清洁生产系统仿真模型构建方法

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：1．系统范围界定本书以建筑工程全生命周期过程的清洁生产实施行为为研究对象，通过分析建筑全生命周期中各项因素及其相互关系，系统仿真模拟建筑业清洁生产实施的环境—经济子系统状况，从而预测不同情境下的发展趋势。在建筑清洁生产系统结构模型中设置了建筑全生命周期成本和清洁生产力度为决策点。

通过以上环境与经济子系统的因果关系分析，以及两者之间的相关性分析，可知建筑清洁生产系统是多重反馈的非线性复杂系统，系统内的环境与经济技术子系统以及子系统内部各元素之间，具有多重的相互依赖关系。运用一般的线性分析方法，如投入产出模型，不能准确地反映系统的实际运行情况。而系统动力学方法是以反馈控制理论为基础，通过对现实问题的因果逻辑关系进行分析，建立系统的结构性模型，可以全面了解系统行为及其发展。因此，本书采用系统动力学方法来探讨建筑全生命周期循环系统的协调发展，以及清洁生产的实施策略。依据各子系统以及系统的整体因果反馈关系分析，构建系统动力模型是非常关键的。这既是真实情况的反映，也是仿真结果准确性的保证。

1．系统范围界定

本书以建筑工程全生命周期过程的清洁生产实施行为为研究对象，通过分析建筑全生命周期中各项因素及其相互关系，系统仿真模拟建筑业清洁生产实施的环境—经济子系统状况，从而预测不同情境下的发展趋势。建筑业清洁生产的实施不仅要从环境方面考虑，经济的有效性也是保证其实施的关键因素。在实践中，环境和经济子系统不是孤立存在的，而是相互联系、相互影响的整体，从总体上把握两者是非常有必要的。本书从环境和经济两个方面考虑，以分析清洁生产实施的可行性，以及推动清洁生产实施的策略选择为研究目标。建筑工程清洁生产的环境和经济状况评估不仅处于一个随生命周期变化的动态系统中，而且受到建筑废料重复利用率和再生率等参数的影响，因此，从系统循环的角度来模拟系统的运行情况具有重要的意义。

本书关于建筑清洁生产系统运行效果分析是以环境性和经济性相结合的原则，为了充分反映系统的运行效果，需综合考虑经济效益和环境效益两方面内容。依此原则，本书选择以下两个变量作为建筑清洁生产的输出和响应：①清洁度指标CPIm；②全生命周期成本。

2．系统结构模型构建

系统结构模型主要是依据实际情况而确定系统的结构层次，包括总体和局部的主要反馈机制与反馈回路，其原理是用各影响因素之间的因果关系对系统进行具体描述。本书借助VENSIM PLE软件构建建筑工程清洁生产系统的结构模型图，该结构模型图以建筑全生命周期环境—经济系统因果关系图为基础。从该结构模型图可看出，建筑清洁生产系统主要包括三条反馈回路：清洁生产的实施提高了建筑环境效益；建筑环境效益的提高，使建筑全生命周期成本降低；建筑全生命周期成本的降低，加大了清洁生产实施力度。如清洁生产减量化措施的实施，要求降低建筑材料的损耗率，使建材消耗量和生产过程废物排放量减少，从而减少建筑成本获得经济效益，经济效益的提升体现了清洁生产的经济可行性，从而加强了清洁生产的实施力度。在建筑清洁生产系统结构模型中设置了建筑全生命周期成本和清洁生产力度为决策点。在一般情况下，不断增长的环境治理成本是清洁生产实施的最重要动力，尤其随着资源的减少而引起的建筑材料单价的增加，以及环境承载能力的限制而带来的建筑垃圾处理单价的增加。从短期看，建筑材料单价和建筑垃圾处理单价有可能是不变的或缓慢变化的；但是从长期看，其变化随着时间的推移应该是相对比较明显的。

3．模型参数设置

系统结构模型的构建涉及的因素是分析系统运行效果的基础，即系统模型参数的设定。本书中的建筑清洁生产系统是以环境—经济子系统的发展为主线来选取系统模型的主要变量。构建建筑清洁生产系统的目的是在保证环境效益的前提下，使企业取得最大的经济效益。基于系统的运行逻辑，考虑到系统中各变量的不同特性以及变量间的相互作用关系，变量分为状态变量和速率变量，增设相应的辅助变量。在该建筑清洁生产实施模型中，包含状态变量13个，如建筑材料损耗率、材料单价等，这是用来描述系统中要素的状态，是一组随时间变化的积累量，由输入和输出变化率共同确定的。此外，还有速率变量13个，如建筑材料损耗率变化量、材料单价增量等，这是用来描述系统中随时间变化的活动状态，对系统行为的控制主要通过改变速率变量来实现；另有辅助变量38个，如人员水平提高率、加工量等，用于简化状态变量与速率变量的方程。建筑清洁生产系统模型的参数及其含义如表6．1所示。

表6．1　建筑清洁生产系统模型的参数及其含义

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续　表

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4．方程构建

在建筑工程清洁生产系统的结构模型图中，根据系统内部因果关系的描述，确定系统各种因素内部关系的数学公式是确定各种变量之间相互关系的基础。为了更好地反映各变量之间的逻辑关系，本节按建筑清洁生产系统的结构流程图，列出相应的动力学方程，包括水平方程、速率方程、辅助方程与初始值方程。

1）清洁生产参数

清洁生产参数作为清洁性测度的重要指标，随着清洁生产力度的变化而波动。通过各项清洁生产措施，如设备水平、人员素质以及设计环保水平等一系列因素来影响清洁生产参数的变化。各项清洁生产的参数初始值是根据目前行业相关的统计数据、预测数据获得；各项清洁生产参数值是在原有的基础上发生改变，其改变量为各项清洁生产措施的力度，如设备水平的提高率；清洁生产力度在各项措施的分配额是在第4章中关于清洁生产成本敏感度分析的基础上进行相关假设而确定的。

（1）建筑材料损耗率。

L：φ1（t）＝φ1（t－1）－R1（t）；

R：R1（t）＝φ1（t－1）［k3（t）·r3＋k4（t）·r4］；

A：k3（t）＝E（t）·w3；k4（t）＝E（t）·w4。

其中，φ1（t）—第t期的建筑材料损耗率；

R1（t）—第t期的建筑材料损耗率的变化量；

k3（t）—第t期的设备水平提高率；

k4（t）—第t期的人员水平提高率；

E（t）—第t期的清洁生产力度；

w3、w4—清洁生产力度对设备、人员改善的投入比例；

r3、r4—设备、人员水平的改善对损耗率的影响系数。

（2）建筑构件直接再利用率。

L：φ2（t）＝φ2（t－1）＋R2（t）；

R：R2（t）＝φ2（t－1）·［k1（t）·r1＋k7（t）·r7］；

A：k1（t）＝E（t）·w1；k7（t）＝E（t）·w7。

其中，φ2（t）—第t期的建筑构件直接再利用率；

R2（t）—第t期的建筑构件直接再利用率的变化量；

k1（t）—第t期的设计水平提高率；

k7（t）—第t期的拆除水平提高率；

w1、w7—清洁生产力度对设计、拆除的投入比例；

r1、r7—设计、拆除水平的提高对直接再利用率的影响系数。

（3）建筑垃圾回收利用率。

L：φ3（t）＝φ3（t－1）＋R3（t）；

R：R3（t）＝φ3（t－1）·k7（t）·r′7；

A：k7（t）＝E（t）·w7。

其中，φ3（t）—第t期的建筑垃圾回收利用率；

R3（t）—第t期的建筑垃圾回收率的变化量；

r′7—拆除水平的提高对回收利用率的影响系数。

（4）回收材料再生率。

L：φ4（t）＝φ4（t－1）＋R4（t）；

R：R4（t）＝φ4（t－1）·k8（t）·r8；

A：k8（t）＝E（t）·w8。

其中，φ4（t）—第t期的回收材料再生率；

R4（t）—第t期的回收材料再生率的变化量；

k8（t）—第t期的加工水平提高率；

w8—清洁生产力度对加工水平的投入比例；

r8—加工水平的提高对回收材料再生率的影响系数。

2）建筑各项成本

建筑成本一方面会受各项成本单价的影响；另一方面受到相应数量的影响。在本书中，各项成本单价的变化被假设为两种类型：一是随时间的变化而变化，如材料单价和处理单价。这类成本单价的变化反映了未来环境成本趋势，体现了实施清洁生产的必要性。二是随着清洁生产实施力度而发生相应变化，如设计单价、设备单价等。这类成本单价的变化反映了清洁生产实施的经济投入，体现了企业实施清洁生产的意愿。而各项成本的数量除了建设成本和拆除成本是由建筑规模决定外，其他与建筑全生命周期物质循环有关的因素都由一个或多个清洁度参数确定，如材料生产量是由建筑材料损耗率、建筑构件直接再利用率和回收材料再生率共同决定的。这些成本数量的变化是清洁生产实施的环境效益（物质层面上）的体现，最终成为影响清洁生产实施的关键决策因素。

（1）设计成本：设计单价×建筑规模。

L：c1（t）＝c1（t－1）＋r1（t）；

R：c1（t）＝c1（t－1）·k1（t）；

A：C1（t）＝c1（t）·M。

其中，c1（t）—第t期的设计单价；

r1（t）—第t期的设计单价的变化量；C1（t）—第t期的设计成本；

M—建筑规模／面积。

（2）材料成本。

L：c2（t）＝c2（t－1）＋r2（t）；

R：r2（t）＝c2（t－1）·（1＋v2t）；

A：Q2（t）＝M／［1－φ1（t）］；

C2（t）＝c2（t）·Q2（t）。

其中，c2（t）—第t期的材料单价；

r2（t）—第t期的材料单价的变化量；

v2—材料单价的周期涨幅；

C2（t）—第t期的材料消耗成本。

（3）设备成本：设备单价×建筑规模。

L：c3（t）＝c3（t－1）＋r3（t）；

R：r3（t）＝c3（t－1）·k3（t）；

A：C3（t）＝c3（t）·M。

其中，c3（t）—第t期的设备单价；

r3（t）—第t期的设备单价的变化量；

C3（t）—第t期的设备成本。

（4）人员成本：人员单价×建筑规模。

L：c4（t）＝c4（t－1）＋r4（t）；

R：r4（t）＝c4（t－1）·k4（t）；

A：C4（t）＝c4（t）·M。

其中，c4（t）—第t期的人员单价；

r4（t）—第t期的人员单价的变化量；

C4（t）—第t期的人员成本。

（5）拆除成本：拆除单价×建筑规模。

L：c7（t）＝c7（t－1）＋r7（t）；

R：r7（t）＝c7（t－1）·k7（t）；

A：C7（t）＝c7（t）·M。

其中，c7（t）—第t期的拆除单价；

r7（t）—第t期的拆除单价的变化量；

C7（t）—第t期的拆除成本。

（6）加工成本：加工加价×加工量。

L：c8（t）＝c8（t－1）＋r8（t）；

R：r8（t）＝c8（t－1）·k8（t）；

A：Q8（t）＝M·φ1（t）／（1－φ1（t）＋

M·q·φ3（t）；

C8（t）＝c8（t）·Q8（t）

其中，c8（t）—第t期的加工单价；

r8（t）—第t期的加工单价的变化量；

Q8（t）—第t期的回收材料加工量；

C8（t）—第t期的加工成本。

（7）处理成本：处理单价×处理量。

L：c9（t）＝c9（t－1）＋r9（t）；

R：r9（t）＝c9（t－1）·（1＋v9t）；

A：Q9（t）＝M·q·［1－φ2（t）－φ3（t）］＋

Q8（t）［1－φ4（t）］；

C9（t）＝c9（t）·Q9（t）。

其中，c9（t）—第t期的处理单价；

r9（t）—第t期的处理单价的变化量；

v9—处理单价的周期涨幅；

Q9（t）—第t期的废弃物处理量；

C9（t）—第t期的处理成本。

（8）回收利用收益：材料单价×回收利用量。

A：C10（t）＝c2（t）·Q10（t）；

Q10（t）＝M·φ2（t）。

其中，C10（t）—第t期的回收收益；

Q10（t）—第t期的回收利用量。

（9）再生材料收益：再生材料单位收益×再生材料量。

L：c11（t）＝c11（t－1）＋r11（t）；

R：r11（t）＝c11（t－1）·（1＋v2t）；

A：Q11（t）＝Q8（t）·φ4（t）／q；

C11（t）＝Q11（t）·c11（t）

其中，c11（t）—第t期的再生材料单位收益；

r11（t）—第t期的再生材料单位收益的变化量；

Q11（t）—第t期的再生材料量；

C11（t）—第t期的再生材料收益。

3）系统输出和响应

建筑工程清洁生产系统的运行效果是由清洁度指标和全生命周期成本综合反映的，两者的共赢是该系统可持续发展的基础。清洁度指标（即环境效益）是从清洁生产的4个参数中得来的，其计算方式为第3章推导的清洁度测度公式。它是实施清洁生产的有效性体现，在一定程度上对政策的制定具有指导作用。本书中的建筑全生命周期成本是仅考虑与清洁生产相关的各项成本（由于目前清洁生产的实施较少反映在运行和维护环节，因此本书对这两者不予考虑），由第4章讨论的公式得出。它是实施清洁生产的持续性（可行性）体现，全生命周期成本的降低会增强下一期清洁生产实施的力度；反之，便会抑制清洁生产的实施力度。

（1）清洁度指标CPIm：

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