碳中和污水处理厂合同能源管理模式决策

王庆会WANG Qing-hui

（华北水利水电大学水利学院，郑州 450045）

0 引言

近年来，污水处理过程中的温室气体排放将呈指数上升趋势[1]，是名副其实的高碳行业，建立碳中和污水处理厂已势在必行。污水处理厂的碳中和措施主要是改进工艺以减少过程中能源消耗和碳排放，或采用沼气发电、引入清洁能源实现碳补偿。但是成本高，且技术迭代较快，引入清洁能源增加碳汇是污水处理厂实现碳中和目标可行性路径。碳中和污水处理厂的实现有赖于各种节能减排方式之间的有效协同，比如各用能系统之间的协调，风-光互补发电、沼-光互补发电的联合调度等问题。

合同能源管理（EPC）引入市场手段实现节能减排目标，由节能服务公司根据节能目标和项目特点，提供节能方案设计、融资、建设和运维服务[2]。这种服务机制提高了节能效率和能源利用效率，为碳中和污水处理厂的实现提供了全新选择。但现今EPC 研究主要集中在风险管理和节能效益分配方面，污水处理厂中EPC 模式的应用研究很少受到关注。

在碳中和目标的牵引下，风、光等清洁能源将是增加污水处理厂碳汇的主要方式，对EPC 模式的研究也需要转移到前端的模式选择。选择合适的EPC 运营模式是污水处理厂节能目标实现的保障，也是节能效益分配和节能方案设计的依据。因此本研究以碳中和污水处理厂EPC管理模式决策问题为研究对象，建立EPC 模式选择的指标体系和决策模型，为污水处理厂的碳中和运行提供理论基础。

1 合同能源管理模式

根据合作方式和效益分配方式，可分为以下四种模式：

节能效益分享型，用能单位和节能服务公司共同制定节能目标，选定节能计算方式，按合同约定的内容分摊项目收益。期满后，用能单位免费获得节能设备的使用权，并独享节能效益。但市场的波动幅度和用能单位本身、项目的年回收节能效益的方式的选择等因素，会导致节能服务公司承担一定的风险，或制约其资金周转速率。

节能量保证型，用能单位提供项目建设资金，节能服务公司将更多的资金用于节能设备的升级和改造中，达到一定的节能量以保证EPC 项目的稳定收益。用能单位承担较小风险，节能服务公司分担了大部分性能风险。此外，节能服务公司可以同时投资开发相似的EPC 项目，以达到降低运行成本、提高项目运行能力的目的。

能源费用托管型，由用能单位将能源费用交由节能服务公司管理，节能服务公司承包EPC 项目，提供规划设计、建设实施，对用能系统进行升级和更新。期满后，如成本低于能源费用，剩余资金归节能服务公司所有，如超出，超出的部分由节能服务公司承担。节能服务公司承担了市场风险，同时需有强大的技术能力以应对节能设备升级更新。

节能融资租赁型，节能服务公司以项目的未来收益为担保，与融资租赁公司达成合作。而融资租赁公司按照合同约定进行设备的采购并享有设备的所有权。期满后，设备所有权由用能单位无偿获得。融资租赁公司将承担项目的财务风险，减轻了节能服务公司需承受的财务压力，但对合同能源管理项目的投资收益具有较高的要求。

2 指标建立和权重确定

2.1 指标体系构建

为了实现污水处理厂碳中和目标，刺激项目参建各方节能改造的积极性，需要采取有效的投资运营模式和节能服务机制。一方面，需要详细、真实且准确的数据分析模型，以便针对节能改造项目，参建各方能作出行之有效、合理的决策；另一方面，则依赖参建各方同目标协同努力推进，国家推行更加完善的政策引导及支持，并在高效规范的市场运作机制下运行。目前国际上已广泛采用合同能源管理，节能改造投资建设和和服务运作机制具备效率高、专业化、市场化也得到了证实，因此得到了国家大力推广。

碳中和污水处理厂中的合同能源管理是节能服务公司对污水处理厂、设备供应商、能源供应单位、节能监测机构等企业进行整合，为污水处理厂实现碳中和而提供的从设计、建造到维修等的一系列服务。合同能源管理项目的成功与项目自身规模、节能潜力具有密切关系。由此可见，对合同能源管理模式进行选择是污水处理厂节能项目可持续运行的前提。本文在查阅文献的基础上[3-5]，结合专家访谈法，构建如表1 所示的碳中和污水处理厂EPC 模式决策指标体系。

2.2 指标权重确定

设有n 个评价指标R1，R2，…Rn，专家采用1～9 标度法提供n 个指标的判断矩阵A=（aij）n×n，基于一致性矩阵的性质akj=aki·aij，在专家原始判断矩阵的任意一行元素的基础上，构造新的一致性矩阵，一共构造出n 个一致性矩阵，以n 个矩阵相对权重的平均值作为指标权重，具体的计算方法如下所示：

3 评价模型的建立

3.1 毕达哥拉斯模糊TOPSIS 法

毕达哥拉斯模糊集（Pythagorean Fuzzy Sets，PFS）是用来解决实际决策过程中专家评价的不确定性。和直觉模糊集相比，毕达哥拉斯模糊集可以克服隶属度和非隶属度之和必须小于等于1 的局限性，更能适用于解决现实中的决策问题。

3.2 毕达哥拉斯模糊集

定义2：若βi=〈μβi，vβi〉（i=1，2）为PFN，则满足：β1≥β2

3.3 评价模型

本文使用TOPSIS 来处理毕达哥拉斯模糊集多属性决策问题。首先选出专家评价值的最优和最劣方案，根据各备选方案与最优和最劣方案的距离选出最优结果。

4 碳中和污水处理厂合同管理模式选择

睢县第三污水处理厂位于河南省睢县，由科学与管理中心、有机质处理中心、污水处理中心及预留区、污水厂尾水人工湿地试验区、海绵城市试验区、农业安全研究基地六个区域组成。其中，有机质中心负荷率维持在85%以上，日均可产沼气约2000 标方，日发电量可达3300 度。

睢县第三污水处理厂日用电7400 度，平均每个月22万度，自给自足的情况下需要光伏发电4100 度，年用电缺口约150 万度。睢县第三污水处理厂决定实施沼-光互补项目，由河南水谷创新研究院有限公司作为节能服务公司。运用本研究的指标体系和方法，为该项目选定合适的合同能源管理模式。

4.1 确定指标权重

邀请具有污水处理和合同能源管理相关经验的专家，根据9 标度法对指标的重要性给出评价值。以一级指标的权重计算过程为例。

①构造一致性矩阵。专家对指标的重要性进行判断，打分结果汇总后如下：

4.2 评价模型

睢县第三污水处理厂以资源能源回收为目标，期望建成碳中和污水处理厂，场内用电缺口由分布式光伏发电补充，多于发电量可并网销售，节能效益巨大，前景可观，现为该EPC 选择合适的管理模式。用T1表示节能效益分享型模式，T2表示节能量保证型模式，T3表示能源费用托管型模式，T4表示节能融资租赁模式。

表2 睢县第三污水处理厂合同能源管理模式决策指标权重

①首先，由专家组根据节能要求、项目特点以及节能服务公司的能力，对四种合同能源管理模式进行决策，决策结果用毕达哥拉斯模糊数表示，如表3 所示。

表3 专家决策矩阵

②根据定义3 的比较关系，找出正负理想解T+和T-享型＞节能融资租赁型＞节能量保证型＞能源费用托管型。最终该项目应选择节能效益分享型管理模式，与实际实施过程中选择结果一致，表明指标体系和决策方法是有效的，能被用于实践中。

5 结论

本文建立了碳中和污水处理厂合同能源管理模式选择的指标体系和模型，并将该模型应用于睢县第三污水处理厂合同能源管理项目的模式选择中，表明了决策模型的可行性和有效性。本文为污水处理厂实行合同能源管理项目选择合适的管理模式提供了理论基础，为污水处理厂碳中和目标的实现提供了技术支持。

③根据评价值与T+和T-的距离，并计算出亲近度，得出四种模式的决策排序，如表4 所示。

表4 睢县第三污水处理厂合同能源管理模式决策结果

从评价结果可以看出，模式排序依次为：节能效益分