区域（城市）环境—经济系统能流分析研究

刘　伟　鞠美庭　李　智　黄　娟　邵超峰

摘要 物质和能量流动是环境—经济系统得以正常运行的必要条件，该系统是一个将原料、能源转 化为产品和废弃物的代谢过程。相对物质流动，能量流动呈单向流动，并且在流动过程中利 用效率较低，从而导致这一过程对自然环境产生负面影响。参考物质流分析方法，提出区域 环境—经济系统能流分析的研究框架，对分析的主要能源类型、系统边界、数据的获取途径 与处理（如以能值分析中的太阳能值作为统一的分析单位）进行了说明；在以往能流分析、 物质流分析和能值分析研究的基础上，提出区域环境—经济系统能流分析的分析指标。通 过 对区域（城市）环境—经济系统的能量流进行分析，其结果可以为区域能流的优化管理、 优化能源使用结构、污染物总量控制、节能减排等能源政策的制定提供导向。

关键词 能流分析；物质流分析；能值分析；能流密度；能源消耗强度

中图分类号 X21；F224.12 文献标识码 A 文章编号 1002-2104（2008）05-0059-05

早期的资源代谢研究主要集中于社会经济系统的物质流分析。作为用于分析社会经 济的 物质流代谢方法，物质流核算的框架和指标也越来越完善，如Eurostat的国家层面物质流核 算指南［1］。2001年，Haberl提出，必须全面考虑社会代谢的能源和物质，以扩大 代谢方法的研究范围，并且充分开发这一方法的潜力，以实现可持续发展［2］。Hab erl还进一步指出，能流分析是实现全面了解社会经济代谢必不可少的部分，因为维持物质 不断流动的前提是获得不断的能量输入，以推动系统内物质的转移和转换［3］。

诺贝尔奖获得者Ostwald最先从能量的观点来研究社会经济系统。1992年，Giampiet ro 等评估了在社会经济代谢过程中，用于改变生态系统能量大小。考虑社会经济系统中的能量 流，可以像生态学家描述生态系统中的能量流一样来加以考虑。社会经济代谢的核算系统也 应该考虑驱动物质流动的能量流［4］。2001年，Haberl提出与物质流分析相一致 的能流核算方法，用于分析进入和离开国家经济系统的能量流动［2］。2004年，Hab erl等 提出物质和能量流分析（MEFA）框架，通过跟踪社会经济中的物质和能量流，以及评估与 这些流动相关的生态系统变化（例如土地利用），从而分析社会与自然系统之间的相互作用 ［5］。2006年，黄书礼等对台湾1981-2001年间社会经济代谢进行了分析，将物质 流分析和能值分析结果进行对比研究。通过对比分析发现，单独的物质流分析不足以识别 台湾不断增长的能源使用［6］。2006年，Haberl基于社会代谢方法，探讨了社会经 济能量流的可持续性问题；与传统的能量统计（只考虑技术设备上使用的能源）相比，该方 法考虑了与人类社会相关的各种能量流，包括了人和家禽的营养能量流［7］。目前 ，大多数有关社会经济代谢的研究都忽视了能量流，因为用相同的单位来比较物质和能量是 很困难的。

能流分析是用来评估能源使用效率的方法，它对环境—经济系统中能量的投入和产出进行量 化分析，同时通过能量统计，对能源的初级输入、能源转换、最终能源使用、能源输出等过 程进行结算。在能流分析中，分析的对象主要包括生物质（燃料）、化石燃料、能源产品、 电力等。

以往能流分析将各种性质和来源根本不同的能源以能量单位表示后进行比较和数量研究，然 而不同类型的能源并不可比较和加减。以能值作为共同的度量标准，则可以将各种原本不可 相加和比较的能量，通过其能值相加和比较，使系统分析建立在太阳能值为标准的基础上 ［8］。文章参考物质流分析方法，提出环境—经济系统中的能流分析框架和分析指标 ， 并以能值分析中的太阳能值作为统一单位。通过对区域（城市）环境—经济系统进行能流分 析，可以为区域能流的优化管理、优化能源使用结构、污染物总量控制、节能减排等能源政 策的制定提供导向。

1 区域环境—经济系统能流分析研究框架

区域（城市）能流分析研究框架（见图1）建立的基本原理是能量守恒定律，即系统的总输 入=总输出+净累积量。区域能流分析能够进行时间序列分析和跨区域/国家的比较。

1.1 分析的主要能源类型

在能流分析中，分析的主要能源类型包括能源输入、能源转换、终端能源和有用能源、能源 输出等。

刘?伟等：区域（城市）环境—经济系统能流分析研究中国人口•资源与环境 2008年 第5期 （1）能源输入。输入经济系统的能源中最主要的一部分来自区域自然环境中的各种富含能 量的物质（生物质、化石燃料等），利用的水能、风能等，原子能转化为热，或把太阳能转 化为热及电能。此外输入经济系统的能流还包括从其他国家和地区进口的化石燃料（原料或 产品）、生物质（燃料）、电力等。

能源输入可以描述为直接能源输入或者总一次能源输入。虽然直接能源输入只包括实际进入 经济系统的能源量，但是总一次能源输入考虑了隐藏流（隐藏流是指获得直接输入但未通过 社会经济系统的能量流［9］）。

（2）能源转换。能源转换是指通过计算一次能源转变为终端能源过程中的转化平衡。一般 指化石燃料、水能等一次能源直接或间接转变为电能、热能、汽油、煤油、柴油、煤气等二 次能源。例如，煤通过燃烧转换为热能，热能产生蒸汽驱动汽轮机转换为机械能，再带动发 电机转换为电能。在现代工业社会中，最重要的转化过程通常是电力和热能，以及原油提炼 和与煤相关的各种转化过程。转换后的二次能源比一次能源具有更高的终端利用效率，使用 时更方便、更清洁。在能源转换过程中，不可避免地会伴有转换损失，例如废热、摩擦损失 等。

进入社会系统中的能源通常以不同的方式转换为其他能源，最终作为终端能源，即直接用于 提供能源服务。能源输入的一部分没有用于能量供给，而是作为能源储备或富能物质存储下 来。

（3）终端能源和有用能源。终端能源是指用于生产有用能源和最终能源服务的能源。终端 能源也包括人类为了生存和活动，以及耕作动物所消耗的营养能源——生物质。能源服务是 通过使用能源而获得的非物质服务。例如，能源服务包括供暖、把人或物品由A点转移到B点 等，而不包括使用能源生产其它的能源载体，如用汽油发电等。有用能源是指在提供能源服 务中实际做功的能源，主要包括动力、热能、光、数据处理等。

终端能源和有用能源仅指系统中的能源转换，终端能源使用也直接与经济核算系统和不同部 门的活动相关。然而，与能源输入相比，终端能源和有用能源很少与社会和自然环境系统相 关，因为，从一次能源到终端能源，一次能源中的相当部分在转换过程中损失掉了，或者用 于其他非能量目的。此外，社会的能量代谢效用主要取决于能源服务。目前，对于能源服务 的数量，可以用有用能源的使用量来衡量［9］。

（4）能源输出。能源输出主要包括能源在转换、使用过程中产生的环境污染物（主要指大 气污染物、固体废弃物等）、热耗散、输出/出口到区域外部的能源，以及本地获取所产生 的隐藏流和出口能源相关的隐藏流。

1.2 分析方法

1.2.1 系统边界的确定

在区域能流分析中，首先需要确定分析系统的边界，即研究的范围。系统边界主要包括研究 的时间边界和空间边界等。在系统边界的确定中，需要注意以下几点：

（1）选取的时间范围较宽，能使得出的分析结果表征出变化趋势；

（2）选取的时间段具有连续性。除特殊原因（缺少相应的统计数据或者分析区域的空间边 界发生较大改变等），选取的分析时间段最好是连续的，以便于分析和做出预测；

（3）分析时间段内空间范围的一致性。在分析的时间范围内，分析区域的空间边界最好保 持一致，以便于数据的统计和分析；

（4）在分析时间段内，研究区域的经济增长速度较快，或者对能源的消耗较大。对这样的 时间段进行分析会更具意义。

1.2.2 数据的获取与处理

（1）数据的获取途径。按照分析的能源类型，进行数据的分类统计。数据获取途径 包括： ① 通过规范的统计年鉴（农业、林业、工业、能源、气象、水利等）、环境质量报告书或 网络统计数据库等，可以获取直接能源输入和直接能源输出等数据；② 已被学术界认可的 研究成果。如我国对太阳能值转化率的研究很少，还不足以支持能流分析。因此在能流分析 中，可以参考国外最新的太阳能值转化率；③ 国家权威机构公布的研究报告，如国家能源 报告等。

（2）数据的处理。在数据的统计分析中，需要对其进行部分筛选和处理：① 直接能源输入 和隐藏流又分为区域内和进口两部分，总一次能源输入实际上包括区域范围内的能源输入量 与进口的能源输入量，其中进口能源产生的隐藏流虽然对出口区域产生环境压力，但仍计入 进口区域的总一次能源输入中。② 通常统计机构收集和发布的数据都是以质量、体积（如 天然气、木材等），或热量单位来计算和统计的。因此，需要采用能值转化率将其转换为统 一单位，以便于比较分析。最后，根据收集到的分类能源统计数据，利用指标计算公式（见 表1），得出分析结果。

2 区域环境—经济系统能流分析指标

进行区域环境—经济系统的能流分析，需要构建一系列的指标。这些指标可以综合反映系统 中的能源使用结构、功能与效率等，同时也可以为系统综合分析及社会经济发展决策提供参 考。表1从经济、环境和强度效率角度构建了区域环境—经济系统能流分析的指标。

2.1 经济指标

（1）直接能源输入 指一定时期内区域一次能源生产量的总和，是观察区域能源生产水平 、规模、构成和发展速度的总量指标。一次能源生产量包括原煤、原油、天然气、水电、核 能、生物质能、太阳能、其他动力能（如风能、地热能等）。通常我们会忽略一些应该包括 的内容，例如家禽放牧等。对于进口，应该考虑所有能源物质的进口，不仅仅是能源载体；

（2）总一次能源输入 等于直接能源输入加上隐藏能流。隐藏流可以是国内/区域内的（例 如，开采一吨煤所消耗的能源等），也可以是进口的（例如，进口物质在运输过程中所消耗 的能量等）；

（3）能源消费量 指一定时期内区域物质生产部门、非物质生产部门和生活消费的各种能 源的总和，是观察能源消费水平、构成和增长速度的总量指标。能源消费总量包括原煤和原 油及其制品、天然气、电力，以及生物质能和太阳能等的利用。能源消费总量分为终端能源 消费量、能源加工转换损失量和能源损失量三部分［10］。①终端能源消费量 指一 定时期 内区域生产和生活消费的各种能源在扣除了用于加工转换二次能源消费量和损失量以后的数 量。②能源加工转换损失量 指一定时期内区域投入加工转换的各种能源数量之和与产出各 种能源产品之和的差额，是观察能源在加工转换过程中损失量变化的指标。③能源损失量指一定时期内能源在输送、分配、储存过程中发生的损失，以及由客观原因造成的各种损失 量，但是不包括各种气体能源放空、放散量；

（4）能源自给率 指某一区域的本地能源输入与能源消耗总量之比。能量自给率可以用来 描 述一个国家或地区的对外交流程度和经济发展程度。能源自给率越高，说明经济发展对区域 外部能源的依赖越小；

（5）能流密度 指某一区域能流总消费量与该区域的标准生态面积之比。能流密度这一指 标 反映了被评价对象的两个特性——经济发展强度和经济发展的等级。能流密度越大，说明经 济越发达，在等级中的地位越高；

（6）净能量产出率 指系统产出能量与经济反馈（输入）能量之比。反馈能量来自人类社 会 经济，包括燃料、各种生产资料与人类劳务。净能量产出率是衡量系统产出对经济贡献大小 的指标。净能量产出率值越高，表明系统获得一定的经济能量投入，生产出来的产品能量值 （产出能量值）越高，即系统的生产效率越高。净能量产出率对能源和进出口价值评估特别 重要，可用以说明能源生产与利用的效率，显示经济活动的竞争力［8］；

（7）单位产值能耗 是指某一地区一定时间内单位产值消耗的能源量。一个国家或地区的 单 位产值能耗，通常以单位国内生产总值耗能量来表示。它反映经济对能源的依赖程度，受一 系列因素的影响，包括经济结构、经济体制、技术水平、能源结构、人口等；

（8）能源生产弹性系数 是研究能源生产增长速度与国民经济增长速度之间关系的指标 ［10］；

（9）能源消费弹性系数 是反映能源消费增长速度与国民经济增长速度之间关系的指标 ［10］。

2.2 环境指标

（1）环境负载率 是指系统中不可更新能源投入总量与可更新能源投入总量之比。环境负 载率越高，说明经济活动对环境的扰动相对也越大。

（2）环境纳污饱和度 是衡量区域环境状况的指标，它能反映区域环境容量的占有 情况。 主要受区域内向大气中排放的污染物影响。基于我国很多城市进行了环境容量核定，因此提 出该指标以衡量环境容量的占用情况［11］。

2.3 强度效率指标

（1）能源转换效率 指一定时期内能源经过加工、转换后，产出的各种能源产品的数量与 同期内投入加工转换的各种能源数量的比率。它是观察能源加工转换装置和生产工艺先进与 落后、管理水平高低等的重要指标［10］；

（2）能源利用效率 是指一个体系（国家、地区等）有效利用的能量与实际消耗能量的比 率。它是反映能源消耗水平和利用效果，即能源有效利用程度的综合指标；

（3）能源消耗强度 是指某一地区的人均能源使用量，是评价人民生活水平的指标。

3 区域能流分析的实践意义

现代工业社会的发展越来越依赖能源，能源在国民经济中的地位也越来越突出，因此进行区 域（城市）能流分析具有十分重要的现实意义，具体表现在：

（1）弥补物质流分析在环境—经济系统中的研究不足。物质和能量以不同的方式交织在一 起 ，单独的物质流分析不足以识别环境—经济系统的能源使用。综合应用能流分析和物质流分 析，可以对区域的资源流动进行全面分析，从而能够更好地理解社会代谢模式。

（2）进行能流的优化管理。能流分析的核心是对社会经济活动中的能量流动进 行量化分析 ，了解和掌握整个社会经济系统中能量的流向和流量。建立在能流分析基础上的能流管理， 可以通过对能量流动方向和流量的调控，发现各种资源和不同行业的能量流动的方式和效率 。在此基础上，依靠观念创新、制度创新和科技创新，推广清洁生产，推进循环经济，制定 产业发展等一系列的方针和政策，优化区域内的能源配置，提高能源的利用效率，从而指导 区域环境—经济系统的持续发展。

（3）优化能源消费结构。根据能流分析，可以明晰各产业能源的消耗和利用、可更新能源 与不可更新能源比率等情况，从而进行能源消费结构的调整。例如，用各种可更新能源（如 风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等）替代现有的化石能源，不断提高可更 新能源的使用比例，减少环境污染［12］。

（4）为区域污染物总量控制提供基础。能源，特别是化石能源的使用会产生相当数量的污 染物。通过能流分析，可以获得污染物贡献率和区域污染物排放总量。然后根据区域整体环 境的使用功能要求及自净能力，提出污染物总量控制的管理方法。

（5）为节能减排等政策的制定提供依据。通过能流分析，可以获得当前经济系 统基准年的 能源消耗和利用效率，以及一段时间内的变化趋势等分析结果，然后据此可规划出能源污染 物削减计划，以及逐步提高能源利用效率的中期（20年后）目标和远期（50年后）目标等。

4 结 语

对环境—经济系统进行能流分析，其目标就是弄清经济社会与自然环境之间的关系，在更好 利用能源的同时保护环境。能流分析在过去20年间的发展比较缓慢，其研究框架和分析指标 有待进一步完善。论文借鉴物质流分析和能值分析，提出了区域能流分析的研究框架和分析 指标，并对以往能流分析在单位统一上存在的争议进行了处理。作为社会代谢研究不可缺少 的一部分，能流分析必将会获得快速发展。如何将能流分析与物质流分析进行整合，从而更 好地研究社会代谢，这将是一个值得深入研究的内容。

(编辑：于 杰)

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