（环境工程专业论文）基于节能减排措施下的北京市能源优化模型.pdf

， k 节能减排是现代城市能源系统发展中必须重视的一个问题。近年来北京市在能 源结构方面逐步做出调整，以清洁能源逐步替代煤炭，提高新能源在能源消费系统 中的比例，但节能减排仍是今后能源系统发展的主要方向。本文建立了基于不确定 性区间机会约束方法的优化模型并应用于北京市能源供需系统规划，得到了在不同 置信水平和不同污染物减排措施等九种情景方案下的模型结果，并参考近期北京市 的各类规划以及年鉴数据，为北京市一次能源的供应、各种能源发电、供热等生产 和加工环节提供决策支持，同时也能够为决策者提供多种污染气体减排情景下的供 能方案，从而提供合理的城市能源发展建议。 关键词：节能减排，能源规划，区间规划，机会约束规划 a b s l 。r a c l 。 e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de m i s s i o nr e d u c t i o na r eo fs i g n i f i c a n c ef o ra c h i e v i n g s u s t a i n a b l ee n e r g yd e v e l o p m e n ti n m a n ym u n i c i p a l i t i e sa c r o s sc h i n a o v e rt h ep a s t d e c a d e ，g r e a te f f o r t s ( s u c ha st h er e p l a c e m e n to fc o a lw i t hc l e a n e re n e r g ya n dt h e i m p r o v e m e n to fr e n e w a b l ee n e r g yu t i l i z a t i o n ) h a v eb e e nm a d ef o ra d j u s t i n gi t se n e r g y s t r u c t u r ei n b e i j i n gc i t y a m o n gt h e m ，e n e r g yc o n s e r v a t i o na n dp o l l u t a n te m i s s i o n r e d u c t i o na r ee f f e c t i v ei n e n h a n c i n ge n e r g ye f f i c i e n c ya n de n v i r o n m e n t a lp e r f o r m a n c e w i t h o u tc a u s i n gt o om u c hd i s t u r b a n c eo nc u r r e n te c o n o m i cd e v e l o p m e n t i nt h i ss t u d y , a ni n t e r v a lc h a n c e - c o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n gm e t h o dw a sd e v e l o p e di n b e i j i n gc i t y t h r o u g hc o n s i d e r i n gn i n es c e n a r i o sb a s e do nv a r i o u sc o n s t r a i n t v i o l a t i o nl e v e l sa n d e m i s s i o nr e d u c t i o nt a r g e t s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a te f f e c t i v es t r a t e g i e sf o re n e r g y c o n s e r v a t i o na n dp o l l u t a n te m i s s i o nr e d u c t i o nc o u l db eg e n e r a t e d t h e yc o u l da l s o p r o v i d eu s e f u li n f o r m a t i o nf o rd e c i s i o nm a k e r sr e g a r d i n gt h et r a d e o f f sb e t w e e ne n e r g y s u p p l ya n dd e m a n d ，a n db e t w e e ne m i s s i o nr e d u c t i o na n de c o n o m i cc o s t as e r i e so f o p t i m a ls t r a t e g i e sf o re n e r g ym a n a g e m e n ti nt h ec i t yc o u l dt h u sb eo b t a i n e du n d e rv a r i e d p r e f e r e n c e so fd e c i s i o nm a k e r s l i c a i ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) ，directedb yp r o fh u a n gg u o h e k e yw o r d s ： e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de m i s s i o nr e d u c t i o n ，e n e r g yp l a n n i n g ， i n t e r v a lp r o g r a m m i n g ，c h a n c ec o n s t r a i n tp r o g r a m m i n g t 匕电力大学硕十学位论文 目录 1 1 2 1 2 1 生产与消费2 1 2 2 存在问题3 1 2 3 发展展望4 1 3 论文主要内容及研究技术路线5 1 4 论文预期成果及可能的创新点5 第二章能源系统规划模型发展概述及研究方法6 2 1 能源系统规划模型6 2 1 1 发展概述6 2 1 2 分类8 2 1 3 小结1 1 2 2 研究方法1 1 第三章北京市中远期经济、环境与能源需求分析与预测1 6 3 1 北京市经济发展情况分析与展望1 6 3 1 1 政策依据1 6 3 1 2 人口现状及预测17 3 1 3 产业结构现状及预测1 7 3 1 4 国民经济发展现状及预测1 8 3 2 北京市环境保护及生态建设情况分析与展望1 8 3 2 1 政策依据18 3 2 2 环境保护现状及发展趋势1 9 3 2 3 生态建设现状及发展趋势一2 1 3 3 能源需求现状分析与预测2 3 3 3 1 概j 丕2 3 3 3 2 煤炭需求分析与预测2 5 i t 华北电力大学硕十学位论文 3 3 3 天然气需求分析与预测2 6 3 3 4 液化石油气需求分析与预测2 7 3 3 5 燃料油需求分析与预测一2 8 3 3 7 汽油需求分析与预测2 9 3 3 8 煤油需求分析与预测3 0 3 3 9 电力需求分析与预测3 0 3 4 供热和电源发展情况及预测3l 3 4 1 供热现状及预测一3 1 3 4 2 电源发展情况及预测3 4 3 5 机动车总量预测3 9 第四章北京市能源优化模型的构建及结果分析4 0 4 1 模型构建4 0 4 1 1 不确定性区间机会约束规划模型( i c c p ) 一4 0 4 1 2 决策变量及参数的意义一4 2 4 2 参数确定4 4 4 2 1 价格参数4 4 4 2 2 发电技术参数4 6 4 2 3 污染物排放参数4 8 4 3 结果及分析5 0 4 4 结论5 5 第五章总结与展望5 6 5 1 总结5 6 5 2 展望5 6 参考文献5 8 致 射6 4 附录6 5 在学校期间发表的学术论文和参加科研情况7 1 i i l 华北电力火学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章前言 能源是人类社会、经济发展的物质基础和保证，是城市功能j 下常运转的基本保 证，清洁、合理、高效的能源系统是城市发展的基础。能源系统的发展是一个能源 环境经济三方面因素相互作用的过程，城市能源供应的水平和质量直接决定着社 会经济发展状况、人民生活水平以及生态环境的好与坏。城市能源规划，就是要通 过制定能源发展战略，在确保充足和稳定的能源供应基础上，制定能源发展目标， 优化调整能源结构，落实节能技术措施，建立经济社会效益和生态环境效益双赢的 能源供需系统。制定合理的城市能源发展规划需要兼顾能源环境经济三方面的协 调发展，同时需要统筹城市能源供应、常规能源及可再生能源发展，考虑到当前经 济和社会的可持续发展。 能源系统是一个规模庞大、结构复杂、变量众多的动态开放大系统，由于人类 决策行为的高度复杂性、决策环境的多样性和模糊不确定性、目标的灵活性以及决 策主体的多元性，在进行能源系统规划时，决策者应该考虑很多过程，例如化石燃 料的生产，电力和热生产，能源分配和设备容量扩展。这些过程都具有多周期，多 维，多目标的特征，并伴随很多复杂性，例如温室气体排放，系统成本，政策选择 的不确定性等等。因此，在考虑到当前能源利用形势的前提下，把节能减排思想 应用到北京市能源供需优化模型当中，对于今后更加合理的规划北京市能源系统结 构具有重要的意义。 北京是中国的首都，是全国的政治中心、文化中心，是世界著名古都和现代国 际城市。北京市未来城市发展的目标是：按照中央对北京做好“四个服务”的工作要 求，强化首都职能；以建设世界城市为努力目标，不断提高北京在世界城市体系中 的地位和作用，充分发挥首都在国家经济管理、科技创新、信息、交通、旅游等方 面的优势，进一步发展首都经济，不断增强城市的综合辐射带动能力；弘扬历史文 化，保护历史文化名城风貌，形成传统文化与现代文明交相辉映、具有高度包容性、 多元化的世界文化名城，提高国际影响力；创造充分的就业和创业机会，建设空气 清新、环境优美、生态良好的宜居城市；创建以人为本、和谐发展、经济繁荣、社 会安定的首善之区。目前北京市本地资源有限，已经发现和开发的一次能源主要是 煤炭和水力，能源主要靠外地调入。电力供应除了本地电厂发电之外，还有相当部 分从华北电网调入，天然气则来自陕甘宁长庆气田和华北油f f l ，油类产品全部外部 调入，原煤主要是依靠山西调入，能源对外依赖程度较高。因此，如何结合北京市 功能定位和对能源需求的状况建立合理的能源规划以促进能源与社会、经济、环境 华北电力大学硕+ 学位论文 协调发展是我们面临的一个重要战略问题。本文具体对北京市的经济、能源、环境 现状进行分析，同时建立于环境承载力基础之上对能源模型进行规划，目的是在北 京市长远发展的基础上、满足大气环境质量前提下建立北京市能源供需方案。 1 2 北京市能源系统概述 1 2 1 生产与消费 北京市属于能源资源短缺地区，一次能源主要是储量较少的煤炭、少量的水电 及地热等，石油和天然气尚未发现可供开采的工业储量。煤炭资源主要分布在京西， 最大年产量为1 0 0 0 万吨，其中9 7 为无烟煤。因热稳定性差，灰份高等原因，只 有少量用于烧结、炼焦配煤、高炉喷吹等工业生产。目前京西煤主要用于加工民用 型煤，发电与焦化用煤主要从外地供应【2 】。全市受能源资源制约和限制，能源自给 率较低。2 0 0 6 年，全市能源生产总量( 包括一次能源和二次能源) 为3 1 7 5 万吨标 煤。一次能源生产量为4 6 0 6 万吨标煤，其中原煤产量为6 4 2 1 万吨，折标准煤4 5 8 6 万吨，比2 0 0 5 年略有下降。全市的一次能源资源极为有限，但拥有一定规模的能 源加工转换工业，能源加工转换种类主要有发电、供热以及少量的炼焦及炼油，每 年都有二次能源调出北京。2 0 0 6 年二次能源生产量为2 7 1 4 4 力吨标煤，比2 0 0 5 年 略有下降。由于北京市能源资源供应有限，经济发展和人民生活所需能源绝大多数 依靠外部调入。2 0 0 6 年全市能源供应总量为5 6 5 0 6 3 万吨标煤，其中原煤供应量为 2 4 6 4 6 4 万吨标煤，占4 3 6 。但随着近年来能源政策的一些改变，例如提倡使用新 能源等，北京市的能源消费结构现状已经有小的改变，新能源与可再生能源在农村 能源结构中已占有一定的比重，如生物质能( 包括薪柴、秸秆、禽畜粪便等) 、地 热、风能、太阳能热水器和太阳房同光温室等已经广泛应用于人们的同常生活中。 在北京市的能源消费总量中，第二产业所占比重较大，与相同时期发达国家第二产 业所占消费比重相比明显偏高。第二产业中的工业，特别是化学原料和化学品制造业以 及非余属矿物制品业等高耗能产业，导致了北京市总耗能水平很高。2 0 0 7 年，北京能源 消费量为6 2 9 0 1 1 力吨标准煤( 以下简称标煤) ，比上年增长6 5 4 。按2 0 0 5 年可比价 格计算，力元g d p 能耗为o 7 2 吨标煤，比上年下降5 1 1 。从能源消费的产业结构看， 第一产业能源消费量为1 0 0 5 4 万吨标煤，比上年增长8 9 3 1 第二产业为2 7 9 1 5 6 万吨 标煤，增长0 6 7 ；第三产业消费2 3 8 8 3 7 力- 吨标煤，增长1 2 1 7 ；居民生活能源消费 1 0 0 9 6 4 力吨标煤，增长1 1 0 2 。三大产业和居民生活能源消费量占全市能源消费总量 的比重分别为1 6 、4 4 4 、3 8 o 和1 6 o 。从三次产业的能源消耗情况来看，按2 0 0 5 年可比价格计算，第一产业万元增加值能耗为1 吨标煤，比上年增长6 6 4 1 第二产业 为1 1 1 吨标煤，下降1 0 6 3 ；第三产业为o 3 9 吨标煤，下降0 1 3 t3 。2 0 0 6 年北京市 能源消费总量为5 9 0 4 1 1 万吨标煤，其中煤炭消耗3 0 5 5 6 7 万吨标煤，电力消耗6 1 8 9 9 2 华北电力人学硕士学位论文 亿千瓦时，热力消耗1 2 1 8 1 5 9 万百万千焦。对比九十年代，十几年来全市能源消费的产 业构成随着产业结构调整发生积极的变化。其中第一产业能耗比重最低，第二产业能耗 比重最高，但二者均呈下降趋势，第三产业能耗增长最快，占总能耗比重逐年提高，生 活消费相对比较稳定。2 0 0 6 年第一产业消费总量为1 0 8 2 8 万吨标煤，占全市能源消费 总量的1 8 3 ；第二产业能源消费量为2 6 0 6 5 2 万吨标煤，占全市比重为4 4 1 5 ；第三 产业能源消费量为2 5 0 7 9 8 万吨标煤，占全市比重为4 2 4 8 。从终端能源消费看，近十 几年来全市能源品种消费结构不断优化。煤炭、焦炭等污染较大的固体燃料在终端消费 总量中的比重不断下降，煤炭由1 9 9 0 年的3 7 9 下降到2 0 0 6 年的2 5 0 5 ，焦炭由1 9 9 0 年的8 6 下降到2 0 0 6 年的3 9 8 。由于国民经济快速发展，人民生活水平不断提高， 消费结构的升级换代，以及环境治理力度不断加大，电力、成本油、天然气等优质能源 的消费增速较快，比重不断上升。2 0 0 6 年，电力的消耗量为5 7 5 3 5 亿千瓦时，年均增 速9 4 ：天然气消费量为3 1 1 2 亿立方米， 年均增速1 1 1 4 。从能源品种的增长情况 看，固体能源总量已呈下降趋势，液体能源年均增长率也略有增加，其中汽煤柴油消费 增长较快，气体能源随着天然气的大量供应，其增长速度加快，而电力增长速度一直呈 增加趋势，在各种能源中其增长率最大。 “九五”、“十五”时期，全市以较低的能源增长支持了国民经济的快速发展， 1 9 9 7 年 - - - 2 0 0 6 年全市g d p 年均增长速度达1 1 1 ，而能源消费年均增长速度仅为 4 6 。十年来，全市在能源消费总量增长5 6 3 的同时，能源利用水平有了较大幅 度的提高。根据2 0 0 0 年可比价格计算，万元g d p 能耗由1 9 9 5 年1 8 2 吨下降到2 0 0 5 年的0 9 9 吨，下降了4 5 1 ，按照环比节能计算，累计节约能源2 6 6 0 8 万吨，年 均节能率为5 9 。 1 2 2 存在问题 1 能源结构不够合理，能源结构与社会经济发展状况不相适应 近年来，随着能源政策的逐步调整，能源结构也发生着一系列的变化，但煤炭 和焦炭在近几年仍占据着能源消费的主导地位，2 0 0 8 年北京市煤炭消费占能源消费 总量的比重为3 4 ，这与北京市的首都现代化大都市的形象相悖。更为重要的是以 煤为主的能源结构是造成大气污染的根源之一，这与社会经济的发展和可持续发展 不相适应。2 0 0 6 年全市煤炭消费量3 0 5 5 6 7 万吨，比1 9 9 0 年增长6 0 0 6 7 力吨。大量消 耗煤炭，不仅降低了能源利用效率，同时燃煤产生的二氧化硫等气体严重污染城市 大气，进一步带来了严重的环境和生态问题。根据资料预测【4 1 ，在节能减排的措施 下，保守估计2 0 2 0 年全市终端能源需求量约为7 0 0 0 万吨标煤，如果到那时北京市能 源结构还没得到合理的改善，则北京市的大气环境将难以想象。 2 能源消费水平高，利用效率低 北京市能源消费总量仅次于上海，为国内第二大消费城市。2 0 0 4 年北京市人均 3 华北电力大学硕十学位论文 能耗3 4 4 9 d 巨标准煤，为全国平均水平的2 4 倍，且能源利用效率低，略高于3 0 。能 源加工转换环节和终端能源消费环节的浪费严重，比如燃煤锅炉的热效率较低，建 筑采暖热能浪费严重等等。 3 能源供应体系存在隐患 北京市能源主要以调入为主，安全隐患同渐增加。北京市能源自给能力严重不 足，对外依存度高，每年都需从山西、河北、内蒙等周边省市大量调入能源，且全 市能源供需缺口有逐年扩大趋势。煤炭受外地煤矿产量影响和运输条件限制，电力 除了本地的一些电厂供应以外还要依靠内蒙、河北等地供给，受外界干扰和外力破 坏的可能性较大，天然气供应则主要依赖陕北长庆气田一个气源，一旦出现供应中 断，将严重影响居民的同常生活。2 0 0 5 年能源累计调入量为6 0 9 0 5 万吨，比上年增 1 0 5 。外省市的大力支持，对北京市经济持续增长起到了重要作用，但近年来， 国内煤炭、电力和成品油供应同趋紧张，价格持续攀升，加之交通运输条件等方面 的制约，北京市能源外购难度越来越大。2 0 0 5 年，北京在与全国共同经历了煤电 油运紧张之后，又经历了一次“气荒”，能源供应频频告急，能源安全问题逐渐显 现。因此，要加强能源安全预警监测，鼓励企业积极参与周边省市能源建设，加紧 扩展能源供给渠道。 1 2 3 发展展望 1 合理调整能源结构，清洁能源将占主导地位 为了改善北京市大气环境质量并适应经济发展，合理调整能源结构势在必行。 大量发展天然气和电力等优质清洁能源，用优质能源替代煤炭，同时加快新能源和 可再生能源的开发利用，为环保目标的实现提供有力保障。新能源中重点发展地热 能、太阳能、生物质能和风能，积极推进新能源发电站项目的建设。加快生产和生 活电气化过程，合理高效用电，适当发展燃气热电厂，加大替煤力度等等。 2 建立安全预警和应急体系，保证能源供应的安全 电源电网方面，外部电源通过合作、共建、直接投资建设等方式掌控外部电力 资源，强化北京电网的电源支撑，保证足够的电力输往北京。完善本地电网，包括 外部送电通道和本地高中压配电网络的建设，为居民用电提供可靠的保证。 气源供应方面，依托国内国际两个市场，尽快实现天然气多气源供应，开展北 京市内地下储气库的勘探研究工作，保证天然气供应的安全性。 油品供应方面，协调中石油和中石化充分调度资源，提高燕化的生产能力作为 北京市成品油供应的重要储备手段，保障成品油市场的供应。 3 大力开展节能减排工作 高能耗是北京市能源消费的一个重要问题，因此实施节能减排工作显得势在必 行。实施节能优先战略，以工业和建筑节能为重点，提高能源利用效率，建设能源 4 华北电力大学硕十学位论文 节约型社会。应从以下方面方面入手开展节能减排工作：第一，加强产业调整，继 续提高第三产业的比重，改造工业锅炉系统，提高锅炉效率，提升水泥、化工、发 电等行业的余热回收利用水平：第二，大力推进建筑节能，新建居住建筑执行节能 6 5 的设计标准，注意采暖系统的节能，推广使用高效低污染锅炉，使用先进的管 网平衡技术，有效降低污染气体的排放；第三，加强交通节能，提倡出行使用公交 或小排量环保型汽车，加快淘汰能耗高、尾气排放不达标的车辆，同时节约燃油， 减少污染。 1 3 论文主要内容及研究技术路线 本文第一章前言简要分析了近几年来北京市能源生产和消费情况并针对目前 存在的一些问题提出未来能源发展展望；第二章是对中外能源系统模型的发展及分 类做出概述，介绍了本文的研究方法区间机会约束优化方法；第三章分析并规 划了北京市中远期经济、环境、能源需求三个方面，并提出合理展望；第四章基于 节能减排的基础上建立北京市能源供需优化模型；第五章得出结论并提出对未来的 展望。 本文主要是针对北京市的能源消费与供应现状，采用区问机会约束的优化方法 对北京市各种能源供需情况进行规划，设置了在污染物正常排放、污染物排放减少 2 0 和污染物排放减少3 0 - - 种情景下各种能源的供需状况，并针对北京市多元化 的发电形式做出合理电源规划，提出政策建议。 1 4 论文预期成果及可能的创新点 本文利用区间机会约束优化方法来规划北京市能源结构，并对北京市未来几年的能 源发展状况趋势及能源供应方案进行预测，并本着节能减排思想进行优化，为未来北京 市的能源结构进行合理布局。本文的创新点在于：( 1 ) 引入不确定性管理模型，能为 北京市能源规划管理提供更具可操作性的方案；( 2 ) 将区问机会约束的方法引入到北 京市能源模型的实例中，区问能够反映参数的不确定性，机会约束可以反映不同置信度 水平下不同的模型结果，本文最后得出九种不同情景下的模型结果。其中北京市城市 总体规划和北京市“十一五”时期各类规划是本文模型数据的重要来源和参考依 据。 目前的温室问题提出相应的建议和策略。o s a t o 等 8 1 应用m a r k a l 模型分析了 1 9 9 0 - 2 0 5 0 年同本c 0 2 减排的潜力，并就当前的形势和发展趋向提出了未来r 本的 主要能源和能源技术选择。e r i c d l a r s o n 等【9 j 在m a r k a l 模型的基础上建立了中国 能源系统模型，研究了在保证社会、经济的j 下常发展下，同时在保证能源供应安全 和环境的可持续发展的前提下，不同情境下的中国未来的能源技术战略。b r y d e n 等【l0 】应用m a r k a l 模型描述了欧盟五个国家的能源系统，通过比较c h p ( c o m b i n e d h e a ta n dp o w e r ) 技术和其它发电技术，评价了不同技术在发电领域发挥的作用。p o u l e r i kg r o h n h e i t 等】分析了e f o m 拓展模型研究结果的经济学内涵。c c o r m i o 等2 j 在应用e f o m 模型的基础上，研究了在考虑经济投入与环境影响的前提下，意大利 南部地区的各类发电厂，比如循环发电厂、风能发电厂、垃圾发电厂、生物质能发 电厂和热电厂的最优选址问题。h a n n e l eh o l t t i n e n 等【l3 】应用e f o m 模型和e m p s 模型 研究了北欧一些国家利用风能发电替代燃煤发电对c 0 2 减排的效果。a l e h t i l a 等【1 4 】 应用e f o m 模型预测并分析了芬兰的能源的最终消费、污染物的排放、生物能利用 以及热电联产发电，并为国家制定c 0 2 减排政策提供了大量的信息支持。b r u n o l a p i l l o n n e 等 1 5 】应用m e d e e 模型预测了美国1 9 8 5 一- 2 0 0 0 年能源需求的三种不同情 景。m i c h a e lm e s s e n g e r 1 6 】应用m e d e e 模型分析了未来西欧国家能源消费结构和能 源强度的改变，并指出这些变化主要是由于实际能源价格的持续上涨。b l a p i l l o n n e 等【l7 】首先介绍了m e d e e 模型所采用的方法及其发展体系，然后应用m e d e e 模型预 测了未来本国主要能源的需求情况。0 b a h n 等【1 8 】详细介绍了m e d e e 模型所采用的 数学方法的优势以及其在实际问题处理上的优越性。 八十年代中期，随着第二次石油危机的结束，世界石油市场渐趋平稳，全球气 6 华北电力人学硕十学位论文 候变暖问题成为决策者较为关注的问题之一。因此，人类生存环境的改变成为焦点 问题而备受关注，能源环境模型成为这一时期能源模型的主流，j t l a i m 模型、l e a p 模型、e f o m e n v 模型等。k e j u nj i a n g 等 1 9 1 在分析了世界和亚太地区发展中国家的 未来发展模式之后，应用a i m 模型研究了中长期温室气体排放情景。y u z u r u m a t s u o k a 等【2 0 】首先根据全球气候变暖的快慢趋势提出了不同的情景，然后应用a i m 模型分析了在不同情景下全球气候变暖带来的后果，并介绍了应用a i m i m p a c t 模块 的研究成果。m i k i k ok a i n u m a 等【z l j 在考虑国家政策干预的前提下，假定了两种社会 经济学情景，应用a i m 模型预测了未来近期内日本c 0 2 总排放量。b a o l e ig u o 2 2 】应用 l e a p 模型研究了未来不同情景下的中国能源系统发展情景及能源供需变化情况。 a m i tk u m a r 等【2 3 】应用l e a p 模型提出了基于不同情景下，越南能源系统中各类生物 能技术对c 0 2 的减排效果影响并对其潜力进行了评价。h o c h u ls h i n 等【2 4 】应用l e a p 模型分析了韩国在提倡天然气发电的政策下，天然气发电扩容对发电成本、能源市 场和二氧化碳等温室气体排放的影响。r a n j a n k u m a rb o s e 等【2 5 】利用l e a p 模型和当地 部门的环境数据库分析了造成印度德罩交通部门能源消费模式改变和影响环境排 放标准的因素，并预测了未来短期内能源的总需求量和使用交通工具带来的尾气排 放量。b k b a l a 2 6 j 应用l e a p 模型来预测中长期内孟加拉国农村能源的供应和需求状 况，并针对当地农村传统的生物能燃烧方式带来的弊端，分析了这种弊端对全球气 候变暖的影响。e p l i n k e 等【27 】应用e f o m e n v 模型制定了控制土耳其污染物排放的 中长期能源策略；e c k h a r dp l i n k e 等【2 8 】应用e f o m 模型研究了不同策略下控制土耳其 污染物排放的成本效率。 九十年代以后，随着各国能源需求量持续增加的普遍现象，能源在世界经济中 的地位越来越重要，各国为实现各自的可持续发展，所关注的焦点己从单一的能源 问题转变为与环境问题有关的多个重点领域，比如能源安全、能源坏境、能源技术、 能源经济等等。因此，这一时期出现的能源模型多为能源经济环境模型，比如c g e 模型、3 e s m o d e l 模型、m e s s a g e 模型等等，以及混合能源模型，如n e m s 模型、 i i a s a w e c e 模型等等。g u r k a ns e l c u kk u m b a r og l u t ”】在分析了土耳其的宏观经济、 能源与环境的基础上构建了c g e 模型，提出了不同碳税情景下实现生态、经济的可 持续发展问题。s a b i n em e s s n e r 等p 川制定了两个独立模型自动联接的方法，并以 m e s s a g e m a c r o 模型为例分析了在两种不同情景下，g d p 、能源供需状况和能 源价格的变动情况及其之问的联系。c o w e n e 3 1 1 在应用m e s s a g e 模型的基础上说 明了宏观经济模型与系统工程模型相结合的优越性，实践表明了这种联接模型有助 于更详尽的能源经济分析。 在我国，能源模型也已有了很长的研究历史。并以广泛应用到能源系统中处理 不同的能源问题。佟庆等【32 】将m a r k a l 模型应用在北京市中远期能源发展研究中， 根据北京市未来能源、经济、环境协调发展的要求，对未来能源系统发展情景提出 7 华北电力人学硕十学位论文 了几种情景分析。陈长虹等【3 3 】将m a r k a l 模型应用在上海市能源系统结构调整与大 气污染物排放控制中，利用m a r k a l 中的市场分配子模型分析了上海市能源结构的 调整并设置了情景，情景中包括高的能源利用效率、供应侧的能源结构调整方案和 终端能源消费结构调整方案等。余岳峰等【3 4 】利用m a r k a l 模型对上海市能源系统中 基准模型和情景模型进行了对比与分析，为上海市未来经济发展模式提出了参考， 同时为污染物低排放战略和能源政策调整研究奠定了基础。杨宏伟【35 】利用 a i m l o c a l 模型分析了减排技术协同效应对气候变化的影响，他应用了区域能源- 经 济环境综合评价模型，在考虑了未来经济发展、现行技术及未来技术发展和当地环 境保护政策等因素的前提下，结合北京市区域能源经济环境模型的案例研究，来 定量分析减排技术协同效应对我国气候变化的大体影响，并提出了初步建议。陈金 辉、肖冬荣【3 6 】针对当前炙手可热的大气污染问题，运用系统工程的方法建立了对偶 线性规划模型，实现了最优控制理论在大气环境治理实施中的应用，最终完成了经 济效益、社会效益和环境效益的统一。高虎等【37 j 把l e a p 模型应用在湖南省可再生 能源规划中，探讨了定量分析方法在省级可再生能源规划中的可操作性。黄东风【3 副 在考虑了能源资源的可获得性和环境保护要求的前提下利用m e s s a g e 动态线性规 划模型对浙江电源系统做出详细规划，提出了s 0 2 排放总量控制的详细要求和制定 了可再生能源在电源系统中的发展目标。 2 1 2 分类 国际上比较成熟的能源模型类型很多，模型的研究内容涵盖了能源系统的各个 领域，各类模型在结构、功能、方法上大同小异，针对解决关于能源安全、能源经 济、能源环境以及能源规划政策方面的不用问题。但是，鉴于目前能源模型的种类 繁多，研究内容也大多与能源资源、环境和经济有关，因此很难清楚明了地界定模 型的分类。目前国际上对能源模型还没有比较统一的分类方法，本文仅按照研究内 容、研究方法、模型功能、研究范围和建模方法五类分类标准对能源模型进行分类， 并对各分类模型的典型代表、主要研究问题以及研究的时问跨度进行简要说明，具 体见表2 1 。 本文按建模方法分类对各种模型进行详细介绍。按建模方法分类，能源系统模 型可分为自顶向下模型、自底向上模型和混合能源模型。 自顶向下模型主要用于宏观分析和能源政策规划，它以经济学模型为出发点， 以能源价格、经济弹性为主要的数据，集中体现能源价格、经济弹性与能源消费、 能源生产之间的关系。典型代表模型有c g e 模型、3 e s m o d e l 模型、m a c r o 模型、 g e m e 3 模型。c g e 模型创始于二十世纪八十年代末期，它主要是模拟能源、环境 与经济之间的互动影响，是一种能源经济环境模型。现在许多国家都建立了自己 的c g e 模型，这类模型能在能源贸易、能源环境及税收政策分析方面表现出区别于 8 华北电力火学硕十学位论文 其它模型的明显的优越性。中国社科院数经研究所与澳大利亚莫纳什大学政策研究 中心共同研究并建立了一个关于中国能源经济的c g e 模型p r c g e m ，该模型利 用静态分析方法研究了c 0 2 排放不同减排程度的条件下对长期和短期内碳税的影 响，并计算了不同情景下c 0 2 减排的成本【3 引。3 e s m o d e l 模型是一个与经济学有关 的模型，主要是通过在不同的节能、碳税、能源效率的情景下研究宏观经济、能源、 环境三者之间的关系，通过分析得出未来经济、能源、环境的发展趋势，模型结果 为决策者制定能源长期战略规划政策提供了信息支持。m a c r o 模型是m a n n e 等【4 0 】 开发出来的一个宏观经济模型，它利用生产函数反映出g d p 、劳动力与能源消费之 问的关系。g e m e 3 模型是一种与经济有关的能源模型，特点是集动态、递归和模 块化为一身，其核心是c g e 模型【4 ，模型主要是用来研究欧洲国家的能源和环境方 面的政策、改革和投资给当地可持续发展带来如何的变化，以及当地气候变化对能 源、经济、环境的影响h 引。 自底向上模型运用工程学的方法，利用分散的数据陈列出底层能源消费的情 况，详细描述能源供给、能源加工以及能源利用技术，模型强调能源消费的变化。 自底向上模型按研究方向可分为两类：第一类是模型中的数据主要是以能源供应、 能源转换为主，模型结果主要用于分析高效率的能源技术的引入及其引入后产生的 效果，这类模型典型代表为国际能源署为核心开发的m a r k a l 模型和欧盟开发的 e f o m 模型；第二类是模型中的数据主要是以能源需求、能源消费为主，对由人类 q 华北电力大学硕士学位论文 行为活动变化引起的能源需求和能源消费方面的变化进行了详细的剖析。这类模型 典型代表有m a r k a l 模型、m e s s a g e 模型、e f o m 模型、m e d e e 模型、e r i s 模型、 l e a p 模型和a i m 模型。m a r k a l 模型是一种能源系统模型，有着近二十年的发展 历史，广泛应用于全球3 3 个国家的研究机构中，主要是利用能源市场分配技术对国 家或地区进行能源规划和政策分析【4 3 4 4 1 。m e s s a g e 模型是国际应用系统分析研究 所m e s s n e r 等【4 5 】研究开发的，主要用于能源系统的中长期规划，也用于分析与能源 有关的国家政策，模型的核心部分是r e s ( r e f e r e n c ee n e r g ys y s t e m ) ，它描述了能源 资源从开采、进口、转化、运输、分配到终端服务、工业生产过程及交通运输等一 系列环节之间的关系。e f o m 模型是欧盟1 9 8 2 年研究开发的一种线性规划模型，主 要用于研究能源供应系统，其拓展模型主要是研究污染物的排放和减排技术h 6 。 m e d e e 模型是法国能源与经济政策研究机构开发的一种主要用于能源需求规划的 能源技术经济模型，核心部分是m e d e e s 模型。模型利用一些与社会经济、人口、 资源技术等有关的信息来对模拟能源需求变化进而预测工业、交通运输、居民消费、 服务业和农业五大部门的能源需求【47 1 。e r i s 模型是基于m e s s a g e 模型基础上由欧 盟的t e e m 计划创建的，该模型可以很清晰的呈现出能源技术的改变，是检验不同 规划方法的有力工具【4 乳4 9 1 。l e a p 模型是瑞典斯德哥尔摩环境研究所开发的与经济、 环境有关的能源模型，该模型通过对能源消费系统的仿真分析来预测各部门的能源 需求、消费及环境影响，并对各种能源方案进行详细的经济效益分析，被称为“终 端能源消费模型”【5 0 1 。a i m 模型是日本n i e s l 9 9 4 年研究开发的一种能源模型，该模 型对由于人类行为活动引起的温室气体排放、气候变化，以及对环境、经济带来的 影响进行综合分析与评价，还可用来评价应对气候变暖的政策措施【5 1 1 。此外，其 它有代表性的自底向上模型还有：美国马萨诸塞技术研究所开发的用于研究气体污 染物排放预测的e p p a 模型，德国斯图加特研究所【5 2 5 3 】丌发的应对温室气体减排策 略的i k a r u s 模型等等。 混合能源模型综合了自顶向下的宏观经济模型和自底向上的能源供需模型这 两类模型的优点，通过对整个能源系统( 从能源的开采、转化、运输、市场到最终 能源需求) 的模拟来预测各部门的能源供应、能源价格、终端需求量以及宏观经济 参数等等，为国家制定能源政策提供信息支持。混合能源模型研究范围多为全球的、 区域的或是国家的，模型结构上大多涉及到经济、能源供应、能源转化、能源需求、 环境保护与控制等多个模块。代表模型有n e m s 模型、i i a s a w e ce 3 模型、p r i m e s 模型、p o l e s 模型、m i d a s 模型等等。n e m s 模型是美国e i a d o e 研发的反映能源 生产、进口、转化、消费和能源价格之问联系的能源经济区域模型。i i a s a w e c e 3 模型是i i a s a 和w e c 开发的与能源、经济、环境有关的混合模型，主要研究由于人 类行为、能源生产销售等环节中一些不确定性因素带来的对未来社会能源技术的影 响p4 | 。p r i m e s 模型是欧盟t e e m 计划开发的对能源政策进行分析与评价的能源模 1 0 华北电力大学硕+ 学位论文 型，主要用于研究影响能源供求的相关政策和能源技术的分析【5 5 5 6 1 。p o l e s 模型是 欧盟t e e m 计划开发的具有多子模块的多层嵌套能源经济模型，主要通过模拟油气 资源的价格和供需情况等来反映全球不同地区的能源供需状况以及能源价格之间 的发展状况p 。m i d a s 模型是欧盟j o u l e 研究组开发的用来制定长期能源规划的能 源经济模型，主要利用一些经济计量学方程和对能源系统的过程分析来完成能源系 统的动态模拟1 5 引。其它有代表性的混合能源模型还有：国际能源开发的长期世界能 源规划模型w e mm o d e l 5 9 j ，欧盟开发的能源经济环境模型e 3 m em o d e l 6 0 】，美国 能源部开发的能源预测系统模型i f f sm o d e l 6 1 】，日本横滨国立大学开发的能源经济 气候整体评价模型d n e 2 1m o d e l 引。 2 1 3 小结 能源模型自上世纪七十年代开发以来经过了较长的发展阶段，基于已出现的能 源模型的优缺点，不断有新的模型被各国能源权威机构研发出来，这些模型已广泛 应用于许多国家和地区用以解决能源系统规划、能源政策及战略以及能源环境等问 题。然而目前还有不少能