既有建筑合同能源管理中的政府角色
——基于模糊Shapley值的研究

劉惠敏， 檀靈慧， 胡夢月， 秦俊杰， 褚海濤

(1.同濟大學 經濟與管理學院,上海 200092; 2.同濟大學 設施管理研究院,上海 200092)

0 引言

建筑物能源消耗占全球能源消耗量40%以上[1]，中國建筑市場中的既有建筑面積超過600億平方米[2]。龐大的市場存量，南北氣候迥異的客觀因素和環保意識薄弱的主觀因素，導致在建筑物建造、采暖和照明等方面產生了大量的能源浪費，能耗呈指數級增長(圖1)。根據“十三五”規劃，到2020年實現能耗比2015年減少15%的目標，需要至少40%的既有建筑進行節能改造[3]。然而，每年既有建筑達到節能標準的不到25%[4]，預計到2020年年底，全國既有建筑達到節能標準的不足三成。有效解決建筑能耗問題，實現建筑節能目標引起社會普遍關注。

圖1 2000～2018年中國建筑竣工面積與能源消耗總量

傳統建筑節能主要通過政府的政策法規引導建筑企業進行節能改造[5]。但是，建筑業主缺乏專業的節能知識和技術，一旦不科學地施工和使用節能設備、材料等，可能會帶來二次能源浪費。同時，節能改造前期需要大量投資，建筑業主融資時，金融機構只從可行性和回報率來評判，導致建筑節能項目融資艱難。諸多因素迫使建筑企業開展節能改造的主觀意愿很低。

20世紀70年代，石油危機爆發使能源價格大幅上升，對于建筑市場而言找到行之有效的方法來控制能源成本迫在眉睫。合同能源管理(Energy Performance Contracting，簡稱EPC)具有市場化的運作模式和雙贏的優點，成為新興的節能改造模式[6]并應用到建筑業中[7]。與傳統節能改造模式不同(圖2)，合同能源管理通過專業化的節能服務公司負責全過程節能改造并進行融資和風險管控。合理高效的社會分工為解決建筑能耗問題帶來生機，使得建筑節能改造不僅是節能任務，也成為可以盈利的市場活動。事實上，節能改造既能降低能耗，又能提高建筑使用者的舒適度，提升建筑物品質；減少二氧化碳排放和空氣污染；帶動節能產業鏈發展，為宏觀經濟帶來福利等。這些收益遠遠大于改造階段可計算的節能收益。但是，節能服務公司和建筑業主等發起方并沒有得到相應的回報或者與非節能收益受益者進行符合市場價格的交易。

圖2 傳統節能改造模式與合同能源管理模式

既有建筑節能改造的節能收益及其衍生的經濟、環境、社會等非節能收益證明，節能改造具有構成新興市場的潛力。隨著節能市場的發展和完善，建筑業主、節能服務公司、金融機構、政府、公眾等利益群體參與其中，節能市場急需建立公平公正的收益分配體系。但是，外部性收益差異導致節能市場主要參與者的積極性低，存在一定的市場失靈，需要考慮將政府參與引入到合同能源管理的收益分配中，構成新的利益相關者。因此，研究以能源費用托管型合同能源管理模式為例，運用博弈論中模糊Shapley值方法對建筑業主、節能服務公司和金融機構進行節能收益分配；提出既有建筑節能改造的外部性特征，運用系統動力學分析合同能源管理的非節能收益，厘清全部利益相關者；將政府參與引入到合同能源管理的收益分配中，建立完整的綜合收益分配模型。

1 合同能源管理的利益相關者

合同能源管理是節能服務公司、建筑業主和金融機構共同參與的節能機制，涉及的利益相關者數量眾多(圖3)。主要以節能量保證型[8]、節能量共享型[9]和能源費用托管型[10]三種模式運作。能源費用托管型模式中，由節能服務公司承擔全部節能工作，如購買更少的節能設備、提高能源效率等。節能服務公司為節能技術和設備更新提供資金(向金融機構融資等)，一旦達到節能目標，可以獲得全部收益。否則，需要支付違約費用[11]。

圖3 合同能源管理模式的利益相關者圖譜

(1)建筑業主(Building Owner，簡稱BO)

建筑業主是建筑節能改造最核心的利益相關者，是決定高能耗建筑節能改造的直接決策者，也是享受改造后更好的居住和使用環境的長期受益者。通過節能改造，延長建筑的功能壽命，提升建筑的經濟價值，也會給建筑業主帶來額外收益。由于缺乏專業知識、技術、資金和時間，建筑業主自行實施節能改造困難，在政府的優惠補貼激勵下，傾向于選擇合同能源管理等高效的節能改造方式。但是，節能改造的技術性工作全部由節能服務公司負責，對節能服務公司不信任的心理會加劇建筑業主對節能收益的懷疑，產生不愿意合作的態度。

(2)節能服務公司(Energy Service Company，簡稱ESCO)

節能服務公司是合同能源管理最核心的利益相關者，建筑節能改造重要的參與者。沒有節能服務公司參與，建筑節能改造不構成單獨的市場關系。節能服務公司進入后，建筑節能改造轉變為合同能源管理的商業運作模式。節能服務公司提供能源審計、節能項目投資、設計、建設和運營管理[8,12]，與建筑業主按合同約定分配節能收益，承擔較大的融資風險和項目運作風險。節能服務公司與建筑業主既是合作伙伴也存在競爭關系，都認為自己是節能改造最重要的利益相關者，理應獲得最大份額的節能收益。

(3)金融機構(Financial Institutions，簡稱FI)

建筑業主無力承擔回收期長的大額投資是節能改造的最大阻礙，也是合同能源管理出現的原因之一。節能服務公司的參與雖然分擔了建筑業主的資金壓力，但作為新興企業，并不具備雄厚的資金實力，仍需向金融機構借貸用以采購設備、更新技術、培訓人員等[13]。因此，金融機構成為合同能源管理重要的利益相關者。節能服務公司的信用、運作和資產狀況對金融機構的評判至關重要。由于缺乏專業的第三方機構，能夠達到金融機構評估標準的節能服務公司只是少數大型企業，合同能源管理發展還存在諸多障礙。

2 基于Shapley值構建收益分配模型

2.1 模糊區間Shapley值理論

基于以上兩個假設條件，合作聯盟中的每個參與者在合作中應得收益為:

(1)

公式(1)中，|S|是合作聯盟中組成子集S的利益相關者數量，W(|S|)是權重因素，具體算法為:

而當每次收益由于不確定性都為模糊區間值時，公式(1)變為：

(2)

(3)

2.2 構建節能收益分配模型

在付出相同成本情況下，通過與節能服務公司合作，建筑業主不僅能降低能耗、承擔社會責任，完成政府節能目標[15]，約定服務期滿，還能無償獲得建筑物剩余壽命延長的節能效益，是合同能源管理項目最大的受益者。節能收益與節能服務公司的績效水平密切相關。金融機構雖不直接參與建筑節能改造，但為原始子集{(建筑業主)，(建筑業主和節能服務公司)}提供資金，間接增加節能量。

根據上述規則和公式(2)(3)，建筑業主、節能服務公司、金融機構在各種情況下分得的節能收益如表1至表3所示。

表1-1 建筑業主的節能收益

表1-2 節能服務公司的節能收益

表1-3 金融機構的節能收益

用以下收益分配模型分別計算建筑物業主、節能服務公司和金融機構的區間值模糊Shapley值:

(4)

(5)

(6)

2.3 假設與模型求解

選取行業平均水平的建筑業主、節能服務公司和金融機構為樣本，對既有建筑節能改造項目的節能收益分配定量研究，并進行以下假設。

當建筑業主獨自實施建筑節能改造項目時，由于缺乏資金、降能技術和節能改造經驗，節能效益區間為[o1,o2]，表示為:

(7)

·當建筑業主從金融機構獲得資金支持時，在單位資本投入的節能回報與上一條相同時，更多資金支持使其收益與獨自參與建筑節能改造相比有所增加，表示為:

(8)

·當建筑業主和節能服務公司合作時，節能改造項目擁有了專業的節能設備和技術支持，單位資本投入的技術節能量產出更高，節能效益大幅提高，表示為:

(9)

·當建筑業主、節能服務公司和金融機構共同參與時，建筑節能改造項目擁有技術優勢和資金優勢，研究[16]和實踐[17]表明，構成合同能源管理模式后可獲得更多的節能效益，表示為：

(10)

建筑節能改造項目的總效益與節能服務公司的專業水平和努力程度掛鉤。能源費用托管模式下，節能服務公司進行節能改造的過程也在為自己創造收益，具有提高項目節能收益的動力。同時，節能服務公司也面臨最大的資金和償債壓力。能源費用托管模式的節能收益函數可以表示為:

(11)

根據公式(2)和(3)，并將公式(4)、(5)和(6)展開，得到建筑業主、節能服務公司和金融機構的節能收益，見表2。

表2 三個利益相關者的節能收益

2.4 調整所得解

理論上，根據模糊區間Shapley值求得的節能收益是根據每個利益相關者貢獻程度得到的公平結果。然而，由于經濟主體利己性，當參與者獲得分配節能收益的權利時，會選擇性公開信息以使自己獲得最大收益。實踐中，通常只有大型節能服務公司才能采用能源費用托管模式承擔建筑節能改造項目，在沒有任何參與者支持的情況下承擔最大的融資風險。因此，節能服務公司一旦擁有節能收益分配權，可能會對其他利益相關者隱瞞項目的真實情況，以增加自身收益，導致建筑業主和金融機構獲得原來可得到的最小收益(區間下限)。考慮上述情形調整后，能源費用托管模式的三個利益相關者節能收益見圖4。

圖4 能源費用托管型EPC利益相關者的節能收益

3 既有建筑節能改造的外部性特征與EPC的非節能收益

既有建筑節能改造具有顯著的外部性特征。一方面，建筑業主通過節能改造達到節能目標、收獲節能收益的利己行為，會給社會公眾帶來外部性收益。例如，減少建筑垃圾和污染，使大眾無償獲得環境收益；帶動節能服務公司、第三方監督機構等相關產業發展，提供更多就業機會，使大眾無償獲得社會收益；增強用戶滿意度和改善建筑使用功能，使大眾無償獲得經濟收益。另一方面，建筑節能改造的外部性收益無法量化，對各個利益相關者沒有發揮最佳的激勵作用。民眾無法切實感受到建筑節能的好處，不會愿意為未感知到的好處付費；政府并未向公眾收費，單一從財政撥款進行補貼壓力過重；建筑業主進行節能改造能夠帶來不錯的節能收益，但由于經濟主體的利己性，往往認為是在為社會做貢獻而不是為自己創造收益；建筑節能改造的投資回收期一般超過5年，前期投資完全由節能主體來承擔，容易產生心理失衡，拒絕改造。

3.1 外部性與非節能收益

假設建筑業主進行節能改造回收的邊際節能經濟收益為ER，邊際投資成本為EC，社會公眾因節能改造獲得的邊際節能社會收益為ESR。由于正外部性的存在，ER小于ESR，兩者的差值即為邊際節能外部收益EER。ER與EC曲線交點對應的節能改造建筑數量Q1，即建筑業主滿足節能經濟收益最大化時愿意接受的工作量，如圖5。ESR與EC曲線交點對應Q2，代表社會期望的節能改造建筑數量。顯然，Q1小于Q2，建筑業主節能改造的主觀意愿達不到社會公眾的節能要求，低于帕累托最優均衡水平，無法實現最合理的資源配置。正視外部性收益對社會公眾和建筑業主共同達成節能目標至關重要，有助于真正解決既有建筑的高能耗問題。

圖5 既有建筑節能改造外部性產生的邊際收益

相比于新建建筑，既有建筑的物理壽命有所減少到最終喪失功能性，如圖6從T1到T3所示。節能改造能延長建筑物的物理壽命和功能壽命[18]。建筑業主若選擇在T2時間點進行節能改造，只需新建建筑的極少部分投入，即可使既有建筑物的價值由V1提升到V2，物理壽命由T3延長到T4，產生增值壽命。建筑節能改造的外部性帶來了更多的建筑物價值，表現為通過增值壽命創造經濟、環境和社會貢獻，即T4～T2期間既有建筑價值相比于原來T3～T2期間的差值。

圖6 既有建筑節能改造的壽命延長與外部性價值

非節能收益是基于“三重底線”原則[19]提出的和評價既有建筑合同能源管理具有可持續性發展標準的經濟指標，是在節能改造后產生的間接收益，它可能是即時的，也可能在全部建筑物生命周期中產生，受益者可能是合同能源管理的參與者，也可能是其他利益相關者。在合同能源管理模式中，只以可以直接計算的節約電熱收益為合同能源管理投資回報的節能收益，而其他給政府、物業公司、公眾等利益相關者帶來的間接收益并未計入結算條款之中，進行等價交易。因此，研究將合同能源管理模式下建筑節能改造的非節能收益定義為除合同條款規定的、已經進行價格交易的節能收益外，建筑業主、節能服務公司等直接參與者和其他利益相關者獲得的額外收益，包含經濟收益、社會收益、環境收益三個方面。

非節能收益涉及眾多影響因素和受益主體，可運用系統動力學分析各主體相互影響的過程。包括三個步驟：1)確定目標和邊界條件；2)確定因素間的相互影響關系，并用因果流圖表示；3)找出因果關系圖中的反饋環，描述系統運行機理以及各因素對系統的影響。

3.2 非節能經濟收益及其受益主體

非節能經濟收益系統一共包含16個相互影響的因素，5個非節能收益受益者，見圖7。

圖7 既有建筑節能改造的非節能經濟收益

(1)建筑使用者參與了兩條正反饋回路。節能改造既減少建筑使用者的用電量，也通過改善室內基礎設施提高舒適度，從而增加建筑使用者的經濟收益。

(2)建筑業主參與了三條正反饋回路。建筑業主通過節能改造延長了建筑的物理和功能壽命，獲得建筑物價值增加收益；通過改善室內基礎設施減少物業公司運營成本，降低物業費用支出；通過改善居住環境提高建筑使用者舒適度，獲得租金增加收益。

(3)物業公司參與了一條正反饋回路。物業公司本身不參與建筑節能改造，但是節能改造促使物業公司管理的基礎設施更新，維護成本減少。

(4)供熱/供電公司參與了兩條正反饋回路。通過節能改造，供熱/供電公司減少了高峰用電調峰壓力和熱源重復投資，降低運營成本。

(5)政府參與了一條負反饋回路。通過節能改造，政府從根源上降低了建筑能源消耗，減少環境治理和能源保護費用。

除了建筑業主，其他利益相關者都沒有直接參與建筑節能改造，但都獲得了免費的經濟收益，是外部性經濟收益的受益主體，見圖8。

圖8 外部性經濟表現及其受益者

3.3 非節能環境收益及其受益主體

環境收益系統一共包含11個相互影響的因素，2個非節能收益的受益者，如圖9。

圖9 既有建筑節能改造的外部性環境收益

(1)政府參與了兩條負反饋回路。通過建筑節能改造，有害氣體(硫化物、CO2等)明顯減少，政府減少了治理費用支出。

(2)公眾參與了兩條負反饋回路。節能改造通過減少大氣污染對公眾健康和公眾生產活動的影響，對項目周邊的公眾產生了有益的區域性影響。

從環境收益的受益者來看，政府和公眾都沒有直接參與建筑節能改造項目，且受益主體涵蓋范圍廣，見圖10。

圖10 外部性環境表現及其受益者

3.4 非節能社會收益及其受益主體

社會收益系統一共包含18個相互影響的因素，4個節能收益的受益者，3個非節能收益的受益者，如圖11。

圖11 既有建筑節能改造的外部性社會收益

(1)節能服務公司參與一條正反饋回路。運用合同能源管理模式，建筑節能改造項目的直接參與者均獲得收益，有利于構建完善的節能改造市場，給節能服務公司創造更好的外部環境，帶來更專業的技術、人員和更多的合作項目。

(2)政府參與一條正反饋回路。通過節能改造降低能耗，完成節能目標。

(3)宏觀產業/社會公眾參與一條正反饋回路。通過構建建筑節能市場，帶動節能產業鏈上的供應商、評估機構等受益；就業人數增多，使勞動人口受益。

從社會收益的受益者來看，除了節能服務公司，其他利益相關者都沒有直接參與建筑節能改造。社會收益的影響是宏觀的，是節能產業發展對相關行業發展的聯動效應，受益主體范圍廣，如圖12。

圖12 外部性社會表現及其受益者

4 政府參與——發展新的EPC利益相關者

一方面，雖然利用模糊Shapley值能有效解決利益相關者節能分配不均的問題，但信息不對稱和利己性導致參與者的芥蒂沒有完全消除，無法從深層次激發利益相關者主動參與節能改造的意愿，阻礙了EPC的發展。另一方面，外部性導致節能改造的社會邊際收益高于個體邊際收益，但缺少對建筑業主的補償以彌補收益外溢，造成市場失靈。因此，考慮將政府參與引入到EPC收益分配中，構成新的利益相關者。

嚴格意義上，政府不是合同能源管理的直接利益相關者，但卻是建筑節能改造工作的發起者和監督者。(1)制定法律法規強制建筑業主開展節能改造工作，加速了我國合同能源管理的市場化運作模式發展。(2)通過財政補貼、稅收激勵、貸款優惠等政策手段，鼓勵建筑業主選擇合同能源管理模式來降低節能改造工作的運營風險，獲得更大的收益，推進合同能源管理發展[20]。

當政府參與不涉及節能服務公司的節能項目時，業主不能達到政府的節能目標，并根據約束政策受到處罰，用g1表示。當政府參與到涉及節能服務公司的節能項目中時，業主可以達到政府的節能目標，并可以根據鼓勵政策獲得補貼，用g2表示。由于政府的處罰或補貼僅占企業收益的一部分，且對于政府扶持類項目，補貼額較大，故g1

表3 政府參與前后的節能效益分配對比

圖13為政府參與收益分配前后的收益對比，在政府優惠政策支持下，金融機構的節能收益沒有改變；建筑業主和節能服務公司的收益增長，且最大收益和最小收益都增加相同的數值。

圖13 政府參與前后的節能收益對比

5 結論:減少外部性對合同能源管理市場的影響

建筑節能改造的外部性帶來經濟、環境和社會三方面的非節能收益，受益范圍從利益緊密關聯的企業到區域性民眾和政府再到產業鏈與節能減排的國家戰略。直接受益者有建筑業主和節能服務公司：建筑業主獲得的是即時經濟收益，節能服務公司獲得的是通過行業發展帶來的技術創新。這意味著，就一個已經開展的節能改造項目來說，建筑業主在節能改造結束之后即從本項目獲得非節能經濟收益，而節能服務公司無法立即獲得社會效益回報。每一個節能改造項目都能給物業公司、建筑使用者、供熱/供電公司等帶來直接的非節能經濟收益，但在實際中，有的利益相關者，例如物業公司和建筑使用者會阻止項目進行節能改造，這對建筑業主、節能服務公司來說是不公平的。

政府一般通過減少稅收和節能補貼來引導或強制建筑業主進行節能改造。但是，在所有利益相關者中，政府是唯一同時受益于經濟收益、環境收益和社會收益的主體，是既有建筑節能改造外部性最大的受益者，應當起到更關鍵的作用。因此，政府理應推動建筑節能改造外部環境的優化，而不僅僅是為了完成節能目標來鼓勵節能改造項目。1)推廣合同能源管理模式，強制高能耗既有建筑或公共建筑使用合同能源管理模式進行節能改造。2)主導成立第三方監督機構，構建公開公平的市場環境，減少建筑業主、節能服務公司、金融機構彼此缺乏信任的局面。3)加大對節能服務公司的扶持，主導成立專業的機構研究建筑節能要求的基礎節能技術、節能材料、節能設備，定期對節能服務公司進行培訓和考核。4)公眾也是環境收益和社會收益的受益主體，政府應當引導公眾進行等價交換，以使全社會資源配置達到最優。