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      不同類型汽車的能耗和使用成本問題

      2013-04-29 19:21:43曾強陳天梁
      新校園·上旬刊 2013年8期
      關(guān)鍵詞:標(biāo)準(zhǔn)煤汽油一致性

      曾強 陳天梁

      摘 要:汽車的能耗和使用成本是我們尤為關(guān)注的問題。本文通過因子分析法、LCC理論和層次分析法,對電動汽車、傳統(tǒng)汽車、混合動力汽車的能耗和使用成本進行了詳細(xì)的研究和探討。

      隨著世界范圍內(nèi)能源的緊缺,汽車能耗問題日益突出,汽車類型的未來走勢也愈加明朗。傳統(tǒng)汽車以汽油為動力原料,利用燃油發(fā)動機驅(qū)動汽車行駛。電動汽車是指以車載電源(蓄電池)為動力,用電機驅(qū)動車輪行駛的車輛。混合動力汽車就是指汽車使用汽油和電力兩種驅(qū)動方式,以節(jié)省燃油及降低排放為主要優(yōu)點。本文結(jié)合目前的汽油價格和電能(車用蓄電池)價格,對這三類汽車的能耗和成本進行分析比較,可以較為直觀地了解汽車未來的趨勢。

      一、能源角度

      對這三類汽車的能量消耗,本文將折合為標(biāo)準(zhǔn)煤的用量來進行比較和分析(即將不同品種、不同含量的能源按各自不同的熱值換算成每千克熱值為7000千卡的標(biāo)準(zhǔn)煤)。對于汽油動力類汽車,是將汽車所耗的汽油折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的用量。而對于純電動汽車,其動力全部來源于電能,按照我國電力情況,百分之八十的電力來源于火力發(fā)電。而對第三類混合動力汽車,是將其所耗的汽油和蓄電池的電量折算為總的標(biāo)準(zhǔn)用量進行分析。在比較分析三類汽車的標(biāo)準(zhǔn)煤消耗時,本文將統(tǒng)一取里程一百公里平整公路,分別統(tǒng)計出三類汽車的標(biāo)準(zhǔn)煤用量,從而得出節(jié)能效果最好的一類汽車。

      因為市場上所售電動汽車和混合動力汽車較少,一般為家用小轎車。為減少汽車類型差異帶來的影響,本研究中的傳統(tǒng)汽車特選取1.8排量的家用轎車減少誤差,經(jīng)調(diào)查分析,得到下表:

      表1 三類汽車百公里能耗量

      1.傳統(tǒng)汽車的能耗計算

      根據(jù)中國汽車之家所查到的油耗數(shù)據(jù),我國的傳統(tǒng)汽車百公里油耗約為8.5L。相關(guān)資料顯示,我國使用最多的是93號汽油,所以本文將統(tǒng)一選此號汽油。因季節(jié)氣候不同,汽油的密度會有略微變化,取汽油密度的平均值0.725g/ml,計算可得1L93號汽油的質(zhì)量為0.725kg。國家統(tǒng)計局在《1986年重點工業(yè)、交通運輸企業(yè)能源統(tǒng)計報表制度》中規(guī)定了各類能源折算系數(shù),可知汽油折合標(biāo)準(zhǔn)煤為1.4714kgce/kg,計算傳統(tǒng)汽車的能耗:

      8.5×0.725×1.4714=9.0675(kgce)

      2.電動汽車的能耗計算

      我國火力發(fā)電量占比80%以上,所以本文以火力發(fā)電站作為發(fā)電效率計算的主要依據(jù)。資料顯示,電力等價值折合為標(biāo)準(zhǔn)煤為0.4040kg/(kwh),每千克標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為29260千焦。依據(jù)最新國家標(biāo)準(zhǔn)電力當(dāng)量值為3600kJ/(kwh),計算電動汽車的能耗。

      (1)我國火力發(fā)電企業(yè)的平均發(fā)電熱效率:

      ■=30%

      (2)電動汽車的效率。數(shù)據(jù)資料顯示,全國電網(wǎng)輸配電線損耗率為7%,而鉛蓄電池的能量轉(zhuǎn)換效率約為80%,且電動汽車每百公里耗電量約為14kw·h,電動汽車電機的效率:30%×(1-7%)×80%=22%

      (3)電動汽車的能耗。以每百公里耗電量為14·kwh計算等效標(biāo)準(zhǔn)煤用量:■=7.8295(kgce)

      3.混合動力汽車的能耗計算

      中國汽車網(wǎng)指出,混合動力汽車主要以發(fā)動機驅(qū)動行駛,利用電動馬達所具有的在啟動時產(chǎn)生強大動力的特征,在汽車起步、加速等發(fā)動機燃油消耗較大時,用電動馬達輔助驅(qū)動的方式來降低發(fā)動機的油耗。另一種是在低速時只靠電動馬達驅(qū)動行駛。而以上兩種形式所消耗的電量遠小于消耗的汽油量,所以本文在混合汽車的能耗問題上,忽略了電量的消耗,只考慮汽油量的消耗。類似于傳統(tǒng)汽車的能耗計算可得,混合動力汽車的能耗:5×0.725×1.4714=5.3338(kgce)。依據(jù)上文可以看出節(jié)能效果最好的汽車是混合動力汽車,其次是電動汽車,最次為傳統(tǒng)汽車。

      二、使用成本角度

      本文將以全壽命周期成本為基礎(chǔ),構(gòu)造全壽命周期成本模型(即LCC),而其成本主要包括購置費用,汽車的使用維修費用(保養(yǎng)費、維修費、燃油費、養(yǎng)路費),汽車的殘余價值(折舊費)和稅費等。

      我們采用LCC模型,建立全壽命周期費用,即:

      C=C0+■Cj(1+i)-j-S(1+i)-n

      式中,C代表全壽命周期費用,Co指購車成本,Cj指汽車使用維修費用,S指汽車殘余價值,i代表年利率,n代表使用年限,j代表第j年的維修費用。

      1.傳統(tǒng)汽車

      購車成本為C′0;汽車使用維修費用C′j,主要包括了燃油費P1,保養(yǎng)費P2,維修費P3,養(yǎng)路費P4,傳統(tǒng)汽車殘余價值為S1.

      綜上所述,我們可以得到下式:

      C=C′0+■C′j(1+i)-j-S1(1+i)-n

      所以,C=C′0+■(P1+P2+P3+P4)(1+i)-j-S1(1+i)-n.

      2.電動汽車

      基本算法與傳統(tǒng)汽車大體一樣,區(qū)別在于少了燃油費用,而多了電費P′1,其購車成本設(shè)為C′′0,使用維修費用為電費P′1,保養(yǎng)費P′2,維修費P′3,養(yǎng)路費P′4四種的總和。它的殘余價值為S2.因此,C=C′′0+■(P′1+P′2+P′3+P′4)(1+i)-j-S1(1+i)-n.

      3.混合動力汽車

      同理可得,維修費用由電費P′′1,保養(yǎng)費P′′2,維修費P′′3,養(yǎng)路費P′′4,購車成本為C′′′0,殘余價值為S3.

      那么,C=C′′′0+■(P′′1+P′′2+P′′3+P′′4)(1+i)-j-S3(1+i)-n.

      三、汽油價格的影響

      三類汽車所占市場份額主要受人們的購買意愿影響,而人們的購買意愿直接源于經(jīng)濟成本和環(huán)境因素。由于汽油價格的變化影響,人們購置汽車的主要考慮因素有燃油費、維修費、保養(yǎng)費、稅費和購置成本。我們采用層次分析法,研究汽油價格的變化對三類汽車所占市場份額的影響。

      現(xiàn)在對消費者選擇三類汽車的權(quán)重進行層次分析:

      1.建立層次結(jié)構(gòu)模型

      汽車選擇的層次結(jié)構(gòu)

      2.構(gòu)造成對比矩陣

      假設(shè)準(zhǔn)則層的燃油費、維修費、保養(yǎng)費、稅費、購置成本分別由B1,B2,B3,B4,B5表示;方案層的電動汽車、傳統(tǒng)汽車、混合動力汽車由P1,P2,P3表示。根據(jù)查閱圖書及資料,汽車類型選擇問題中比較5個準(zhǔn)則在選擇汽車類型這個目標(biāo)中的重要性。構(gòu)造矩陣如下:

      A=1 1/2 4 3 32 1 7 5 51/4 1/7 1 1/2 1/31/3 1/5 2 1 11/3 1/5 3 1 1 (1)

      3.一致性檢驗

      成對比較陣通常不是一致陣,但是為了能用它的對應(yīng)于特征根的特征向量作為被比較因素的權(quán)向量,其不一致程度應(yīng)在允許范圍內(nèi),怎樣確定這個范圍呢?n階一致陣的特征根是n,I階正反陣A的最大特征根λ≥n,當(dāng)λ=n時,A是一致陣。

      一致性指標(biāo):CI=■ (2)

      根據(jù)(1)的式子可以計算出λ=5.073,歸一化的特征向量 w=(0.263,0.475,0.055,0.099,0.110)T,由(2)得到CI=■=0.018,則RI=1.12,按公式計算出:CR=0.018-0.016<0.1,一致性檢驗通過,上述w可作為權(quán)向量。

      4.組合權(quán)向量

      在汽車選擇問題中我們已經(jīng)得到準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的權(quán)向量,記作w(2)=(w(2)1,…w(2)5)T,同理,得到方案層對準(zhǔn)則層的每一個準(zhǔn)則的成對比較陣如下:

      B1=1 2 51/2 1 21/5 1/2 1,B2=1 1/3 1/83 1 1/38 3 1

      B3=1 1 31 1 31/3 1/3 1,B4=1 3 41/3 1 11/4 1 1

      B5=1 1 1/41 1 1/44 4 1

      由方案層的成對比較陣Bi(i=1,2,3,4,5)計算出權(quán)向量W(3)i,最大特征根λi和一致性指標(biāo)CIi,結(jié)果列如下表:

      表2 汽車購置選擇問題第2層的計算結(jié)果

      由表得知,n=3時隨機一致性指標(biāo)RI=0.58,所以上表的CI均可以通過一致性檢驗。方案P1在目標(biāo)中的組合權(quán)重為它們相應(yīng)項的兩輛乘積之和,即:0.595*0.263+0.082*0.475+0.429*0.055+0.633*0.099+0.166*0.110=0.300

      同樣算出P2,P3在目標(biāo)中的組合權(quán)重為0.246和0.456,于是組合權(quán)向量W(3)=(0.300,0.246,0.456)T,結(jié)果表明,方案P3在汽車購置選擇問題上占的權(quán)重接近于1/2,遠遠大于P1,P2,應(yīng)作為第一選擇。

      5.組合一致性檢驗

      為了確定組合權(quán)向量是否可以作為最終的決策依據(jù),我們進行組合一致性檢驗。

      由上可知,CI(3)=0.00176,RI(3)=0.58,CR(3)=0.003,此外,CI(2)=0.016,于是CR※=0.019,組合一致性檢驗通過,該組合權(quán)向量可以作為最終決策的依據(jù)。

      顯然,從能耗角度分析,新能源汽車比傳統(tǒng)汽車優(yōu)勢明顯,這也是未來汽車發(fā)展的一種趨勢,而在兩種新能源汽車中,混合動力汽車較電動汽車稍好,但能耗差距不大。從長期發(fā)展來看,傳統(tǒng)汽車采用的不可再生能源會逐漸減少,新能源將成為主要能源。在成本分析中所建立的全壽命周期成本模型(即LCC),可反映出現(xiàn)階段的新能源技術(shù)不夠成熟、成本較高,這一方面會在未來得到解決;而傳統(tǒng)汽車的成本會隨著石油的枯竭慢慢上漲。從長遠角度而言,新能源汽車必會成為主宰。對汽油價格的影響,用層次分析法可知,未來石油資源將會越用越少,汽油價格也會越來越高。這樣,新能源汽車將逐步體現(xiàn)優(yōu)勢,而傳統(tǒng)汽車消費價格將會漸漸升高,在未來幾十年內(nèi),形勢將更加明顯。最后,從環(huán)保的角度而言,汽車排放的大量有害氣體加快了全球變暖的腳步,并且隨著不可再生能源的日益匱乏,價格上漲不可避免,傳統(tǒng)汽車的劣勢將會逐漸明朗化,而新能源汽車的優(yōu)勢也將漸漸體現(xiàn)。因而,傳統(tǒng)汽車所占市場份額會逐漸減少,電動汽車和混合動力汽車的優(yōu)勢會越來越明顯,其中混合動力汽車的購置量會明顯增加。

      參考文獻:

      [1]韓中庚.數(shù)學(xué)建模方法及其應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2006.

      [2]肖華勇.實用數(shù)學(xué)建模與軟件應(yīng)用[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2008.

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      [4]周義倉,赫孝良.數(shù)學(xué)建模實驗[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2007.

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