城市社区节能多元主体耦合仿真研究

洪 帅符晓艺王天尊

1．河北经贸大学京津冀协同发展河北省协同创新中心

2．河北经贸大学经济研究所

0 引言

随着我国加快推动能源消费革命，进一步提高传统化石能源的清洁高效利用水平，节能减排和提高能效成为低碳化过程中的重中之重。由早年“高排放、高污染、高消耗”发展路径所引起的生活污染、能源危机等环境问题，给人们的生产、生活带来诸多不便。城市社区作为人们生活、居住、学习的主要场所，是推动节能、降耗、减排的基础地域单元，更是实现城市人居环境可持续发展的重要空间载体。

城市能源可持续发展的目标是通过对资源的优化管理和为市民提供全面的、高质量的潜在生活来实现的［1］。城市社区一级的能源规划对减缓气候变化至关重要［2］，德国政府明确城市社区更新改造的实施流程和要点，旨在实现既有建筑达到气候中和的规划目标［3］。美国和波兰等国家的居住建筑ESPC项目发展顺利且成效明显主要取决于健全的法律环境、完善的居住建筑ESPC服务体系、有效的推广政策和手段［4］。民生科技对城市社区建设的节能环保绩效有重要的评估功能和作用［5］。城市社区能源供应结构主要以电力为主，可再生能源收入与能源使用之间不存在显著关系，家庭使用的耗能装备多为非高效设备［6］。对于寒冷气候区，城市社区能源偏差评估方法为其典型既有社区能源系统节能改造提供参考方向［7］。

对社区能源的总体态度是积极的，社会规范、信任、环境关注和社区认同是社区能源参与意愿的重要决定因素［8］。城市社区能源问题需要在所有社会和机构层面上综合解决，社区能源可作为能源行为改变催化剂的理论基础［9］，开放城市能源数据是支持能源决策的重要方式［10］。依据目标人群的不同需求，低碳城市发展与居民行为存在差异关系，低碳城市中居民对现有居住环境具有重要的改造影响［11］。英国的能源效率承诺制度推动了居民和社区提高能效［12］。一个人与自然和谐共生，融生产、生活、生态为一体的创新绿色节能住宅社区，最大限度地释放地面空间，形成生态、节能良好的自循环系统，满足人们对田园生活的向往和对安全食品的心理需求［13］。

基于此，聚焦城市社区节能，厘清多元主体耦合关系，构建城市社区节能多元主体耦合模型，探索城市社区节能多元主体耦合均衡，为解决城市社区节能改造和节能降耗等重大问题以及推动城市的可持续发展提供一定的理论借鉴和管理启示。

1 基于Logistic方程的城市社区节能多元主体耦合模型

借助生态学理论中种群动力学理论分析城市社区节能多元主体耦合模型。以城市社区节能为情景，以服务于节能为目标。假设城市社区节能多元主体分别为政府、城市社区、节能企业、科研机构。以多元主体的规模变化表示其成长过程，多元主体规模越来越大表示其成长良好，进一步认为对支撑其成长的资源的占有率就越大；多元主体规模越来越小表示其趋于消亡，进一步认为对支撑其成长的资源的占有率就越小。多元主体资源占有率为零则表明其已消亡。多元主体所用资源是消耗包括市场资源、自然资源、信息资源及其它资源在内的资源总称。资源的总量限制着多元主体的规模。不同类型的主体消耗的资源存在差异，进一步认为城市社区节能多元主体消耗的资源具有明显的互补性。同一类型的多元主体共同消耗同样的资源。多元主体的成长过程服从Logistic成长过程，其增长率受到多元主体密度的影响。多元主体密度增加，则其增长率就下降，这种影响作用没有时滞，瞬间发生。多元主体的变化与个体的年龄无关，即最早出现和最晚出现的个体对其成长过程的影响是一样的。当城市社区节能多元主体成长的边际收益等于边际成本时，多元主体将停止增长，达到最大规模。

城市社区节能多元主体耦合的过程实际上就是具有不同程度节能需求的政府、城市社区、节能企业、科研机构以服务于节能作为一致目标，共同参与节能活动并不断提高节能水平的过程。因此，可借助生态种群增长模型建立城市社区节能多元主体耦合模型。城市社区节能多元耦合主体相互作用时，其关键问题还是两两之间的耦合问题，因此可应用Logistic方程。当存在n个耦合主体时，任意第i个耦合主体都符合模型（1）。

模型（1）中，参数Ni是第i个耦合主体的最大潜在数量规模，xi是第i个耦合主体的当前实际规模；参数Nj是其它n-1个耦合主体中第j个耦合主体的最大潜在数量规模，xj是其它n-1个耦合主体中第j个耦合主体的当前实际规模。

城市社区节能多元主体耦合模型实质上是关于n个耦合主体的方程组。设“x1”表示政府部门，“x2”表示城市社区，“x3”表示节能企业，“x4”表示科研机构，则城市社区节能多元主体耦合的方程，如方程（2）所示。

方程（2）中，系数bij表示城市社区节能多元耦合主体j对耦合主体i的耦合系数，其取值的不同表示耦合的强弱程度不同。当bij取值为0时，说明城市社区节能耦合主体j和i是独立共存的，互相不影响；当bij取值为正数时，说明城市社区节能耦合主体j和i是竞争耦合关系；当bij取值为负数时，说明城市社区节能耦合主体j和i是协调耦合关系。

纵观城市社区节能多元主体耦合方程系数bij共有12个之多，其取值决定了城市社区节能多元主体的耦合关系。

1）系数bij均为零，则城市社区节能多元主体相互之间独立共存，各自发展，互不影响。

2）系数bij均为正数，则城市社区节能多元主体相互之间竞争耦合，竞争的实质是通过影响其它耦合主体获得适合其自身发展需要的资源。适合耦合主体自身发展需要的资源存在互补性，但各耦合主体仍需要通过影响其它耦合主体来获得更多适合自身发展需要的资源。由于城市社区节能多元主体并不是同一类型，且需要的资源类型不尽相同，使得系数bij难以出现均为正数且相等的情况，但存在均为正数且不等的可能。

3）系数bij均为负数，则城市社区节能多元主体相互之间协调耦合，协调的实质是城市社区节能多元主体相互协调、互惠互利，促进资源、信息有效传递，共同实现节能的终极目标。由于城市社区节能多元主体在规模类型、互利程度、利益分配等方面存在差异，使得系数bij难以出现均为负数且相等的情况，但存在均为负数且不等的可能。

4）系数bij有正数也有负数，则城市社区节能多元主体相互之间的关系界于竞争耦合与协调耦合之间。为方便区别，将系数bij均为正数视为城市社区节能多元主体之间绝对竞争耦合；将系数bij均为负数视为城市社区节能多元主体之间绝对协调耦合。若系数bij为正数的个数多于为负数的个数，则视为城市社区节能多元主体之间相对竞争耦合；若系数bij为负数的个数多于为正数的个数，则视为城市社区节能多元主体之间相对协调耦合。bij系数正负个数如图1所示。对于bij系数正负个数的讨论实际上就是确定城市社区节能多元主体间的耦合关系。

图1 bij系数正负个数图

2 城市社区节能多元主体耦合仿真研究

在缺乏大量时间序列数据时，数值模拟就成为相对最有效的实证方法。通过仿真分析城市社区节能多元主体耦合演化过程，确定城市社区节能多元主体是如何相互作用和相互影响的。通常来说，bij系数间没有确定的关系，为方便研究，仅讨论bij各系数相互独立的情形。

假设城市社区节能多元主体最大的潜在数量规模Ni分别为政府部门N1=50，城市社区N2=100，节能企业N3=200，科研机构N4=80。赋予政府部门、城市社区、节能企业、科研机构的当前实际规模数量分别为30、50、80、40。令r1=0．01、r2=0．03、r3=0．04、r4=0．02，迭代400次和1 000次进行观察。以下各图中横轴表示迭代次数，纵轴表示城市社区节能多元主体的规模数量。“-+-+”线表示政府部门规模数量的变化，“＊＊＊＊”线表示城市社区规模数量的变化，“++++”线表示节能企业规模数量的变化，“----”线表示科研机构规模数量的变化。

图2 bij系数均为负数

图2是城市社区节能多元主体耦合系数bij均为负数，且取值范围为区间（-0．5，0），迭代400次和1 000次的仿真结果。根据当前耦合系数bij的取值，参与城市社区节能的政府部门规模数量持续上升，在迭代300次左右后达到峰值500；参与节能的城市社区规模数量持续上升，在迭代350次左右后达到峰值1 100；参与城市社区节能的节能企业规模数量持续上升，在迭代400次左右后达到峰值2 600；参与城市社区节能的科研机构规模数量持续上升，迭代360次左右后达到峰值800。政府部门、城市社区、节能企业、科研机构规模数量均大幅度突破了最大潜在数量规模，这说明在城市社区节能多元主体耦合系数bij均为负数的情况下，现有资源可供更多的政府部门、城市社区、节能企业、科研机构参与城市社区节能，这是由城市社区节能多元主体间绝对协调耦合关系决定的。

图3 bij系数均为正数

图3是城市社区节能多元主体耦合系数bij均为正数，且取值范围为区间（0，0．5），迭代400次和1 000次的仿真结果。根据当前耦合系数bij的取值，参与城市社区节能的政府部门规模数量缓慢下降，在迭代340次左右后稳定于28；参与节能的城市社区规模数量小幅缓慢上升，在迭代110次左右后达到峰值52；参与城市社区节能的节能企业规模数量持续下降，在迭代200次左右后稳定于74；参与城市社区节能的科研机构规模数量持续上升，在迭代300次左右后达到峰值49。政府部门、节能企业规模数量均小幅低于当前实际规模数量；城市社区、科研机构规模数量虽小幅高于当前实际规模数量，但远低于最大潜在规模数量。这说明在城市社区节能多元主体耦合系数bij均为正数的情况下，现有资源不能完全保证政府部门、城市社区、节能企业、科研机构参与城市社区节能，这是由城市社区节能多元主体间绝对竞争耦合关系决定的。

图4 bij系数为负数的个数多于正数的个数

图4是城市社区节能多元主体耦合系数bij为负数的个数多于正数的个数，且取值范围为区间（-0．5，0．5），迭代400次和1 000次的仿真结果。根据当前耦合系数bij的取值，参与城市社区节能的政府部门规模数量缓慢持续上升，在迭代300次左右后达到峰值60；参与节能的城市社区规模数量持续上升，在迭代200次左右后达到峰值130；参与城市社区节能的节能企业规模数量持续上升，在迭代110次左右后达到峰值，尔后缓慢下降维持在260；参与城市社区节能的科研机构规模数量缓慢上升，在迭代100次左右后达到峰值60。政府部门、城市社区、节能企业规模数量均小幅度突破了最大潜在数量规模，科研机构规模数量小幅低于最大潜在数量规模。这说明在城市社区节能多元主体耦合系数bij为负数的个数多于正数的个数情况下，现有资源能够满足较多的政府部门、城市社区、节能企业、科研机构参与城市社区节能，这是由城市社区节能多元主体间相对协调耦合关系决定的。

图5 bij系数为正数的个数多于负数的个数

图5是城市社区节能多元主体耦合系数bij为负数的个数少于正数的个数，且取值范围为区间（-0．5，0．5），迭代400次和1 000次的仿真结果。根据当前耦合系数bij的取值，参与城市社区节能的政府部门规模数量几乎呈现出一种水平状态，维持在30左右，仅有非常微小的波动；参与节能的城市社区规模数量持续上升，在迭代60次左右后达到峰值70，随后开始下降，在迭代320次左右后稳定于53；参与城市社区节能的节能企业规模数量持续上升，在迭代400次左右后达到峰值180；参与城市社区节能的科研机构规模数量持续上升，在迭代200次左右后达到峰值100。政府部门、城市社区、节能企业规模数量均没有达到最大潜在数量规模，其中政府部门、城市社区仅维持在当前实际规模数量，而节能企业趋于接近最大潜在数量规模，科研机构规模数量小幅突破最大潜在数量规模。这说明在城市社区节能多元主体耦合系数bij为正数的个数多于负数的个数情况下，现有资源仅能供较少的政府部门、城市社区、节能企业、科研机构参与城市社区节能，这是由城市社区节能多元主体间相对竞争耦合关系决定的。

图6 bij系数为正数的个数等于负数的个数

图6是城市社区节能多元主体耦合系数bij为负数的个数等于正数的个数，且取值范围为区间（-0．5，0．5），迭代400次和1 000次的仿真结果。根据当前耦合系数bij的取值，参与城市社区节能的政府部门规模数量持续上升，在迭代350次左右后达到峰值73；参与节能的城市社区规模数量小幅上升后，持续下降，在迭代750次左右后趋近于零；参与城市社区节能的节能企业规模数量快速上升，在迭代90次左右后达到峰值180，尔后持续下降，在迭代550次左右后稳定于100；参与城市社区节能的科研机构规模数量持续上升，在迭代400次左右后达到峰值117。政府部门、科研机构规模数量均突破最大潜在数量规模，规模数量趋近于零的城市社区相当于退出城市社区节能，节能企业规模数量仅达到最大潜在数量规模的一半。这说明在城市社区节能多元主体耦合系数bij为正数的个数等于负数的个数情况下，现有资源难以支撑更多的政府部门、城市社区、节能企业、科研机构参与城市社区节能，这是由城市社区节能多元主体介于相对竞争耦合和相对协调耦合关系决定的。

为保证仿真结果更有效，尝试保持城市社区节能多元主体耦合系数bij的绝对值不变，改变多元主体耦合系数bij正负个数，得到的仿真结果与上述分析结果具有基本一致的变化趋势。这说明，城市社区节能多元主体耦合的结果取决于多元主体的耦合关系，即耦合系数bij的正负个数，系数bij正负个数的不同将导致城市社区节能多元主体间产生不同的耦合均衡结果。

3 结论

通过分析城市社区节能多元主体耦合仿真结果，可得如下结论。

1）城市社区节能多元主体耦合均衡结果取决于耦合系数bij的正负个数。城市社区节能多元主体耦合的优劣依次为绝对协调耦合、相对协调耦合、相对竞争耦合、绝对竞争耦合。

2）当耦合系数bij均为负数时，城市社区节能多元主体处于绝对协调耦合状态，各主体间相互协调和促进使得现有资源能够满足更多的政府部门、城市社区、节能企业、科研机构参与城市社区节能。

3）当耦合系数bij为负数的个数多于正数的个数时，城市社区节能多元主体处于相对协调耦合状态，各主体间协调和促进多于竞争和争夺使得现有资源能够满足较多的政府部门、城市社区、节能企业、科研机构参与城市社区节能。

4）当耦合系数bij为负数的个数少于正数的个数时，城市社区节能多元主体处于相对竞争耦合状态，各主体间协调和促进少于竞争和争夺使得现有资源仅能够满足较少的政府部门、城市社区、节能企业、科研机构参与城市社区节能。

5）当耦合系数bij均为正数时，城市社区节能多元主体处于绝对竞争耦合状态，各主体间相互竞争和争夺使得现有资源仅能满足更少的政府部门、城市社区、节能企业、科研机构参与城市社区节能。