摘要：为落实单位GDP能耗在未来5年内降低20%的目标，我国开始了大规模节能工作。本文认为我国的节能工作可能在几个方面存在误区，比如对能源的特殊性缺乏了解，节能政策的制定与实施缺少针对性，过分偏重产业部门而忽视其他非产业能源消费部门，过分强调产业结构的调整，而忽视整体结构，特别是消费结构的调整等。我国的节能工作需要明确理论基础，在市场化、工业化、城市化和国际化的大背景下，开展有效的工作。因为能源消耗既是一个物理现象又是一个经济活动，本文首先从物理学和经济学两方面对节能的理论基础做了探讨。从物理学的角度，本文通过对“信息不遵守热力学定律”这一被物理学界称为“麦克斯韦妖”的现象的分析，为节能工作提出了用“无限的信息替代有限的能源资源，尽量降低熵增率”的物理学理论依据。文章继而通过单元生产过程的“能源-信息-材料”三要素模型，单位GDP能耗变化分解方法等，从经济学的角度阐述了以信息代替能源，经济增长应从能源资源密集型的旧模式向信息知识密集型的新模式转变的原理，为我国“以信息化带动工业化，走新型工业化道路”，通过单位GDP能耗的“隧道战略”赶上发达国家的战略设想提供了理论基础。最后，基于理论上的探讨和对中国节能实践的观察，本文为我国的节能工作提出了8个方面的建议。

　　关键词：节能;理论;实践

　　中图分类号: TK018 文献标识码:A 文章编号:1003-2355(2006)07-0005-06

　　Abstract: In order to achieve the target of 20% reduction on GDP energy intensity over the next five years, Chinahas started a massive energy saving compaign across the country. Such a compaign needs a clearer understanding of the theorectical framework within which energy saving can be effectively achieved. As energy consumption is both a physical phenomenon and an economic activity, this paper discusses the theoretical background for energy saving from both the perspectives of physics and economics. It points out some existing misconceptions of the energy saving priorities and provides a number of policy recommendations to achieve energy saving in the context of a market economy that is experiencing rapid urbanisation, industrialisation and globalisation.

　　Key words: energy conservation; theory; practice

　　收稿日期：2006-06-26

　　作者简介: 陈新华，博士，BP中国公司能源市场与战略副总裁，欧盟中国商会能源与市政产业政策工作组主席，曾任国际能源署署长特别助理，中国合作部主任等职。

　　随着资源能源紧缺压力加大，对经济社会发展的瓶颈制约日益突出，节能对于我国的能源安全、环境保护和经济社会的可持续发展都具有非常深远的意义，中国的节能问题成为从事中国能源研究专家学者们所必须关心的问题和责无旁贷的历史使命。

　　国家的“十一五”规划纲要将单位GDP能耗在未来5年内降低20%作为约束性目标，分解到各地区、各行业的经济活动中，作为综合评价和绩效考核的指标。全国性的大规模节能工作已经开始。我认为，在中国这么大的国家里开展这么大规模的节能工作需要明确理论基础，帮助我国在目前所面临的市场化、工业化、城市化、国际化的大背景下，更加有效地开展节能工作来实现“十一五”规划的目标以及更长期的建设节约型社会的目标。本文愿在节能的理论基础上面做点抛砖引玉的探讨。

　　能源的消耗是一个经济社会活动，更是一个物理现象，要遵守热力学定律。它是一个同时受经济学和物理学约束的人类活动。节能工作首先要明白什么是能源，充分了解能源的特殊性，把握物理学对任一能源消耗活动所允许的节能范围，还要了解经济学中影响能耗的各种因素。

　　1 搞清能源的概念

　　做好节能工作首先要明白什么是能源。首先，能源是一个物理学的概念，而能源消耗也是一种物理学现象。要明确区分和理解三个相关的概念:能,能量，能源。在英语词汇里，这三者为同一单词——Energy, 但实际上它们有不同的含义。物理学中的“能”指的是物体做功的能力，它包括动能、势能、热能、电能、核能、辐射能和化学能。其中，动能和势能属于机械能，是人类最早认识的能的形式，光能则属于辐射能;能量则是对上述各种能的计量，通常用卡(1卡等于给一克水加热1℃所需要的能量)和焦耳(4.18焦耳等于1卡)来衡量;而对能源的解释目前大约有20多种不同的定义。世界能源大会认为“能源是使系统能够产生对外部活动的能力”，这一定义中的能源实际上指的能，因为英文中能和能源用的是同一个词。《大英百科全书》的解释是：“能源是一个包括所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”，这一定义也并不非常准确。我国的《能源百科全书》说:“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”这与《科学技术百科全书》的定义比较接近:“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”。我认为这两种定义比较准确。简单地说能源是一种呈多种

　　形式的，且可以相互转换的能量的源泉，是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。

　　实践中人们从不同角度对能源进行了分类，如图1所示。其中一个非常重要概念是能源服务，即我们消耗能源的目的是为了取得一种服务，如对一个物体进行加热或制冷，把它从一个地方移到另一个地方，对它进行切割加工，将一个房间照亮，等等。这些能源服务都需要通过技术设备对终端使用能源的转换来得到。

　　现代社会的能源服务主要被划分为三大类，包括将一件物品或一个人从A处移到B处的移动力、用于加热和制冷的热力和用于启动电子和电器设备的电力。每一类能源服务都有自己的特性:

　　(1)移动力主要是交通运输，它的特点是在户外的运动中消耗能源，如公路、铁路、水路、空路。燃料与技术的选择是相辅相成的，目前基本上以石油产品和相关技术为主。交

　　通运输中能耗的高低主要取决于交通设备的技术，如汽车在制造完成之后再节能要比汽车设计制造过程中引入节能措施困难得多。交通基础设施，如路况的好坏对能耗也起很大的作用。

　　(2)与移动力相反，热力大多都是在静止的系统中消费，如炉灶、锅炉等，并且消费大都发生在建筑物内。可产生热力的燃料选择比产生移动力的液体燃料更广,所有能源都可产生热力。

　　(3)电力则是整个能源消费系统的核心。电力的消费都必须通过电器和电子设备,其中电动机一项就占了很大的比例。电力的生产与消费系统性很强,需要网络运输,因不可大量储存而需要在生产和消费实现实时平衡。所有可以转换为热能的燃料都可转化为电能，电能也可以不通过热能的中间形式来生产，如水电、太阳能光伏发电、燃料电池,等等。

　　针对上述三大能源服务的不同特性应该有不同的节能战略和政策。

　　由能源服务衍生出来的另一个重要概念是有用能源。它指的是所提供的能源服务中真正用于满足需求目的的这部分能源，如，一个鸡蛋煮熟所需要的热能，1t重的物体从一个地方移动到另一个地方所需要的动力，一张书桌被照亮到某一程度的光能。有用能源概念对于节能很有意义，比如说，为煮熟一个鸡蛋提供的能源服务是一大锅沸水，而这里的大部分能源消耗是没有必要的，因为真正用于煮熟鸡蛋所需的能源比实际消耗的要少得多。同样，如果使用交通通过平坦的道路把一个体重50kg的人从甲地送到乙地，为什么需要驾驶2000kg的SUV呢?然而，要准确地计量有用能源比较困难，因而在能源统计中，人们一般只能计算用于终端使用的能源，即被机器设备消费掉的能源。但是对于节能来说，有用能源这一概念非常重要，因为它可以使我们的技术设备在设计上更加精确，尽量减少不必要的消耗。我们可以按照有用能源的概念重新设计耗能设备，甚至反推整个能源供应系统的合理性。

　　2 能源的特殊性

　　节能还需要了解能源的特殊性。首先，能源不同于粮食或其他原材料，能源的消费都是通过技术设备来完成的，如电能通过灯泡或者电动机，油品通过内燃机等。这样，能源的消耗量就取决于技术设备的效率，而节能则和技术设备的更新紧密结合。一台机器一旦安装上，一个电厂一旦建成，一座新楼一旦入住，它们在生命周期内的能源使用效率基本确定。而耗能的设备与基础设施都具有“沉没成本”较高的特性，而为了不错过节能的机会,有必要加快技术设备的更新换代,由此形成技术更新与“沉没成本”的矛盾。

　　其次,能源的供应要通过较长的产业链得以实现。它的投资周期长、成本高、具有刚性。能源投资对于价格与需求的反应有一定程度的滞后;另一方面，能源消费具有一定的惰性与“路径依赖”,不同能源消费部门对能源价格的敏感度按其消费密集度的高低会有很大的差别，且价格的变化不能在消费量上及时地得到反映。

　　第三，能源消费带来的污染具有强烈的外部性，污染给全社会造成损害。能源消费者支付修复这些损害所需要的成本，可以通过税收的形式在价格上得到体现。另外，能源的供应还在许多国家被视为公共服务，具有社会属性。

　　相对于节能,能源的特殊性反映了两个问题:一是节能措施大多是通过技术设备的更新才能实现,而更新需要时间和成本;其次是能源价格问题。

　　能源价格不仅要反映生产成本，还要反映能源资源的稀缺性，能源使用的环境和社会成本，以及保障能源安全(如剩余生产能力)所需要的成本。建设周期长的能源产业，价格反映长期的边际成本，使投资有利可图。生产成本还包括运输成本，以及其他相应设施的成本，例如保障煤矿工人安全所需要的投资。如果1L可口可乐的价格比1L汽油还贵，说明汽油的价格尚没有反映石油资源的稀缺性和使用的环境成本。

　　3 节能的物理学理论基础

　　从物理学的角度看,能可从一种形式转换为另一种形式，但其总量既不能增加也不能减少，既不会无中生有，也不会自行消灭。这就是热力学第一定律，也叫做能量守恒定律。然而，能量的品位是有高低之分的。热力学第一定律只规定了能量转换的数量关系，并未指明转换的方向性。规定转换方向的是热力学的第二定律，它由克劳修斯和开尔文在1850～1851年间从不同的角度提出。这个定律有许多说法，但各种说法是彼此一致的。其中最通俗易懂说法是“不可能自发地由低温向高温传热。”针对于热机的一种说法是：“热机不可能将单一热源传给工质的热全部转化为功”(卡诺定律)。有针对永动机的说法是：“只做功而不消耗高品位能量的永动机是不可能制成的”。还有针对熵的说法：“孤立系统中的熵只会增加，不会减少”。

　　针对热力学的第二定律的最著名的异议是英国物理学家麦克斯韦提出的。1867年麦克斯韦在他的《热能理论》一书中作了如下设想:在一个孤立绝缘恒温的容器里，用一个膜片把容器分成两个部分，在膜片上安装一个阀门，且放置一个能够见到单个分子的极小的生命体。这个精灵能够打开和关闭在膜片上的阀门，可以有选择地让速度快的分子进入一边，而让慢分子进入另一边。其结果是快分子的一边温度增加，而慢分子的一边温度降低。这样，在没有外力的作用下，依靠具有灵敏观察力的小精灵使一个本来不能做功的系统做功，使该系统的熵值减少而不是增加。麦克斯韦的结论是，小精灵主要靠获取分子速度的信息运作阀门，而信息不遵守热力学定律，所以热力学定律在这种情况下无效。几代物理学家都试着证明麦克斯韦的设想是不能实现的,但却没有成功。他们干脆把这一设想叫做“麦克斯韦妖”,一直到1951年，法国物理学家布里渊(Leon Brillouin)将信息论与统计物理联系起来考虑，通过信息的负熵原理解答了这一难题。然而，他的信息等于负熵的理论却导致了后人将信息与能源混为一谈，忽略了信息的特殊性。

　　实际上，“麦克斯韦妖”的讨论为我们的节能工作开启了一道智慧之门。信息与实物交换本质的区别在于，实物交换减少给予方的拥有，而信息不同，可以使得双方共同拥有。所以我们可以得出以下结论:信息不属于物质世界，不遵守热力学定律。因为克劳修斯的熵增定律没有规定熵必须以多大的速度增加，那么我们可以利用信息不遵守热力学定律的这一特殊属性在热力学定律允许的范围内做许多事情，如尽量降低熵的增长速度，在生产和消费活动中实现信息对能源的替代。能源资源有限，而信息资源无限，可以利用无限的信息替代有限的能源资源。我们面临的问题是，经济增长需要资源消耗，资源消耗带来环境污染，环境污染又反过来影响生活质量和经济增长。如果一直在物质系统里寻找，很难找出解决问题的答案。节能的物理学基础就是在热力学定律允许的情况下以信息替代能源。

　　日常生活中不乏利用信息来降低能耗的案例。在驾车出行前参考地图标明线路，既可以少走弯路，也减少燃料消耗，而缺乏清晰的路标致使增加燃料消耗的现象十分常见。在房间里安装温控设备可以降低取暖能耗。信息与技术含量高的机器设备能耗低,效率高。工业生产流程从手工操作到机械化,半自动化再到自动化是一个不断增加信息的采集和处理的过程。在这一过程中,随着信息量的增加,产品的单位能耗会不断降低。信息和能源的替代关系可以通过图2表示。

　　从人类发展的角度来看，人类工作的演变过程,包括从蓝领到白领的转变，实际上也是一个从提供能源到处理信息的过程。通过对劳动工具的不断改善,人类把自己的智慧逐步转变为生产力，利用越来越少的体力劳动创造越来越高的价值。从钻木取火的年代到农耕时代,从工业化时代到现在的信息时代,人类的工作不断地从体力劳动向脑力劳动转变,从通过双手对物体进行能源加工向通过大脑对符号进行信息处理转变,见图3。

　　4 节能的经济学理论基础

　　上述分析依据物理学的原理提出利用信息不遵守热力学定律的这一特殊属性在热力学定律允许的范围内尽量降低熵的增长速度,进而提出在生产和消费活动中实现信息对能源的替代的设想。那么,在经济学理论中,我们能否找到节能的理论依据呢?

　　4.1 单元生产过程的“能源-信息-材料”模型

　　经济学中有一个经济增长模型叫做KLEM模型，即产出是资本(K)、劳动(L)、能源(E)和材料(M)等投入的函数。因为劳动的主要目的是提供能源和信息,而资本(工具,机器)又是其他生产过程的产品，我们可以把这一模型进一步简化，应用到任何一个最基本的价值创造过程(单元生产活动)。我们发现这一过程实际上就是利用能源与信息对原材料

　　进行加工,创造出满足需求的产品的一个过程,见图4。在这个过程中,我们创造了价值，同时也产生了废弃物。废弃物的一部分可能在其他生产过程里被再循环,剩余的部分被排入环境而导致环境污染。

　　比如说,制作一张木椅需要木材、木匠和工具,价值的创造是通过木匠所提供的最基本的输入,即能源与信息来实现的。这里工具不能被认为是一种最基本的输入,因为它是另一个生产过程的产物,也是使用材料、能源和信息来获得的产品。用同样的木材和同样的工具,一个经验丰富的木匠与年轻学徒做出来的椅子质量不同,售价也不同。而决定椅子价值的关键并不取决于他们肌肉所提供的能源,而在于他们的技能,也就是对做工过程中投入的信息的不同。

　　根据这个机制,为了降低自然资源和能源的消耗,并且使环境污染减到最小,我们需要增加信息的输入。价值创造过程可以通过提高能源的投入和信息的投入来取得。因为价值本身是非物质单位,所以可以通过提高非物质性的投入,即信息的投入,来增加价值。对于等量的价值，增加信息的投入可以降低能源的消耗,这就是我们通常所说的生产活动从能源密集型向信息密集型转变,从粗放型高耗能发展向集约型低耗能方向转变的过程。用无限的信息资源来替代有限的能源资源也正是“用信息化带动工业化，走新型工业化道路”的理论基础。

　　值得注意的是信息可以分为两大类:结构型信息和流动型信息。结构型信息包括知识、技能、操作程序、组织结构、体制和标准法规等，均是人的行为规范化的信息;而流动型信息指的是通过语言、教育、传媒等方式传播的信息。这两类信息对能源的替代有各自的方式，在此不作深入讨论。

　　4.2 单位GDP能耗变化理论

　　在讨论如何降低一个国家的单位GDP能耗时,一般将单位GDP能耗(又称GDP能源密度)表示为：

　　上式右边第一项为某一产业部门在GDP中所占的比例，也就是说产业结构，而后一项为该产业部门单位产值的能耗(或能源密度)。

　　该公式可以理解为GDP能源密度是由一个国家的产业结构和各产业部门的能源密度决定的。通过代数分解，我们可以把GDP单位能耗的变化分解成两部分，即产业结构的变化和各产业部门能源密度的变化：

　　这就成为目前两种主流的节能方案：第一，通过产业结构调整降低高能耗低附加值产业在国民经济中所占的比例，即结构节能;第二，通过技术途径降低各产业部门的能源密度，即技术节能。

　　但是这种思路有很大的局限，因为它只考虑了产业部门，而没有考虑到非产业部门(如消费部门)对一个国家单位GDP能耗的影响。一个国家的单位GDP能耗，是指当年消耗的所有能源除以该年的GDP总量，该国家的所有活动都会影响这一指标。因素包括国土面积的大小(例如国家大，活动路程就长，日本和欧洲的单位能耗比美国低，就与国土面积的大小有关)、资源禀赋、气候环境(气候寒冷的国家能源消耗高)、产业结构、消费结构、购买力水平、技术结构、能源供应结构、生活习惯、人居设施与组织、能源价格、管理体制等。这些影响因素提醒我们，不能不考虑国情差别而简单地将单位GDP能耗进行国际比较。

　　对于一个国家来说，过分依靠产业结构调整降低单位GDP能耗是不现实的。一个国家的产业结构是全球劳动分工的结果，同样，一个省市的产业结构是全国分工的结果。中国利用自己的人力、技术、教育、资源优势变成了世界的制造中心，使我国的制造业在国民经济中占了很重要的位置。我们若要把制造业拱手让给别人而从事软件开发，行得通吗?另外，产业结构调整需要漫长的时间，很难在短期内取得效果。

　　如果不光考虑产业部门，而是考虑所有的能源消费部门，包括家庭消费、服务业、客运交通、货运交通、制造业和其他产业等，那么，从全社会能源消费的角度分析，我们可以用以下新的公式来计算推导GDP单位能耗的变化。

　　这里Ai是部门活动量，如家庭消费、客运交通、货运交通、制造业产值等;Aij是某一子部门的活动量，如客运交通中的小汽车客运量，公共汽车客运量，空运客运量等;Eij是某一子部门活动中消耗的能源量。

　　上式右边第一项为某一经济部门在GDP中的活动密度(如单位GDP的客运交通密度)，第二项为该部门活动的结构(如私家车客运占客运交通的比例)，而后一项为该部门中各子部门活动中的单位能耗(如单位私家车客运的能耗)。

　　这一公式可以理解为:GDP能源密度=单位GDP部门活动密度×部门活动结构×子部门活动能源密度。

　　那么能源密度的变化就由三个部分组成，这样可以把社会上的消费部门，交通部门等都考虑进去。它表明，所有的能源消费部门(Ai)，该部门的结构构成(Aij/Ai),每一子部门的单位活动能耗(Eij/Aij),都对一个国家的单位GDP能耗产生一定的影响。

　　通过这一新的公式表达可以看出,降低单位GDP能耗起码有3种途径：

　　(1)降低单位GDP的部门活动密度，如降低家庭消费，降低客运量，降低制造业产值等;

　　(2)调整部门活动的结构，如少用私家车客运而多用公交车客运，降低制造业中高能耗产业的比例等;

　　(3)降低经济活动的单位能耗，如客运部门中私家车的人-公里能耗，货运部门卡车运输的吨-公里能耗，制造业中水泥生产的单位能耗等。

　　从公式(1)到公式(3)，最重要的信息是:降低单位GDP能耗不能仅仅注重产业而忽视国民经济的其他部门,不能只强调产业结构调整,而是要注意整体经济结构,特别是消费结构的调整。

　　消费结构的调整从长期来说对于降低单位GDP能耗非常重要。如果说中国的产业结构在很大程度上是国际劳动分工的结果,不只是中国一个国家能决定的事情,那么转变消费模式是我们每一个人中国人都可以力所能及的事情,是中国本身可以办到的。当中国的经济增长方式正在从出口驱动型向内需拉动型转变时,引导节能型的消费方式对我国的节能尤为重要。在强化提倡中国人的传统节俭美德的同时,国家要给每个消费者一个明确的价格信号。

　　4.3 GDP能源密度的钟型曲线理论

　　西方国家的发展经验表明，单位GDP能耗相对于人均GDP通常遵循一条钟形曲线，如图5所示。这条曲线可以被比作一座小山，为了发展经济提高收入水平，一个国家必须“登山”。发达国家目前已经在山后的下坡端，而大多数发展中国家仍然在上坡端艰难攀登，正在经历着一种更为能源密集型的发展模式，我们可以将之比喻为“愚公爬山”。中国面临的挑战就是要避免这一条老路，不能等经济发展到一定程度之后才降低单位GDP能耗。实现的路径是改“愚公爬山”为“智叟穿山”，跳跃传统的工业化发展模式，走新型工业化道路，探索从能源资源密集向信息密集的发展模式。这相当于在单位GDP能耗的山上打一条隧道,增加人均GDP而不增加单位GDP能耗,直接通到山坡的另一端。这正是我国现代化过程中应该采用的“隧道战略”:走信息化和工业化的结合道路,一步跨入知识经济社会。

　　5 结论与建议

　　综合本文的分析，再根据本人对我国几年来节能工作的观察，我国的节能工作在以下几个方面存在一些问题：

　　首先是对能源的理解。并不是所有从事能源研究的人都明白什么是能源,什么是“能源服务”,什么是“有用能源”,以及能源的特殊性。对能源的特殊性缺乏了解会导致节能政策的制定缺少针对性,影响节能潜力评估及目标选择的现实可取性。

　　其次，忽略决定一个国家单位GDP能耗的多种因素，盲目进行国与国之间的对比，并以此来确定节能潜力，如通过中日比较发现中国的单位GDP能耗是日本的8倍，因而有相应的节能潜力的结论。

　　第三，因为我们习惯于搞工程建设，节能工作大多亦采用抓工程的形式统领实践，而节约能源与工程建设性质截然不同。

　　第四，我们的节能工作可能过分地基于免费节能的幻想，过分重视消费者的自觉行动，忽视了经济激励因素的作用。另外，对取得节能目标所需要的成本不够重视，没做细致的研究。

　　最后，降低单位GDP能耗在理论上还存在一个较大的误区，过分偏重产业部门和产业结构调整。

　　要做好我国的节能工作，我认为要注意以下几点：

　　首先要走出理论误区，从单纯重视产业部门和产业结构调整到重视所有能源消费部门的整体结构优化，特别是消费结构的调整。要抓住我国经济增长从出口驱动型向内需拉动型转变的历史契机，引导节能型的消费模式。

　　其次要从节能的“工程意识”转变到“全社会的系统意识”,避免通过相互独立的工程形式节能所造成的“顾此失彼”。

　　第三要进一步理解什么是能源,为什么要消耗能源,能源是怎样消耗的，能源有什么样的特殊性。充分理解“有用能源”的概念,并用它来重新设计耗能设备与系统，反推整个能源系统的合理性,实现能源的梯级利用。

　　第四，重视能源消耗与技术设备的紧密关系以及技术设备更新换代对节能的重要性，鼓励技术更新换代。应以节能为契机进行生产流程的现代化，提高生产率，产品质量和竞争力。

　　第五，要针对热力、电力和交通运输移动力这三大不同的能源服务,采取不同的节能手段。同时利用各大能源服务在跨部门、跨行业中的共性,在全国推广最有效的节能手段,实现规模效应。

　　第六，要注意节能的经济成本，在经济效益和能源效率上找到平衡点，把节能工作与企业和个人经济利益结合在一起，利用经济驱动力实现节能目标。

　　第七，要充分发挥价格杠杆和经济激励因素的作用，把中国人传统的节俭美德与精打细算相结合,用经济帐算节能效益。

　　另外，任何工业产品都包含着其生产过程中的能源消耗，节能工作也要重视这种非直接的能源消费模式。

　　最后,明确节能的理论基础，在生产活动中大规模地实现信息对能源的代替，走信息化带动工业化，以信息与技术密集型发展替代能源与资源密集型发展，实现全新的发展模式。

　　资料来源：中国能源杂志，2006年7 期