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

刘惠敏， 檀灵慧， 胡梦月， 秦俊杰， 褚海涛

(1.同济大学 经济与管理学院,上海 200092; 2.同济大学 设施管理研究院,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]，中国建筑市场中的既有建筑面积超过600亿平方米[2]。庞大的市场存量，南北气候迥异的客观因素和环保意识薄弱的主观因素，导致在建筑物建造、采暖和照明等方面产生了大量的能源浪费，能耗呈指数级增长(图1)。根据“十三五”规划，到2020年实现能耗比2015年减少15%的目标，需要至少40%的既有建筑进行节能改造[3]。然而，每年既有建筑达到节能标准的不到25%[4]，预计到2020年年底，全国既有建筑达到节能标准的不足三成。有效解决建筑能耗问题，实现建筑节能目标引起社会普遍关注。

图1 2000～2018年中国建筑竣工面积与能源消耗总量

传统建筑节能主要通过政府的政策法规引导建筑企业进行节能改造[5]。但是，建筑业主缺乏专业的节能知识和技术，一旦不科学地施工和使用节能设备、材料等，可能会带来二次能源浪费。同时，节能改造前期需要大量投资，建筑业主融资时，金融机构只从可行性和回报率来评判，导致建筑节能项目融资艰难。诸多因素迫使建筑企业开展节能改造的主观意愿很低。

20世纪70年代，石油危机爆发使能源价格大幅上升，对于建筑市场而言找到行之有效的方法来控制能源成本迫在眉睫。合同能源管理(Energy Performance Contracting，简称EPC)具有市场化的运作模式和双赢的优点，成为新兴的节能改造模式[6]并应用到建筑业中[7]。与传统节能改造模式不同(图2)，合同能源管理通过专业化的节能服务公司负责全过程节能改造并进行融资和风险管控。合理高效的社会分工为解决建筑能耗问题带来生机，使得建筑节能改造不仅是节能任务，也成为可以盈利的市场活动。事实上，节能改造既能降低能耗，又能提高建筑使用者的舒适度，提升建筑物品质；减少二氧化碳排放和空气污染；带动节能产业链发展，为宏观经济带来福利等。这些收益远远大于改造阶段可计算的节能收益。但是，节能服务公司和建筑业主等发起方并没有得到相应的回报或者与非节能收益受益者进行符合市场价格的交易。

图2 传统节能改造模式与合同能源管理模式

既有建筑节能改造的节能收益及其衍生的经济、环境、社会等非节能收益证明，节能改造具有构成新兴市场的潜力。随着节能市场的发展和完善，建筑业主、节能服务公司、金融机构、政府、公众等利益群体参与其中，节能市场急需建立公平公正的收益分配体系。但是，外部性收益差异导致节能市场主要参与者的积极性低，存在一定的市场失灵，需要考虑将政府参与引入到合同能源管理的收益分配中，构成新的利益相关者。因此，研究以能源费用托管型合同能源管理模式为例，运用博弈论中模糊Shapley值方法对建筑业主、节能服务公司和金融机构进行节能收益分配；提出既有建筑节能改造的外部性特征，运用系统动力学分析合同能源管理的非节能收益，厘清全部利益相关者；将政府参与引入到合同能源管理的收益分配中，建立完整的综合收益分配模型。

1 合同能源管理的利益相关者

合同能源管理是节能服务公司、建筑业主和金融机构共同参与的节能机制，涉及的利益相关者数量众多(图3)。主要以节能量保证型[8]、节能量共享型[9]和能源费用托管型[10]三种模式运作。能源费用托管型模式中，由节能服务公司承担全部节能工作，如购买更少的节能设备、提高能源效率等。节能服务公司为节能技术和设备更新提供资金(向金融机构融资等)，一旦达到节能目标，可以获得全部收益。否则，需要支付违约费用[11]。

图3 合同能源管理模式的利益相关者图谱

(1)建筑业主(Building Owner，简称BO)

建筑业主是建筑节能改造最核心的利益相关者，是决定高能耗建筑节能改造的直接决策者，也是享受改造后更好的居住和使用环境的长期受益者。通过节能改造，延长建筑的功能寿命，提升建筑的经济价值，也会给建筑业主带来额外收益。由于缺乏专业知识、技术、资金和时间，建筑业主自行实施节能改造困难，在政府的优惠补贴激励下，倾向于选择合同能源管理等高效的节能改造方式。但是，节能改造的技术性工作全部由节能服务公司负责，对节能服务公司不信任的心理会加剧建筑业主对节能收益的怀疑，产生不愿意合作的态度。

(2)节能服务公司(Energy Service Company，简称ESCO)

节能服务公司是合同能源管理最核心的利益相关者，建筑节能改造重要的参与者。没有节能服务公司参与，建筑节能改造不构成单独的市场关系。节能服务公司进入后，建筑节能改造转变为合同能源管理的商业运作模式。节能服务公司提供能源审计、节能项目投资、设计、建设和运营管理[8,12]，与建筑业主按合同约定分配节能收益，承担较大的融资风险和项目运作风险。节能服务公司与建筑业主既是合作伙伴也存在竞争关系，都认为自己是节能改造最重要的利益相关者，理应获得最大份额的节能收益。

(3)金融机构(Financial Institutions，简称FI)

建筑业主无力承担回收期长的大额投资是节能改造的最大阻碍，也是合同能源管理出现的原因之一。节能服务公司的参与虽然分担了建筑业主的资金压力，但作为新兴企业，并不具备雄厚的资金实力，仍需向金融机构借贷用以采购设备、更新技术、培训人员等[13]。因此，金融机构成为合同能源管理重要的利益相关者。节能服务公司的信用、运作和资产状况对金融机构的评判至关重要。由于缺乏专业的第三方机构，能够达到金融机构评估标准的节能服务公司只是少数大型企业，合同能源管理发展还存在诸多障碍。

2 基于Shapley值构建收益分配模型

2.1 模糊区间Shapley值理论

基于以上两个假设条件，合作联盟中的每个参与者在合作中应得收益为:

(1)

公式(1)中，|S|是合作联盟中组成子集S的利益相关者数量，W(|S|)是权重因素，具体算法为:

而当每次收益由于不确定性都为模糊区间值时，公式(1)变为：

(2)

(3)

2.2 构建节能收益分配模型

在付出相同成本情况下，通过与节能服务公司合作，建筑业主不仅能降低能耗、承担社会责任，完成政府节能目标[15]，约定服务期满，还能无偿获得建筑物剩余寿命延长的节能效益，是合同能源管理项目最大的受益者。节能收益与节能服务公司的绩效水平密切相关。金融机构虽不直接参与建筑节能改造，但为原始子集{(建筑业主)，(建筑业主和节能服务公司)}提供资金，间接增加节能量。

根据上述规则和公式(2)(3)，建筑业主、节能服务公司、金融机构在各种情况下分得的节能收益如表1至表3所示。

表1-1 建筑业主的节能收益

表1-2 节能服务公司的节能收益

表1-3 金融机构的节能收益

用以下收益分配模型分别计算建筑物业主、节能服务公司和金融机构的区间值模糊Shapley值:

(4)

(5)

(6)

2.3 假设与模型求解

选取行业平均水平的建筑业主、节能服务公司和金融机构为样本，对既有建筑节能改造项目的节能收益分配定量研究，并进行以下假设。

当建筑业主独自实施建筑节能改造项目时，由于缺乏资金、降能技术和节能改造经验，节能效益区间为[o1,o2]，表示为:

(7)

·当建筑业主从金融机构获得资金支持时，在单位资本投入的节能回报与上一条相同时，更多资金支持使其收益与独自参与建筑节能改造相比有所增加，表示为:

(8)

·当建筑业主和节能服务公司合作时，节能改造项目拥有了专业的节能设备和技术支持，单位资本投入的技术节能量产出更高，节能效益大幅提高，表示为:

(9)

·当建筑业主、节能服务公司和金融机构共同参与时，建筑节能改造项目拥有技术优势和资金优势，研究[16]和实践[17]表明，构成合同能源管理模式后可获得更多的节能效益，表示为：

(10)

建筑节能改造项目的总效益与节能服务公司的专业水平和努力程度挂钩。能源费用托管模式下，节能服务公司进行节能改造的过程也在为自己创造收益，具有提高项目节能收益的动力。同时，节能服务公司也面临最大的资金和偿债压力。能源费用托管模式的节能收益函数可以表示为:

(11)

根据公式(2)和(3)，并将公式(4)、(5)和(6)展开，得到建筑业主、节能服务公司和金融机构的节能收益，见表2。

表2 三个利益相关者的节能收益

2.4 调整所得解

理论上，根据模糊区间Shapley值求得的节能收益是根据每个利益相关者贡献程度得到的公平结果。然而，由于经济主体利己性，当参与者获得分配节能收益的权利时，会选择性公开信息以使自己获得最大收益。实践中，通常只有大型节能服务公司才能采用能源费用托管模式承担建筑节能改造项目，在没有任何参与者支持的情况下承担最大的融资风险。因此，节能服务公司一旦拥有节能收益分配权，可能会对其他利益相关者隐瞒项目的真实情况，以增加自身收益，导致建筑业主和金融机构获得原来可得到的最小收益(区间下限)。考虑上述情形调整后，能源费用托管模式的三个利益相关者节能收益见图4。

图4 能源费用托管型EPC利益相关者的节能收益

3 既有建筑节能改造的外部性特征与EPC的非节能收益

既有建筑节能改造具有显著的外部性特征。一方面，建筑业主通过节能改造达到节能目标、收获节能收益的利己行为，会给社会公众带来外部性收益。例如，减少建筑垃圾和污染，使大众无偿获得环境收益；带动节能服务公司、第三方监督机构等相关产业发展，提供更多就业机会，使大众无偿获得社会收益；增强用户满意度和改善建筑使用功能，使大众无偿获得经济收益。另一方面，建筑节能改造的外部性收益无法量化，对各个利益相关者没有发挥最佳的激励作用。民众无法切实感受到建筑节能的好处，不会愿意为未感知到的好处付费；政府并未向公众收费，单一从财政拨款进行补贴压力过重；建筑业主进行节能改造能够带来不错的节能收益，但由于经济主体的利己性，往往认为是在为社会做贡献而不是为自己创造收益；建筑节能改造的投资回收期一般超过5年，前期投资完全由节能主体来承担，容易产生心理失衡，拒绝改造。

3.1 外部性与非节能收益

假设建筑业主进行节能改造回收的边际节能经济收益为ER，边际投资成本为EC，社会公众因节能改造获得的边际节能社会收益为ESR。由于正外部性的存在，ER小于ESR，两者的差值即为边际节能外部收益EER。ER与EC曲线交点对应的节能改造建筑数量Q1，即建筑业主满足节能经济收益最大化时愿意接受的工作量，如图5。ESR与EC曲线交点对应Q2，代表社会期望的节能改造建筑数量。显然，Q1小于Q2，建筑业主节能改造的主观意愿达不到社会公众的节能要求，低于帕累托最优均衡水平，无法实现最合理的资源配置。正视外部性收益对社会公众和建筑业主共同达成节能目标至关重要，有助于真正解决既有建筑的高能耗问题。

图5 既有建筑节能改造外部性产生的边际收益

相比于新建建筑，既有建筑的物理寿命有所减少到最终丧失功能性，如图6从T1到T3所示。节能改造能延长建筑物的物理寿命和功能寿命[18]。建筑业主若选择在T2时间点进行节能改造，只需新建建筑的极少部分投入，即可使既有建筑物的价值由V1提升到V2，物理寿命由T3延长到T4，产生增值寿命。建筑节能改造的外部性带来了更多的建筑物价值，表现为通过增值寿命创造经济、环境和社会贡献，即T4～T2期间既有建筑价值相比于原来T3～T2期间的差值。

图6 既有建筑节能改造的寿命延长与外部性价值

非节能收益是基于“三重底线”原则[19]提出的和评价既有建筑合同能源管理具有可持续性发展标准的经济指标，是在节能改造后产生的间接收益，它可能是即时的，也可能在全部建筑物生命周期中产生，受益者可能是合同能源管理的参与者，也可能是其他利益相关者。在合同能源管理模式中，只以可以直接计算的节约电热收益为合同能源管理投资回报的节能收益，而其他给政府、物业公司、公众等利益相关者带来的间接收益并未计入结算条款之中，进行等价交易。因此，研究将合同能源管理模式下建筑节能改造的非节能收益定义为除合同条款规定的、已经进行价格交易的节能收益外，建筑业主、节能服务公司等直接参与者和其他利益相关者获得的额外收益，包含经济收益、社会收益、环境收益三个方面。

非节能收益涉及众多影响因素和受益主体，可运用系统动力学分析各主体相互影响的过程。包括三个步骤：1)确定目标和边界条件；2)确定因素间的相互影响关系，并用因果流图表示；3)找出因果关系图中的反馈环，描述系统运行机理以及各因素对系统的影响。

3.2 非节能经济收益及其受益主体

非节能经济收益系统一共包含16个相互影响的因素，5个非节能收益受益者，见图7。

图7 既有建筑节能改造的非节能经济收益

(1)建筑使用者参与了两条正反馈回路。节能改造既减少建筑使用者的用电量，也通过改善室内基础设施提高舒适度，从而增加建筑使用者的经济收益。

(2)建筑业主参与了三条正反馈回路。建筑业主通过节能改造延长了建筑的物理和功能寿命，获得建筑物价值增加收益；通过改善室内基础设施减少物业公司运营成本，降低物业费用支出；通过改善居住环境提高建筑使用者舒适度，获得租金增加收益。

(3)物业公司参与了一条正反馈回路。物业公司本身不参与建筑节能改造，但是节能改造促使物业公司管理的基础设施更新，维护成本减少。

(4)供热/供电公司参与了两条正反馈回路。通过节能改造，供热/供电公司减少了高峰用电调峰压力和热源重复投资，降低运营成本。

(5)政府参与了一条负反馈回路。通过节能改造，政府从根源上降低了建筑能源消耗，减少环境治理和能源保护费用。

除了建筑业主，其他利益相关者都没有直接参与建筑节能改造，但都获得了免费的经济收益，是外部性经济收益的受益主体，见图8。

图8 外部性经济表现及其受益者

3.3 非节能环境收益及其受益主体

环境收益系统一共包含11个相互影响的因素，2个非节能收益的受益者，如图9。

图9 既有建筑节能改造的外部性环境收益

(1)政府参与了两条负反馈回路。通过建筑节能改造，有害气体(硫化物、CO2等)明显减少，政府减少了治理费用支出。

(2)公众参与了两条负反馈回路。节能改造通过减少大气污染对公众健康和公众生产活动的影响，对项目周边的公众产生了有益的区域性影响。

从环境收益的受益者来看，政府和公众都没有直接参与建筑节能改造项目，且受益主体涵盖范围广，见图10。

图10 外部性环境表现及其受益者

3.4 非节能社会收益及其受益主体

社会收益系统一共包含18个相互影响的因素，4个节能收益的受益者，3个非节能收益的受益者，如图11。

图11 既有建筑节能改造的外部性社会收益

(1)节能服务公司参与一条正反馈回路。运用合同能源管理模式，建筑节能改造项目的直接参与者均获得收益，有利于构建完善的节能改造市场，给节能服务公司创造更好的外部环境，带来更专业的技术、人员和更多的合作项目。

(2)政府参与一条正反馈回路。通过节能改造降低能耗，完成节能目标。

(3)宏观产业/社会公众参与一条正反馈回路。通过构建建筑节能市场，带动节能产业链上的供应商、评估机构等受益；就业人数增多，使劳动人口受益。

从社会收益的受益者来看，除了节能服务公司，其他利益相关者都没有直接参与建筑节能改造。社会收益的影响是宏观的，是节能产业发展对相关行业发展的联动效应，受益主体范围广，如图12。

图12 外部性社会表现及其受益者

4 政府参与——发展新的EPC利益相关者

一方面，虽然利用模糊Shapley值能有效解决利益相关者节能分配不均的问题，但信息不对称和利己性导致参与者的芥蒂没有完全消除，无法从深层次激发利益相关者主动参与节能改造的意愿，阻碍了EPC的发展。另一方面，外部性导致节能改造的社会边际收益高于个体边际收益，但缺少对建筑业主的补偿以弥补收益外溢，造成市场失灵。因此，考虑将政府参与引入到EPC收益分配中，构成新的利益相关者。

严格意义上，政府不是合同能源管理的直接利益相关者，但却是建筑节能改造工作的发起者和监督者。(1)制定法律法规强制建筑业主开展节能改造工作，加速了我国合同能源管理的市场化运作模式发展。(2)通过财政补贴、税收激励、贷款优惠等政策手段，鼓励建筑业主选择合同能源管理模式来降低节能改造工作的运营风险，获得更大的收益，推进合同能源管理发展[20]。

当政府参与不涉及节能服务公司的节能项目时，业主不能达到政府的节能目标，并根据约束政策受到处罚，用g1表示。当政府参与到涉及节能服务公司的节能项目中时，业主可以达到政府的节能目标，并可以根据鼓励政策获得补贴，用g2表示。由于政府的处罚或补贴仅占企业收益的一部分，且对于政府扶持类项目，补贴额较大，故g1

表3 政府参与前后的节能效益分配对比

图13为政府参与收益分配前后的收益对比，在政府优惠政策支持下，金融机构的节能收益没有改变；建筑业主和节能服务公司的收益增长，且最大收益和最小收益都增加相同的数值。

图13 政府参与前后的节能收益对比

5 结论:减少外部性对合同能源管理市场的影响

建筑节能改造的外部性带来经济、环境和社会三方面的非节能收益，受益范围从利益紧密关联的企业到区域性民众和政府再到产业链与节能减排的国家战略。直接受益者有建筑业主和节能服务公司：建筑业主获得的是即时经济收益，节能服务公司获得的是通过行业发展带来的技术创新。这意味着，就一个已经开展的节能改造项目来说，建筑业主在节能改造结束之后即从本项目获得非节能经济收益，而节能服务公司无法立即获得社会效益回报。每一个节能改造项目都能给物业公司、建筑使用者、供热/供电公司等带来直接的非节能经济收益，但在实际中，有的利益相关者，例如物业公司和建筑使用者会阻止项目进行节能改造，这对建筑业主、节能服务公司来说是不公平的。

政府一般通过减少税收和节能补贴来引导或强制建筑业主进行节能改造。但是，在所有利益相关者中，政府是唯一同时受益于经济收益、环境收益和社会收益的主体，是既有建筑节能改造外部性最大的受益者，应当起到更关键的作用。因此，政府理应推动建筑节能改造外部环境的优化，而不仅仅是为了完成节能目标来鼓励节能改造项目。1)推广合同能源管理模式，强制高能耗既有建筑或公共建筑使用合同能源管理模式进行节能改造。2)主导成立第三方监督机构，构建公开公平的市场环境，减少建筑业主、节能服务公司、金融机构彼此缺乏信任的局面。3)加大对节能服务公司的扶持，主导成立专业的机构研究建筑节能要求的基础节能技术、节能材料、节能设备，定期对节能服务公司进行培训和考核。4)公众也是环境收益和社会收益的受益主体，政府应当引导公众进行等价交换，以使全社会资源配置达到最优。