城市社區節能多元主體耦合仿真研究

洪 帥符曉藝王天尊

1．河北經貿大學京津冀協同發展河北省協同創新中心

2．河北經貿大學經濟研究所

0 引言

隨著我國加快推動能源消費革命，進一步提高傳統化石能源的清潔高效利用水平，節能減排和提高能效成為低碳化過程中的重中之重。由早年“高排放、高污染、高消耗”發展路徑所引起的生活污染、能源危機等環境問題，給人們的生產、生活帶來諸多不便。城市社區作為人們生活、居住、學習的主要場所，是推動節能、降耗、減排的基礎地域單元，更是實現城市人居環境可持續發展的重要空間載體。

城市能源可持續發展的目標是通過對資源的優化管理和為市民提供全面的、高質量的潛在生活來實現的［1］。城市社區一級的能源規劃對減緩氣候變化至關重要［2］，德國政府明確城市社區更新改造的實施流程和要點，旨在實現既有建筑達到氣候中和的規劃目標［3］。美國和波蘭等國家的居住建筑ESPC項目發展順利且成效明顯主要取決于健全的法律環境、完善的居住建筑ESPC服務體系、有效的推廣政策和手段［4］。民生科技對城市社區建設的節能環保績效有重要的評估功能和作用［5］。城市社區能源供應結構主要以電力為主，可再生能源收入與能源使用之間不存在顯著關系，家庭使用的耗能裝備多為非高效設備［6］。對于寒冷氣候區，城市社區能源偏差評估方法為其典型既有社區能源系統節能改造提供參考方向［7］。

對社區能源的總體態度是積極的，社會規范、信任、環境關注和社區認同是社區能源參與意愿的重要決定因素［8］。城市社區能源問題需要在所有社會和機構層面上綜合解決，社區能源可作為能源行為改變催化劑的理論基礎［9］，開放城市能源數據是支持能源決策的重要方式［10］。依據目標人群的不同需求，低碳城市發展與居民行為存在差異關系，低碳城市中居民對現有居住環境具有重要的改造影響［11］。英國的能源效率承諾制度推動了居民和社區提高能效［12］。一個人與自然和諧共生，融生產、生活、生態為一體的創新綠色節能住宅社區，最大限度地釋放地面空間，形成生態、節能良好的自循環系統，滿足人們對田園生活的向往和對安全食品的心理需求［13］。

基于此，聚焦城市社區節能，厘清多元主體耦合關系，構建城市社區節能多元主體耦合模型，探索城市社區節能多元主體耦合均衡，為解決城市社區節能改造和節能降耗等重大問題以及推動城市的可持續發展提供一定的理論借鑒和管理啟示。

1 基于Logistic方程的城市社區節能多元主體耦合模型

借助生態學理論中種群動力學理論分析城市社區節能多元主體耦合模型。以城市社區節能為情景，以服務于節能為目標。假設城市社區節能多元主體分別為政府、城市社區、節能企業、科研機構。以多元主體的規模變化表示其成長過程，多元主體規模越來越大表示其成長良好，進一步認為對支撐其成長的資源的占有率就越大；多元主體規模越來越小表示其趨于消亡，進一步認為對支撐其成長的資源的占有率就越小。多元主體資源占有率為零則表明其已消亡。多元主體所用資源是消耗包括市場資源、自然資源、信息資源及其它資源在內的資源總稱。資源的總量限制著多元主體的規模。不同類型的主體消耗的資源存在差異，進一步認為城市社區節能多元主體消耗的資源具有明顯的互補性。同一類型的多元主體共同消耗同樣的資源。多元主體的成長過程服從Logistic成長過程，其增長率受到多元主體密度的影響。多元主體密度增加，則其增長率就下降，這種影響作用沒有時滯，瞬間發生。多元主體的變化與個體的年齡無關，即最早出現和最晚出現的個體對其成長過程的影響是一樣的。當城市社區節能多元主體成長的邊際收益等于邊際成本時，多元主體將停止增長，達到最大規模。

城市社區節能多元主體耦合的過程實際上就是具有不同程度節能需求的政府、城市社區、節能企業、科研機構以服務于節能作為一致目標，共同參與節能活動并不斷提高節能水平的過程。因此，可借助生態種群增長模型建立城市社區節能多元主體耦合模型。城市社區節能多元耦合主體相互作用時，其關鍵問題還是兩兩之間的耦合問題，因此可應用Logistic方程。當存在n個耦合主體時，任意第i個耦合主體都符合模型（1）。

模型（1）中，參數Ni是第i個耦合主體的最大潛在數量規模，xi是第i個耦合主體的當前實際規模；參數Nj是其它n-1個耦合主體中第j個耦合主體的最大潛在數量規模，xj是其它n-1個耦合主體中第j個耦合主體的當前實際規模。

城市社區節能多元主體耦合模型實質上是關于n個耦合主體的方程組。設“x1”表示政府部門，“x2”表示城市社區，“x3”表示節能企業，“x4”表示科研機構，則城市社區節能多元主體耦合的方程，如方程（2）所示。

方程（2）中，系數bij表示城市社區節能多元耦合主體j對耦合主體i的耦合系數，其取值的不同表示耦合的強弱程度不同。當bij取值為0時，說明城市社區節能耦合主體j和i是獨立共存的，互相不影響；當bij取值為正數時，說明城市社區節能耦合主體j和i是競爭耦合關系；當bij取值為負數時，說明城市社區節能耦合主體j和i是協調耦合關系。

縱觀城市社區節能多元主體耦合方程系數bij共有12個之多，其取值決定了城市社區節能多元主體的耦合關系。

1）系數bij均為零，則城市社區節能多元主體相互之間獨立共存，各自發展，互不影響。

2）系數bij均為正數，則城市社區節能多元主體相互之間競爭耦合，競爭的實質是通過影響其它耦合主體獲得適合其自身發展需要的資源。適合耦合主體自身發展需要的資源存在互補性，但各耦合主體仍需要通過影響其它耦合主體來獲得更多適合自身發展需要的資源。由于城市社區節能多元主體并不是同一類型，且需要的資源類型不盡相同，使得系數bij難以出現均為正數且相等的情況，但存在均為正數且不等的可能。

3）系數bij均為負數，則城市社區節能多元主體相互之間協調耦合，協調的實質是城市社區節能多元主體相互協調、互惠互利，促進資源、信息有效傳遞，共同實現節能的終極目標。由于城市社區節能多元主體在規模類型、互利程度、利益分配等方面存在差異，使得系數bij難以出現均為負數且相等的情況，但存在均為負數且不等的可能。

4）系數bij有正數也有負數，則城市社區節能多元主體相互之間的關系界于競爭耦合與協調耦合之間。為方便區別，將系數bij均為正數視為城市社區節能多元主體之間絕對競爭耦合；將系數bij均為負數視為城市社區節能多元主體之間絕對協調耦合。若系數bij為正數的個數多于為負數的個數，則視為城市社區節能多元主體之間相對競爭耦合；若系數bij為負數的個數多于為正數的個數，則視為城市社區節能多元主體之間相對協調耦合。bij系數正負個數如圖1所示。對于bij系數正負個數的討論實際上就是確定城市社區節能多元主體間的耦合關系。

圖1 bij系數正負個數圖

2 城市社區節能多元主體耦合仿真研究

在缺乏大量時間序列數據時，數值模擬就成為相對最有效的實證方法。通過仿真分析城市社區節能多元主體耦合演化過程，確定城市社區節能多元主體是如何相互作用和相互影響的。通常來說，bij系數間沒有確定的關系，為方便研究，僅討論bij各系數相互獨立的情形。

假設城市社區節能多元主體最大的潛在數量規模Ni分別為政府部門N1=50，城市社區N2=100，節能企業N3=200，科研機構N4=80。賦予政府部門、城市社區、節能企業、科研機構的當前實際規模數量分別為30、50、80、40。令r1=0．01、r2=0．03、r3=0．04、r4=0．02，迭代400次和1 000次進行觀察。以下各圖中橫軸表示迭代次數，縱軸表示城市社區節能多元主體的規模數量。“-+-+”線表示政府部門規模數量的變化，“＊＊＊＊”線表示城市社區規模數量的變化，“++++”線表示節能企業規模數量的變化，“----”線表示科研機構規模數量的變化。

圖2 bij系數均為負數

圖2是城市社區節能多元主體耦合系數bij均為負數，且取值范圍為區間（-0．5，0），迭代400次和1 000次的仿真結果。根據當前耦合系數bij的取值，參與城市社區節能的政府部門規模數量持續上升，在迭代300次左右后達到峰值500；參與節能的城市社區規模數量持續上升，在迭代350次左右后達到峰值1 100；參與城市社區節能的節能企業規模數量持續上升，在迭代400次左右后達到峰值2 600；參與城市社區節能的科研機構規模數量持續上升，迭代360次左右后達到峰值800。政府部門、城市社區、節能企業、科研機構規模數量均大幅度突破了最大潛在數量規模，這說明在城市社區節能多元主體耦合系數bij均為負數的情況下，現有資源可供更多的政府部門、城市社區、節能企業、科研機構參與城市社區節能，這是由城市社區節能多元主體間絕對協調耦合關系決定的。

圖3 bij系數均為正數

圖3是城市社區節能多元主體耦合系數bij均為正數，且取值范圍為區間（0，0．5），迭代400次和1 000次的仿真結果。根據當前耦合系數bij的取值，參與城市社區節能的政府部門規模數量緩慢下降，在迭代340次左右后穩定于28；參與節能的城市社區規模數量小幅緩慢上升，在迭代110次左右后達到峰值52；參與城市社區節能的節能企業規模數量持續下降，在迭代200次左右后穩定于74；參與城市社區節能的科研機構規模數量持續上升，在迭代300次左右后達到峰值49。政府部門、節能企業規模數量均小幅低于當前實際規模數量；城市社區、科研機構規模數量雖小幅高于當前實際規模數量，但遠低于最大潛在規模數量。這說明在城市社區節能多元主體耦合系數bij均為正數的情況下，現有資源不能完全保證政府部門、城市社區、節能企業、科研機構參與城市社區節能，這是由城市社區節能多元主體間絕對競爭耦合關系決定的。

圖4 bij系數為負數的個數多于正數的個數

圖4是城市社區節能多元主體耦合系數bij為負數的個數多于正數的個數，且取值范圍為區間（-0．5，0．5），迭代400次和1 000次的仿真結果。根據當前耦合系數bij的取值，參與城市社區節能的政府部門規模數量緩慢持續上升，在迭代300次左右后達到峰值60；參與節能的城市社區規模數量持續上升，在迭代200次左右后達到峰值130；參與城市社區節能的節能企業規模數量持續上升，在迭代110次左右后達到峰值，爾后緩慢下降維持在260；參與城市社區節能的科研機構規模數量緩慢上升，在迭代100次左右后達到峰值60。政府部門、城市社區、節能企業規模數量均小幅度突破了最大潛在數量規模，科研機構規模數量小幅低于最大潛在數量規模。這說明在城市社區節能多元主體耦合系數bij為負數的個數多于正數的個數情況下，現有資源能夠滿足較多的政府部門、城市社區、節能企業、科研機構參與城市社區節能，這是由城市社區節能多元主體間相對協調耦合關系決定的。

圖5 bij系數為正數的個數多于負數的個數

圖5是城市社區節能多元主體耦合系數bij為負數的個數少于正數的個數，且取值范圍為區間（-0．5，0．5），迭代400次和1 000次的仿真結果。根據當前耦合系數bij的取值，參與城市社區節能的政府部門規模數量幾乎呈現出一種水平狀態，維持在30左右，僅有非常微小的波動；參與節能的城市社區規模數量持續上升，在迭代60次左右后達到峰值70，隨后開始下降，在迭代320次左右后穩定于53；參與城市社區節能的節能企業規模數量持續上升，在迭代400次左右后達到峰值180；參與城市社區節能的科研機構規模數量持續上升，在迭代200次左右后達到峰值100。政府部門、城市社區、節能企業規模數量均沒有達到最大潛在數量規模，其中政府部門、城市社區僅維持在當前實際規模數量，而節能企業趨于接近最大潛在數量規模，科研機構規模數量小幅突破最大潛在數量規模。這說明在城市社區節能多元主體耦合系數bij為正數的個數多于負數的個數情況下，現有資源僅能供較少的政府部門、城市社區、節能企業、科研機構參與城市社區節能，這是由城市社區節能多元主體間相對競爭耦合關系決定的。

圖6 bij系數為正數的個數等于負數的個數

圖6是城市社區節能多元主體耦合系數bij為負數的個數等于正數的個數，且取值范圍為區間（-0．5，0．5），迭代400次和1 000次的仿真結果。根據當前耦合系數bij的取值，參與城市社區節能的政府部門規模數量持續上升，在迭代350次左右后達到峰值73；參與節能的城市社區規模數量小幅上升后，持續下降，在迭代750次左右后趨近于零；參與城市社區節能的節能企業規模數量快速上升，在迭代90次左右后達到峰值180，爾后持續下降，在迭代550次左右后穩定于100；參與城市社區節能的科研機構規模數量持續上升，在迭代400次左右后達到峰值117。政府部門、科研機構規模數量均突破最大潛在數量規模，規模數量趨近于零的城市社區相當于退出城市社區節能，節能企業規模數量僅達到最大潛在數量規模的一半。這說明在城市社區節能多元主體耦合系數bij為正數的個數等于負數的個數情況下，現有資源難以支撐更多的政府部門、城市社區、節能企業、科研機構參與城市社區節能，這是由城市社區節能多元主體介于相對競爭耦合和相對協調耦合關系決定的。

為保證仿真結果更有效，嘗試保持城市社區節能多元主體耦合系數bij的絕對值不變，改變多元主體耦合系數bij正負個數，得到的仿真結果與上述分析結果具有基本一致的變化趨勢。這說明，城市社區節能多元主體耦合的結果取決于多元主體的耦合關系，即耦合系數bij的正負個數，系數bij正負個數的不同將導致城市社區節能多元主體間產生不同的耦合均衡結果。

3 結論

通過分析城市社區節能多元主體耦合仿真結果，可得如下結論。

1）城市社區節能多元主體耦合均衡結果取決于耦合系數bij的正負個數。城市社區節能多元主體耦合的優劣依次為絕對協調耦合、相對協調耦合、相對競爭耦合、絕對競爭耦合。

2）當耦合系數bij均為負數時，城市社區節能多元主體處于絕對協調耦合狀態，各主體間相互協調和促進使得現有資源能夠滿足更多的政府部門、城市社區、節能企業、科研機構參與城市社區節能。

3）當耦合系數bij為負數的個數多于正數的個數時，城市社區節能多元主體處于相對協調耦合狀態，各主體間協調和促進多于競爭和爭奪使得現有資源能夠滿足較多的政府部門、城市社區、節能企業、科研機構參與城市社區節能。

4）當耦合系數bij為負數的個數少于正數的個數時，城市社區節能多元主體處于相對競爭耦合狀態，各主體間協調和促進少于競爭和爭奪使得現有資源僅能夠滿足較少的政府部門、城市社區、節能企業、科研機構參與城市社區節能。

5）當耦合系數bij均為正數時，城市社區節能多元主體處于絕對競爭耦合狀態，各主體間相互競爭和爭奪使得現有資源僅能滿足更少的政府部門、城市社區、節能企業、科研機構參與城市社區節能。