基于系统动力学的河北省工业碳排放研究

李国柱，何　曼(石家庄经济学院经贸学院，河北石家庄050031)

基于系统动力学的河北省工业碳排放研究

李国柱，何曼
(石家庄经济学院经贸学院，河北石家庄050031)

摘要:论文以河北省工业行业为研究对象，利用系统动力学的建模方法，构建河北省工业碳足迹的系统动力学模型，并对模型进行检验。在通过对于模型的验证之后，分别设定三种低碳发展情景，对比其模拟结果，并将适合河北省低碳经济发展的模式界定于情景2和情景3之间。最后，结合系统的模拟结果，针对碳足迹系统的制约因素，从产业优化升级、低碳能源开发、人才技术和财税政策支持等方面，对河北省发展低碳经济提出了对策和建议。

关键词:碳排放;系统动力学;低碳经济

网络出版地址: http://www. cnki. net/kcms/doi/10.13937/j. cnki. sjzjjxyxb. 2015.04.011.html网络出版时间:2015－08－20 15:30

一、引言

目前，河北省处于城市加速发展、人口急剧增加的阶段，为了保持现有经济发展态势，全社会的能源消耗量将会持续增加，由此带来的碳排放总量也会随之快速增长。钢铁、化工、制药等传统产业在河北省的产业结构中占有主导地位，清洁能源行业当中的光伏发电、风电设备等发展也有较快发展;但是河北省的产业结构仍然存在不少问题，例如第二产业比重过大、对于工业中的高耗能行业依赖性，影响到了可持续发展的能力，产业升级转型迫在眉睫，河北省迫切需要探寻适合自身经济体系特点和资源禀赋的低碳化转型方式。本文以河北省为例，分析了河北省工业能源消费和工业碳排放现状，利用System Dynamics建模方法，建立了河北省工业碳足迹的SD模型，进而对于河北省碳足迹系统进行基于不同情景设定的仿真模拟，最终得出河北省经济发展和环境改善的最优发展模式。与此同时，结合仿真结果，总结了河北省碳排放的制约因素，并为河北省发展低碳经济提供可行性建议。

二、河北省工业能源消费与碳排放

(一)河北省工业能源消费概况

河北省工业行业消耗的能源有:原煤、洗精煤、其他洗煤、型煤、焦炭、焦炉煤气、高炉煤气、其他煤气、其他焦化产品、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油气、炼厂干气、其他石油制品、天然气、热力、电力和其他能源等。通过对《河北经济年鉴》的工业能源消费量和《中国能源统计年鉴》的各类能源消费实物量数据进行整理，得到河北省2005年—2012年工业能源消费总量图(图1)和能源消费趋势图(略)。

从图1可以看出，随着工业增加值的逐年增长，河北省工业行业的能源消费量呈逐年上升趋势，工业增加值的增长趋势与工业行业能源消费量的发展趋势基本吻合。2005年—2012年，工业行业的能源消费量(终端消费量)占社会能源消费总量的比例分别为73.37%、74.07%、74.50%、74.78%、74.06%、72.75%、78.90%和77.98%，全部在70%以上，而且有逐年增长的趋势。

从能源消费趋势图可以看出，近年来河北省的工业能源消耗量随着时间的推移，逐年增加;其中，在能源消费量中占了较大比例的原煤、焦炭和电力三种能源的增加趋势最为明显。2005年，三种能源的实物消耗量分别为: 39 166 712吨标准煤、43 689 006吨标准煤和41 115 484吨标准煤，分别占了当年工业行业能源消耗总量的26.91%、30.01%和28.25%。到了2012年，三种能源的实物消耗量分别为: 45 042 615吨标准煤、81261787吨标准煤和87 819 096吨标准煤，占当年工业行业能源消耗总量的比例分别为19.1%、34.45%和37.23%。长期以来，河北省能源消费结构以煤炭为主，1980年—2012年间一直在90%左右徘徊，消费结构单一，其他类型能源占比偏低，碳排放主要来自煤炭消费。与同处京津冀地区的北京、天津两大直辖市相比，河北省的碳排放量一直较高且增速明显，未来的碳减排不容乐观。

图1　2005年—2012年河北省工业行业能源消费总量

从表1可以看出，2005年至2012年，河北省规模以上工业企业的综合能源消耗量逐年增多;这一期间六大高耗能行业的能源消耗量占到规模以上工业的综合能源消费总量的90%，并且始终保持在这一稳定水平。通过数据分析我们不难看出，六大高耗能行业是河北省的能源消耗大户，而这其中，电力、热力的生产和供应业，黑色金属冶炼及压延加工业，又占了绝大部分。这在一定程度上表明，河北省节能降耗的重点领域是六大高耗能行业，而其中的减排重点，是电力、热力的生产和供应业以及黑色金属冶炼及压延加工业。

表1　2005年—2012河北省规模以上工业企业及高耗能行业能源消费总量　(单位:万吨标准煤)

(二)河北省工业碳排放概况

本文采用的工业能源消耗量，根据河北省地区能源平衡表中工业的终端消耗量整理得出，并统一折算成标准煤当量，并以此作为计算碳排放量的基础。需要说明的是，计算过程中不计入加工转化过程、运输和输配损失能源的碳排放。另外，终端能源消费量中，不再计算电力和热力的排放，其碳排放按照火力发电和供热过程投入的能源计算［1］。

碳排放量的计算，采取IPCC碳排放指南计算方法，如下所示:

式中，C代表由于能源消费引起的碳排放量，单位为104t; Ei表示各种一次性能源的消费量，按照标准煤计量; Fi表示各种能源的碳排放系数，(104t/104t)。

碳排放系数Fi来源于IPCC碳排放计算指南，属于缺省值一类，以焦(J)为单位。标准煤与能量的转化，其系数为1×104t标准煤=2.93× 105GJ。按照工业行业中的能源消耗类别，碳排放系数如表2所示。

表2　各种能源的碳排放系数

通过数据处理，可以得出河北省工业行业的碳排放量，如图2所示。2005年至2012年，随着工业GDP和工业行业的能源消耗量不断增长，碳排放量也随之呈现出不断上升的趋势，而且增长速度很快。发展趋势上，工业行业碳排放量与工业GDP的增长基本一致。

图2　2005年—2012年河北省工业行业碳排放量

三、系统模型构建与检验

(一)系统结构

模型涵盖四个子系统，分别是能源子系统、人口子系统、经济子系统和环境子系统。

从模型框架图(图3)可以看出，四个子系统之间相互作用，相互影响。其中能源子系统处于核心位置，能源水平直接制约经济、人口的发展，能源的消费和废弃物排放直接影响了环境的质量。经济子系统为系统提供动力，经济总量和经济增长率决定了系统总体的发展。人口子系统是发展子系统，其发展水平直接受到其他子系统发展状况的影响，人口的数量又能够反作用于经济发展、能源消费和环境质量。环境子系统是评价子系统，经济发展、人口增长和能源消耗的最终效果将直接反映在环境的质量上，在本文中主要用碳排放量来进行评价。

图3　系统模型框架图

(二)因果关系图

系统控制的决策过程的进行，主要位于系统中一个或者多个回路之中。在明确了系统边界的基础上，我们根据变量之间的相互关系来构建因果关系回路。

如图4所示，系统中的主要反馈回路有:

工业GDP→+科技投入→+能源利用效率→‐化石能源消费量→+工业碳排放量→+碳排放水平→+减排成本→‐工业GDP

工业GDP→+ GDP总量→+人均GDP→+生活水平→+人口→+劳动力→+工业GDP

环保政策→+产业结构→‐高耗能行业能源消费→+化石能源消费量→+工业碳排放量→+碳排放水平→‐环境质量→+环保政策

环保政策→+能源结构→‐化石能源消费量→+工业碳排放量→+碳排放水平→‐环境质量→+环保政策

环保政策→+科技投入→+能源利用效率→‐化石能源消费量→+工业碳排放量→+碳排放水平→‐环境质量→+环保政策

碳排放水平→‐环境质量→+环保政策→+能源结构→‐化石能源消费量→+工业碳排放量→+碳排放水平

碳排放水平→‐环境质量→+环保政策→+产业结构→‐高耗能行业能源消费→+化石能源消费量→+工业碳排放量→+碳排放水平

碳排放水平→+减排成本→‐工业GDP→+化石能源消费量→+工业碳排放量→+碳排放水平

图4　系统的因果关系图

根据图4中的因果关系图，我们将其转化为系统动力学流图，如图5所示。

由于2005年之前的河北省能源消耗数据缺失，2005年之后的各项数据趋于完善，为保证数据的完整性和真实性，选择2005年作为模拟的起点。模型的时间界定为2005年至2020年。

另外，需要考虑模型的另一项指标DT (积分步长)的选择。从理论上来说，DT的选择不得大于系统变化周期的四分之一，否则会使计算的结果失真［2］。在一阶系统中，通常选取DT=(0.1～0.5)×DT。实际中也可以根据实际管理中的决策频率来确定DT。在本模型中，DT确定为1年。

图5　系统的流图

模型中参数的选择是建立模型的过程中非常重要的一步。本文中参数的主要类型有常数、表函数和初始赋值，参数的确定方法主要有:

(1)查阅《河北经济年鉴》《中国能源年鉴》等统计年鉴和政府部门的相关数据和文献资料，运用相关统计学知识，整理已知数据并进行预测。如工业GDP、人口总数、工业能源消费量等。

(2)利用Vensim_ PLE软件自带的表函数功能，建立模型中部分变量之间的函数关系以得出参数值。如科技投入因子、结构影响因子、人均GDP的目标值、碳排放强度的目标值等。

(3)运行模型之后，针对与真实数据不符的结果修改模型的参数，使得模拟的结果更加接近真实数据。

根据前文建立的系统模型和设定的参数，运行Vensim_ PLE软件，模拟河北省2005年—2020年工业碳足迹系统的运行情况。可以得到四组数据，分别对应工业GDP、人口总量、工业能源消费量和工业碳排放总量的仿真结果，如表3所示。

(三)模型的检验

系统动力学认为，任何一个模型都不能完全地反映现实，模型只是对于现实情况的一种抽象模拟。在模型中，现实中可以观察到的规律和法则仍然适用。模型的质量没有好坏之分，但是在系统动力学中，我们应该选择具有更高的可信度的模型，以便对于现实问题提出更加有效的政策建议。

模型的有效性测试主要是通过比较历史数据与仿真数据之间的偏差率，来验证模型的有效性。本文主要验证了工业GDP、人口总量、工业能源消费量和工业碳排放总量的历史数据和仿真数据之间的误差，以验证所建立模型的有效性。通过数据检验，偏差率都在±10%以内，基本满足了系统仿真的条件［3］，说明河北省工业碳足迹系统能够较为真实地还原了现实情况。

通过测试，验证了该模型能够可信地反映现实状况，可以用于系统仿真，为河北省发展低碳经济，提供可靠的政策建议。

表3　2005年—2020年系统仿真结果

四、系统仿真

(一)发展情景设定

在建立了河北省工业碳足迹模型之后，下一步就是通过系统仿真，以确定适合于河北省现实状况的经济发展模式。本文的研究对象，是河北省工业碳足迹系统，分别建立了能源子系统、人口子系统、经济子系统、和环境子系统。系统仿真就是在子系统不同变量的基础之上，对于相关变量进行组合和仿真，对比不同发展方案之下的仿真结果，为实现河北省经济发展目标提供政策参考。

国际能源机构(IEA)在《世界能源展望2007》中，提出了三种发展情景，分别为:“参考情景”，“可选择政策情景”，“高经济增长情景”。情景在描述未来发展的可能性方面，比别的方法更加简化和直观。一般来说，情景的设定始于假设，其对象是重要关系和驱动力，且对象通常连贯一致。情景，可能针对不同的发展情境，做出详细的描述;情景不是假设，也不是预想。情景可以从预计中得到，但经常是来源于其他信息的额外信息。

在建立河北省工业碳足迹的系统动力学模型的基础上，本文设计了三种情景来进行仿真模拟，三种情景的总体目标见表4。

表4　模型的三种情景

为了对于模型中的状态变量进行仿真，模型的控制参考变量选取常量和状态变量初始值等系统参数［4］，主要有碳排放强度目标值、科技投入因子、结构影响因子和碳排放强度影响因子。

经过调试，不同情景的参数设定如表5所示。

(二)仿真结果

对于三种模拟情景的仿真结果进行总结，发现不同的影响因子在三种发展情景之下，得到的结果不同。下面主要从碳排放强度和工业碳排放量两方面进行对比。

表5　三种情景的参数设定

1.碳排放强度目标值的对比

三种情景的碳排放强度的设定不同，情景1中的碳排放强度设定为每年降低3.91%，依据是“到2020年，单位GDP碳排放比2005年降低40%～45%”的发展目标。情景2设定为4.98%，即2015年的碳排放强度，比2005年降低40%。情景3设定为5.8%，即2015年的碳排放强度，比2005年降低45%，比情景1的预期完成时间提前五年。三种情景目标值差异如图6所示。

2.工业碳排放量的对比

从图7可以看出，虽然三种情景中，碳排放量在未来几年仍然保持了增长的态势，但是情景2和情景3的碳排放量均低于情景1。这是由于科技投入、结构调整以及其他影响因子的作用。与此同时，以情景1为基准，情景3的变化幅度大于情景2，在影响因子的调整上幅度更大，有利于提前实现低碳经济的发展目标。

3.碳排放强度的对比

通过图8可以看出，三种情景下碳排放强度的仿真结果有所不同。情景2和情景3的仿真结果均低于情景1，说明工业碳排放量的差异在GDP增长速度不变的情况下，决定了碳排放强度的差异。

上文以图表形式，直观地对比了Vensim_ PLE软件的仿真结果。通过三种发展情景的对比结果可以看出，为了实现减排目标，对于河北省工业行业的诸多方面，例如产业结构、能源结构和科技投入程度，都有更高的要求。

从对比结果可以看出，在三种情景当中，情景3的碳排放量模拟结果最低，但是，在河北省发展低碳经济的实践中，情景3的设定可能会给节能减排的工作带来一定的压力。以碳排放强度的目标值为例，情景1将年均下降速度设定为3.91%，其依据是中央政府做出的“到2020年全国单位GDP二氧化碳排放量比2005年下降40%～45%”的决定，情景3在这一基础上，缩短了实现减排目标的时限，加快了减排幅度。这就使得河北省“十二五”末期以及“十三五”期间的减排难度加大，淘汰落后产能的规模将进一步扩大;工业，特别是高耗能行业，是河北省的支柱产业，技术上具有一定的优势，河北省现有的产业结构想要在短时间内彻底改变，难度很大。

图6　碳排放强度目标值的对比结果

图7　工业碳排放量的对比结果

碳减排的本质，是经济发展方式的变革，是一种制度的变迁。而制度变迁，则分为强制性和诱导性两种。苏联和中国制度变迁的实践证明，强制性的制度变迁是具有破坏性的，尤其是在变革的早期。因此，碳减排方式的制订，应当既包括强制性措施，也包括诱导性措施。强制性措施主要有淘汰落后产能、限产限电等，对于碳减排的效果相对明显;而诱导性措施，例如技术创新等，在短时间内难以发挥最大的效用。以强制性减排措施为主导，短时间内大幅度降低碳排放量，不利于国民经济的长期持续稳定增长。因此，适用于河北省低碳经济的发展模式，应当界定于情景2和情景3之间，争取在2015年完成减排40%～45%的发展目标。

图8　碳排放强度对比结果

五、对策建议

(一)产业优化升级

河北省必须继续完善和构建促进节能降耗的产业政策。通过调整产业结构、产品结构、能源消费结构，提升高附加值、低能耗产业和产品的比重。在重点产业选择时，要把能源消耗作为一个重要的衡量指标，大力发展清洁型产业，坚决杜绝高能耗高排放产业，从源头上实现节能减排。具体的做法包括:

1.对行业进入严格把关，制定准入规范，控制新设行业，重点监督高能耗、浪费多的以及新建项目。对于新项目的批准建设，坚决看紧源头，管控审核程序，严管审核关口。拟建项目的单位GDP能耗，如果高于当地标准，各层投资主管部门当年内全部不得审批、核准、备案。

2.执行行业能耗标准，明确规定高耗能行业的节能内容，规范高耗能行业主要产品的单产能耗。对于落后于时代要求的产能，例如污染环境、浪费资源和已不具备生产条件的落后厂房设备，应当强制减少。对于销售渠道和建设施工阶段进行监督检查，严密监控能效不合格的高耗能产品和厂房，对于违反国家强制性规定的高耗能生产，要予以惩戒。

3.第三产业发展与工业转型升级相结合，逐步提高第三产业在整体经济结构中的比重，深化产业结构升级。结合河北省自身的竞争优势，制定中长期的战略规划，为发展第三产业建立健全政策体系，培养具有专业素质的技术人才，提供自由、开放的市场环境和对企业优惠的资金支持，确保在实际中规划的各项目标能够得到有效的末端落实。

(二)低碳能源开发

低碳能源主要包括核能和可再生能源，其中，可再生能源包括风能、水能、生物质能、太阳能、潮汐能以及地热能等。与煤炭相比，低碳能源的单位能源含碳分子量较少，或者没有碳分子结构，因此使用低碳能源会产生更少的二氧化碳排放量，带来更少的环境污染。对于河北省而言，能够利用的可再生能源有风能、太阳能和生物质能。充分利用张家口、承德等地区丰富的风能、太阳能，扩大生物质能等替代能源的使用，有利于实现碳排放强度的降低。制定明确的政策，将发展可再生能源和提升河北省的产业竞争力统一起来，以率先实现科学发展。

在开发可再生能源的同时，不能够片面地看到其单位能源碳排放量小的优点，而忽视大规模的开发利用可能会带来的负面效应，如大规模的风电开发可能阻断近地面大气流动，进而影响植物授粉。因此，在开发低碳能源的过程中，需要对于各类低碳能源开发的风险、代价和成本进行论证，形成不同的低碳能源开发方案，选择成本、风险和代价小的低碳能源开发方案予以实施。

(三)人才技术支持

通过清洁发展机制(CDM)引进发达国家的成熟技术，包括清洁、高效和低碳的能源技术，低碳发电站技术，创新型太阳能发电技术，生物燃料新技术，贮氢技术和脱碳产氢技术，碳捕获与封存技术等。同时，加强科研创新的资金投入，建立低碳技术研发平台，鼓励科研院所、高校和企业建立产学研联盟，低碳技术孵化器和中介服务机构，并鼓励企业组建工程技术中心，推进国家重点实验室的建设，研究开发控制温室气体排放领域的共性关键技术。加快低碳技术推广应用和高排放产品的节约替代，推广国家低碳技术推广目录中的技术，选择具有重要推广价值的替代产品或工艺进行推广示范，实施高耗能、高排放产品替代工程，鼓励开发和使用高性能、低成本、低消耗的新型材料替代传统钢材，鼓励使用缓释肥、有机肥等替代传统化肥。

(四)财税政策支持

为了全方位扶持低碳经济，需要积极寻求财政政策的空间，充分发挥其导向作用，为低碳经济的发展提供动力，积极出台一系列促进低碳经济发展的财政政策，综合运用财政政策工具，形成相对较为完善的财税政策体系。

相应的财政税收政策支撑体系应当包括两部分:一是对市场主体的节能减排行为起激励作用的财政支出政策体系，如财政补助、贷款贴息、国债投入以及政府采购等政策措施;二是对市场主体的耗能排放行为起约束作用的税收政策体系，主要是指与能源消费有关的各种税、费征收措施，如碳税、能源税等。

具体的财税措施包括:制订税收优惠政策，对企业低碳设备的投资按一定比例实行税额抵免和退税，对设备实行加速折旧，吸引国内外资金投资;充分利用河北省境内国土类型多样的特点，结合三北防护林、退耕还林等林业政策，针对进行生态固碳的组织和企业，建立生态固碳的财政直接补助机制;推行优先购买低碳产品的政府绿色采购制度，将低碳经济和资源节约的指标纳入指令性的指标范畴，在同等条件下，优先购入节能环保的低碳产品;建立促进低碳发展的融资机制，通过创新金融制度和工具、发行企业债券、财政贴息贷款等方式，为低碳产业的发展提供资金支持和保障。

参考文献:

〔1〕赵敏，张卫国，俞立中.上海市能源消费碳排放分析［J］.环境科学研究，2009(8) :984－989.

〔2〕李旭.社会系统动力学:政策研究的原理、方法和应用［M］.上海:复旦大学出版社，2009.

〔3〕龚宇波.基于系统动力学的南通市可持续发展研究［D］.南京:南京师范大学，2011.

〔4〕胡大伟.基于系统动力学和神经网络模型的区域可持续发展的仿真研究［D］.南京:南京农业大学，2006.

(责任编辑周吉光)

Research on Industrial Carbon Emissions in Hebei Province Based on System Dynamics

LI Guo-zhu，HE Man
(Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang，Hebei 050031)

Abstract:This paper builds the system dynamics of model Hebei Industrial carbon footprint using system dynamics modeling approach，after the models were tested，it sets the set of three low-carbon development scenarios and compare their simulation results，and finds that low-carbon economic development mode in Hebei is between Scenario 2 and Scenario 3.Finally，combined the simulation results，the article puts forward countermeasures and suggestions in Hebei province from industrial optimization and upgrading of low-carbon energy development，talent and technology and other aspects of fiscal policy support for the development of low-carbon economy.

Key words:carbon emissions; system dynamics; low-carbon economy

作者简介:李国柱(1971—)，男，回族，河北孟村人，博士，教授，主要研究方向:统计理论与方法。

基金项目:河北省社会科学发展重点课题“河北省生态文明建设监测指标体系及综合评价研究”(2015020208) ;河北省统计科学重点课题“经济转型升级统计指标体系及综合评价方法研究”(2014HZ05)

收稿日期:2015－04－21

DOI:10.13937/j. cnki. sjzjjxyxb. 2015.04.011

中图分类号:F205

文献标识码:A

文章编号:1007-6875 (2015) 04-0057-09