我国能源安全与能源消费结构关联机制的系统动力学建模与仿真

李 爽，汤嫣嫣，刘 倩（中国矿业大学 管理学院，江苏 徐州 221116）

我国能源安全与能源消费结构关联机制的系统动力学建模与仿真

李 爽，汤嫣嫣，刘 倩
（中国矿业大学 管理学院，江苏 徐州 221116）

我国已经进入工业化发展阶段，能源安全的维护与能源消费结构的优化，成为两个亟待解决的课题。文章在对能源安全和能源消费结构发展现状分析的基础上，应用系统动力学理论和方法，对我国能源安全和能源消费结构的关联机制进行了模拟和分析。最后得出结论：改善能源消费结构对能源消费量有决定性的影响，进而影响能源安全；从能源供给角度来降低能源缺口，提高能源安全度，同时影响能源强度进而对各种能源的消费量产生作用，以达到改善能源结构的目的。

能源安全；能源消费结构；关联机制；系统动力学

［DOI］10.3969/j.issn.1007-5097.2015.08.014

一、引 言

能源是一切社会发展、人类进步的物质来源，也是一个国家经济顺利发展的必要物质基础，各行各业的现代化都依赖于能源的供给与消耗。由于国家的经济发展高度依赖于能源，只有充足的能源才能让国家经济发展得到保障，因此，保证国家能源安全是决策者发展经济应优先考虑的条件之一［1］。而我国能源安全现状不容乐观，很大程度上是由于不合理的能源消费结构造成的［2］，因此，当下甚至是未来很长一段时间内，中国制定且执行能源战略的核心将会是：调整与优化能源消费结构［3］。总而言之，能源结构的调整与优化是保障我国能源安全的首要问题［4］。

能源系统是一个复杂的系统，能源安全与能源消费结构作为其中两个重要的组成部分，可以被认为是能源系统的两个子系统。而能源安全和能源消费结构的影响因素也有很多，其中部分因素分别可以与二者构成线性关系，其他则可能与之构成非线性关系。另外，这些影响因素与能源安全与能源消费结构的数量关系也不一定显著，因此，能源安全与能源消费结构的关联机制系统也是一个较为复杂的系统［5］。

收稿日期：2015-04-22

基金项目：国家自然科学基金项目（71440005）；教育部人文社会科学研究规划基金项目（12YJA630063）；江苏省社会科学基金项目（10GLB001）

作者简介：李 爽（1978-），女，江苏徐州人，副教授，硕士生导师，博士，研究方向：安全管理，能源经济；

汤嫣嫣（1992-），女，福建宁德人，硕士研究生，研究方向：能源经济领域；

刘 倩（1989-），女，河北衡水人，硕士研究生，研究方向：能源经济领域。

二、系统动力学建模

本文建立能源安全与能源消费结构内生关联机制的系统动力学模型，主要是为了通过模拟研究系统内各主要影响因素，并分析其与能源安全、能源消费结构之间的作用机制，从而为我国能源安全、能源优化、能源消费结构的调整与改善提供政策支持。

（一）因果分析

本模型主要是由九个因素构成，分别是能源消费结构、二氧化碳排放量、能源价格、经济产业结构、人口数量、能源安全、能源生产、能源强度和国民经济增长。

能源安全、能源消费结构分别有许多其各自的影响因素，如图1所示。本模型采用能源缺口来体现能源安全，能源缺口由能源供给总量与能源消耗总量的差值得到，能源缺口的数值越大，则表示能源安全程度越低。能源安全与能源消费结构通过GDP与能源强度联结起来，构成反馈回路。

图1 因果关系结构图

由图1可看出以下三条主要反馈回路：

（1）能源消费结构→能源消费量→能源缺口→GDP→能源消费结构

（2）能源消费量→能源缺口→GDP→能源强度→能源消费量

（3）能源缺口→GDP→能源固定资产→能源产出→能源缺口

以上三条反馈回路中，第一和第三条为正反馈回路，第二条为负反馈回路。由于本系统中存在负反馈回路，因此，能源缺口和能源消费结构呈现出波动性的变化。

对上文三条反馈回路作如下分析：

（1）优化能源消费结构，能源消费量减小，能源缺口减小，GDP上升，能源消费结构优化。

（2）能源消费量上升，能源缺口增大，GDP下降，能源强度增强，能源消费量降低。

（3）能源缺口增加，GDP下降，能源固定资产降低，能源产出下降，能源缺口增大。

（二）参数确定

本文模型中的变量值主要用以下三种方法来确定：回归分析法，平均值法和表函数法。

根据1999-2013年间中国工业增加值与GDP值，回归分析，联立二者的回归方程，得到：GDP= 2.337×工业增加值+33 681.341；同样，对1999年至2013年间能源产出与能源固定资产数值进行回归分析，得到：能源产出=-30.512×能源固定资产+投入系数。

通过平均值法确定的变量有：出生人口、死亡人口、工业固定资产投资比例、能源固定资产投资比例、GDP对能源强度影响。

运用表函数表示的变量有：人均生活消费量影响因子、煤炭价格影响因子、天然气比例影响因子、石油比例影响因子、第三产业比重变化影响因子、重工业比重变化影响因子、能源进口影响因子。

本文模型中变量的函数关系如下［6-10］：

（1）GDP=2.337×IAV+33 681.341

（2）ISAESE=0.015×TIPC-0.03×HIPC

（3）TP=INTEG（BP-DP）.

（4）PCLC=PCLCIF（Time）

（5）NGP=NGPIF（Time）

（6）NGC=GDP×ES×NGP

（7）RCC=0.33×RLC

（8）RLC=PCLC×TP

（9）RPC=0.13×RLC

（10）IFA=INTEG（IFAI-IFAD）

（11）IFAI=GDP×IFAIP

（12）IFAD=IFA/10

（13）IAV=IFA×IUPFA

（14）CP=CPIF（Time）

（15）CC=RCC+PCC

（16）PCP=0.78-0.0004×CP

（17）PCC=GDP×ES×PCP

（18）PEP=1-NGP-PCP-OP

（19）PEC=GDP×ES×PEP

（20）PC=RPC+PEC

（21）OP=OPIF（Time）

（22）OC=GDP×ES×OP

（23）TIPC=TIPCIF（Time）

（24）EO=-30.512×EFA+IC

（25）EFA=INTEG（EFAI-EFAD）

（26）EFAI=GDP×EFAIP

（27）EFAD=EFA/10

（28）ES=INTEG（-ESD）

（29）ESD=ISAESE+HEPESE+TPESE-0.08×GDP×GIEI/1e+006+0.075

（30）TES=EO+EI

（31）TEC=CC+OC+NGC+PC

（32）EG=TES-TEC

（34）EI=EIIF（Time）

模型所涉及的变量及缩写如表1所示。

表1 模型变量表

（三）系统动力学流图

根据能源安全与能源消费结构的模型结构图和因果关系图，本研究运用系统动力学软件Ven⁃ sim5.10建立起能源安全与能源消费结构内生关联机制的系统动力学流图，结果如图2所示。

图2 系统动力学流图

三、模型检验

本研究验证时间段为1999-2013年，检验结果如表2所示。图3分别为生产能源消费量、石油消费量、天然气消费量以及能源产出的模拟曲线。表2体现了仿真值与实际值之间的误差，可以看出，所有误差都在10%以内。

表2 主要变量历史检验结果表

图3 模拟曲线

四、模型的模拟仿真

由上文的因果反馈环和最终制成的系统动力学流图可知道，能源安全与能源消费结构之间的关系是因果关系。

（1）依据能源消费比例进行调控，观测能源缺口的变化情况，在能源消费结构不同的情况下，观察能源安全的变动情况。

能源结构中，煤炭和石油的高比例消耗是使碳排放居高不下的主要原因，因此，降低二者在消费结构中的比例，使用天然气和开发出新能源进行发电将会是我国能源结构的调整方向［11］（见表3）。模型将能源消费结构中天然气的使用比例提高5%，电力比重提高5%，并将煤炭的价格提高5%，从而实现煤炭消费比重降低的目的。

表3 自然发展和低碳模拟型情景设置

两种情境下模拟，得到观察变量模拟值，如表4和图4所示。

表4 两种情景模拟下能源缺口值

图4 两种情景的能源缺口模拟对比

从图4可以直观看到，增加天然气和电力的消费比例，并调高煤炭价格之后，能源缺口的整体趋势为下降，并有小幅波动，远小于自然趋势下先大幅升高后持平的能源缺口量。适度调整能源消费比例能够大幅改变能源缺口的发展水平，从而实现显著提升我国能源安全的目的。

（2）根据能源供给角度进行调控，增加能源固定资产投资比例，从而使能源的产出增加，从而使能源缺口减小，观察此时煤炭消费量和电力消费量的变化，分别从化石能源和非化石能源两个方面观察出能源消费比例的变动情况。

将能源固定资产投资比例提高5%，来实现增加能源供应的目的。同样对自然发展情形和供给调整情形进行对比分析，具体参数设置如表5所示。

表5 自然发展和供给调整型情景设置

具体变化结果如表6、图5和图6所示。

表6 两种模拟下数据对比

情景2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050供给发展煤炭消费量220958 232005 265645 302835 351288 418033 459837 510419 571669电力消费量27945 30740 34120 39228 44338 52319 60167 67388 74800自然调整煤炭消费量220958 223569 247896 263650 301256 368904 402578 443698 501230电力消费量27945 32658 38560 44985 50629 68530 76530 86452 98657

图5 两种情景的煤炭消费量模拟对比图

图6 两种情景的电力消费量模拟对比

根据以上模拟数据与趋势图结果显示，提高能源固定资产投资比例，则能源缺口很可能减小，进而影响GDP的变化、改变能源强度，最终导致煤炭消费量与电力消费量的变化。这里煤炭消费量比自然发展状况下增加的速率略慢，然而电力消费量的增长趋势却会加快。

分析出现该变化的原因有：我国的能源消费以煤为主，煤炭消费则导致严重的环境负担。因此，普及清洁能源和发展清洁技术将是我国能源消费结构优化的首要目标。同时，增加能源固定资产投资比例，促使能源缺口减小，提高我国的能源安全水平，并促进新能源的开发与新技术的使用，抑制煤炭等高碳排放的化石能源消费的快速增长，并提高煤炭的使用效率，从而达到优化消费结构的目的。

五、结束语

综上分析，研究结论表明：①改善能源消费结构对降低能源消费量决定性的影响，进而对能源安全的提高有显著影响。在不同的能源消费结构下，能源缺口的预测值发生了显著的改变。在自然趋势发展情况下，煤炭比重仍旧很高，天然气与石油缓慢增长，此时的能源缺口值在2010-2045年间保持较为高速的增长，并在2045年达到一个峰值后逐渐趋于平稳，不再大幅增长；将煤炭比例减少5%，天然气和电力比例分别调高5%，能源缺口在2010年至2050年间是一个缓慢减小的趋势。两种能源消费结构对能源安全的改变作用是截然不同的。②能源供给角度降低能源缺口，通过改变能源强度的影响提高能源安全度，另外，降低煤炭消费比例，提升清洁能源的比例，最后实现改善能源结构的目的。

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［责任编辑：张 青］

System Dynamics Modeling and Simulation on the Associated Mechanism of Energy Security and Energy Consumption Structure in China

LI Shuang，TANG Yan-yan，LIU Qian
（School of Management，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China）

China has entered the development stage of industrialization，the maintenance of energy security and the optimiza⁃tion of energy consumption structure become the two issues to be solved urgently.Based on the analysis of current situation of the development of energy security and energy consumption structure，the paper applies system dynamics theory and method to simulate and analyze the associated mechanism of China’s energy security and energy consumption structure.Finally，the paper comes to conclusions:Improving energy consumption structure has a decisive impact on energy consumption，and then affects energy security；Reducing energy gap and increasing energy security from the perspective of energy supply have im⁃pacts on energy intensity，and then affect all kinds of energy consumption，so as to achieve the objective of improving energy structure.

energy security；energy consumption structure；associated mechanism；system dynamics

F015

A

1007-5097（2015）08-0089-05