基于时间序列的中国制造业能源利用效率研究
摘要：制造业作为碳排放大户，其能源利用效率的高低决定了我国工业发展的可持续性。对制造业能源利用效率的衡量指标及影响因素进行理论分析，以1994-2013年间制造业的时间序列数据为样本，选取能源强度、能源价格、技术投入和企业规模几个变量构造模型，使用Johansen-Juselius协整分析方法对模型进行估计，研究发现能源价格、技术投入和企业规模均能引起能源强度的反向变化趋势，弹性系数反映出不同因素的影响程度，并据此提出提高中国制造业能源利用效率的对策建议。
关键词：能源利用效率；能源强度；制造业；协整检验
文献♪标识码：A 文章编号：1002―2848―2017（02）―0109―07
一、引言
制造业是国民经济的物质基础和经济增长的重要支柱，制造业的先进程度是一个国家工业化进程的重要标志。制造业不仅是GDP增长和税收增加的重要来源，也为城市和农村的就业人口提供了大量的岗位。同时，制造业也是耗能大户，据《中国统计年鉴》数据显示，从1998年至2013年，制造业能源消费量占我国能源消费总量的比例基本维持在54%左右。而细观其能源消费情况，不难发现中国传统制造业的发展主要采用“高投入、高消耗、高排放”模式。这种低效率的模式在经济快速发展、资源过度使用和环境日益破坏的宏观背景下已不再适用，已无法满足经济新常态下中国工业的发展需求。那么，如何在资源与环境的双重约束下走出一条低碳、绿色的可持续发展道路，是摆在中国制造业面前的一道难题。
“十三五”期间，面对全球气候变暖、环境不断恶化的宏观背景，作为碳排放大国，中国要在压力不断增大的情况下完成对世界的减排承诺，实现节能目标，就必须不断提高能源利用效率，挖掘节能潜力，调整能源结构。而制造业应首当其冲的完成其向低碳发展模式的转变，低碳发展模式将有利于提高行业的能源利用效率，释放节能力，最大限度的减少二氧化碳等有害气体的排放。那么中国制造业的能源利用效率受哪些因素影响，以及如何提高能源效率，是本文要研究的一个重要动机。显然，在当前国内外能源和环境的双重约束下探索出制造业的可持续发展道路，具有重要的理论和现实意义。
二、文献综述
自世界范围内的气候问题和环境问题日益受到各国重视以来，关于能源利用效率和节能潜力的相关研究就层出不穷。学者们主要从区域的能源利用效率、行业的能源利用效率以及与其他国家的能源效率相比较等视角进行了阐述。
何晓萍利用随机前沿模型，以中国工业部门为研究对象，分析其能源投入效率和节能潜力，并在此基础上分析了其影响因素，结论显示我国工业释放节能潜力的主要方向应是提高重工业的能源利用效率。王腊芳等以区域差异和行业差异为出发点，计算中国各区域、各省市制造业整体及其分行业的能源强度和节能潜力。Fisher-Vanden等人围绕中国能源密集型大中型工业展开研究，发现中国能源强度下降的主要动因有工业结构的转变、能源价格的上升、研发投入的增加以及所有制的改革。林伯强和张国梁建立了中国有色金属工业能源强度和各影响因素之间的协整模型，并预测了中国有色金属工业未来的节电潜力。李艳梅利用结构分解分析方法，选取经济规模、产业结构、经济增长方式和节能技术变化4个变量作为影响能源消费的主要因素，并实证检验了各因素影响中国能源消费增长的弹性系数，结果显示技术革新是节能的唯一影响因素。汪克亮等研究发现节能潜力的提升主要通过技术进步和产业结构优化等途径来实现。金培振分别测算出中国与10个OECD国家在1995-2007年的全要素能源效率和节能潜力，结果表明知识投入对于能源效率的提高有很强的推动作用。杭雷鸣、图梅曾运用1985-2003年的时间序列数据，实证研究了中国制造业能源强度的影响因素，结果表明：能源价格、外商直接投资、产业结构调整、所有制改革等因素对于制造业能源强度的改善有积极的作用。史丹通过分析能源利用效率的影响因素，得出在对外开放、产业结构和经济体制的共同作用下，我国改革开放以来能源利用效率得到了极大的提高。樊茂清等研究发现技术变化、要素替代、贸易、一次能源结构和部门结构变化是引起制造业能源强度变化的重要因素 ツ。呙小明和康继军证明了外贸依存度与外资依存度对制造业能源利用效率的作用。
尽管学者们从不同角度，选择不同的方法对于制造业能源利用效率问题进行了分析，得到了相应结论，但是少有学者对于制造业能源强度与其影响因素的长期均衡关系进行研究，并且学者们关注效率因素和结构因素的偏多，但对于企业规模影响能源利用效率的研究很少，本研究采用中国制造业的时间序列进行分析，为避免时间序列的非平稳性产生的伪回归问题，借鉴林伯强分析有色金属工业能源强度的协整模型，并引入企业规模变量，分析中国制造业能源强度与能源价格、技术进步、企业规模之间的长期均衡关系，试图解释中国制造业能源利用效率的变化原因，据此提出提高制造业能效、降低能耗等具有针对性的对策建议。
三、能源利用效率及其影响因素
（一）能源利用效率
分析能源利用效率的目的，在于分析人类经济活动对能源的利用以及对自然环境造成的影响，从而能基于可持续发展的视角为能源政策的制定提供参考依据。通常用能源消费强度作为衡量能源利用效率的指标。能源消费强度（或称能源消耗强度）是指单位经济产出所消耗的能源量，用公式表示为：EI=E/Y，其中EI为能源消费强度，E为能源消费量，y为产出水平。能源消费强度实际上是能源经济效率的倒数，能源消费强度越高代表单位产出消耗能源量越大，其能源利用效率就越低。
中国能源消费结构决定了我国制造业的能源利用效率与发达国家相比还有很大的差距。表1是2006-2013年间中国制造业能源消费总量及各类能源消费总量。可以看出，煤炭始终是中国制造业的主要能源来源，占能源消费总量比重高达60%-70%以上。而煤炭燃烧所产生的二氧化碳和其他有害气体对环境的危害不容小觑。因此，有必要研究如何降低能源消费强度，提高制造业的能源利用效率，或者使用清洁能源进行替代等方式实现中国低碳经济的发展目标。 （二）能源利用效率的影 Ü响因素
能源利用效率受到技术进步、能源价格、企业规模及相关政策等诸多因素影响。具体如下：
1.技术进步
现有关于能源利用效率影响因素的研究中，大部分文献把能源效率的提高归结为两大因素，一是结构因素，又称产业结构调整因素，即能源从低生产率的产业向高生产率的产业（如农业向工业、工业向服务业等）流动；二是效率因素，即由于各产业内技术进步带来能源利用效率的提高。支持结构因素的学者们从三次产业结构的调整对能源利用效率的影响或从某一产业结构的调整如工业部门内部轻重结构变化对能耗强度的影响进行了分析，却得到了不尽相同的结论。结构的变化受到时间阶段、产业层次的影响，不同的研究背景必然产生不同甚至截然相反的结论。而效率因素的支持者们从技术改进对能源利用效率的贡献上进行了大量的实证研究，结果表明，中国能耗的下降得益于工业部门能源利用效率的提高，技术进步的贡献明显大于结构变动的贡献。可以说，技术进步对于制造业能源消费的影响是有目共睹的，只是影响的方式及影响的程度有待深入研究。“中国制造2025”势必为制造业带来新的机遇，通过增加节能技术研发与投入提高生产率，降低能源消耗强度，从而促进制造业快速、绿色.发展。
2.能源价格
传统的经济学理论认为，影响某种产品需求的因素包括价格、偏好、预期、互补品替代品价格等等，在这其中价格是最为重要的因素，从价格与需求的反向变化关系可得：通过提高商品价格可降低该产品需求量，我们称之为需求定律。那么作为基础性战略资源的能源是否符合需求定律呢？杭雷鸣、屠梅曾等运用时间序ฒ列数据证实了能源相对价格的上升对于降低能源强度的积极贡献，Fisher-Vanden也证实了能源价格的上升是能源强度下降的主要动力，我们有理由相信能源价格是影响能源消费量的重要因素，那么能源价格的变化会在多大程度上抑制高耗能企业的能源需求，或者如何通过价格机制引导企业采用新能源以减少对环境的破坏？这是我们在实证分析中需要解决的问题。
3.企业平均规模
企业平均规模的大小对于制造业的能源利用效率有着较为重要的影响。众所周知，企业的规模越大，在生产过程中的规模经济效应越强，表现出来的是可以采用更先进的节能技术、设备使用率相对较高，也可以实现更高的能量转换率。而小企业由于资金规模等限制，往往走的是粗放式发展道路，能源消费强度相对较高，能源利用效率较为低下。但是之前从结构因素分析的学者大多研究三次产业的结构调整，或者是产业内部的结构变化对于制造业能源利用效率的影响，少有学者针对企业平均规模这一变量进行研究。本文将引入企业平均规模这一变量，作为制造业能源利用效率的影响因素进行分析。
4.节能政策
节能政策也是影响能源利用效率的重要因素。技术导向型的政策往往会极大的激励技术创新者，为其提供更便利的创新环境，通过产学研用等多方合作提高能源利用技术水平。目前我国在实现向制造业强国转变的过程中，并不缺乏技术研发的能力和水平，缺的是对于这些创新行为的鼓励政策。没有完善的制度环境和利于创新者的宏观背景，难以将节能技术真正的研发出来并进行市场推广，我们深知节能减排政策对于制造业提高能效的重要作用，却难以将政策因素予以量化并作为实证检验的指标，在文章最后的对策建议中会提出相应措施。
四、实证分析
（一）实证模型构建
本文将主要采用Johansen与Juselius提出的建立在VAR模型基础上检验回归系数的方法。建立模型的基本假设认为，所选用的经济指标应该具有均衡关系，然而在实际数据操作过程中，时间序列数据的均值或自协方差函数难以保证不随时间的变化而变化，因而需要进行数据平稳性检验和处理，避免出现伪回归问题。针对该类情况，有学者提出将非平稳序列经过一阶差分调整为平稳序列，那么该序列就为一阶单整序列。如果一组非平稳的时间序列经过差分变成同阶的序列，且它们的线性组合变为平的，则称该组合时间序列具有协整关系，并且不同变量之间存在长期的均衡关系。
学者们通常采用Engle和Granger（EG）的两步法以及Johansen和Juselius（JJ）的极大似然法对协整关系进行检验。就两个方法的特点而言，单方程更适用E-G的两步法，多方程更适用JJ法。本文选取多个变量进行研究，作为多变量方程采用JJ法研究多变量间的协整关系将更具优势。
在运用相关数据进行协整之前，首先要进行平稳性检验。协整关系的存在要求只有同阶单整序列之间才可以建立协整关系。ADF（Augmented Dickey-Fuller Test）单位根检验是实证中较为常用的单位根检验方法。
具体公式如下：
（二）指标选取及数据来源
基于上文实证模型的构建，关于我国制造业的能源利用效率影响因素问题，我们选取能源消费强度（ET）作为研究序列，选择能源要素价格（P）、技术投入（T）和企业规模（S）等因素作为能源消费强度的对比或影响序列。
其中，EI表示能源消费强度，用制造业的能源消耗总量占行业增加值的比重表示。
P表示能源价格，这里采用燃料、动力类的工业生产者购进价格指数来表示，暂且忽略能源间的相互替代作用。
T表示技术投入，这里用行业科研经费投入占工业总产值比重来表示。
S表示企业平均规模，这里以主营业务收入与行业企业数量之比来表示，应当指出的是，个别年份数据缺省，采用计量方法进行估计代替，为消除异方差，我们对所有变量进行了对数化处理。
本研究选用的数据长度20年，时间跨度为1994年至2013年。其中，数据均来源于历年《中国统计年鉴》、CEIC中国经济数据库和《中国科技统计年鉴》，所有数据均以1990年为基准年进行了标准化处理。
（三）实证分析 1.平稳性检验
对于原始序列进行ADF检验，从表2可以看出所有序列都未能拒绝原假设（P>0.05），即数据是非平稳的。因此，对序列进行对数处理后再进行一阶差分，从表2结果发现，需要分析的变量序列均形成平稳序列，满足后期统计分析的要求。
2.滞后阶数的确定
深入分析变量间的协整关系，确定时间序列的最优滞后阶数，首先需要构建VAR模型。按照惯例，应根据LR、FPE、AIC、SC和HIQ五个准则来确定各变量的最优滞后阶数。从表3可以看出，FPE、AIC、SC及HIQ均以滞后2阶为最优滞后阶数。
3.协整系数估计
根据ADF检验结果，说明四个变量的原始数据不存在显著的均衡关系，但是它们一次差分后的结果显示平稳，即它们存在长期均衡关系，可以进行协整关系检验。运用JJ协整检验结果如表4所示。检验从不存在协整关系的零假设出发，一直持续到接受零假设为止。由表4中迹检验信息看，最多3个协整向量的存在零假设仍然是被拒绝的，这说明统计所研究的变量之间至少存在3个协整关系，据此可以认为能源强度、能源价格、技术投入和企业规模之间存在长期均衡关系。此外，为了保证检验的准确性，采用的最大特征值检验仍然能够证实以上结论，即表4中的最大特征根检验信息可看出，最大特征值统计量均超过了5%置信水平边界值。综上所述，中国制造业的能源强度、能源价格、技术投入和企业规模因数之间存在协整关系，或说他们之间存在长期均衡关系。
在对模型进行迹检验和最大特征根检验后，应建立中国制造业能源强度影响因素的协整方程。对于这里存在多个协整向量的情景，选择一个具有合理经济意义的协整向量是非常必要的。因此本文选择最符合理性预期和经济意义的协整向量，并将其进行标准化处理。同时根据统计量的非显著性而排除掉另外两个协整向量。根据标准化协整向量系数，可以建立相应的协整方程：
其中，括号内为标准误，其相应的协整向量为：
β=（1，-0.4536，-0.448，-0.3588）
可以看出经过实证分析后的协整模型中系数显著，均通过t检验。
通过对模型结果的分析，我们认为该协整模型结果符合经济理论的预期，能源价格、技术投入和企业规模对中国制造业的能源强度有着重要的抑制作用，为提高制造业能源利用效率，释放节能潜力提供了思路。
4.协整关系稳定性检验
由VAR模型所得到的协整方程并不能保证所估计的系数都是稳定的，为了确定我们所选择的协整关系具有良好的形式，非常有必要检验VAR模型的稳定性，采用系数矩阵的特征根来分析结果的稳定性。图1显示了所有的特征根的绝对值都小于1，而且所有值均分布在单位圆的内部。因此可以认为协整方程的系数满足平稳性检验，即由VAR模型所得到的协整方程是有效的。
五、结论与建议
通过对中国制造业能源利用效率问题的研究，探讨影响制造业能源强度的几个重要因素，并对相关因素进行模型估计的实证分析，得出以下基本结论：（1）通过对制造业相关变量的时间序列数据进行ADF检验，发现这些变量都是非平稳的，但是一阶差分后调整为平稳的序列，适用JJ协整检验方法。（2）协整方程表明了1994至2013年期间能源强度、能源价格、技术投入和企业规模四个变量之间存在长期均衡关系。（3）方程右边能源价格、技术投入和企业平均规模的系数符号均为负，这说明长期内三个变量与行业的能源强度变化呈相反方向。说明提高能源价格、增加技术投入和扩大企业规模对于降低行业能源消耗强度，提高能源利用效率、释放节能潜力具有积极作用。这个结果也是符合经济学逻辑的，能源价格的提高会抑制对能源的消费量，技术进步会节约能源的消耗量，而扩大企业规模会提高能源的使用效率。（4）具体而言，弹性系数表明，能源价格对于制造业能源使用的影响最为直接且影响最大，能源价格提高1%可以带来能源强度下降0.454%；技术投入对于能源使用的影响次之，每增加1%将使制造业能源强度下降0.448%；相对来说，企业规模对于能源消耗的影响较小，企业规模扩大1%可以带来能源强度下降0.359%。（5）在过去的20年里，中国制造业能源强度的下降有很大程度上是源自能源价格的变动和技术水平的提升。制造业作为高耗能产业，能源价格的提高可以显著刺激企业研发并应用节能技术。此外，通过行业结构调整和企业兼并重组实现企业规模的扩大在降低能源强度中也发挥了重要作用。
根据实证分析的结果，对中国制造业提高能源利用效率，选择节能减排的发展路径提出几点对策建议。
首先，充分发挥价格机制作用，使能源价格体现市场经济规律。中国是原油净进口最多的发展中国家，能源价格受到国际原油价格波动的影响无可厚非，但中国的成品油定价机制虽然在一定程度上有所放开但仍然处于政府控制的定价阶段，因此在价格传导过程中往往会由于时滞等原因不能正确反映市场供需，甚至是扭曲了能源应有的价格水平。本文的实证结果已经说明了能源价格的变动对于降低能耗强度的重要作用，因此，以充分反映市场价值规律的能源价格来抑制能源的过度消耗，是我国制造业释放节能潜力的主要手段。目前制造业的生产普遍呈现生产效率低下、能源消耗大、浪费污染严重等问题，这些问题从根源上v是节能减排的意识尚未深入人心，节能减排政策对于行业的软约束力不强，唯有通过价格这一硬约束来实现节能降耗目标。市场经济的规律告诉我们，只要约束够强，经济人自会在约束条件下做出效用最大化的选择，主动寻找降低能耗的方式与途径。
其次，必须加大科研经费投入，促进节能降耗技术革新。伴随着“中国制造2025”的提出，我国制造业若想与德国工业4.0顺利对接，就必须实现技术革新，更新工艺设备，提高要素使用效率尤其是能源利用效率。而实现技术革新的必要手段就是加大科研投入，加强产学研用相结合，提高科研经费在销售收入中的比重，对现有落后装备进行改造升级，激励企业突破关键节能技术，充分发挥节能潜力。加强对碳捕获和碳封存技术的研发和投入，把握住燃烧前、燃烧中和燃烧后三个阶段的碳捕获，尽可能减少制造业生产过程中二氧化碳的排放量，加大对碳运输方式和碳封存技术的研发投入，减少二氧化碳在运输和封存过程中的泄漏和排放。加强对太阳能、生物质能、水能、风能等可再生新能源的研发和使用，从根源上减少化石能源的使用，降低二氧化碳的排放量。
再次，调整产业结构，适度提高产业集中度。在我们的实证结论中，企业规模对于能源强度的影响亦不容忽视，企业规模的扩大有利于降低能源强度。目前我国制造业企业布局分散，行业内竞争激烈，不利于产业结构调整和行业整体节能潜力的发挥，应加速淘汰落后的产能，尤其是那些工艺技术落后、环境污染严重、在国民经济发展中“拖后腿”的落后产能。通过企业间的联合重组适度提高产业集中度，对于我国制造业提高整体竞争力，在国际市场占有一席之地具有重要的促进作用。
最后，制定节能减排政策，监督行业落实情况。中国制造业长期以来形成的高能耗、高排放、高污染的发展模式，与节能政策的缺失和对已有政策的执行不力不无关系，因此，提高制造业的能源利用效率，必须制定强有力的节能政策，并监督政策的执行情况，对于高能耗行业形成硬约束，对于高污染行业加大处罚力度，对于节能降耗行业实行激励机制，推进碳排放权交易市场在现有试点的基础上面向全国推广，对不同制造企业制定碳排放量配额，通过市场化机制奖优汰劣，让那些真正能够节能减排的企业有利可图，使不能节能减排的企❦业付出代价。相关部门应尽快落实建立全国碳排放权交易体系的法律基础、数据收集、配额分配、创建和完善全国注册登记系统和交易平台等工作。加快推进碳税体系设计，明确碳税征收的对象和税率等问题，使节能减排工作以政策为准绳，使节能减排理念深入人心，引导企业主动走上低碳经济、绿色经济的发展道路。
