基于节能减排的城市锅炉分布差异性研究

工作，为天津市政府决策提供参考依据。在天津市经济和信息化委员会节能处领导的支持下，由天津市市节能协会负责组织调查工作事宜，并组织召开了由天津市各区县和集团公司节能主管部门、各能源测试站主要负责人参加的调查动员大会。天津理工大学管理学院接受了锅炉数据实地调研的工作，至2012年7月末共向全市各区县主管部门下发了问卷调查表1000份，回收820份，在2013年又通过专门的电话调研，对每个单位的锅炉情况进行一对一的调研，组织调查培训会9次，走访市、区县质量技术监督部门进行实地调研，并在获得大量原始数据之后，对数据进行了初步的汇总统计。

设立天津市滨海新区后的天津由原来的18个区县改为16个区县，其中有13个市辖区和3个县区。天津市的中心市内包括六个区域，分别是和平区、河东区、河西区、南开区、河北区和红桥区；四个环城区域分别是东丽区、西青区、津南区和北辰区；在天津市的周边区域是五区县（即二区三县）分别是武清区、宝坻区、静海县、宁河县和蓟县； 2009年11月9日国务院批复撤销天津市塘沽区、汉沽区、大港区，设立天津市滨海新区，滨海新区位于天津东部沿海地区，是环渤海经济圈的中心地带。

在天津市的区域划分基础上，增加了经济园区的锅炉数据，即本次调查共17个区域，经过初步统计，天津市在役锅炉总台数为6889台，总容量为94727蒸吨①。天津市锅炉燃料种类有7种（如图1所示），分别是煤炭、燃气、燃油、电锅炉、生物燃料、垃圾和其他，其中以煤炭、燃气和燃油燃料的锅炉为主。天津市锅炉按用途分为供采暖用锅炉、供生产用蒸汽锅炉、热电联供锅炉、发电锅炉和其他用途锅炉，其中以采暖用锅炉和供生产用蒸汽锅炉为主。本文将在原始统计数据的基础上，首先，运用SPSS进一步分析不同燃料的锅炉分布与城市地区的划分是否存在显著关系，并根据统计得到的数据进行聚类分析，为天津市不同地区锅炉节能减排指标制定提供依据；其次，分析了不同地区的锅炉用途是否存在显著差异，锅炉的用途与不同燃料的锅炉之间是否存在相关关系，为转变经济发展结构，淘汰一批高耗能/落后的工艺设备，引进能耗少、污染低的产业提供决策依据。

2 不同燃料的锅炉与城市地区分布

2.1 理论基础

区位理论是认识城市空间结构的组成及其形态的重要理论基础。城市结构是指城市各组成要素相互联系、相互作用的形式和方式，主要包括经济结构、社会结构和空间结构。城市空间结构是指构成城市的各要素在空间上的位置及其组合状况。城市空间结构是社会结构和经济结构在土地使用上的反映。区位是人类行为活动的空间位置范围，是城市空间的具体功能划分。区位理论就是用经济学的理论和方法，试图为城市中的各项活动找到最佳区位，即能够获得最佳利益的城市空间位置。根据城市规划中空间结构的区位理论，城市中的各项不同种类的活动都在城市寻找相对的最佳位置。同理，锅炉类企业行为是城市中的一大类经济活动，它在城市中的分布同样也遵循区位理论。根据经济学最优理论，锅炉类企业主体在城市中寻找区位最优的空间位置，即企业能够获得最大利益的区间位置，进而导致不同燃料种类的锅炉在城市中的空间位置不同，也即分布在不同的城市区域划分内。按锅炉用燃料种类可以分为燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉、电锅炉、生物燃料、垃圾等其他燃料类型的锅炉。不同燃料种类的锅炉由于其燃烧的效率和效益不同，因此在城市中的空间位置也不同，进而导致所属的城市区域也不同。

假设H1：不同种类燃料的锅炉与城市地区分布显著无关。

竞租理论导致同类型的经济活动聚集在相同城市空间范围内。在一个城市中，土地是相对有限的，各种城市经济活动都需要占用土地，因此土地的用途与机会成本密切相关，城市土地的机会成本是指土地用于某一项经济活动的成本是该土地用于其他用途可能获得的最大报酬。根据城市经济学中的竞租理论，城市经济活动发生空间竞争，单个经营者会从经济效益的角度来选择土地的最有效利用方式，导致同类经济活动在空间上高度聚集，进而形成城市区域的不同功能划分。对于锅炉企业的经济活动，相同燃料种类的锅炉，根据竞租理论会产生区域集聚现象，例如燃气类锅炉可能集聚分布在市内六区，煤炭类锅炉可能分布在四个环城区域和两区三县等。聚类分析是统计学上的一种探索性分析，依据样本的数据为标准自动对各个变量进行分类，是对数据特征的一种反映，因此，可以用聚类分析以锅炉数量为因变量对城市区域进行自动分类，来证明同种类燃料的锅炉在城市空间位置分布中是否存在聚集效益，即聚类现象。

假设H2：相同种类燃料的锅炉不存在聚类现象。

供求关系是商品经济中的基本关系。根据市场供求理论，只有存在合理的市场需求才会产生相应的供应，没有需求也就没有供给。商品的价格与其需求量存在反向关系，即价格越高、需求越低；但是商品的价格与供给量存在正向关系，即价格越高，供给越多。虽然在某一时期会存在供求关系的不平衡，但是供需关系总量会在市场价格的调节下逐渐自动趋于平衡，达到均衡状态。锅炉燃烧产生的能量可以有不同的用途，供城市居民采暖用锅炉、供企业生产用锅炉、热电联供锅炉、供发电用锅炉以及其他用途锅炉。根据市场供求理论，由于市场中存在对不同用途锅炉的需求，因此必然会产生不同的锅炉供应满足对应的需求。不同燃料种类的锅炉其锅炉容量以及经济环境效益等都会不同，因此根据不同的需求，经营主体会选择综合效益最好的燃料锅炉对其进行供应，从而达到锅炉总体的供需平衡状态。

假设H3：不同用途的锅炉与不同燃料种类的锅炉之间不存在显著关系。

2.2 锅炉分布的假设检验

在统计学中有两类假设检验方式，参数检验和非参数检验，其中参数检验是假定已知总体的具体分布形式（如假定总体服从正态分布），只有待估计的参数未知；但是非参数检验是不知道总体的具体分布形式，在对总体分布不做任何假设的情况下，推断出样本的分布。

由于不同种类燃料的锅炉数在城市区域中的具体分布形式并不清楚，如果假设锅炉分布服从某一类型的分布，若实际锅炉分布与假设分布有很大差异，则很容易产生错误的结论。因此，对不同种类燃料的锅炉分布情况使用非参数检验中的？字2检验来进行验证。

H0：不同种类燃料的锅炉分布与城市区域划分相互独立；

H1：不同种类燃料的锅炉分布与城市区域划分存在显著关系。

由卡方检验的案例处理摘要可以得到共有样本数据6289个，其中全部为有效数据且无任何缺失数据。表格1卡方检验可以得到Pearson卡方检验的显著性水平渐进 Sig. （双侧）的值为0.000，小概率事件发生，因此拒绝原假设，接受备择假设，即不同种。

在Pearson卡方检验条形图中，如图2不同种类燃料锅炉的地区分布，可以看到煤炭燃料的锅炉主要分布在天津市滨海新区，二区三县（武清区、宝坻区、静海县、蓟县和宁河县）和四个环城区域（北辰区、东丽区、津南区和西青区）。燃气燃料锅炉的分布总体数量显然低于煤炭燃料锅炉分布，但是燃气锅炉在天津市各个地区的分布较均匀，差别不大。天津市市内六区（和平区、河北区、河东区、河西区、红桥区和南开区）主要分布燃气类锅炉和少数的燃油类锅炉。从检验结果中的“地区划分*燃料种类交叉表”中可以看到电锅炉、生物燃料锅炉、垃圾锅炉和其他类锅炉零星地分布在滨海西区和天津市周边。经过Pearson 卡方检验条形图的分析，可以看到不同种类燃料的锅炉分布与天津市城区划分存在的具体的相关关系。

2.3 锅炉分布的聚类分析

由上述字2检验可以得到，不同种类燃料的锅炉分布数与城区划分存在显著的相关关系，也就是不同的城区分布着不同种类的锅炉。因此，我们需要进一步探讨锅炉数量在城区中的分布是否存在集聚现象，在进行锅炉分布的聚类分析前，我们先进行主成分分析。主成分分析是将众多的初始变量整合成少数几个相互无关的主成分变量，由于这些主成分变量尽可能地包含了初始变量的全部信息，因此可以用这些新的变量来代替以前的初始变量，其主要思想是根据信息的共性，降低变量的维度。对锅炉分布进行主成分分析，主要目的是为了将多个城区根据锅炉的数量划分为几个主变量，用每个主变量来代表具有相同锅炉分布信息的城区，进而观察锅炉数量分布与城区之间的关系。

由主成分分析结果中的“解释的总方差”，如表2所示可以看到在“初始特征值”中只有两个特征值是大于1的，所以SPSS只选择了前两个主成分，因为如果特征值小于1，这就意味着提取的主成分还不如直接采取原来的变量进行分析，所以提取公因子的时候必须要求初始特征值大于1。在表2中，从“提取的平方和载入”一栏中可以看到第一主成分的贡献率是79%以上，第二个主成分的贡献率是20%左右，前两个主成分的累计贡献率为99.88%。所以，选取前两个主成分已经足够代表原来的变量，已经涵盖了原变量的全部信息。在主成分分析结果中的“公因子”，如表3所示可以看到各个地区变量当中所含的原始信息能够被所提取的公因子解释的程度都在95%以上，所以SPSS提取的两个主成分公因子的解释能力是很强的，能够很好地概括其它地区原变量的解释信息。在主成分检验结果中由横轴主成分和纵轴特征值的“碎石图”中，也可以很直观地看到只有前两个主成分的特征值是大于1的。综上所述，在主成分分析中，同种类锅炉的分布城区可以分为两个主成分变量，即假设H2不成立，原假设的对立假设成立，相同种类燃料的锅炉存在聚类现象，在此基础上再对锅炉进行聚类分析。

在上述主成分分析的基础之上，将多个城区划分为两个主成分变量，再根据城市的具体得分对城市区域进行分类，即聚类分析。层次聚类分析是聚类分析的一种，是目前使用最多的一种聚类方法，先将每一个样本看作一类，然后逐渐合并，直至合并为一类的一种合并法。在层次聚类的“统计量”中，设置聚类成员的方案范围为2到4，我们可以得到如图3聚类分析树状图。从结果中的树状图和群集成员可以看到当城区分为两类时，第一类成员包括，市内六区、四个环城区中的三个和二区三县中的四个；第二类包括滨海新区、环城区中的西青区和二区三县中的武清区。当城区分为三类时，第一类包括二区三县中的宝坻区、蓟县和静海县以及四个环城区域中的北辰区和津南区；第二类包括滨海新区、武清区和西青区；第三类包括市内六区、东丽区和宁河县。当城区划分为四类时，第一类分区和第三类分区与划分为三类城区中的第一类和第三类相同，只是将第二类城区划分为两类，分别属于第二城区（滨海新区）和第四类城区（武清区和西青区）。

因此，根据聚类分析结果可以得到市内六区具有明显的同质性，属于同一分区；四个环城区和二区三县交错分属一类或者两类；滨海新区单独属于一类或与除市内六区外的其它城区相互交错。

2.4 锅炉用途的假设检验

同样，由于不同用途的锅炉数量总体分布情况不能确定，因此，对不同用途的锅炉分布情况使用非参数检验中的检验来进行验证。从检验结果中可以看到有效处理数据是6889个，且全部为有效数据无任何缺失值。由表4卡方检验可以看到检验的结果是非常显著的，远远小于显著性水平0.05，说明不同燃料的锅炉在用途方面确实存在着显著的差别，因此拒绝原假设H3，接受其对立假设，即不同用途的锅炉与燃料种类之间存在显著关系。

在图4锅炉用途条形图中，可以直观具体地看到不同用途的锅炉使用到的燃料情况。采暖用锅炉和生产用锅炉主要使用的是煤炭和燃气锅炉，其中煤炭使用的数量远远大于燃气类锅炉使用的数量，占其3倍左右，同时其他三种用途使用到的锅炉数量非常少。在锅炉燃料的使用情况方面从高到低依次是煤炭锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉，电锅炉、生物燃料、垃圾和其他类锅炉在使用方面微不足道。

3 对策和建议

3.1 锅炉的构成结构，增加燃气锅炉的使用

针对假设H1，经过Pearson卡方检验的分析，可以看到不同种类燃料的锅炉分布与天津市城区划分存在着明显的相关关系。

首先，天然气和燃油类锅炉主要分布在市内六区，但是市内部分城区（如河北区、河东区、河西区和南开区）还存在2%左右的燃煤类锅炉。由于市内六区是城市居民主要的生活场所，为了改善市内空气质量，给居民创造一个良好的生活环境，因此应尽快将市内的燃煤类锅炉改成燃气类锅炉。

其次，煤炭类锅炉主要分布在滨海新区、二区三县和四个环城区域，但是天津市燃煤锅炉数占到总锅炉数量的76%，燃气类锅炉数占到天津市总锅炉数量的21%。因此，要从根本上改变天津市的空气质量，减少“雾霾”天气的发生概率，就必须整体上降低煤炭类锅炉数量，增大燃气类锅炉的比重。

最后，其他燃料类锅炉仅仅占总锅炉的3%，虽然燃气类锅炉具有占地面积少、排放污染少的优点，但是由于我国燃气源也存在一定的限制，因此为相应国家“十二五”规划的节能减排要求，应积极鼓励技术创新，加大其他清洁能源燃料的开发与普及应用，并且提升对煤炭的清洁利用，把煤炭对环境的负面效应降低下去。

3.2 不同城区实行差别化的收费政策

由假设H2可知，同种类燃料的锅炉存在集聚效应，天津市周边城区主要分布着燃煤类锅炉；市内六区（和平区、河北区、河东区、河西区、红桥区和南开区）主要分布燃气类锅炉和少数的燃油类锅炉。自2014年起天津市实施高标准的差别收费政策，针对二氧化硫、氮氧化物、氨氮、化学需氧量4种主要污染物排污费在全国首创实行按10%差别收费政策的征收标准，以经济的手段鼓励企业减量排放，推进环境保护与资源能源的节约和有效利用。今年5月天津市把差别化的收费政策延扩至烟尘和粉尘污染物，以鼓励低标准的排放，下一步天津市还将针对挥发性有机物制定排污收费标准，以增强企业的减排积极性。由于锅炉在城市中的分布存在集聚效应，而不同城区排污的机会成本有显著差别，如同样的污染物量在市内六区排污的成本将远远高于城市周边的排污成本。因此，可以针对相同的污染物在不同的城市片区征收差别化的收费政策，鼓励企业的节能减排行为，为城市居民创造一个适宜的居住环境。

3.3 调整产业结构，促进经济结构转变

由假设H3可知，不同用途的锅炉和锅炉的燃料之间存在着显著的相关关系，采暖用锅炉和生产用锅炉主要使用的是煤炭和燃气锅炉，其中煤炭使用的数量远远大于燃气类锅炉使用的数量，占其3倍左右，主要供生产使用。为了减少煤炭锅炉的使用，应减少对煤炭锅炉需求的高耗能企业，从根本上改变对锅炉的需求。

目前在城市的发展过程中，为了单独追求经济效益和绩效，使得城市的产业结构发展不平衡，工业比重比较高，第三产业偏低，且工业特别是高耗能、高排放的行业增长仍然过快。市场需求决定供应，为了改变供应结构，应先改变市场的需求，这才是节能减排的工作关键。因此，为了从根本上减少对能源的消耗，应该调整产业结构，促进城市经济结构的转变，实现资源、环境与经济社会协调发展。对于耗能高、技术落后的设备强制实施淘汰，鼓励生产工艺和设备的更新换代，在城市中大力发展能耗低、污染少，高附加值和高技术含量的现代服务业和先进制造业。

3.4 结论与展望

本文主要研究了不同种类的锅炉分布与天津市不同城区之间的关系，在用SPSS数据分析的基础上证实了三个结论：首先，天津市不同种类的锅炉分布与城市区域之间存在着显著的相关关系，且以煤炭和燃气类锅炉为主；其次，在显著相关关系结论的基础上，通过主成分分析和聚类分析证实了不同种类的锅炉在城区中的具体分布，即燃气类锅炉和少数燃油类锅炉主要分布在市内六区，燃煤类锅炉主要分布在滨海新区和天津市周边；最后，证实了不同用途的锅炉与不同种类燃料的锅炉之间存在着显著相关关系，即煤炭和燃气类锅炉主要供应生产和采暖。以上研究结论不仅为天津市不同地区实行差别化节能减排的政策提供依据，也为强制淘汰耗能高、污染大的企业或相关设备提供决策支撑。但是本文没有对锅炉消耗的各种能源数量和锅炉的污染物排放量进行具体的统计，在未来的研究中将会继续对不同锅炉的能源消耗量和污染物的排放量占城市消耗总能源和排放的总污染物的比重进行研究。

注释：

①当需要热水锅炉容量与蒸汽锅炉容量相加时，二者之间的换算关系是：0.7兆瓦=1蒸吨/小时。

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