基于時間序列的中國制造業能源利用效率研究

唐曉華+周婷婷

摘要：制造業作為碳排放大戶，其能源利用效率的高低決定了我國工業發展的可持續性。對制造業能源利用效率的衡量指標及影響因素進行理論分析，以1994-2013年間制造業的時間序列數據為樣本，選取能源強度、能源價格、技術投入和企業規模幾個變量構造模型，使用Johansen-Juselius協整分析方法對模型進行估計，研究發現能源價格、技術投入和企業規模均能引起能源強度的反向變化趨勢，彈性系數反映出不同因素的影響程度，并據此提出提高中國制造業能源利用效率的對策建議。

關鍵詞：能源利用效率；能源強度；制造業；協整檢驗

文獻標識碼：A 文章編號：1002—2848—2017（02）—0109—07

一、引言

制造業是國民經濟的物質基礎和經濟增長的重要支柱，制造業的先進程度是一個國家工業化進程的重要標志。制造業不僅是GDP增長和稅收增加的重要來源，也為城市和農村的就業人口提供了大量的崗位。同時，制造業也是耗能大戶，據《中國統計年鑒》數據顯示，從1998年至2013年，制造業能源消費量占我國能源消費總量的比例基本維持在54%左右。而細觀其能源消費情況，不難發現中國傳統制造業的發展主要采用“高投入、高消耗、高排放”模式。這種低效率的模式在經濟快速發展、資源過度使用和環境日益破壞的宏觀背景下已不再適用，已無法滿足經濟新常態下中國工業的發展需求。那么，如何在資源與環境的雙重約束下走出一條低碳、綠色的可持續發展道路，是擺在中國制造業面前的一道難題。

“十三五”期間，面對全球氣候變暖、環境不斷惡化的宏觀背景，作為碳排放大國，中國要在壓力不斷增大的情況下完成對世界的減排承諾，實現節能目標，就必須不斷提高能源利用效率，挖掘節能潛力，調整能源結構。而制造業應首當其沖的完成其向低碳發展模式的轉變，低碳發展模式將有利于提高行業的能源利用效率，釋放節能潛力，最大限度的減少二氧化碳等有害氣體的排放。那么中國制造業的能源利用效率受哪些因素影響，以及如何提高能源效率，是本文要研究的一個重要動機。顯然，在當前國內外能源和環境的雙重約束下探索出制造業的可持續發展道路，具有重要的理論和現實意義。

二、文獻綜述

自世界范圍內的氣候問題和環境問題日益受到各國重視以來，關于能源利用效率和節能潛力的相關研究就層出不窮。學者們主要從區域的能源利用效率、行業的能源利用效率以及與其他國家的能源效率相比較等視角進行了闡述。

何曉萍利用隨機前沿模型，以中國工業部門為研究對象，分析其能源投入效率和節能潛力，并在此基礎上分析了其影響因素，結論顯示我國工業釋放節能潛力的主要方向應是提高重工業的能源利用效率。王臘芳等以區域差異和行業差異為出發點，計算中國各區域、各省市制造業整體及其分行業的能源強度和節能潛力。Fisher-Vanden等人圍繞中國能源密集型大中型工業展開研究，發現中國能源強度下降的主要動因有工業結構的轉變、能源價格的上升、研發投入的增加以及所有制的改革。林伯強和張國梁建立了中國有色金屬工業能源強度和各影響因素之間的協整模型，并預測了中國有色金屬工業未來的節電潛力。李艷梅利用結構分解分析方法，選取經濟規模、產業結構、經濟增長方式和節能技術變化4個變量作為影響能源消費的主要因素，并實證檢驗了各因素影響中國能源消費增長的彈性系數，結果顯示技術革新是節能的唯一影響因素。汪克亮等研究發現節能潛力的提升主要通過技術進步和產業結構優化等途徑來實現。金培振分別測算出中國與10個OECD國家在1995-2007年的全要素能源效率和節能潛力，結果表明知識投入對于能源效率的提高有很強的推動作用。杭雷鳴、圖梅曾運用1985-2003年的時間序列數據，實證研究了中國制造業能源強度的影響因素，結果表明：能源價格、外商直接投資、產業結構調整、所有制改革等因素對于制造業能源強度的改善有積極的作用。史丹通過分析能源利用效率的影響因素，得出在對外開放、產業結構和經濟體制的共同作用下，我國改革開放以來能源利用效率得到了極大的提高。樊茂清等研究發現技術變化、要素替代、貿易、一次能源結構和部門結構變化是引起制造業能源強度變化的重要因素。咼小明和康繼軍證明了外貿依存度與外資依存度對制造業能源利用效率的作用。

盡管學者們從不同角度，選擇不同的方法對于制造業能源利用效率問題進行了分析，得到了相應結論，但是少有學者對于制造業能源強度與其影響因素的長期均衡關系進行研究，并且學者們關注效率因素和結構因素的偏多，但對于企業規模影響能源利用效率的研究很少，本研究采用中國制造業的時間序列進行分析，為避免時間序列的非平穩性產生的偽回歸問題，借鑒林伯強分析有色金屬工業能源強度的協整模型，并引入企業規模變量，分析中國制造業能源強度與能源價格、技術進步、企業規模之間的長期均衡關系，試圖解釋中國制造業能源利用效率的變化原因，據此提出提高制造業能效、降低能耗等具有針對性的對策建議。

三、能源利用效率及其影響因素

（一）能源利用效率

分析能源利用效率的目的，在于分析人類經濟活動對能源的利用以及對自然環境造成的影響，從而能基于可持續發展的視角為能源政策的制定提供參考依據。通常用能源消費強度作為衡量能源利用效率的指標。能源消費強度（或稱能源消耗強度）是指單位經濟產出所消耗的能源量，用公式表示為：EI=E/Y，其中EI為能源消費強度，E為能源消費量，y為產出水平。能源消費強度實際上是能源經濟效率的倒數，能源消費強度越高代表單位產出消耗能源量越大，其能源利用效率就越低。

中國能源消費結構決定了我國制造業的能源利用效率與發達國家相比還有很大的差距。表1是2006-2013年間中國制造業能源消費總量及各類能源消費總量。可以看出，煤炭始終是中國制造業的主要能源來源，占能源消費總量比重高達60%-70%以上。而煤炭燃燒所產生的二氧化碳和其他有害氣體對環境的危害不容小覷。因此，有必要研究如何降低能源消費強度，提高制造業的能源利用效率，或者使用清潔能源進行替代等方式實現中國低碳經濟的發展目標。

（二）能源利用效率的影響因素

能源利用效率受到技術進步、能源價格、企業規模及相關政策等諸多因素影響。具體如下：

1.技術進步

現有關于能源利用效率影響因素的研究中，大部分文獻把能源效率的提高歸結為兩大因素，一是結構因素，又稱產業結構調整因素，即能源從低生產率的產業向高生產率的產業（如農業向工業、工業向服務業等）流動；二是效率因素，即由于各產業內技術進步帶來能源利用效率的提高。支持結構因素的學者們從三次產業結構的調整對能源利用效率的影響或從某一產業結構的調整如工業部門內部輕重結構變化對能耗強度的影響進行了分析，卻得到了不盡相同的結論。結構的變化受到時間階段、產業層次的影響，不同的研究背景必然產生不同甚至截然相反的結論。而效率因素的支持者們從技術改進對能源利用效率的貢獻上進行了大量的實證研究，結果表明，中國能耗的下降得益于工業部門能源利用效率的提高，技術進步的貢獻明顯大于結構變動的貢獻。可以說，技術進步對于制造業能源消費的影響是有目共睹的，只是影響的方式及影響的程度有待深入研究。“中國制造2025”勢必為制造業帶來新的機遇，通過增加節能技術研發與投入提高生產率，降低能源消耗強度，從而促進制造業快速、綠色.發展。

2.能源價格

傳統的經濟學理論認為，影響某種產品需求的因素包括價格、偏好、預期、互補品替代品價格等等，在這其中價格是最為重要的因素，從價格與需求的反向變化關系可得：通過提高商品價格可降低該產品需求量，我們稱之為需求定律。那么作為基礎性戰略資源的能源是否符合需求定律呢？杭雷鳴、屠梅曾等運用時間序列數據證實了能源相對價格的上升對于降低能源強度的積極貢獻，Fisher-Vanden也證實了能源價格的上升是能源強度下降的主要動力，我們有理由相信能源價格是影響能源消費量的重要因素，那么能源價格的變化會在多大程度上抑制高耗能企業的能源需求，或者如何通過價格機制引導企業采用新能源以減少對環境的破壞？這是我們在實證分析中需要解決的問題。

3.企業平均規模

企業平均規模的大小對于制造業的能源利用效率有著較為重要的影響。眾所周知，企業的規模越大，在生產過程中的規模經濟效應越強，表現出來的是可以采用更先進的節能技術、設備使用率相對較高，也可以實現更高的能量轉換率。而小企業由于資金規模等限制，往往走的是粗放式發展道路，能源消費強度相對較高，能源利用效率較為低下。但是之前從結構因素分析的學者大多研究三次產業的結構調整，或者是產業內部的結構變化對于制造業能源利用效率的影響，少有學者針對企業平均規模這一變量進行研究。本文將引入企業平均規模這一變量，作為制造業能源利用效率的影響因素進行分析。

4.節能政策

節能政策也是影響能源利用效率的重要因素。技術導向型的政策往往會極大的激勵技術創新者，為其提供更便利的創新環境，通過產學研用等多方合作提高能源利用技術水平。目前我國在實現向制造業強國轉變的過程中，并不缺乏技術研發的能力和水平，缺的是對于這些創新行為的鼓勵政策。沒有完善的制度環境和利于創新者的宏觀背景，難以將節能技術真正的研發出來并進行市場推廣，我們深知節能減排政策對于制造業提高能效的重要作用，卻難以將政策因素予以量化并作為實證檢驗的指標，在文章最后的對策建議中會提出相應措施。

四、實證分析

（一）實證模型構建

本文將主要采用Johansen與Juselius提出的建立在VAR模型基礎上檢驗回歸系數的方法。建立模型的基本假設認為，所選用的經濟指標應該具有均衡關系，然而在實際數據操作過程中，時間序列數據的均值或自協方差函數難以保證不隨時間的變化而變化，因而需要進行數據平穩性檢驗和處理，避免出現偽回歸問題。針對該類情況，有學者提出將非平穩序列經過一階差分調整為平穩序列，那么該序列就為一階單整序列。如果一組非平穩的時間序列經過差分變成同階的序列，且它們的線性組合變為平穩的，則稱該組合時間序列具有協整關系，并且不同變量之間存在長期的均衡關系。

學者們通常采用Engle和Granger（EG）的兩步法以及Johansen和Juselius（JJ）的極大似然法對協整關系進行檢驗。就兩個方法的特點而言，單方程更適用E-G的兩步法，多方程更適用JJ法。本文選取多個變量進行研究，作為多變量方程采用JJ法研究多變量間的協整關系將更具優勢。

在運用相關數據進行協整之前，首先要進行平穩性檢驗。協整關系的存在要求只有同階單整序列之間才可以建立協整關系。ADF（Augmented Dickey-Fuller Test）單位根檢驗是實證中較為常用的單位根檢驗方法。

具體公式如下：

（二）指標選取及數據來源

基于上文實證模型的構建，關于我國制造業的能源利用效率影響因素問題，我們選取能源消費強度（ET）作為研究序列，選擇能源要素價格（P）、技術投入（T）和企業規模（S）等因素作為能源消費強度的對比或影響序列。

其中，EI表示能源消費強度，用制造業的能源消耗總量占行業增加值的比重表示。

P表示能源價格，這里采用燃料、動力類的工業生產者購進價格指數來表示，暫且忽略能源間的相互替代作用。

T表示技術投入，這里用行業科研經費投入占工業總產值比重來表示。

S表示企業平均規模，這里以主營業務收入與行業企業數量之比來表示，應當指出的是，個別年份數據缺省，采用計量方法進行估計代替，為消除異方差，我們對所有變量進行了對數化處理。

本研究選用的數據長度20年，時間跨度為1994年至2013年。其中，數據均來源于歷年《中國統計年鑒》、CEIC中國經濟數據庫和《中國科技統計年鑒》，所有數據均以1990年為基準年進行了標準化處理。

（三）實證分析

1.平穩性檢驗

對于原始序列進行ADF檢驗，從表2可以看出所有序列都未能拒絕原假設（P>0.05），即數據是非平穩的。因此，對序列進行對數處理后再進行一階差分，從表2結果發現，需要分析的變量序列均形成平穩序列，滿足后期統計分析的要求。

2.滯后階數的確定

深入分析變量間的協整關系，確定時間序列的最優滯后階數，首先需要構建VAR模型。按照慣例，應根據LR、FPE、AIC、SC和HIQ五個準則來確定各變量的最優滯后階數。從表3可以看出，FPE、AIC、SC及HIQ均以滯后2階為最優滯后階數。

3.協整系數估計

根據ADF檢驗結果，說明四個變量的原始數據不存在顯著的均衡關系，但是它們一次差分后的結果顯示平穩，即它們存在長期均衡關系，可以進行協整關系檢驗。運用JJ協整檢驗結果如表4所示。檢驗從不存在協整關系的零假設出發，一直持續到接受零假設為止。由表4中跡檢驗信息看，最多3個協整向量的存在零假設仍然是被拒絕的，這說明統計所研究的變量之間至少存在3個協整關系，據此可以認為能源強度、能源價格、技術投入和企業規模之間存在長期均衡關系。此外，為了保證檢驗的準確性，采用的最大特征值檢驗仍然能夠證實以上結論，即表4中的最大特征根檢驗信息可看出，最大特征值統計量均超過了5%置信水平邊界值。綜上所述，中國制造業的能源強度、能源價格、技術投入和企業規模因數之間存在協整關系，或說他們之間存在長期均衡關系。

在對模型進行跡檢驗和最大特征根檢驗后，應建立中國制造業能源強度影響因素的協整方程。對于這里存在多個協整向量的情景，選擇一個具有合理經濟意義的協整向量是非常必要的。因此本文選擇最符合理性預期和經濟意義的協整向量，并將其進行標準化處理。同時根據統計量的非顯著性而排除掉另外兩個協整向量。根據標準化協整向量系數，可以建立相應的協整方程：

其中，括號內為標準誤，其相應的協整向量為：

β=（1，-0.4536，-0.448，-0.3588）

可以看出經過實證分析后的協整模型中系數顯著，均通過t檢驗。

通過對模型結果的分析，我們認為該協整模型結果符合經濟理論的預期，能源價格、技術投入和企業規模對中國制造業的能源強度有著重要的抑制作用，為提高制造業能源利用效率，釋放節能潛力提供了思路。

4.協整關系穩定性檢驗

由VAR模型所得到的協整方程并不能保證所估計的系數都是穩定的，為了確定我們所選擇的協整關系具有良好的形式，非常有必要檢驗VAR模型的穩定性，采用系數矩陣的特征根來分析結果的穩定性。圖1顯示了所有的特征根的絕對值都小于1，而且所有值均分布在單位圓的內部。因此可以認為協整方程的系數滿足平穩性檢驗，即由VAR模型所得到的協整方程是有效的。

五、結論與建議

通過對中國制造業能源利用效率問題的研究，探討影響制造業能源強度的幾個重要因素，并對相關因素進行模型估計的實證分析，得出以下基本結論：（1）通過對制造業相關變量的時間序列數據進行ADF檢驗，發現這些變量都是非平穩的，但是一階差分后調整為平穩的序列，適用JJ協整檢驗方法。（2）協整方程表明了1994至2013年期間能源強度、能源價格、技術投入和企業規模四個變量之間存在長期均衡關系。（3）方程右邊能源價格、技術投入和企業平均規模的系數符號均為負，這說明長期內三個變量與行業的能源強度變化呈相反方向。說明提高能源價格、增加技術投入和擴大企業規模對于降低行業能源消耗強度，提高能源利用效率、釋放節能潛力具有積極作用。這個結果也是符合經濟學邏輯的，能源價格的提高會抑制對能源的消費量，技術進步會節約能源的消耗量，而擴大企業規模會提高能源的使用效率。（4）具體而言，彈性系數表明，能源價格對于制造業能源使用的影響最為直接且影響最大，能源價格提高1%可以帶來能源強度下降0.454%；技術投入對于能源使用的影響次之，每增加1%將使制造業能源強度下降0.448%；相對來說，企業規模對于能源消耗的影響較小，企業規模擴大1%可以帶來能源強度下降0.359%。（5）在過去的20年里，中國制造業能源強度的下降有很大程度上是源自能源價格的變動和技術水平的提升。制造業作為高耗能產業，能源價格的提高可以顯著刺激企業研發并應用節能技術。此外，通過行業結構調整和企業兼并重組實現企業規模的擴大在降低能源強度中也發揮了重要作用。

根據實證分析的結果，對中國制造業提高能源利用效率，選擇節能減排的發展路徑提出幾點對策建議。

首先，充分發揮價格機制作用，使能源價格體現市場經濟規律。中國是原油凈進口最多的發展中國家，能源價格受到國際原油價格波動的影響無可厚非，但中國的成品油定價機制雖然在一定程度上有所放開但仍然處于政府控制的定價階段，因此在價格傳導過程中往往會由于時滯等原因不能正確反映市場供需，甚至是扭曲了能源應有的價格水平。本文的實證結果已經說明了能源價格的變動對于降低能耗強度的重要作用，因此，以充分反映市場價值規律的能源價格來抑制能源的過度消耗，是我國制造業釋放節能潛力的主要手段。目前制造業的生產普遍呈現生產效率低下、能源消耗大、浪費污染嚴重等問題，這些問題從根源上講是節能減排的意識尚未深入人心，節能減排政策對于行業的軟約束力不強，唯有通過價格這一硬約束來實現節能降耗目標。市場經濟的規律告訴我們，只要約束夠強，經濟人自會在約束條件下做出效用最大化的選擇，主動尋找降低能耗的方式與途徑。

其次，必須加大科研經費投入，促進節能降耗技術革新。伴隨著“中國制造2025”的提出，我國制造業若想與德國工業4.0順利對接，就必須實現技術革新，更新工藝設備，提高要素使用效率尤其是能源利用效率。而實現技術革新的必要手段就是加大科研投入，加強產學研用相結合，提高科研經費在銷售收入中的比重，對現有落后裝備進行改造升級，激勵企業突破關鍵節能技術，充分發揮節能潛力。加強對碳捕獲和碳封存技術的研發和投入，把握住燃燒前、燃燒中和燃燒后三個階段的碳捕獲，盡可能減少制造業生產過程中二氧化碳的排放量，加大對碳運輸方式和碳封存技術的研發投入，減少二氧化碳在運輸和封存過程中的泄漏和排放。加強對太陽能、生物質能、水能、風能等可再生新能源的研發和使用，從根源上減少化石能源的使用，降低二氧化碳的排放量。

再次，調整產業結構，適度提高產業集中度。在我們的實證結論中，企業規模對于能源強度的影響亦不容忽視，企業規模的擴大有利于降低能源強度。目前我國制造業企業布局分散，行業內競爭激烈，不利于產業結構調整和行業整體節能潛力的發揮，應加速淘汰落后的產能，尤其是那些工藝技術落后、環境污染嚴重、在國民經濟發展中“拖后腿”的落后產能。通過企業間的聯合重組適度提高產業集中度，對于我國制造業提高整體競爭力，在國際市場占有一席之地具有重要的促進作用。

最后，制定節能減排政策，監督行業落實情況。中國制造業長期以來形成的高能耗、高排放、高污染的發展模式，與節能政策的缺失和對已有政策的執行不力不無關系，因此，提高制造業的能源利用效率，必須制定強有力的節能政策，并監督政策的執行情況，對于高能耗行業形成硬約束，對于高污染行業加大處罰力度，對于節能降耗行業實行激勵機制，推進碳排放權交易市場在現有試點的基礎上面向全國推廣，對不同制造企業制定碳排放量配額，通過市場化機制獎優汰劣，讓那些真正能夠節能減排的企業有利可圖，使不能節能減排的企業付出代價。相關部門應盡快落實建立全國碳排放權交易體系的法律基礎、數據收集、配額分配、創建和完善全國注冊登記系統和交易平臺等工作。加快推進碳稅體系設計，明確碳稅征收的對象和稅率等問題，使節能減排工作以政策為準繩，使節能減排理念深入人心，引導企業主動走上低碳經濟、綠色經濟的發展道路。