2.1 绝对的能源利用效率测度指标

一般能源利用效率可采用以下公式测度：

帕特森（Patterson, 1996）认为，能源利用效率指标，即传统的基于单要素生产率框架的能源利用效率，只考虑了能源要素一种投入，按照对投入和产出的不同界定，一般又可分为以下4种指标。

2.1.1 传统热力学指标

热力学指标完全依赖于对投入、产出的热量测度，其中一些是简单的比值，还有一些则是一个理想工序中能源使用量的准确测量。按照不同的热量测度方法，又可以分为3种：第一法则能源利用效率（First-law）、第二法则能源利用效率（Second-law）以及理想能源利用效率（Secondlaw Ideal）。

1．第一法则能源利用效率

根据生产中投入和产出的热量来计算，由于是从“热力学第一定律”引申过来，因此，命名为第一法则能源利用效率。其表达式为：

其中，ΔH表示热量变化值，EΔH为热量效率，ΔHout为生产过程中有用的产出之和，ΔHin为生产过程中投入的所有能源之和。其缺点在于，进行热量测算时未考虑不同能源之间的质量差别。Schurr（1954）和Sioshansi（1956）将该指标用于宏观层面的能源利用效率研究，假定不同能源投入的质量是同一的，但实际上他们仅仅在热量相当时具有相似性，除此之外的其他质量测度上并不相同，因此，该方法受到了大量质疑。

2．第二法则能源利用效率

为解决第一法则中能源投入的异质性问题，大量的方法用来将不同质的能源投入转化为同量的（相当的）质量单位，例如，Groscuxth等（1989）和Horsley（1993）认为，温度可以作为一个适当的质量单位，IFIAS（Intena-tional Federation of Institutes for Advanced Study, 1974）提出，可以利用Gibbs自由能量的变化量来测量投入能源的相对质量，而Gibbs自由能量的下降可以定义为：

其中，ΔG为Gibbs自由能量的变化量，ΔH为热量变化，T为温度，ΔS为熵的变化值，尽管同第一法则能源利用效率相比，该法则有了很大的改进，但仍未完全解决能源投入的同质问题。

3．理想能源利用效率

实际的能源热能效率同“理想的”最小能源热能效率相比较的相对效率，即：

其中，EΔH（actual）为某一特定生产中实际热能效率，EΔH（ideal）为某一特定生产中利用最优设备所能达到的理想热能效率。该比率最有效的过程为ρ=1，可以用来测量真实世界中能源转化过程对理想效率的逼近程度，广泛应用于微观生产过程的效率测度，包括化学（Gyftopoulos et al, 1974;Sussman, 1977）、运输（Berry and Fels, 1973）、热传导（Kay and scholenhls, 1950; Bejan, 1980）、空调、冰箱等电器设备。尽管它比以往的单纯测量热能效率更进一步，但前提条件是假设生产是完美可逆转的、无限的、缓慢的，没有考虑到实际生产中所存在的各种时间、人力约束，也无法进行宏观加总，具有很大的局限性。

综上所述，据国家统计局数据，依据传统的热力学指标，二十多年来中国的能源物理效率有了显著提高，2005年能源开采效率、中间环节利用效率、终端利用效率分别为33.2%、68.4%和52.9%，总的效率为13%, 2007年中国发电及电站供热效率为40.24%，炼焦效率为97.78%，炼油效率为97.17%。如表2-1所示。

2.1.2 派生的热力学指标

由于传统的热力学指标在计算产出时并没有充分考虑到消费者所需要的最终服务，而能源本身是一种派生需求。因此，物理-热力学指标和经济热力学指标便应运而生。

1．物理-热力学指标

在物理热力学指标中，能源投入是以热量单位计算，产出以物理单位测量，如通常所采用的单位产品能耗、工序能耗、吨钢综合能耗、吨钢可比能耗、吨炼铁能耗、发电煤耗、吨水泥能耗等是常见的这一类指标，适用于具有相同生产结构的企业间进行比较，以反映微观经济组织的技术装备和管理水平及消费者所需要的终端服务。

目前，中国很多企业或行业协会推广的“标杆能效法”，即是以单位产品能耗为基础。但在进行单位产品能耗、工序能耗的国际或企业比较时，仍然需要统一口径。例如，中国与发达国家的工序吨钢能耗计算口径就存在较大差别，日本炼铁消耗项只计有固体燃料、气体燃料、电、氧、蒸汽，而中国还计有压缩空气、氮气、水等能源介质；如果高炉采用汽动鼓风机，其风量也要计算到工序能耗中。按照热当量法，中国主要耗能产品单耗较高，除技术装备水平低的原因外，原材料质量不高、能源消费结构不合理也是重要原因。如果不考虑这些因素，可能会高估中国的节能潜力。例如，在热当量法下，中国钢铁行业的单产能耗比发达国家高。其中铁矿石质量较差、用煤比重较高是重要原因。2007年，中国钢铁行业用能结构中煤炭占77%，而发达国家的只占38%，采用实物效率指标时，能源投入品种较多，采用热当量法与发电煤耗法得到的结论会有所不同，也需要考虑各类能源的不完全替代性。

该指标可以用于纵向比较（时序比较），但局限于一定的产业和部门（因为每个部门的标准不同），如美国国会经济委员会（Joint Economic Committee of the Congress of the United States, 1981）建议使用能源投入/平方米来测量商业和居民的建筑能源利用效率；Collins（1992）认为旅客运输应采用能源投入/客·公里数来计算交通部门的能源利用效率等。

物理-热量指标的缺陷在于，每个产业部门生产的产品不同，可能导致同一种能源投入会有两种或者多种产出（如运输绵羊包括了羊毛运输和肉的运输），对不同产出之间难以进行加总，因此，难以计算总的能源利用效率。

2．经济-热力学指标

经济-热力学指标中生产的服务（产出）按照市场价格计算，能源投入按照传统的热力学单位计算。该指标可用于测量不同层次的经济活动效率，包括微观的生产以及宏观的部门甚至国家层面，现实中利用最多的一种衡量方法就是能源消耗强度。

（1）能源消耗强度

又称为能源-GDP指标，是最为常用的测量一国能源利用效率的指标，即单位GDP能耗（或者单位增加值能耗、单位总产出能耗、单位总产值能耗）。在测度一个国家、地区或行业的总体能源利用效率水平时，通常也定义为“能源强度”。单位增加值能耗越低，能源宏观效率就越高。能源产出（或者能源服务）用经济活动产出量表示（如增加值或总产出），能源投入用各类一次能源消耗量表示（采用热值法或者发电煤耗法），如表2-2所示。

能源消耗强度的高低与发展阶段、经济结构、技术水平、能源价格、社会文化、地理位置、气候条件、资源禀赋等多种因素有关。近二百年来，英美等发达国家在工业化进程中单位GDP能耗出现了一个先上升，直到一个峰值后再下降的过程，而且越晚进入工业化进程的国家，其单位GDP能耗峰值就越低甚至不存在，这主要得益于技术进步和后发优势。

但其主要缺陷是：不能测量潜在的能源技术效率（Wilson et al., 1994）。其他一些因素，如能源同劳动之间的替代（Renshshaw, 1981）、部门结构的变化（Jenne and Cattell, 1983）、能源投入结构的变化（Liuo-tal, 1992）等都能改变能源-GDP比值，但这些因素对于能源技术效率并没有什么影响。Patterson（1993）曾经将这些外生因素从该指标中排除，以单独考察潜在的能源技术效率。

（2）能源生产率

它是能源强度的倒数，同劳动生产率、资本生产率一样，可以用于部门层面。美国国会经济委员会（Joint Economic Committee of the Congress of the United States, 1981）认为，能源生产率是对传统资本生产率和劳动生产率分析的一种补充，对于考察能源在经济中的作用更有效。通过结合考察三者的变化，可以发现能源同其他投入要素之间的关系（补充关系或替代关系）。同能源消耗强度一样，能源生产率比值可能会由于能源同劳动之间的替代而下降，但实际上能源技术效率并没有任何变化。为了克服这个问题，可以通过利用标准的计量模型技术来计算边际能源生产率，以测量增加1单位能源投入所带来的边际产出影响。

2.1.3 纯经济指标

纯经济指标是将投入能源与产出均按市场价值进行测量，又称为能源价值效率，也是美国国会经济委员会1981年提出的。同能源消耗强度相比，该指标更能准确反映能源经济生产率，并且还可以提供能源价格信息，从而反映出对能源的市场供需变化。Turvey和Norbay（1965）以及Bemdt（1978）认为，使用能源价格而不是热量单位来测量能源投入，可以解决能源非同质问题，使得不同质量的能源投入可以进行加总计算，他们提出使用“理想价格”来测量能源投入。理想价格反映了生产中能源的边际转化率，或者消费不同能源品时的边际替代率。但是，理想价格明显存在两个问题，首先是计算一个可操作的理想价格很困难；其次是这样的理想价格不像热量的测度那么稳定，从长期来看，它会随着技术进步以及人们的偏好发生变化。因此，将这一能源价值效率指标与其他效率指标结合起来进行国际横向比较，可以发现各国能源宏观效率或实物效率存在差异的部分原因（如能源价格偏低、能源结构不同等），但在纵向比较时，由于能源价格变化，有时效率值变化会很大。

从动态性来看，能源价值效率有时更适合于定义为设备全生命周期内的服务产出与能源成本比值。例如，购置节能灯，虽然在短期内需要一次性支付较多成本，但在灯泡的长期使用中节约了更多能源，实际上也提高了能源价值效率（相当于部分是通过资本对能源的替代来实现的）。