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不确定条件下既有建筑节能改造项目投资决策研究

来源:UC论文网2018-08-14 08:38

摘要:

  摘要:研究不确定条件下既有建筑节能改造项目投资决策方法,为投资主体提供全面、客观的投资收益评估方法,是顺应全面建筑节能改造形势,体现投资理性和灵活性的客观要求。对影响既有建筑节能改造项目投资决策的...

  摘要:研究不确定条件下既有建筑节能改造项目投资决策方法,为投资主体提供全面、客观的投资收益评估方法,是顺应全面建筑节能改造形势,体现投资理性和灵活性的客观要求。对影响既有建筑节能改造项目投资决策的内外部不确定因素进行深入挖掘,将其随机波动特征的量化分析结果引入到项目投资决策分析中,兼顾生命周期成本、节能量、碳排放量和室内舒适性四项优化准则,构建不确定条件下既有建筑节能改造项目成本收益优化模型,探索在不确定条件下节能改造技术方案与较长投资期限内各项成本收益的动态量化关系,为投资主体选择和确定长期的、多阶段的最优投资规模和改造技术方案提供决策依据,为解决既有建筑节能改造项目投融资乏力问题提供新的研究视角。有助于提高既有建筑节能改造项目投资效益,确保既有建筑节能改造项目顺利实施。


  关键词:既有建筑节能改造;投资决策;不确定性;多目标优化;


  作者简介:黄志烨(1977-),女,中央财经大学管理科学与工程学院副教授。主要研究方向:建筑节能经济与管理。


  引言


  在我国现存的430亿m2的既有建筑中,只有不到5%为节能建筑,普遍存在着供热空调系统效率低下、围护结构保温隔热性和气密性差等问题,具有很大的节能潜力。既有建筑节能改造对于节约能源、改善室内热环境、减少温室气体排放、促进住房城乡建设领域发展方式转变与经济社会可持续发展,具有十分重要的意义,已被国家确认为“十二五”期间节能重点工程之一。在住房建设部公布的“十二五”建筑节能规划中,明确提出北方采暖地区既有居住建筑供热计量和节能改造4亿m2以上,夏热冬冷地区既有居住建筑节能改造500万m2,公共建筑节能改造6000万m2的新目标[1]。改造目标的实现需要庞大的资金投入,据住房建设部科技司测算,将既有建筑改造成为节能50%标准每平方米所需资金为200-300元,则将全部既有建筑节能改造至少需要投入资金8.6万亿元,如此惊人的资金投入表明既有建筑节能改造项目的市场依赖度较高[2]。


  然而,虽然既有建筑节能改造的投资潜力巨大,但建筑节能改造项目却遭遇融资瓶颈。作为理性的经济人,投资主体进行行节节能能改改造造的的目目的的是是为为了了获获得得利利润润最最大大化化,,而而投投资资收收益益应应该该如如何计算目前还没有一个明确的公式,我国现阶段的能源供给及收费机制不合理,能源价格偏低,致使投资机会成本与预期收益之比对投资主体不具吸引力,在国家对进一步节能改造未出台相应强制政策时,潜在的投资主体就会选择观望,导致既有建筑节能改造项目外源融资受到限制[2]。


  既有建筑节能改造市场及其项目内在特质决定了其投资回报期较长,实施过程影响因素复杂多变,投资收益受到不同的既有建筑工况、节能技术种类、实际节能效果以及能源价格、碳排放交易价格等因素影响具有较高的不确定性。住房建设部在2012年颁布的《既有居住建筑节能改造指南》中明确指出,节能改造后建筑物能耗应满足当地现行民用建筑节能设计标准要求并适度超前[3]。这一规定表明投资主体在建筑改造满足基本节能设计标准的前提下,充分考虑众多不确定因素对投资收益的影响,根据市场和内外部等因素的变化,对进一步改造投资决策的有利和不利条件进行判断,果断地做出继续改造、延迟改造甚至放弃改造的决策。这充分体现了项目投资决策的不确定性和灵活性。


  因此,与节能改造后建筑物能耗应满足当地现行民用建筑节能设计标准并适度超前的要求相一致,研究不确定条件下的、长期的既有建筑节能改造项目投资策略,为投资主体提供全面、客观的投资收益评估方法,是解决我国既有建筑节能改造项目资金不足和不能良性市场化运营的根本途径。


  1.国内外研究现状分析


  既有建筑节能改造的资金瓶颈是国内外学者公认的焦点问题之一。建筑能效市场的投资潜力巨大,但是基于市场的节能投资决策研究却不多。这主要来源于建筑节能改造项目本身影响因素复杂,改造后效果不确定、投资回收周期长、政策环境多变等多种因素的制约。


  李明海、许红升对某办公大楼改造前后的能耗水平进行对比,通过节能率、节能投资、节能收益及投资回收期等主要指标对节能改造的技术经济效益进行分析[4]。刘玉明、刘长滨基于全寿命周期成本理论,运用财务评价方法构建了既有建筑节能改造经济效益评价模型[5]。赵靖、武涌等在居住建筑节能改造目标考核的基础上,构建了全生命周期考核评价体系,对既有居住建筑节能改造的投资效益进行评价[6]。Liu基于改造方案的现金流来分析不同改造方案的经济效益指标并进行方案选优[7]。周奇琛、秦璇等利用建筑能耗分析软件DeST-h计算既有建筑节能改造前后的能耗,计算节能改造成本、节能效益和投资回收期,从多个方案中优选节能方案[8]。Chidiac等采用EnergyPlus软件对加拿大办公建筑的节能改造效果进行模拟和预测,用回收期来反映成本效益进行投资方案选择[9]。Popescu等计算确定节能改造建筑的增量价值,并与节能收益相整合为建筑定价,从而为投资决策服务[10]。Kanapeckiene等研究了建筑节能改造项目的市场价值,构建了投资决策支持系统[11]。建筑节能改造项目投资收益的不确定性是影响业主投资积极性的重要方面,目前这方面的研究主要集中在国外。Ibn-Mohammed等把CO2排放纳入到建筑改造措施的投资决策分析中,采用边际成本和Pareto优化方法确定最优投资方案[12]。Ouyang等考虑能源消耗变化和油价变化,对老旧建筑更新改造项目投资效益进行分析[13]。Kumbaroglu等采用蒙特卡罗模拟油价对投资收益的影响进行敏感性分析,基于相邻阶段投资净现值的比较,构建了序贯投资框架[14]。Menassa等在对既有建筑可持续性改造存在不确定性进行分析的基础上,采用期权定价理论构建了一次性投资和多阶段投资的投资收益计算模型[15],进一步构建了老旧建筑零能耗改造期权定价的投资决策框架[16]。


  汇总来看,以往关于既有建筑改造节能收益的研究采用财务评价的传统方法较多,多采用净现值NPV、内部投资收益率IRR、动态回收期PB等指标,在投资效益研究中对风险因素考虑不足,没有将节能技术优化与投资决策的不确定性分析结合,对影响投资的各种不确定因素的量化分析更是少之又少。既有建筑节能改造项目的实施受到建筑工况、使用方式、气候条件、能源价格、政策环境等影响,投资主体如何识别既有建筑节能改造项目投资不确定因素,并将多种不确定因素的影响纳入到长期项目投资决策的研究框架中,将成为下一步的研究趋势。


  因此,本文以既有建筑节能改造项目投资决策作为研究对象,对影响投资决策的内外部不确定因素进行深入挖掘,将其随机波动特征的量化分析结果引入到项目投资决策分析中,构建不确定条件下既有建筑节能改造项目成本收益优化模型,为解决既有建筑节能改造项目投融资乏力问题提供新的研究视角,是顺应全面建筑节能改造形势,体现投资理性和灵活性的客观要求。对于提高既有建筑节能改造项目投资效益,确保既有建筑节能改造项目顺利实施,具有一定价值。


  2.确定条件下既有建筑节能改造方案多目标优化理论模型构建


  根据我国《民用建筑节能条例》,既有建筑节能改造是指对不符合民用建筑节能强制性标准的既有建筑的围护结构、供热系统、采暖制冷系统、照明设备和热水供应设施等实施节能改造的活动。节能改造项目的实施过程涵盖从开始实施节能改造时点起到节能改造部位的耐用年限到期所经历的全部时间。从全寿命周期成本理论出发,既有建筑节能改造项目的投资成本和收益是由所采用节能技术方案的建设成本、运营维护成本以及实际节能效果等直接决定的。同时,由于既有建筑节能改造具有较强的经济外部性,投资主体节省自身能源消耗和减少污染物排放同时也为社会及他人带来了间接收益。因此,考虑多项评价准则对节能改造投资方案的直接收益和间接收益进行综合优化和度量,科学规划改造技术,设计和优化节能改造方案,是保证既有建筑节能改造项目投资决策模型合理且有效的关键。


  既有建筑节能改造涉及到采暖、空调、自动化控制、土建施工等多个专业,改造目标的实现依赖于多专业的复杂技术系统,从改造建筑工况、节能技术施工与运营维护、节能效果等出发,依靠技术创新和优化以及系统设计,通常存在多个独立方案或互斥措施可供选择。作为理性的经济人,投资主体进行节能改造的目的是为了获得利润最大化,因此,国内外众多机构和学者纷纷采用财务评价方法测算投资收益,评价节能改造成本、节能效益和投资回收期,对多个节能改造方案的经济效益进行比选和优化。随着对既有建筑节能改造研究的深入,单纯从经济效益的角度对项目方案进行评价,不能反映建筑节能改造项目的外部性特征。因此,综合考虑能源消耗、改造成本、热舒适性、生命周期环境影响等因素对节能改造方案进行综合评价,是适应可持续发展要求的必然选择。基于此,本文采用多目标优化技术,兼顾生命周期成本、节能量、碳排放量和室内舒适性四项评价准则,建立多目标非线性规划理论模型,优化确定改造建筑可能采用的最优节能技术组合方案用于投资决策。具体建模过程如下。


  与《民用建筑节能条例》相一致,假设可以对建筑围护结构、供热系统、采暖制冷系统、照明设备和热水供应设施5个系统进行节能改造,每个系统相关的节能改造技术种类为ni(i=1,2,…,5),采用状态变量Xij∈{0,1}(i=1,2,…,5;j=1,2,3,…,ni)表示是否对系统i采用节能技术j进行改造。则上述四项优化准则可以量化计算如下。


  (1)节能量为建筑改造前后能耗的变化值,即其中,Epre和Epro分别表示改造前后能耗为与上述5个系统相关的节能改造技术在改造前后能耗变化值。


  (2)碳排放量为建筑改造前后碳排放量的变化值,即其中,Vpre和Vpro分别表示改造前后碳排放量,为与上述5个系统相关的节能改造技术在改造前后碳排放量变化值,Eij代表与Vij对应的节约燃煤量。


  (3)生命周期成本其中C0,CM&O分别表示初始投资成本、运行维护成本,Cij为与上述5个系统相关的节能改造技术的运营维护成本。


  (4)室内舒适度的计算以ISO7730和ASHRAE55等公认的准则为基础,采用准则中所提出PMV(Predictedmeanvote)指标来反映建筑改造后的热舒适性水平,即:其中PMVij为与上述5个系统相关的节能改造技术带来的舒适度提高值。


  以上述优化准则量化为基础,构建多目标非线性规划一般模型,如式(1)所示。求解该优化模型,即可得到满足各项目标函数的节能改造技术方案集。


  3.既有建筑节能改造项目投资不确定性分析与量化


  既有建筑节能改造项目投资具有较大的不确定性,投资主体需要将多种不确定因素的影响纳入到项目长期投资决策的研究框架中。识别和量化影响既有建筑节能改造项目投资的不确定因素,是构建的投资决策优化模型的基础。


  本文基于广泛的国内外文献考察、专家访谈和项目实施情况跟踪,对影响既有建筑节能改造项目投资决策的各种不确定因素进行深入分析和识别,综合考虑数据资料的可得性与客观性以及随机量化的简易性,最终确定拟研究的内部不确定因素包括:实测节能量△E、运行维护成本CM&O、室内舒适性?PMV;外部不确定因素包括:能源价格PE、碳排放交易价格PC、房屋价格PB。进一步区分各因素对投资决策的影响程度和变化规律,研究各不确定因素的随机波动特征,采用连续时间情况下的随机过程几何布朗运动(GBM),对拟研究的不确定因素进行量化,构建不确定条件下生命周期成本、节能量收益、碳排放交易收益和室内舒适性收益计算模型,为构建项目投资决策多目标优化模型做准备。建模过程具体如下。


  基本假设:


  1节能技术的初始投资较高会导致较高的运行维护成本,故这里假定CM&O(t)与初试投资成本C0正相关,且随着改造技术的老化和失效,CM&O(t)将逐年增加。


  2节能技术的初始投资越大,节能量越大,故这里假定△E(t)与C0正相关,且随着改造技术的老化和失效,△E(t)将逐年减少。


  3一般的,节能技术的初始投资越高,改造后所带来室内热舒适性越好。这里假定改造后室内舒适性提高值△PMV(t)与C0正相关,且随着改造技术的老化和失效,△PMV(t)将逐年降低。


  4能源价格PE、碳排放交易价格Pc、房屋价格PB受到世界经济和国内经济社会环境的影响处于不断波动中。


  基于上述假设,对多个不确定因素进行量化表示,如表1所示示。。


  这里N表示项目经济寿命期,δ是与技术先进性和稳定性有关的相关系数,δ>1。随机变量C(t)、E(t)、PMV(t)满足不带漂移的几何布朗运动,可量化表示为其中C(M&O)0、△E0、△PMV0为各变量初始值;随机变量PE、PC、PB为满足带漂移的几何布朗运动,P0均为变量初始值。α(t)表示各变量的变化率,σ(t)表示各变量的波动率。


  4.不确定条件下既有建筑节能改造项目投资决策多目标优化模型构建


  既有建筑节能改造项目投资具有较大的不确定性,投资主体需要在建筑改造满足基本节能设计标准的前提下,充分考虑市场和内外部等不确定因素对投资收益的影响,将上述不确定因素的影响反映到既有建筑节能改造项目的投资决策中。本文以上述既有建筑节能改造方案优化与投资不确定性分析为基础,构建不确定条件下与理论模型式(1)相对应的投资收益优化模型,从而为长期的、多阶段的投资决策提供依据。


  1生命周期成本建模。节能量检测成本较小,且各年基本不变,归入CM&O(t)。则生命周期成本C(t)表示为式(2):


  2节能收益建模。节能收益受到较多复杂因素的影响,其中影响最大的就是与运营过程节能绩效直接相关的实际节能量与能源价格的不确定性。故节能收益BE(t)可表示为式(3)。


  3碳排放交易收益建模。碳排放交易收益也受到较多复杂因素的影响,其中影响最大的是节能量减少带来的碳排放减少量和碳交易价格的不确定性。根据国家环保部门颁布的排放系数GC,可得节能量减少带来的碳排放量减少为则碳排放交易收益BV(t)可表示为式(4)。这里,fc为节约燃煤量占节能总量的比例,与采用的改造方案有关。


  4室内舒适性收益建模。既有建筑节能改造后室内环境的热舒适性与建筑工况、周围环境状况以及室内使用情况相关,室内舒适性收益属于既有建筑节能改造所带来的外部收益,很难直接量化。一般的,建筑改造后热舒适性的改善将带来房屋出租价或房屋交易中单位价格PB的一定比例的提高。因此,室内舒适性收益BPMV(t)可表示为式(5),其中Sin为室内热舒适度变化带来的房价变化比例系数。


  各不确定因素与各项投资成本收益的量化关系如图1所示。


  则按照公式(2)~(5)可以构建与上述四项优化准则相对应的不确定条件下既有建筑节能改造项目投资决策多目标优化模型如式(6)所示。


  由于理论模型(1)没有考虑较长投资期限内不确定因素的影响,仅反映了确定条件下一次性改造投资前后各评价变量的变化情况,所以模型式(1)中各变量即为表1不确定分析中各项成本收益的初始值,即:C(M&O)0=CM&O(X),△E0=△E(X),△PMV0=△PMV(X),具体符号含义同前。将上述不确定因素量化关系(表1)及各初始值代入式(6),则既有建筑节能改造项目投资决策多目标优化模型表示为式(7)。


  式(7)将节能改造方案优化与投资不确定性分析相结合,展示了在不确定条件下节能改造技术方案与较长的投资期限内各项成本收益的动态量化关系,对多种不确定因素进行模拟分析,求解该优化模型,即可获得不同投资比例或不同节能比例情况下最优成本方案集和最优能效方案集。投资主体在建筑改造满足基本节能设计标准的前提下,按照投资比例或节能比例将长期项目投资决策过程划分为多个阶段,根据市场和内外部等不确定因素的变化,确定各阶段的最优投资规模和改造技术方案,从而为投资主体进行灵活投资,获得长期稳定的投资收益提供了决策依据。


  5.结论


  在国家“十二五”规划中,针对既有建筑节能改造提出“加大改造力度、扩大改造规模、在体制机制上有所创新”的要求,既有建筑节能改造范围已经从北方寒冷地区扩展到夏热冬冷和夏热冬暖地区,这使得既有建筑节能改造项目投资规模和投资时限明显增加;同时,既有建筑节能改造项目内在特质决定了其投资收益受到不同的既有建筑工况、节能技术种类、实际节能效果以及能源价格、碳排放交易价格等因素影响具有较高的不确定性。因此,与节能改造后建筑物能耗应满足当地现行民用建筑节能设计标准并适度超前的要求相结合,研究不确定条件下长期的、分阶段的既有建筑节能改造项目投资决策方法,为投资主体提供全面、客观的投资收益评估方法,是顺应全面建筑节能改造形势,体现投资理性和灵活性的客观要求。


  本文将不确定性分析引入到既有建筑节能改造项目投资决策研究中,对影响投资决策的内外部不确定因素进行深入挖掘,将其随机波动特征的量化分析结果引入到项目投资决策分析中,兼顾生命周期成本、节能量、碳排放量和室内舒适性四项优化准则,构建不确定条件下既有建筑节能改造项目成本收益优化模型,该模型将节能改造方案优化与投资不确定性分析相结合,展示了在不确定条件下节能改造技术方案与较长的投资期限内各项成本收益的动态量化关系。采用该优化模型,投资主体可以在建筑改造满足基本节能设计标准的前提下,根据市场和内外部等不确定因素的变化,确定长期的、多阶段的最优投资规模和改造技术方案,从而为投资主体进行灵活投资,获得长期稳定的投资收益提供了决策依据。


  本文从创新和拓展建筑节能领域投资决策理论和方法的角度,重点着力于理论模型研究,由于实证数据还相当缺乏,模型验证将留待后续研究。后续研究中将着重于相关数据的采集与调查,采用多个案例对所构建模型进行修正,力求理论成果与既有建筑节能改造实践的良好结合。


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