本文在对我国能源消费结构、经济发展现状以及二氧化碳排放现状分析的基础上，结合大量的实证材料得出结论，目前我国的经济增长在较大程度上主要依赖大量的能源消耗。将国家节能减排指标以及二氧化碳控制目标作为约束性的指标进行研究，使得其能够为能源、经济和二氧化碳排放的综合决策提供参考，从而实现我国经济、能源和环境的可持续发展。本文采用文献研究法、协整分析法、灰色关联度分析法、多目标分析法和情景分析法，从定性和定量两方面对我国能源消费结构进行研究。首先对我国能源消费结构以及二氧化碳排放进行了横向与纵向的比较，运用协整分析方法分析了我国能源消费结构与经济增长和二氧化碳排放之间的相关关系。然后运用灰色关联度分析法对影响我国能源消费结构的各个因素进行了分析，比较他们与能源消费结构之间的关联程度的强弱，得出社会固定资产投资与能源消费结构的关联度最大，为能源消费结构优化的目标及约束设定提供了参考依据。在借鉴国内外学者对于能源消费结构优化的研究基础之上，将碳排放因素考虑进能源消费结构优化之中，并运用多目标规划方法构建了以能源消费成本最小和二氧化碳排放最小为目标函数，二氧化碳排放、能源消费总量、各种能源消费比例为约束的低碳目标约束下我国能源消费结构优化模型，并结合情景分析方法对2020年各地区的二氧化碳排放、能源消费总量、各种能源消费比例的阀值进行设定，分析了2020年我国各地区能源消费结构变化的方向。然后对于我国中长期的二氧化碳排放、能源消费总量、各种能源消费比例的阀值进行设定，分析了低碳情景下我国未来能源消费结构的变化方向。