- 生态工业园区发展模式及能值评价
- 赵愈 于淼 李丽红
- 7732字
- 2025-02-23 09:55:27
2.2 能值理论综述
2.2.1 国内外能值理论研究
2.2.1.1 能值分析方法的引入
根据能量系统理论的观点，各种生态系统和人类经济系统均可视为能量系统，能量可以用于表达和了解生命与环境、人类社会经济与自然的关系[58]。无论在科研还是生活中，人们往往运用能量为共同尺度，对各种系统运行进行研究分析。然而由于不同种类不同性质的能量存在不同质与价值的根本区别，不可做比较和简单地加减[59]；自然环境资源与社会的本质关系，用一般能量单位更无从衡量和表达，能量分析碰到难题，这就是所谓的“能量壁垒问题[60]”，对此中外学者提出了不少方法试图解决这个难题。
美国著名系统生态学家H.T.Odum从20世纪50年代以来，对生态系统的能量学有系统而深入的研究，提出了一系列新概念和开拓性的重要理论观点。其中包括20世纪70～80年代提出的能量系统（Energy System）、能质（Energy Quality）、能质链、体现能（Embodied Energy）、能量转换率及信息等观点。将生态系统中能流、信息流与经济流等相互孤立的这几个功能过程首次联系在一起。20世纪80年代后期和90年代Odum创立能值（Emergy）概念理论，以及太阳能值转换率（Solar Transformity）等一系列概念。在Odum不同时期的论著中，体现了这些理论观点和方法的发展进程，尤其是《人与自然的能量基础》[58]、《系统生态学》[61]等著作。1987年Odum接受瑞典皇家科学院克莱福奖（Crafood Prize）时发表的演讲论著和在Sciences刊物的论文中，首次阐述了能值概念理论，论述了能值与能质、能量等级、信息、资源财富等的关系[63]。经进一步研究和总结国际能值分析研究的成果，Odum于1996年出版了世界第一部能值专著Environmental Accounting：Emergy And Environmental Decision Making。我国于20世纪90年代初由留美学者蓝盛芳引入能值理论[64]。目前，在广州、北京、南京、上海等地大学和科研机构均有学者进行有关研究，在国内外发表了不少论文著作。蓝盛芳等于2002年出版了我国第一部能值论著[65]。
尽管能值理论和分析方法起步时间不长，因为其有助于正确分析区域或系统内资源与社会经济、人类与自然环境的价值联系，有助于可持续发展战略，受到国内外生态学界、经济学界、系统学界及各级政府决策者的关注。自创立以来，已在国家[66，67]、区域[68，69]、城市[70，71]、自然保护[72]、工农业[73～75]等各种生态系统或生态经济系统中得到了广泛的应用。
2.2.1.2 能值和能值转换率的定义和内涵
（1）能值
能值（Emergy）是指某种流动或储存的能量所包含另一种类别能量的数量，即产品或劳务形成过程中直接或间接投入应用的一种能量的总和[76]。能值不等于实际的能量，而是一定类别和一定数量的能量在一定时间和空间的聚集，其实质上是体现能（Embodied Energy）或能量记忆（Energy Memory），由于各种资源、产品或劳务的能量均直接或间接地起源于太阳能，实践中以太阳能值（Solar Emergy）衡量某一能量的能值[62]。任何流动或储存的能量所包含的太阳能的数量，称为该能量的太阳能值，太阳能值的单位为太阳能焦耳（Solar Emjouers，Sej）。
根据Odum的能值公式计算出生态经济系统总能值使用量。
U=N0+N1+R+IMP （2.4）
式中 U——总能值使用量；
N0——较粗放使用的自然资源；
N1——集约使用的自然资源；
R——可更新资源；
IMP——总进口（包括旅游业、进口劳务和利用的外资）。
（2）能值转化率
能值转换率（Emergy Transformity）即形成每单位物质或能量所含有的另一种能量之量；而能值分析中常用太阳能值转换率（Solar Transformity）[62]。太阳能值转换率被定义为：生产1J产品或服务所需要投入的太阳能值，单位为Sej/J或Sej/g。能值转化率是衡量物质或能量的能质等级的指标，它随着能量等级的提高而增加；系统中较高等级者具有较大的能值转换率，需要较大量低能质能量来维持，具有较高能质和较大控制力，在系统中扮演中心功能作用[77]。能量转化过程可以由图2.4表示。
图2.4 能量转化过程图解
假如能量转化过程伴随着不同的物质循环、不同的转化速度，就会产生不同的结果。许多系统，尤其是那些新形成的系统，其产出与别的系统可能相同，但需要输入更多的能值，因为这些系统并不是按最大效率、最大功率进行能量转换。以最佳效率进行能量转化以获得最大转换功率，理论上其能值转化率局限性最小。一般而言，处于自然生态系统和社会经济系统较高层次上的产品或生产过程具有较大的能值转换率，例如复杂的生命、人类劳动、高科技等均属高能质、高转换率的能量[78]。
太阳能值与太阳能值转换率之间的关系如下。
M=τ×B （2.5）
式中 M——太阳能值；
τ——太阳能值转换率；
B——可用能。
H.T.Odum通过对地球作用的研究，推算出自然生态环境和人类生产消费活动中几种主要能量类型的太阳能值转换率见表2.4[65]。
表2.4 几种主要能量类型的太阳能值转换率
2.2.1.3 能值分析的步骤
（1）收集资料
收集原始资料、数据加工处理。收集所研究区域内的自然环境、社会资源以及经济活动的资料。
（2）绘制能量系统图
绘制研究区域详细的能量图，概括研究区域各对象与环境之间的关系。绘制包括系统主要分析对象的相互关系及能量流、物质流、货币流等流向的系统能量图解，确定所研究系统的外边界和系统内结构组成，运用能量系统符号语言将系统中的能流标注，绘制出整个系统图解。
（3）编制能值分析表
首先计算出所研究地区以及整个国家年的能值/货币比率；根据能量计算公式，求出各能源的流量数，如能量流（J）、物质流（g）、货币流（$）；根据各资源相对应的能值转换率，将不同单位的能量值转换为统一的度量单位。将能值除以能值/货币比率得到宏观经济价值指标，进一步了解各能源流在整个系统中的贡献率。
除上述一般能值分析表的建立和计算以外，还可建立其他能值分析表，如系统总体能值分类表、亚系统能值分析表、系统储存资源能值分析表等。
（4）建立能值综合指标体系
在能值分析表基础上，建立能值指标体系。分析经济系统对自然环境的影响，制定可持续的发展策略，进一步建立并计算出一系列反映经济与生态效率的能值指标，分析研究区域的生态经济现状。
（5）系统动态模拟分析
将对研究区域发展起决定性作用的主要因子进行动态模拟，估算预测研究对象的动态变化路径，通过能值指标分析和系统结构功能的定量能值分析，为系统管理措施和策略的制定提供科学依据，指导生态经济系统可持续发展。
2.2.1.4 能值分析的指标体系
（1）能值分析的主要指标概念及含义
能值分析是以能值为基准，通过能值转化率把生态系统或生态经济系统中不同种类、不可比较的物质流、能量流、价值流以及生态系统服务功能转换成同一标准的能值来衡量和分析，有效地将自然资本的价值纳入社会经济系统，并将自然、社会和经济等亚系统有机地统一起来[78]。通过能值分析可以把生态系统或生态经济系统中不同种类、不同等级、不可比较的能量转换成同一标准的能值来衡量和分析，从中评价其在系统中的作用和地位；综合分析系统中各种生态流（能物流、货币流、人口流和信息流），得出一系列能值综合指标（Emergy Indices），定量分析系统的结构功能特征与生态经济效益。能值分析的主要指标有：太阳能值转换率（Solar Transformity）、净能值产出率（Net Emergy Yield Ratio，NEYR）、能值投入率（Emergy Investment Ratio，EIR）、能值交换率（Exmergy Exchange Ratio，EER）、能值货币比率（Emergy Doxla Ratio，EDR）、能值扩大率（Exmergy Amplify Ratio，EAR）、能值效益率（Exmergy Benefit Ratio，EBR）、能值密度（Emergy Density，ED）、人均能值使用量（Emergy Per Capita，EPC）、能值承受人口（Carrying Capacity，CC）、能值产出率（the Emergy Yield Ratio，EYR）、环境负载率（the Environmental Loading Ratio，ELR）、可持续发展指数（Emergy Sustainability Index，ESI）等。各指标的含义和表达式如表2.5所示。
表2.5 能值分析的主要指标
（2）部分能值指标相关性分析
出于将能值指标简化的目的，陆宏芳、蓝盛芳等对能值产出率（EYR）与能值投资率（EIR）、环境负载率（ELR）与可更新能源投入率（RIR）之间的相关性进行了分析[79]。
a.能值产出率与能值投资率成反比关系，能值产出率等于能值投资率的倒数加1。
由EYR与EIR的计算表达式：
EYR=Y/（F+Rc）=（N+R+F+Rc）/（F+Rc）=1+（N+R）/（F+Rc） （2.6）
EIR=（F+Rc）/（N+R） （2.7）
得出：
EYR=1+1/EIR （2.8）
式中 R——自然环境投入的可更新资源能值；
N——自然环境投入的不可更新资源能值；
Rc——人类经济社会反馈投入的可更新资源能值；
F——人类经济社会反馈投入的不可更新资源能值；
Y——产出能值。
b.环境负载率与可更新能源投入率成反比关系，可更新能源投入率的倒数等于环境负载率加1。
由ELR与RIR的计算表达式：
ELR=（F+N）/（R+Rc） （2.9）
RIR=（R+Rc）/（N+F+R+Rc） （2.10）
推导得：
1/RIR=1+ELR （2.11）
（3）多产品系统能值分析指标
冯霄等根据能值分析的基本思想，以能量守恒和能值守恒为依据，将能量分率作为分配系数，提出了评价多产品工业系统的评价指标[74]：共生指数。为了获得对比结果，还对相应的单产物系统提出了数均指数；如果共生指数大于数均指数，那么多产品联产系统就优于单产系统。
多种产品系统能值分析的共生置换比为
（2.12）
式中 Em——产品或服务的能值，Em=Y1=Y2=…=Ym=R1-m+N1-m+F1-m；
En——产品或服务的能量值；
Tr——系统产生单位产品或服务所消耗的能值量。
相应的共生能值产率和共生环境负荷率定义如下：
EYR1-i=Em/F1-I （2.13）
ELR1-i=（F1-i+N1-i）/R1-I （2.14）
为了对多产品系统的评价结果进行比较，对相应的单产品、独立系统的评价指数进行处理，获得了对应的数均评价指数——数均置换比、数均能值产率、数均环境负荷率：
（2.15）
（2.16）
（2.17）
王灵梅等根据能值分析的基本思想，提出了能反映多联产系统特点的能值评价指标，该能值评价指标将多联产系统的成本结构、排放影响和节约的资源置于同样重要位置考虑[80]。
① 多联产系统的能值产出率
PEYR=
=
（2.18）
式中 Y——对于多联产系统，其主要产品包括电、化工产品；
N——投入系统的不可再生资源，不可再生资源包括煤、土地资源投入等；
R——投入系统的可再生资源，可再生资源包括水、空气等；
F——多联产系统所需要的投资，包括设备、劳务、管理、运输成本等；
Fw——处理废物（废水等）需要的投资。
② 多联产系统的能值投资率
PEIR=
（2.19）
③ 多联产系统的能值环境负荷率
PELR=
（2.20）
式中 WN——废物处理后作为不可再生资源被利用的能值；
WR——废物处理后作为可再生资源被利用的能值。
④ 多联产系统的能值可持续性指标
PIES=PEYR/PELR=
（2.21）
⑤ 能值转换率
对多联产系统：
Tr=Y/（EA+EB） （2.22）
式中 EA、EB——产品A和B的能量值。
2.2.1.5 能量系统图的绘制
能量系统符号语言及其用法见表2.6所示。
表2.6 能量系统符号语言及其用法
2.2.2 能值分析方法前沿理论
2.2.2.1 能值分析指标体系拓展
（1）陆宏芳、蓝胜芳等通过对国际能值分析理论现行能值评价指标体系的研究分析，提出了评价系统可持续发展能力的新的能值指标（EISD）[79]，其数学表达式为：
EISD=EYR×EER/ELR （2.23）
在系统的优化分析中，用能值扩大率（EAR）替代原系统分析中的EYR，对系统中能值投入扩大率所引起的系统EISD 变化进行分析：
ΔEISD=EAR×EER/ELR （2.24）
EISD表示实现的社会经济效益所引起的单位环境压力，是对系统可持续发展能力的综合评价。陆宏芳等认为在分析中结合能值产出率（EYR）、能值转化率（EER）、环境负载率（ELR）等指标，能更明晰地揭示系统发展的内因及其存在的问题。在系统动态分析中引入ΔEISD，能够灵敏地反映系统增加新的能值投入的边际效益，指导进一步的优化决策。
（2）陆宏芳等分别从成本分析与效果分析的整合能值分析与区域经济分析的整合以及能值分析表与投入-产出矩阵模型的整合等方面构建产业生态学的能值整合研究方法[81]。传统的能值分析方法对评价指标体系、内部子系统间相互作用的评价及系统产出效果分析等问题考虑不足，没有兼顾到系统从自然环境资源消耗到经济、环境和废弃物产出影响的各个方面。通过对所分析的系统内子系统间相互作用的量化评估，能够揭示研究对象的系统层面现象的内在机理，为生态经济理论研究提供方法支撑，丰富能值评价指标体系、完善能值分析的计算和模拟方法。
（3）龚家富运用能值理论对原有的国际贸易统计指标进行了创新，引入了能值贸易率、能值贸易依存度、能值差额-货币价值等新的指标，并重新定义了贸易差额，使能值理论在国际贸易的统计分析中能够做出更准确全面的评价[82]。
（4）阮平南和沈德聪提出了绿色制造系统的能值评价指标[83]。
① 净能值产出率（Net Emergy Yield Ration，NEYR）为系统运行过程中系统产生的能值与经济反馈能值之比。
NEYR=EmY/EmF （2.25）
式中 EmF——可更新资源与人类经济社会反馈输入；
EmY——绿色制造系统的最终有效输出。
② 能值扩大率（Emergy Amplify Ration，EAR）为系统运行过程中增加的产出能值与增加投入该过程的能值之比。
EAR=ΔEmY/ΔEmF （2.26）
③ 环境负载率（Environmental Loading Ration，ELR）为系统不可更新能源投入能值总量与可更新能源投入能值总量之比。
EmR=EmR1+EmR2 （2.27）
ELR=（EmY+EmN）/EmR1 （2.28）
式中 EmN——系统内部的不可更新资源；
EmR——可更新资源与人类经济社会反馈输入；
EmR1——其中绿色制造系统吸收的可更新资源；
EmR2——未被吸收的另一部分，反射到系统周围的环境中。
④ 系统可持续发展综合性能指标（Sustainable Development Index，SDI）为系统经济效益与系统对环境压力的比值。
SDI=EB/EI （2.29）
式中 EB——系统社会经济效益，EB=经济产出/经济投入；
EI——环境压力。
（2.30）
式中 Xi——第i种物质对环境的污染等级；
Xi0——系统运行前其周围环境中i物质污染等级；
Ai——该污染物等级总数。
2.2.2.2 相图法在能值分析方法中的应用
本书阐述了能值比率与各项指标之间存在着较大的关联性，单一的指标不能全面直观地描述不同系统的发展现状和趋势，Giannetti与Almedia等[84，85]通过对系统各能值输入量之间相互关系的深入研究，提出了借鉴相图的表达方式来分析能值指标的方法。相图广泛应用于物理化学领域（包括金属和材料学、地质学等）研究中，三相图是指由3条直线相交构成的三角几何图形，三角形的每条边代表1个变量，通常将这3条边的百分比的总和看作1或100，3个变量两两相互独立，各变量对应所研究对象的不同状态。
Giannetti与Almedia等定义并阐述了能值相图中各特征曲线所描述的系统生产过程与自然环境和经济系统之间的相互关系，反映在不同的资源开发与利用模式下系统的资源配置比例。能值相图用一个等边三角形表示系统输入能值的3部分，等边三角形的顶点分别为可更新资源（R）点、不可更新资源（N）点、社会能值投入（F）点，每个顶点到其对边的垂直距离为1或100，三角形内部不同位置的点代表了不同的输入能值构成结构，三角形内部或边界上任一点到等边三角形三个边的垂直距离表示该底边对应的顶点所代表的资源类型占系统总能值输入量的百分比。在能值三相图中将R，N，F转化为无量纲的百分比表达方式后，相应能值指标的简化表达如表2.7所示[86]。
表2.7 能值相图中指标的简化表达
运用能值的相图分析方法，能够进行系统资源能值利用比率和指标之间关系的分析，Giannetti与Almedia等还提出了相图分析重要的辅助工具，主要有资源线、敏感线和可持续线3种辅助线。
表2.8为能值三元相图分析辅助点线的归纳总结。这些能值相图分析的辅助线为能值分析提供了对比参照系与简化方法，为进行系统发展方向的研究与预测、生产模式的规划及方案的选择等提供了便利。因此能值相图分析方法使能值分析更加全面、直观，为能值理论在科学决策和选择，提供了更加明确的方向性指示与参照。
表2.8 能值三元相图分析辅助点线
2.2.3 能值理论的优点与不足
2.2.3.1 能值分析方法的优点
能值理论逐步完善，已经发展成为用于生态系统可持续性分析与评价指标的完整理论体系，具有以下优点。
（1）能值为认识评价客观世界选择了新的角度
经济和环境之间的内在联系是通过物质流、能量流实现的。能值理论基于投入和人类及自然复合劳动的馈赠价值核算方法，用客观的太阳能藕合自然生态系统和社会经济系统各种能物流，成为衡量环境相容性的量化指标。从系统生态学和生态经济学发展出来的科学概念和度量尺度——能值，提供了经济与生态系统相联结的桥梁。
（2）能值为不同质的资源统一量纲，提供了平等的比较平台
能值分析克服了传统经济学与能量分析方法无法在统一的尺度上对不同质的资源价值进行量化计算的局限，为生态经济系统过程的分析提供了一个新的工具，开拓了一条新的途径。能值价值论解决了不同物质、不同类型的能量不可比较的难题，给出有关系统发展过程中的环境贡献与资源利用可持续性的信息。能值理论广泛应用于对自然生态经济、农业生态经济、工业生产经济、城市生态经济以及区域生态经济发展现状可持续性的分析、评价与比较。能值分析原理和方法，不但使我们进一步加深对生态系统能量流动、转化和储存的认识，而且量纲的统一也提供了衡量和比较各种能量的共同尺度。
（3）能值提供了非货币（或与货币联合使用）的评价方法
由于自然资源在未经开发利用时是“免费的”，在经济循环系统中使用的流通工具——货币不能衡量自然界的贡献。并且，不同类别相同质量的物质存在着不同的能量，进而存在着不同的价值。这种根本性的差异，使得不同类别的能量很难统一比较、分析。如在能量转换和应用价值方面，煤燃烧产生的1J能量与电所发出1J能量是不能做简单比较的，至于环境资源与经济的本质关系，用一般能量单位更无从衡量与表达。而能值提供了衡量自然资源对经济发展真实贡献的标准，弥补了货币无法客观评价非市场性输入的缺陷，以及传统能量衡量中不同能量之间直接相加而导致的不合理，并通过能值货币比和等指标能够沟通能物流和货币流，评价环境系统循环中的生态经济价值。
（4）能值丰富了可持续发展研究理论
通过能值分析，对比可供选择的发展与规划方案，评价人类生产活动对生态系统可能产生的影响，可以为生态管理与生态设计提供决策上的指导。该理论扬弃了传统能量分析对能量等级和质量的混同，通过太阳能值转化率指标把不同能量转换为同一基准的太阳能值，因此，能值理论为分析评价自然环境系统的固有价值、污染承载能力、可选择性管理决策等开拓了定量研究的新途径。应用能值可衡量分析整个自然和人类社会经济系统，定量分析资源环境与经济活动的真实价值以及它们之间的关系，有助于调整生态环境与经济发展，对自然资源的科学评价与合理利用、经济发展方针的制定、可持续发展战略的实施等均具有重要意义。
2.2.3.2 能值分析方法的不足
（1）能值转化率的确定相对复杂
对人类社会经济活动中的各种资源或产品的生产系统做能值分析，需要具体准确地计算出资源和产品的能值转化率，通常的计算方法为产品生产过程所消耗的太阳能值总量除以产品的总能量。尽管计算的原理简单，但在分析计算过程中需要对该产品的生产过程与技术参数有详细的了解和充足的数据，而这个分析过程是相当繁杂的，并且有一定的难度[87]。
（2）多产品系统中的副产品能值易被忽略
在进行多元产品生产系统，或存在主副产品的生产系统的能值分析时，系统内能值交叉部分和出现分支点处容易被重复计算。传统的能值理论认为系统运作过程中消耗相同的能值成本，同一系统运作过程中的主产品和副产品，或者多元产品具有相同的能值输出，在计算系统能值指标时，往往只计算主产品或一种产品的能值输出，因为其他各种产品和副产品所消耗的为同一能值成本[88]，这就在副产品生产过程或多元产品生产过程，与单一产品生产过程的生产系统对比研究中不可避免地产生了差异，即分析结果往往是多产品系统的能值产出率低于单一产品的系统，而环境负载率却高于单一产品的系统[89]。
（3）不同时间、不同区域的系统能值平衡表差别较大
能值理论产生的目的是为了对生态经济系统的效益率进行分析，其根本就是要揭示所分析的生态经济系统的可持续发展状况，为系统优化提供预测、指引和相应的策略，然而在这个分析过程中，要面对的一个难题和重点就是如何衡量与评价生态经济系统的可持续发展状况。在三维空间中，不同的区域尺度和不同的时间尺度的生态经济系统能值分析表差别较大，因而无法通过对不同区域的横向比较和不同时间的纵向比较来有效地揭示所研究区域的可持续发展状况，这样就增加了能值理论对可持续发展状况系统间对比分析的难度[90]。