭是最易导致 严重污染的能源，发达国家城市的煤炭使用量已非常低，并且使用过程中采用了 大量洁净煤技术，主要在脱硫、脱氮净化处理后用于集中发电，然后将电力配送 给备部门分散使用，已基本杜绝了原煤的直接燃烧和分散使用。“” 3 资源的再利用 城市每天产生大量生活垃圾。从排泄物的角度看，城市垃圾是一种污染源： 而从回收再生的角度上看，垃圾却是城市的一大资源。城市垃圾不仅数量大、品 种多，而且城市拥有改造和消耗垃圾、利用垃圾潜在能量的能力，因而通过努力 可以使垃圾变成城市独特的资源优势。 把垃圾焚烧的热量用于发电，不仅可以实现垃圾的无害化处理，而且能够做 到废物综合利用，从而真正实现垃圾处理的减量化、无害化和资源化。经过几十 年的实践和完善，西方发达国家的垃圾焚烧技术已基本成熟，而且为垃圾焚烧制 定了完善的污染控制标准，有效控制了垃圾焚烧过程中有害物质的产生和排放， 避免可能造成的二次污染。垃圾在高温( 1 0 0 0 左右) 下焚烧，可充分杀菌和分解 有害物质，且尾气经集中净化处理达标后排放，较彻底地无害化。垃圾焚烧后的 残渣，只有原来容积的1 0 2 0 ，从而延长了填埋场的使用寿命，缓解了土地 资源紧张状态。美国政府向来鼓励垃圾的循环再利用，以垃圾作为燃料的发电量 位居全球首位，2 0 0 0 年达1 5 ，6 5 3 百万千瓦时；日本其次，利用垃圾发电5 ，2 0 9 百万千瓦时；再次为德国，利用垃圾发电2 ，0 2 8 百万千瓦时。我国虽然有众多人 口密集的城市带，每年集中产生大量可用于发电的垃圾，但2 0 0 1 年中国垃圾发 电总数仍不足3 0 0 百万千瓦时，城市各类资源的再利用有着广阔的发展前景。“” 基于3 r 理论的城市能源供应分析 1 2 3 我国能源供需形势分析 改革开放以来，我国能源建设有了长足的发展。我国的煤炭生产量自9 0 年 代以来一直稳居世界第一位，2 0 0 0 年达9 ，5 亿吨，但近年来呈下降趋势；2 0 0 0 年我国原油生产达1 6 l 亿吨，居世界第五位；发电量达1 3 0 0 0 亿千瓦时，发电 装机容量达3 1 4 0 0 万千瓦，均居世界第二位，仅次于美国。我国在能源结构调整 上采取了许多措施，使能源结构初步得到了改善，但是在相当长的时期内，一次 能源消费以煤为主的能源格局不会有根本性的改变。 我国油气生产严重不足，油气资源面临的形势非常严峻，石油稳产难度增加， 供需缺口不断加大。近年来，国民经济发展对石油的需求量不断增加，每年需要 从国外进口大量石油，2 0 0 0 年我国进口石油7 0 0 0 万吨。预计1 5 年内，全国原 油产量将基本维持在1 6 1 8 亿吨的水平，到2 0 0 5 年、2 0 1 0 年、2 0 1 5 年，我 国需进口原油分别为1 亿吨、1 3 亿吨和1 6 亿吨，占石油总消耗量一半。“” 我国目前天然气的消耗比例过低，随着国民经济的快速发展和环保要求的提 高，对天然气的需求将越来越多。预计2 0 0 5 年，2 0 l o 年和2 0 1 5 年天然气需求 量分别为5 5 0 亿立方米、9 5 0 亿立方米和1 3 5 0 亿立方米。引进俄罗斯天然气项 目启动后，每年从俄罗斯进口天然气3 0 0 亿i a ，中国境内利用2 0 0 亿m 3 a ( 其 中东北地区1 0 0 亿m 3 a ，环渤海地区1 0 0 亿m 3 a ) ，加上西气东输、开发南海油 气、g l 进澳洲天然气工程，全国用气会得到一定的缓解，但按照预计仍将出现巨 大的天然气供需缺口，预计2 0 0 5 年，2 0 1 0 年和2 0 1 5 年将分别为6 0 亿立方米、 2 5 0 亿立方米和3 9 0 亿立方米。由此看来，我国的能源供应并不能满足经济和社 会可持续发展的需要，供需矛盾不断加大。 国内油气资源条件和国际油气供应中的不稳定因素，以及国内丰富的煤炭资 源条件，决定了城市能源结构应该多元化。在煤炭资源占有绝对优势比重的条件 下，如何在充分发挥煤炭资源优势的基础上优化能源结构，增加优质能源供应， 提高能源利用效率和环境质量，是“十五”乃至更长时期内中国能源工业面临的 重大课题。如果各地区不重视各类能源的利用规划，能源结构的不合理和低效使 用不仅将造成严重的大气污染问题，而且将阻碍我国社会经济的可持续发展。对 于油气资源。必须重视开源又重视节流，千方百计减轻对煤炭的过度依赖，以天 然气替代原煤的直接燃烧，大力发展各类清洁能源及传统能源的生态化利用。 基于3 r 理论的城市能源供应分析 1 2 4 能源供应模型综述 国外关于能源供应模型的研究始于二十世纪五、六十年代，但由于当时能源 廉价充足，该领域的研究并没有受到足够的重视。七十年代，特别是1 9 7 3 年发 生全球能源危机后，能源问题一跃成为重大的国际政治和经济问题之一，世界各 国纷纷开展对能源资源、能源需求与供应、能源政策与能源战略的研究，并探讨 制定国家、地区与部门的能源规划。 特别是，作为能源系统分析的有效工具，能源模型的研究得到了极大的推动 和促进，陆续出现了许多直接为制定国家能源规划和能源政策分析的典型能源模 型系统。比如，美国布鲁克海温国家能源实验室与德国玉利希核能研究中心创建 的m a r k a l 模型，就为美国制定能源计划提供了依据。 我国从七十年代后期开始了对能源系统工程的研究，在理论方法和实际应用 上取得了一定的成绩，并开始对国家、某些地区和部门进行能源模型的研究工作， 并预测国家、地区或部门在经济发展中的能源需求量。最近以来，许多地区把建 立能源系统模型同地区的经济发展规划结合在一起，这是能源系统研究领域出现 的一个新动向。 主要的城市能源供应模型有： m a r k a l 模型 m a r k a l 模型是8 0 年代世界上应用最广的能源系统模型之一，由美国布鲁克 海温国家能源实验室与德国玉利希核能研究中心共同开发。m a r k a l 模型可以比 较选择各种能源和各种能源工艺在加工、转换、供应和分配方面为满足未来能源 需求的最佳方案。 能流模型 能流模型最初是用于决策运输能源产品最优线路问题，后由美国布鲁克海温 国家实验室发展为建立能源系统网络图来描述系统内部能源资源、一次能源、二 次能源及最终用能形式之间的能流关系，体现开发、转换、分配、使用各个环节 上的平衡状况，然后用单目标( 费用最小) 线性规划来优化。这种模型适用于国 家、地区的能源规划，反映技术对能源供应和需求之间关系的影响，探讨实际的 和可能的能源状况等。其典型模型为布鲁克海温优化模型b e s o m ( 1 9 7 4 ) ，单目标、 静态、单地区线性规划模型，及其变体t e s o m ( 1 9 7 8 ) ，单目标、动态、多地区线 性规划模型。 多目标优化模型 基于3 r 理沦的抛市能源供应分析 对于国家、地区等一些大规模能源系统模型，拥有多重决策e l 标。多目标模 型就是在系统中选取最有代表性而又相互联系的目标，化成目标函数，然后选用 数学规划方法进行优化，为决策者提供在众多目标间寻找合理折衷的途径。多目 标相对于单目标模型更贴近现实系统，更有利于决策者进行决策，可信度更大， 但相应的计算量也成倍增长。其典型代表为希腊的能源系统模型g r e s o m e f o m ， 它选用了五个目标函数：总费用最小，进口最少、环境污染最小、投资最少和本 国能源使用最少。 以上为一些较成熟的常规建模方法，可以看到它们基本上采用的是定量分析 的方法，即建立数学模型在计算机上运算和分析，然而对于能源系统这样的涉及 社会、经济、环境的大系统完全靠定量分析是不够的，相当多的还要靠定性分 析。能源供应模型只有用定量和定性相结合的描述方法才能更确切，特别是生态 理论指导下的城市能源供应模型更需要进行定性的描述和分析。 1 2 。5 我国城市能源系统供应模型的应用状况 我国从8 0 年代起先后在一些省市建立了地区一级的能源系统模型，为这些 地区的社会经济发展规划提供了有力的依据。 1 9 8 1 年，天津在能源网络图的基础上建立了多目标线性规划模型，目标函数 为新建或改造能源转换设施投资最少、能源消耗总量最少、污染最小，这是一个 5 1 0 年的能源优化模型，分析后提出了优化能源结构的建议。 1 9 8 3 年，上海建立了经济能源耦合模型，其能源系统供应子模型为结合 能源网络图建立线性规划模型，目标函数为节能投资最少，对“六五”期间的 技术节能潜力进行估算，运用后经1 9 8 5 年验证准确性较好。 1 9 8 3 年，广东省引入了m a r k a l 模型，并结合宏观经济状况建立了能源规划。 1 9 8 5 年，北京在投入产出表的基础上建立了线性规划模型，目标函数为能源 设施投资最少，以1 9 8 0 年为基期，对1 9 8 5 2 0 0 0 年的能源需求进行预测，对 1 9 9 0 2 0 0 0 年能源系统合理结构作了初步分析。 以上地区是全国最早开始搞能源系统优化工作的，从它们模型的建立中可以 看到，能源系统网络图是建立模型的很好的基础，但这需要完整的统计资料及投 入大量的人力物力。从采用的规划方法来看都采用了比较成熟的线性规划法。 从数学模型的形式来看，单纯追求某个目标的最优，在现实中不太可取，必须考 虑各产业间供需的综合平衡及当地现有基础、政策等因素，丽对于多目标规划的 l o 一 兰三婴竺堡塑丝生些塑! ! 坐坌堑 最优问题，通常得到的是一组非劣解，需要决策者综合考虑。 1 3 主要研究思路及方法 本文拟在借鉴发达国家城市能源供应体系的基础上，将3 r 理论引入城市能 源规划，在传统的城市能源供应模型中引入生态化思想，为建立基于3 r 理论的 城市能源供应体系提供决策依据。 i型墼坌塑j 图1 2 技术路线图 c h a r t l | 2t h et e c h n i c a lr o u t e 创新点：针对能源依赖型城市的能源供应特点，提出能源生态化供应的概念 模型，并进行相应的对策探讨。 本文采用国内外比较研究、案例研究、定性分析与定量分析相结合的方法， 全文分为五部分。第一部分，提出选题意义，综述国内外能源形势和已有的能源 供应模型。第二部分，从循环经济、工业生态学和能源供应的基本规律出发，具 体阐述了能源供应链生态化改造的理论基础，为城市能源供应模型的建立提供指 导原则。第三部分，通过对城市能源类型的判定，将研究对象确定为能源依赖型 城市，并对国内八个典型的能源依赖型城市的能源供应现状做了对比分析。第四 部分，运用归纳的方法构建出城市能源系统的i s m 模型，并基于3 r 理论改造了 基于3 r 理论的城市能源供应分析 传统的m a r k a l 模型，建立起城市能源生态供应的概念模型，对模型的各个要素 和要素之间的关系进行了分析。第五部分，依据城市能源生态供应的概念模型， 提出实施城市生态化改造的相应对策。 基于3 r 理论的挑市自e 源供应分析 2 生态理论在城市能源供应链分析中的应用 2 1 城市能源供应链的生态化 2 1 1 能源供应链生态化的内涵 能源供应链是指围绕着能源活动主体，通过对能源的信息流、物流和资金流 的控制，从开发能源开始，经过能源的生产和处理形成最终的能源产品，最后由 能源供应网络把能源输送到消费者手中的将能源供应者、生产者、分配者、消费 者和处理者连接成一个整体的结构网络。由于能源系统网络内部之间的关系纵横 复杂，需要对能源供应链进行系统地管理，使能源供应链上的主体分别承担能源 的开发、运输、加工、转换、分配、使用和回收处理等职能成为一个协调发展的 有机体。在信息网络的基础之上，能源供应链管理要实现能源需求和供给之间的 平衡，降低总体能源交易成本，减少能源消费过程中出现的浪费和环境污染现象。 这些都离不开对能源供应链的生态化改造过程。n ”， 本文认为，城市能源供应链生态化是指一种在整个城市的能源供应链中综合 考虑环境影响和能源利用效率的现代能源供应模式，它以循环经济、工业生态理 论和能源供应链管理技术为基础，其目的是使得能源从开采、加工、运输、使用 到处理的整个过程中，对环境影响最小和对能源利用效率最高，将能源供应链与 环境协调起来，最终实现能源供应的可持续发展。城市能源供应链的生态化改造 对象并不是能源供应链上的某一或者是某几个环节，而是将能源供应链看作一个 包括各种能源开发利用主体在内的复杂的生态系统，利用生态学中理论和方法， 并使用系统论、控制论和计算机等现代化技术，寻求能源供应链的优化组合方式、 合理的能源结构与绿色能源技术，使生态化改造后的能源供应链实现能源的减量 化利用，提高能源的再循环和再利用程度。 2 1 2 城市能源供应链生态化的特点分析 1 复杂性 能源供应链是一个网络结构，网络上的每一个节点都代表一个能源活动主 基于3 r 理论的城市能源供应分析 体，节点和节点之间存在着能源需求和供应关系。由于能源需求的广泛性，几乎 每一个社会活动主体都和能源供应链具有直接或者间接地关系。能源供应链上的 节点往往由多个、多类型甚至多地区的主体构成，各个主体的位置较为分散，不 同类型的能源供应链之间也存在相互的联系，例如火力发电需要煤炭能源的供 应，而煤炭的开采和精选则需要电力能源等等。 城市能源供应链的生态化改造必然会涉及到城市社会生产生活方方面面的 关系，生态化改造的结果会影响到能源供应链上每个主体的利益。为了达n i l 源 供应链的生态化运行功能，也需要确定合理的能源供应结构，并制定相应的能源 政策法规体系，这又涉及到能源供应链的不同层次。可见能源供应链的生态化改 造是在一个复杂环境下的功能优化过程，它的复杂性是来源于能源供应系统管理 的综合性，这也决定了能源供应链生态化改造目标和约束条件的多样性。 2 长期性 城市能源供应链生态化是一个长期的过程。由于受到城市能源发展战略的变 化和能源市场需求变化的影响能源供应链上的节点能源企业需要动态的更新， 或者采用新的能源生产技术，甚至某些已经不再适应城市经济和环境发展需要的 能源供应链，会被绿色能源供应链所取代。这些都使得城市能源供应链生态化不 可能一劳永逸，需要从长远的角度对其实施改造。另外能源供应链会随着人类社 会能源需求结构的日盏变化而不断地发展和优化，反映在城市能源供应链生态化 改造对策上就是需要制定短期、中期和远期的能源规划，各个阶段之间要形成紧 密的过渡衔接关系，尽量避免出现暂时性的能源需求缺口。 3 整体性 城市能源供应链由能源生产、消费的各个环节和各种能源形态构成。每一个 环节部存在各种能流和信息流，能源系统要素间的功能耦合网络关系也要得到迸 一步改善。城市能源供应链的生态化已不再是单纯生物学的含义，而是综台、整 体的概念，蕴含社会、经济、自然协调发展和整体生态化。生态化改造必须兼顾 社会、经济和环境三者的整体效益，不仅重视能源消费与生态环境协调，更注重 能源供应链生态性整体上的提高。所以对城市能源供应链的生态化改造需要从城 市国民经济的发展规划、人口增长、生活水平、价格政策、技术发展、环境保护 和生态平衡等各个方面综合考虑和统筹规划。生态化改造后的能源供应链整体上 能同社会、自然和谐发展。 基于3 r 理论的城市能源d e 应分析 2 2 城市能源供应链生态化的意义 随着能源结构的不断调整优化，以及人类对环境越来越严格的保护，能源供 应链必然要经历一个生态化改造的过程，以减少能源开发利用中对环境的破坏， 实现能源供应的可持续发展。因此生态化的能源供应链在社会生产生活中作用日 益突出，与传统能源供应链比较起来具备更多的功能，具体说来能源供应链的生 态化有如下几个作用： ( 1 ) 生态化能源供应链可以优化城市能源的配置，是实现城市可持续发展 的重要组成部分。 生态化能源供应链中流动的每一种能源都能得到充分的利用，各种能源在生 态化能源供应链设定的目标下被配置到最合理的能源需求环节，逐步的淘汰不符 合可持续发展要求的能源消费模式。由于绿色能源本身就具有可持续利用的特 点，生态化能源供应链倡导对绿色能源的开发利用，而且能源节约率的提高、能 源的再循环和再利用又放大了在生态化能源供应链中的能源使用量。所以在世界 传统化石能源日益减少的背景下，生态化能源供应链的运行模式极大的缓解了人 类对能源资源需求的压力，生态化能源供应链自身的不断发展演进也促使人类社 会从目前以开发利用传统化石能源为主逐步转变到以可再生能源为主的能源开 发利用模式。这也是生态化能源供应链所能发挥的最重要的功能之一，人类能源 开发利用的可持续发展必须建立在生态化能源供应链的基础之上，随着全球能源 结构的不断优化和调整，生态化能源供应链在其中会起到越来越重要的作用。 ( 2 ) 能源供应链的生态化可以改善城市的生态环境，提高城市居民的生活 环境质量，有利于加快城市的生态化建设。 生态化的能源供应链追求对环境影响最小的绿色能源结构，以满足地区绿色 能源的需求。同时，能源供应系统的运行具有生态化的特点，通过能源的再利用 和再循环，能源供应系统能够与城市的生态环境和谐的发展，城市可以摆脱能源 消耗越多对环境造成污染越多的发展困境。“” 城市能源供应链的生态化不仅是能源供应系统的优化，还提倡城市各个主体 的能源消费行为变化，在能源的利用中考虑对城市生态的影响不但要满足自身 能源的合理需要，还要承担起环境保护的责任，为其他能源消费主体提供利益。 如此一来，整个社会的能源开发利用形成一种生态共生的模式，城市由从绿化美 化向更深的内涵更高的层次上迈进，将人类的能源消费活动和城市的生态环境协 调起来，并且随着能源供应链生态化进程的不断拓展，城市的生态化建设必将迈 基于3 r 理论的城市能源供应分析 向一个新的台阶。 ( 3 ) 生态化能源供应链可以提高城市的生态经济效益，延长城市能源供应 中的价值链，为解决城市经济发展和环境保护的矛盾起到重要的作用。 生态经济效益是由人们生产经济活动所引起的经济效益和生态效益两者的 综合。也可以说，生态经济效益在一定程度上是考虑到生态费用和生态效益的完 全经济效益。它可以用下面的比值来衡量： 生态经济效益= 综合生态经济效果量全劳动消耗量 其中，综合生态经济效果量可以用物质量、能量、价值量等来统一度量，有 时只能是部分地或近似地统一度量。完全劳动耗费就是社会必要劳动耗费，它除 了包括全部活劳动和物化劳动耗费，还应该包括全部生态费用，即用于保护自然、 提高环境质量和补偿自然界损失的费用。“” 城市的能源供应链生态化改造可以实现能源的合理节约以及能源的再利用 和再循环，增加了城市能源供应系统中能源的相对总量，能源供应系统价值创造 链条的延伸也增加了城市中的综合生态经济效果量。生态化的能源供应系统同生 态环境的协调发展，使得对能源副产品和废弃物的处理变成了整个城市生态系统 内部的循环活动，极大的减少了城市为治理环境所付出的费用。这样城市的生态 经济效益会有极大的提高，处在能源供应链上的活动主体在生态化的过程中，不 仅能够实现对社会的环境保护责任，也能从中获得持续的经济利益。 2 3 生态化原则在城市能源供应链分析中的应用 2 3 13 r 原则 循环经济要求把经济活动组织成为“自然资源一产品和用品一再生资源”的 反馈式流程，所有的原料和能源都能在这个不断进行的经济循环中得到合理的利 用，从而使经济活动对自然环境的影响减少到尽可能小的程度。3 r 原则是循环 经济发展必须遵循的准则，它体现了循环经济的基本要求。其中减量化原则属于 输入端方法，旨在减少进入生产和消费流程的物质量；再利用原则属于过程性方 法，目的是延长产品和服务的时间强度：再循环原则是输出端方法，通过把废弃 物再次变成资源以减少最终处理量。从人类活动的大范畴来说能源供应链的生态 化改造属于循环经济活动的范围，综合利用能源，保护环境和实现能源供应系统 的良性循环主要有三个途径：首先是减少能源开发利用废弃物，降低能源的使用 基于3 r 理论的城市能源供应分析 量：其次要增强能源的回收再利用，发展能源回收工程；最后要增加能源废弃物 的资源化利用。因此需要循环经济理论的3 r 原则即减量化( r e d u c e ) 、再利用 ( r e u s e ) 、再循环( r e c y c l e ) 作为能源开发利用活动的原则。 ( 1 ) 减量化原则 减量化原则要求提高能源的使用效率，采用有效地节能技术，从能源生产开 始，一直到最终消费为止，在开采、运输、加工、转换、使用的各个环节上都要 减少损失和浪费，在环境和社会经济承受能力的基础之上，以最少的能耗取得最 大的经济效益。一方面要提高能源利用效率并降低能源的损耗：另一方面要降低 居民生活和产业由于对能源消费而产生的环境废物。其中能源的节约利用就是减 量化原则在能源供应链生态化改造中的一个主要体现。节能可以减少污染物的排 放量，减轻环境的热污染，也可以促进环境污染的