能源与环境绩效测度理论及方法

第1章 绪论 　　1.1 引言 　　能源是人类文明进步的基础和动力，是促进经济社会发展、增进人民福祉不可或缺的要素。自20世纪中叶以来，人口的急速膨胀及工业化、城镇化进程的加速使得全球能源消费快速增长，而以化石能源为主的能源结构又进一步加剧了温室气体及其他污染物的排放，给人类未来生存发展所依赖的各种系统带来了严重威胁。面对气候变化、环境风险挑战、能源资源约束这些日益严峻的全球问题，如何更好地进行能源与环境管理以实现经济社会可持续发展，成为当前世界各国面临的严峻考验。 　　为破解资源环境困境、应对气候变化及环境挑战，国际能源署敦促更多国家积极制定行之有效的能源政策，加速推动能源结构转型。目前，全球能源转型主要趋势包括能源效率的全面提升、能源系统的变革及可再生能源的大规模开发和利用等。因发展阶段及资源禀赋存在差异，不同国家在能源转型中主导策略的选择上有所不同，但提升能源效率已成为多数国家应对能源环境问题或实现碳达峰、碳中和等战略目标的重要举措。 　　依系统论视角，能源效率的提升可以在源头上降低能源-经济-环境(3E)系统的资源需求，属于输入层面的系统改善；而在输出层面，系统的改善则主要体现在生产效率及环境绩效的提升。在实践中，这些绩效信息受到政策制定者和企业管理者的广泛关注。 　　能源与环境绩效测度旨在提供被评估对象在能源效率与环境绩效等方面表现的定量化信息，其作为能源与环境管理的重要工具，不但可以用于横向绩效比较及纵向绩效监测，而且能够为绩效提升提供明确可行的改进方向，还有助于为能源与环境政策的分析制定提供决策依据。在过去二十余年里，能源与环境绩效测度分析已成为管理科学、环境与资源经济学、公共管理、企业管理等多学科领域学者们持续关注的一个重要研究方向。 　　1.2 能源绩效与环境绩效 　　绩效是指从事某种活动的表现或有效性。不论何种类型的组织，绩效提升皆是其组织管理的首要目标。绩效测度旨在衡量组织活动表现，能源与环境绩效测度关注的则是能源利用效率与环境影响方面的表现。 　　关于能源绩效，目前学术界并没有统一的定义。衡量能源绩效往往采用一个或一套指标来实现，其中能源强度或能源效率是*为常用的测度指标。能源强度是指每单位产出或服务的能源消耗量，其可以在不同层面定义以满足不同的应用需求，例如每吨水泥能耗、每度电煤耗、单位 GDP 能耗，等等。与能源强度相比，能源效率是一个更具一般化的概念。例如，物理学家和工程师理解其为能源转换效率，而经济学家则定义其为能源利用的经济效率。在宏观层面，能源效率定义的包容性更强，包括“提供的能源服务与能源消费量之比”和“产出与能源投入之比”，等等。能源强度的倒数可以理解为能源效率，因此反映的信息没有显著差别。上述定义仅仅考虑能源投入和单一产出，因而一般被称作单要素能源效率。然而，在实际生产活动中，能源要素需要跟其他投入要素结合才能形成产出，且产出既包括好的产出，也包括坏的产出。在这一系统框架下所定义的能源效率被称作全要素能源效率，其已被广泛应用于国家、行业及企业的能源绩效评估。 　　与能源绩效类似，环境绩效也是一个较为笼统的概念。在企业层面，环境绩效测度在企业环境管理体系中居于中心地位。在宏观层面，不同机构基于不同视角给出了各种各样的定义及测度指标。例如，联合国可持续发展委员会定义环境绩效为单位环境负荷的经济价值。该类环境绩效指标可以被界定为单要素指标，主要用于测度某一维度的环境影响。除此之外，还存在一些由不同维度指标所构建的综合环境绩效指数。例如，耶鲁大学环境法律与政策研究中心所定义的环境绩效指数是由32个指标聚合形成的能够体现不同国家可持续发展状态的综合指数。在本书中，环境绩效被理解为一种综合环境影响表现，其测度既可以在全要素框架下采用线性规划模型实现，也可以采用由其他聚合技术构建的一个综合环境绩效指数实现。 　　由于能源绩效与环境绩效皆可以在全要素框架下定义，为保证建模逻辑上的一致性，本书大部分内容皆以环境生产技术为基础构建测度模型。此外，在本书中，能源与环境绩效测度的是相对绩效表现。因而，能源绩效被定义为一定技术水平下，实际能源生产率与*优能源生产率的比。在产出不变情形下，其简化为*优能源投入与实际能源投入之比。环境绩效被定义为一定投入下，理想排放强度与实际排放强度之比。在期望产出不变情形下，其简化为理想排放与实际排放之比。能源绩效值越高，意味着实际能源生产率越接近*优能源生产率，从而经济活动的资源负荷越小。环境绩效值越高，意味着其实际排放强度越接近*佳排放强度，进而经济活动的环境负荷越小。 　　1.3 绩效测度方法概述 　　绩效测度尽管可以采用多种方法，但*终一般都会构建一个综合指数或指标。在能源与环境绩效测度中，综合指数的构建可以采用不同的技术方法，包括回归分析、随机前沿分析、数据包络分析、多准则决策等。比如，美国能源部采用回归分析方法构建能源强度指数，用于评价建筑物、工厂及数据中心的能源绩效。Boyd(2008)利用随机前沿分析方法估计能源效率前沿，用于评价工厂的能源绩效。这些方法虽然具有坚实的经济理论基础，但均需事先设定生产函数形式以对未知参数进行估计。 　　不同于回归分析和随机前沿分析，本书采用非参数方法测度能源与环境绩效。非参数方法的显著优势在于能够避免函数形式的设定和未知参数的估计，而且尤为适合多投入多产出系统的能源与环境绩效评估问题。作为系统内相互依存、相互制约的两类要素，投入和产出共同决定着能源与环境绩效。在系统视域下，能源与环境绩效测度方法可分为两种：一种是考虑投入与产出之间的生产关系，利用线性规划方法及数据包络分析(data envelopment analysis，DEA)模型构建生产技术前沿，进而计算具有可比性的同类型单元的相对有效性。这种方法直接利用投入与产出数据，可称为绩效测度的直接方法。另一种测度方法立足于指标系统，采用先标准化再聚合的思路构建一个综合绩效指数。由于系统内指标相互联系，但并不一定具备严格的生产关系，因而这种方法可称为绩效测度的间接方法。 　　1.绩效测度的直接方法 　　本书绩效测度的直接方法主要是指DEA方法。该方法由 Charnes 等(1978)提出，是一种基于相对效率概念的绩效测度方法。其以凸分析和线性规划为工具，利用具有生产关系的投入产出数据构建生产技术前沿，进而计算具有可比性的同类型单元的相对有效性。效率值为1意味着被评价单元位于前沿面上；效率值位于0～1之间意味着被评价单元位于前沿面之外，并且效率值越低表明待提升的空间越大。采用DEA方法进行能源与环境绩效测度的关键在于两个方面：一是如何刻画包含污染物等非期望产出的生产技术；二是采用何种效率测度方式。目前，学者们针对如何刻画考虑非期望产出的生产技术开展了大量讨论，针对不同的效率测度方式发展了各种DEA模型，使DEA绩效测度的理论与方法体系越发完善。 　　2.绩效测度的间接方法 　　本书绩效测度的间接方法主要是指综合指数方法。相应地，绩效用综合绩效值表示。若指标均为正向指标，则综合绩效值越大说明评价对象绩效越好；相反，则综合绩效值越小越好。综合指数的框架一般包含四类要素：①被评价对象(本书中一般定义为决策单元)；②衡量评价对象的多维指标体系；③表示各个指标重要程度的权重；④各个评价对象在不同指标下的绩效。考虑到各指标在量纲、单位等方面存在差异，在聚合多维指标之前通常会采用一定的标准化方法对底层指标进行无量纲化处理。然后，借助于预先确定的权重，依据一定原则，选择合适的聚合方法，构建能够准确测度评价对象绩效的综合指数。综合指数构建过程主观性较强，因此，在构建过程中除了保证科学性外，还应保证整个构建过程的透明性。相对而言，综合指数具有简单易懂、易于交流等特征，在能源与环境绩效评价中得到了广泛认同与应用。 　　1.4 本书内容安排 　　本书研究如何对评估对象的能源与环境绩效进行评估。这里的评估对象既可以是企业，也可以是部门、行业、国家或地区等。本书共9章内容，梗概列举如下： 　　第1章绪论。介绍能源与环境绩效相关概念和测度方法。 　　第2章环境生产技术与绩效测度理论。回顾环境生产技术的集合表示与非参数刻画、谢泼德距离函数和方向距离函数的定义和性质、全要素生产率指数的相关概念及弱可处置假设的经济含义。 　　第3章能源绩效测度。基于技术效率、能源投入*小化、投入产出协同优化三种视角构建静态全要素能源绩效测度模型；基于生产率指数构建思想建立两类动态能源绩效测度模型；*后对部分模型的应用进行举例。 　　第4章环境绩效测度。首先基于谢泼德距离函数、方向距离函数、松弛测度模型(SBM)构建静态全要素环境绩效指数，接着介绍动态环境绩效指数的构建方法和分解分析方法，*后给出部分环境绩效测度模型在国家和行业层面的应用。 　　第5章生产技术拥挤与能源绩效。介绍生产活动是否位于非经济区域的判别方法及相应生产技术的刻画方法，同时构建一种考虑非经济生产过程的能源绩效测度模型和能源无效分解模型。 　　第6章能源拥挤绩效测度。首先介绍能源拥挤定义、产生机理，然后基于两种视角构建能源拥挤绩效测度模型，*后对中国工业行业的能源拥挤情况进行分析。 　　第7章综合环境绩效指数框架及方法。概述综合环境绩效指数的整体框架与方法，包含指数建模原理、聚合方法、指标标准化方法、赋权方法、聚合函数的构建方法等。 　　第8章非补偿及有意义综合环境指数方法。基于指标非补偿理论和有意义理论，介绍弱非补偿综合指数、强非补偿综合指数及非补偿有意义综合指数的构建方法，并围绕气候风险评估、低碳发展绩效评估、城市可持续发展绩效评估等进行实证展示。 　　第9章绩效测度视角下的减排成本评估。介绍如何在绩效测度视角下利用影子价格分析框架估算边际减排成本。同时，对影响影子价格评估结果的生产技术设定方法、距离函数的参数与非参数估计方法、投射规则等分别展开讨论，并通过案例对这些设定所带来的影响进行分析。 　　参考文献 　　Boyd G A.2008. Estimating plant level energy efficiency with a stochastic frontier. Energy Journal，29(2):23-43. 　　Charnes A， Cooper W W， Rhodes E.1978. Measuring the efficiency of decision making units. European Journal of Operational Research，2(6):429-444. 　　第2章 环境生产技术与绩效测度理论 　　基于生产理论的能源与环境绩效测度一般包含两个环节：一是刻画包含非期望产出的生产技术，二是选择适合的效率测度方式(Zhou et al.，2008a)。其中，生产技术刻画方式决定了生产前沿面的形状，而效率测度方式则决定了被评价单元以何种路径实现优化。 　　考虑非期望产出的生产技术统称为环境生产技术，依可处置性假设的不同其刻画方法可分为四类(周鹏等，2020)，如表2-1所示。**类为强可处置环境生产技术，其将非期望产出视为投入，进而施加强可处置(可自由处置)假设。其自Hailu 和 Veeman(2001)提出后，如今在各类效率测度问题中均有应用(Yang and Pollitt，2009；Picazo-Tadeo et al.，2014; Zhou et al.，2017)。然而，将非期望产出作为投入的方式因违背真实生产过程、不能反映期望产出与非期望产出之间的伴生关系等而不断受到学者的质疑。第二类为基于弱可处置假设的环境生产技术(F.re et al.，1989)。该生产技术对非期望产出施加弱可处置假设，从而体现非期望产出的减少是有代价的。目前，该类环境生产技术经历了一系列发展，已成为能源环