能值理论在工业生态系统分析中的应用.doc

能值理论在工业生态系统分析中的应用项目资助：上海市重点学科建设项目(编号：B604)，生态纺织教育部重点实验室科研项目培育基金资助(编号: Eco-PY-2007-07)作者简介：李静（1978） 女 籍贯：山东聊城 东华大学环境科学与工程学院 讲师 在读博士，研究方向：生态工业与循环经济 通讯作者：李静 上海市松江区人民北路2999号东华大学环境学院 邮编：201620TelE-mail：李静，葛文，王艳丽，周美华（东华大学环境科学与工程学院，上海201620）摘要：能值分析方法为自然资源环境与人类社会、经济的统一评价提供了新的思路，同时也为工业生态系统分析引出了新的方法。本文在总结一些现有应用理论的基础上，提出了一些能值理论运用于工业生态系统分析的方法。关键词：能值分析；工业生态系统；物质代谢；工业共生Application of emergy theory in industrial ecosystem analysisLi Jing, Ge wen Wang Yanli, Zhou Meihua（College of Environmental Science and Engineering, Donghua University, 201620 Shanghai, China）Abstract: Emergy analysis provides a new way of thinking about the uniform evaluation of natural resource, human society and economy, and leads to some new analysis methods for industrial ecology system. Some existing related theories are summarized and analyzed. On the basis of them, the paper proposes some methods where emergy theory can be applied to systematic analysis of industrial ecology.Keyword: Emergy analysis; Industrial ecosystem; Metabolism; Industrial symbiosis工业生态系统是模拟生态系统的功能，建立起相当于生态系统的“生产者、消费者、还原者”的工业生态链，以低消耗、低（或无）污染、工业发展与生态环境协调为目标的工业。 已有的工业生态系统分析方法包括工业代谢（Industrial Metabolism，IM）、生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）、投入产出分析（Input-Output Analysis，IOA）、生态工业评价指标（Eco Industry Indicator，EII）等。能值理论在自然环境资源方面的应用已经趋于成熟，而工业生态系统与自然生态系统一定程度的相似性，以及能值理论所具有的优势，使得能值理论在生态工业领域具备了应用的价值。目前这一方面的研究尚不广泛，尤其是在国内更少，还需要更多的探索。1 能值理论能值理论是20世纪70年代由美国著名生态学家Odum创立的全新的科学概念和度量标准。一个系统的投入种类很多，因此具有各种各样的形态和单位，这就需要把所有的投入（物质、能量，甚至信息、劳务等）转换成为一种统一的衡量形式进行处理。地球上的能源大多来源于太阳能的辐射，因此Odum提出，通过对物质和能量生成过程的分析，可以计算出它们所含太阳能的多少，并将其定义为能值（Emergy）。能值分析是以能值为基准，把被研究系统中不同种类的、不可比较的能量以及非能量形式的物质流、资金流等所有流股换算成同一标准的能值来进行数据处理和系统分析. 另一方面，作为能值分析结果的反映，评价指标体现了系统分析对环境的重视和对系统可持续性的评估。通俗地说，能值就是获得单位产品或者服务所消耗的太阳能（单位为太阳能焦耳，solar energy joules，简写为sej）的多少。目前能值理论的主要应用以下几个评价指标来标示系统某一方面的性质：能值置换比（Transformity，简写为Tr）、能值产率（Emergy Yield Ratio，简写为EYR）、能值投资率（Emergy Investment Ratio，简写为EYR）、环境负荷率（Environmental Loading Ratio，简写为ELR）、可持续发展指数（Emergy Index of Sustainability，简写为EIS）等。除此以外不同学者针对特定的系统定义了其他一些评价指标并提出了能值的相图分析法1，2。2 能值理论在工业生态系统中的应用传统的工业生态系统分析方法，如工业代谢法、生命周期分析方法等更多强调于工业生态系统的某些环节，而忽略了整体的结构性和协调性3；而模拟自然生态网络等方法过于依赖与自然生态系统的类比，而忽略了工业生态系统的特殊性。能值理论和方法可以将工业生态系统的各类指标统一地量化，以便进行比较和评价，具有独特的功效和深入研究的意义。同时能值方法又有很强的实践操作性，从而使对工业生态系统的指标度量逐步有了较为一致和明确的标准。目前，能值理论的研究中心大多在自然、农业、城市等生态系统，或者地域国家等大尺度生态经济系统，而侧重于工业生态系统的研究则鲜有。2.1物质代谢分析物质代谢分析主要分析工业生态系统中物质、能量的流动，包括从物质的提取一直到生产、消费和最终处置等运行过程如何影响社会、经济和环境以及如何减少这些影响等问题, 它是促进循环经济发展过程中物质减量化、再循环、再使用的一种主要手段。物质代谢涉及物质合成、分离、传递和输送以及强化和衰减等一系列生物、化学、物理过程，以及过程中涉及到的能量使用过程。这一过程高度复杂，因此，在物质代谢分析中必须抓住物质流和能量流的分析与核算这一重点。物质流分析（MFA）和能量流分析（EFA）已分别于本世纪初在发达国家得到了一定程度的应用4。能值分析方法通过能值分析表将系统投入的各种能流、物流、货币流转化为能值流后，计算出能值评价指标，进行分析评价。陆宏芳等5提出了能值分析理论与投入产出理论的整合。在许多情况下，产业生态学问题最自然的选择工具是经济学的投入产出模型。该模型是从生产技术的角度出发，揭示一个经济系统各部门（产品）相互联系、相互依存的数量关系的理论体系6，7。工业生态系统内复杂的相互关系，需要有一种能够从整体出发来分析包括系统内各子系统间直接和间接波及效应在内的全部影响的分析工具。运用能值统一性度量尺度，可解决原经济学投入产出分析中物质流、能量流和货币价值流间，以及经济与生态系统相互作用在量纲上的不可比问题。经典经济学投入产出分析通过投入产出表（表1）进行系统内各子系统间直接消耗系数、间接消耗系数、完全消耗系数等的计算和分析，以研究系统内各成员间的相互作用关系和作用程度。将能值理论引入，运用投入产出表成熟的矩阵运算方法，可很大程度上减少能值流运算的工作量，并使系统内子系统间相互作用关系和程度的评价更加规范化。以能值为统一量纲，可将经济学投入产出表改造为表25：表1 投入产出表Tab 1 Input-output table投入产出消耗部门输出产品总产出12n生产部门1X11X12X1nY1X12X21X22X2nY2X2nXn1Xn2XnnYnXn增加值N1N2Nn总产出X1X2Xn表2 产业生态学能值投入产出表Tab 2 Emergy input-output table for industrial ecology投入产出消耗部门输出产品总产出12n生产部门1X11X12X1nY1X12X21X22X2nY2X2nXn1Xn2XnnYnXn外部环境Z1Z2Zn增加值N1N2Nn总产出X1X2Xn2.2 生产工艺的比较分析工业生态系统中产业链的构建需要对不同的工艺路线进行比较，从中选择最佳方案纳入产业链。其核心问题是从环境经济价值的角度评价不同技术路线的优劣。能值理论继承了全生命周期系统分析的思路，把系统所有的投入都转化为其所含太阳能的量，从而使不同的能量、物质获得了相同的比较标准，因而比其他系统分析方法考察因素更加全面，而且能值分析拥有丰富的评价指标。这些特点都使能值分析在不同工艺路线的分析评价上显示了独特的优越性。不同的生产原料决定了不同的工艺路线。以分析不同生产原料为例对这一方面的应用进行说明。产业链中某一生产环节的能流图可简化表示为图1。生产环节NRFY图1 生产能流示意图Fig.1 Outline of energy flow in a production在利用能值进行分析时，首先要严格按照N、R、F、Y的定义确定分析范围。和自然生态系统不同，工业生态系统中，太阳光、风、雨水、土壤等大气环境作用因素可忽略不计8。根据确定的分析范围列出研究系统的主要能量来源及输出，包括本地资源、输入的不可再生能源、输入的物料（产业链上游来源）及劳务、输出等；再计算范围内各类资源能流量（获得原始数据），能量以J为单位、物质以g为单位、经济流以￥为单位表示；最后将各类能量、物质转换成共同的能值单位（各种能物流量相应的能值转换指标）。由此得到分析对象的能值分析表。利用指标公式进行计算，既可得出各项指标用于比较。比较时可运用相图分析法，如文献8中运用“三相图能值分析法”，将各生产工艺按照F、R、N 占总投入能值F+R+N的百分比标绘于三角相图中，以便更直观地比较各生产工艺的差别。2.3 系统共生分析根据丹麦卡伦堡公司出版的工业共生一书中对工业共生的定义为：“工业共生是指不同企业间的合作，通过这种合作，共同提高企业的生存能力和获利能力，同时，通过这种共生实现对资源的节约和环境保护。在这里这个词被用来着重说明相互利用副产品的产业合作关系”9。工业共生理论是融合产业生态学理论与共生理论，研究产业中各企业成员间合作关系，建立产业系统的“工业链网”而形成工业共生网络，共同提高企业的竞争力和获利能力，实现协同进化，同时保证对资源的节约、高效利用，保护环境，促进经济、环境和社会的协调可持续发展。共生分析其中一个内容是对系统的共生效益进行分析。共生效益是指与没有共生相比，共生后整个系统增加的利益，既包括经济效益，也包括减少资源消耗以及废物排放等环境方面的效益。对此可引入“多产品能值分析模型”10。根据能值理论的系统能值守恒基本思想（系统的总能值输出等于总能值投入），作为工业生态系统的各项投入，都共同贡献于其产品。另一方面，系统的能量也是守恒的。系统中的能流除了具有守恒的特征外，还在系统内部分成流股，从而分别贡献于每一种产品。这一思想可表示为图2所示。N1kF1kWr生产系统En,1k.YkY2Y1R1k图2：k种产品的系统能流图Fig.2: Energy flow in a k-product system根据“多产品能值分析模型”把系统中对应于产品的能量分率作为系数，对多产品工业系统的能值流动进行“对应分配”，获得共生评价指数。 定义k中产品的总共生能值置换比：Tr1k=EmEn=i=1kYiEn=R1k+N1k+F1k+WrEn式中，Em是全部产品的能值（sej）；En是产品的量（可以是能量或质量等）；R1k为输入系统的本地可再生资源；N1k为输入系统的本地不可再生资源；F1k为从经济系统购买的投资及服务（如场地、设备、原料、技术、信息、劳动等）以使生产活动得以进行和发展；Wr为系统内的循环利用物质，可替代一部分的可再生资源和不可再生资源（针对工业生态系统，则不考虑其因为不达标排放污染物而对环境和经济系统产生的影响）；Y1k为产品的能值。产品生产过程中所需要转换的能量越多，那么它的置换比就越大。能值置换比随着能量等级的提高而增加。 再分别定义共生能值产率和共生环境负荷率：EYR1k=EmF1k=i=1kYiF1k=R1k+N1k+F1k+WrF1kELR1k=F1k+N1k+WNR1k+WR式中，WN为循环利用物质中代替不可再生资源的部分，WR为循环利用物质中代替可再生资源的部分（Wr=WN+WR）。能值产率（EYR）是生产产品总的能值投入与从社会购入的能值的比值。如果EYR小，则说明该种产品的竞争力较弱，开发时产生的回报效益较低；反之，竞争力则强，开发效益较高。环境负荷率（ELR）表示了工业系统对环境的负荷大小。如果能值产率的提高是可再生资源部分（R）增大引起的，那么环境负荷率就减小；反之，则增大。一个较高的 ELR值表明在经济系统中存在高强度的能值利用，同时对环境系统保持着较大压力。ELR是经济系统的一个预警指标，若系统长期处于较高的环境负载率，将产生不可逆转的功能退化或丧失情况。从能值分析角度来看，外界大量的能值输入以及过度开发本地不可再生资源，是引起环境系统恶化的主要原因。为了和不具备工业共生环境的情况进行比较，把分别以相应产品为单一生产的多个相互独立的系统进行平均。首先得到数均能值置换比：Tr1k=i=1kEm，ii=1kEn，i=i=1kRi+Ni+Fi+Wr，iEn再将产量分率作为权重，得到数均能值产率和数均环境负荷率。EYR=i=1kEn，ii=1kEn，iEYRi=i=1kEn，iEnEm，iFiELR=i=1kEn，ii=1kEn，iELRi=i=1kEn，iEnFi+Ni+WN，iRi+WR，i这两种情况比较之后，如果共生能值置换比小于数均能值置换比，则说明具备工业共生的系统效率更高。可以说，在一定程度上，共生能值置换比越小，系统的共生效益就越大。应该指出的是，共生能值置换比和数均能值置换比都不能用于能值分析的进一步计算，而只能最为作为比较的依据之一。因为它们是为了分析比较的目的，通过数学处理而获得的，而不是客观存在的置换比1。如果共生能值产率高于数均平均能值产率，就说明共生系统在利用本地资源方面比不具备工业共生的系统更有效，同时也说明产品的竞争力更强。同样，如果共生负荷率低于数均负荷率，说明共生系统对环境的压力更小。由此，在较低的环境负荷率范围内，共生能值产率越大说明共生系统通过共生效应产生的经济效益越大，通过废弃物利用和减少不可再生资源的利用所产生的环境效益也越大。2.4 系统演化研究工业生态系统同自然生物圈一样，也有一个演变进化的过程，其相应的生态指标也是随着演变过程变化的。考察工业生态系统及系统中各个生产过程的演变进化，正确认识其在工业生态系统中的地位和作用，可获得工业生态系统发展所处的状态以及组成部分与自然环境间的相互关系，从而协调各个生产过程与工业生态系统之间的关系，预测工业系统内的物质流、能量流等所能达到的最优效果及工业生态系统的发展。以时间为轴线，对一个工业生态系统内的物质和能量进行的动态能值评估，可以结合能值投入产出表分析系统内部各成员之间的相互作用关系及相互影响程度，从中总结出该系统演变的内部机理和规律。对于一个演化中的工业生态系统，我们可以参考能值理论在考察自然生态系统演化中的研究方法。其具体方法步骤为：（1）在掌握了所研究的工业生态系统各方面资料的基础上，应用能量符号绘制能量系统图;工业生态系统的能量系统图如图3所示:图3：工业生态系统能量系统图Fig.3: Emergy System Diagram of Industrial Ecology System（2）根据能量系统图和相应统计及研究资料，编制该系统的能值分析表；（3）根据能量系统图和能值分析表可以构建表征系统特征的综合评价指标体系;（4）结果分析。除前文所述的几种指标可用于系统演化评价外，再引入系统可持续发展指数（Emergy Index of Sustainability）指标：EIS=EYRELR一个系统的能值产率越大，环境负荷率越小， 则EIS值就越高，该系统的可持续发展程度就越高。若一个工业生态系统能值产出率高而环境负荷率又相对较低，则说明它是可持续的，反之是不可持续的。但并不是EIS值越高，可持续性就越高。当10EIS1时表明系统富有活力和发展潜力；EIS10则是系统不发达的象征；当EIS1 时，则为消费型系统10。陆宏芳等11应用能值分析方法对顺德市产业生态系统能值动态进行了分析。其中以能值理论方法为基础，结合环境经济学和区域经济学方法，从系统开放性、本土性、闭路循环性和经济性四个方面，投入和产出端角度，对顺德市产业生态系统22年的发展动态进行分析研究。3 结语自从能值分析理论创立以来，其凭借对自然、环境、经济整合分析的独特优势，在短短十几年间在全球范围各种生态系统的研究领域中得到了高度重视和广泛应用，并已日趋成熟。然而作为一种新兴理论，在实际运用中逐渐暴露出了问题。许多学者相继提出了20多种反映系统变化规律及其特征的能值指标，但评价指标体系仍不完善。尤其是在工业系统的研究中，能值理论的探索和应用还十分有限。能值理论在今后的发展中需要充实和完善其评价指标，以适用于各种系统的分析和评价。与各种研究领域的结合，使得能值理论方法可以在以生态经济复合系统为研究对象的领域中不断拓展。比如与恢复生态学、产业生态学以及与空间结构分析的结合等。能值研究在发展的同时也促进了相关学科的发展。信息