考虑能源、环境影响的住宅建筑节能CGE模型构建

汪宏++陶小马

摘要

中国承诺将于2030年左右使单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%—65%，排放总量达到峰值并争取尽早实现。我国目前的碳排放主要来自工业、交通运输业和建筑业，其中建筑业碳排放约40%，所占比重最大，而高达550亿m2的存量住宅能耗和排放是建筑业碳排放的主力。住宅建筑节能是关系到我国建筑业节能减排目标能否顺利实现的重要因素，是我国节能减排工作的重要领域。构建一个可用于衡量住宅建筑节能对资源环境及经济发展影响的可计算模型是推动住宅建筑节能工作的重要基础。本文尝试以CGE标准模型为基础，依次对住宅建筑生产模块、污染排放模块、节能住宅建筑模块、动态模块和环境福利模块进行详细构建说明。在四方面對标准模型进行扩展：第一，将生产要素扩展为资本、劳动和能源要素束，能源要素束被深化分解为清洁能源与非清洁能源束，然后再予深化细化；第二，依据差异的贸易伙伴将进出口细化为差异的国家和地区；第三，将建筑污染排放作为一个特殊部门，建立建筑污染排放模块，纳入到CGE模型中，并将污染要素纳入到效应函数中；第四，依据资本增长模型，建立动态模块。通过将住宅建筑节能作为变量扩展到标准CGE模型的方法，构建了住宅建筑节能CGE扩展模型。借助该扩展模型，可以研究非节能建筑约束、外部节能建筑与经济增长之间的内在关系，进而破解非节能建筑约束、外部节能建筑与住宅建筑节能快速发展之间难以协调的矛盾。在本文研究成果的基础上，可进一步建立相应的社会核算矩阵（SAM），并对各种函数的参数估计和敏感性检验进行实证分析。

关键词能源；环境；住宅建筑；节能；CGE模型

中图分类号F062.2

文献标识码A文章编号1002-2104（2017）05-0084-08DOI：10.12062/cpre.20170401

2016年4月22日全球气候变化新协议《巴黎协定》签署，缔约各方承诺将加强对气候变化威胁的全球应对，力争把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2℃之内，并为把升温控制在1.5℃之内而努力。为此，全球将尽快实现温室气体排放达峰，并在本世纪下半叶实现温室气体净零排放[1]。中国是《巴黎协定》的重要参与者和推动者，习近平主席已向世界承诺中国将于2030年左右使单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%—65%，排放总量达到峰值并争取尽早实现。我国目前的碳排放主要来自工业、交通运输业和建筑业，其中建筑业碳排放约40%，所占比重最大，而高达550亿m2的存量住宅能耗和排放是建筑业碳排放的主力。并且，随着中国城镇化进程的加快和经济水平的稳步提升，居民对住宅的建筑面积、室内舒适度和生活环境的要求也会越来越高，从而将导致住宅建筑对能源的消耗大幅上升。目前，中国建筑能耗约占全社会能源总消耗的27.45%，而根据发达国家经验，这一比例将逐步增加到40%左右[2]。由此显见，能否把握并控制住宅建筑节能对资源环境及经济发展的影响具有重要的理论和现实意义。但迄今为止，这方面的研究尚不多见。本文尝试在基于CGE标准模型的基础上，采用将住宅建筑节能变量纳入到标准模型的方法，得出一个在扩展后可用于研究住宅建筑节能对经济发展影响的新模型，并由此为后续建立社会核算矩阵进行政策效果模拟分析提供基础。

1CGE模型的源起及其在资源、环境领域的应用

可计算一般均衡（CGE）模型是目前在把某一经济系统整体作为研究对象，考察系统内的所有市场、价格、供需关系在市场出清的假设下和市场均衡的约束下，使得由价格调整所决定的总需求不会超过总供给所需条件的一种非常规范与常用的经济分析方法。根据研究目的不同，CGE的模型构建存在一定差异，但在原理上均是把瓦尔拉斯一般均衡的构造由一个抽象的形式转化为关于现实经济系统中供求平衡关系的一组方程，其基本构成一般可以归纳为三个部分：供给部分、需求部分和供求关系部分[3]。

20世纪80年代末期，Forsund和Bergman开始把环境因素纳入CGE分析框架。最初的资源与环境CGE模型，主要是将污染变量以差异的方式纳入到生产函数或效用函数之中，利用这些模型可以分析环境或经济政策对环境和经济的影响[4-5]。

按照污染方式在CGE模型中建立函数的差异，将资源与环境CGE模型分为三类：第一类，是将污染与环境资源的直接使用部门的中间投入-产出采用固定排放系数相关联，比如Glomsrod等建立的资源与环境模型。这类模型并不改变模型中行为主体的决策行为，只是在标准的CGE模型中增加一个外生的污染排放或能源消耗模块[6]。第二类，是将污染的变量纳入至经济系统中。比如Jorgensen和Wilcoxen建立的模型中就在生产函数中加入包括污染损失在内的成本约束变量模型，而Robinson，Piggott以及Bergman等在居民的效用函数中增加了污染排放与节能减排因素[7-10]。第三类，是在生产函数中加入污染节能减排技术。比如Robinson在CobbDouglas生产函数中增加了消除污染的技术创新[11]。Xie开发了一个综合描述经济、资源与环境之间相互关系与影响的CGE模型。他将污染与经济生产活动通过模型联系起来，并将节能减排和节能住宅环境政策变量联系起来，并构造了一个包含资源环境账户的社会核算矩阵（SAM）作为模型的数据基础。利用此模型，分析控制污染政策的实际环境效果和对经济增长、收入和投资等的影响[12]。

2住宅建筑节能CGE模型的扩展

由图1可见，在住宅建筑全寿命周期的各个阶段，建筑节能与能源、环境和经济之间存在很多相生和冲突的复杂关系。住宅建筑的全寿命周期实质就是自然资源被消〖LL〗耗、产生新的资源和污染物的过程，也是改良环境和污染环境的过程。考虑到分析外部建筑节能房产与污染排放问题，本文主要是把经济行业中污染排放较大的部门进行细化，分成19个生产部门，分别是农业、煤炭开采和洗选业、石油和天然气开采业、黑色金属矿采选业、有色金属矿采选业、非金属矿采选业、农副食品加工业、纺织业、造纸及纸制品业、石油加工、炼焦及核燃料加工业、化学原料及化学制品制造业、医药制造业、化学纤维制造业、非金属矿物制品业、黑色金属冶炼及压延加工业、有色金属冶炼及压延加工业和电力、热力的生产和供应业、服务业和其他行业。为了简化模型，假设各个部门的生产函数都是规模报酬不变的CES函数的形式，只是差异的部门具有差异的规模效率参数以及差异的资本产出弹性。把居民划分为城镇居民和农村居民，这种划分主要基于中国城乡二元化的经济和社会结构。城乡居民在收入水平和结构以及消费、储蓄模式方面存在着巨大的差异，与城镇劳动力相比，中国农村劳动力数值巨大但素质偏低，同时，城乡间要素流动的壁垒仍然存在。为此，模型对城乡居民家庭作了区分，以反映中国城乡居民差异的需求方式[13]。

基于OECD贸易模型原理，并引用Jian Xie 和Sidney Saltzman在模型中引入环境反馈机制的做法[14]，以及借鉴李善同等建立的侧重于分析环境与节能住宅建筑的DRCGEM模型[15]，本文将外部市场也纳入到资源与环境的CGE模型中。

相对于标准的CGE模型，本文主要在以下四方面做了扩展：第一，将生产要素扩展为资本、劳动和能源要素束，能源要素被进一步分解为清洁能源与非清洁能源束，清洁能源和非清洁能源再被深化、细化；第二，依据差异的贸易伙伴将进出口细化为差异的国家和地区；第三，将污染排放作为一个特殊部门，建立污染排放模块，纳入到CGE模型中，并将污染要素纳入到效用函数中；第四，依据资本增长模型，建立动态模块。

以下将依次对住宅建筑生产模块、污染排放模块、节能住宅建筑模块、动态模块和环境福利模块进行详细说明。而价格模块、节能建筑需求模块、收入分配模块、市场均衡等其他模块和标准的CGE模块相似[16]。

2.1住宅建筑生产模块

在一般的CGE生产模型中，生产函数建立在生产要素和中间投入之间的某种函数替代关系的基础上，本文同样通过建立嵌套的固定替代弹性生产函数（CES）设定生产过程中差异要素之间的替代关系[17]。同时，本文假定市场具有完全竞争、规模收益不变，以及中间投入与节能建筑产出成固定比例关系。具体构建框架如图2所示。

2.1.1第一层嵌套

第一层嵌套对节能建筑产出XP进行分解，总节能建筑产出为增加值VA和中间投入ND的加总。第一层CES嵌套就是一个固定系数的Leontief生产函数。模型1和模型2设定了这一常用CES生产函数的最优需求条件，其中PND为ND束的价格，PVA为增加值的总价格，PX设定生产的单位成本，σp为替代弹性。如果替代弹性为0，则ND和VA与产品成固定比例关系，而不用考虑相对价格。模型3是单位成本PX的决定模型，依据CES生产函数的对偶价格推理出。因为假定在市场为完全竞争，同时所有部门中规模收益不变，因此，生产者价格PP用生产者税收或补贴τp调整后的单位成本，如模型4所示。下文中，如没有特别注明，则用i表示生产活动的种类，k表示商品的种类，m表示贸易与运输的费用，r表示为贸易伙伴，h表示为居民，e表示为企业，f表示为最终需求，l表示劳动力，ZIg表示私人投资。

2.1.2第二层嵌套

第二层嵌套分为两个部分，首先采用Leontief生产函数的形式将总中间需求ND分解为各部门对商品和服务的需求XAp。模型5描述了部门j对商品k的需求，其中系数a设定XAp和ND之间的比例关系。模型6表明，ND束的价格PND是商品和服务的价格PA的加权平均，用技术系数作为权重。另外，反映产品生产差异的阿明顿（Armington）价格要乘以部门和商品的间接税税率τcp。

然后，把第二部分的总增加值VA分解为三部分：对资本和劳动力的总需求KLd，对能源束的总需求TEd以及对部门固定要素的需求NR，其模型如模型7、模型8和模型9所示。相应的价格分别为PKL、PTE和PR，对应的替代弹性则为σv。模型9考量到了要素生产率的变动，设参数为λ，增加值的价格PVA是三部分价格的CES 生产函数的加总，如模型10

2.1.5第五层嵌套

第五层嵌套首先将水和森林资源要素束WF分解为水WE和森林资源FE要素投入，相应价格为PWE和PFE。然后将石油和天然气资源要素束PNG分解为石油PE和天然气NGE资源要素投入，相应价格为PPE和PNGE。模型20和模型21分别设定在相对价格PWE和PFE下的最优化条件，替代弹性为σwf。水和森林资源要素束价格PWF，如模型22所示。

另外，本文假定所生产的商品可简单加总为总节能建筑产出。这时将商品视作若干差异生产活动的汇总，模型26反映了产品加总成为商品的最优化条件。生产者价格为PP，总供给价格为P，商品的替代弹性为σck。模型考虑了完全替代的情况，则满足一阶法则。

关于污染排放模块，本文借鉴魏巍贤在中国能源节能住宅环境政策分析中的污染模块的建模思想[18]。首先，本文构建污染减排成本模型28，各部门差异污染物的减排成本是部门节能建筑产出、污染减排率、污染密度和污染清理价格的函数。污染排放税模型29，污染排放税是污染排放税率、各部门节能建筑产出、污染密度和污染减排率的函数。污染產出模型30，是各个部门污染产生量的之和。排污价格模型31，是一个价格转化模型。减排总量模型32和污染减排率模型33。污染排放量模型34设定污染产出扣除减排总量，将各种污染物的排放税进行加总。

其中，g为污染物的种类，PACOSTg，j是i部门的污染减排成本，XPi是i部门的节能建筑产出，CLg为污染减排率，dg，j为污染密度，PAg为污染清理价格，DGg为污染物的产生总量，X0g为基期减排节能建筑产出，TDA0g为基期减排总量， DEg为污染物的净排放量。

2.3节能住宅模块

本文把节能住宅模块分为二部分：节能住宅建筑需求模块、节能住宅建筑供给模块，这两部分具有多层嵌套结构。总需求模块分解成两层：第一层将总的Armington产品需求分解为对国内产品的需求和对节能住宅建筑产品的需求。在第二层，总的节能住宅建筑需求分配给差异的贸易伙伴。这两层Armington假定都有效，即商品存在原产地的差异用CES函数形式来设定差异原产地之间的替代程度，其替代弹性大小通常依赖于加总水平[19]。而非价格壁垒也可能影响其替代程度，例如环境技术壁垒以及环境标准等。与此类似，节能住宅建筑供给也用两层场转换弹性函数来设定，可反映相对价格调整而导致的不安全供给。在节能住宅建筑需求模型中本文放松了对小国节能住宅建筑的假定。其中的贸易与需求模型的设计框架如下图3所示。

2.3.1节能住宅建筑需求模块

本文用XA设定Armington产品的国内需求，其是所有国内账户对Armington需求的总和：即中间需求XAp、居民需求XACh和其他国内需求XAf以及由国内贸易和运输产生的需求XAmg之和，如模型35所示。Armington产品需求通过嵌套CES结构分解为对国内产品和节能住宅建筑产品的需求[20]。模型36设定对国内生产的商品需求XDd，本文设第一层Armington弹性为σm。国内产品的价格等于包含国内贸易和运输费用τmg后的生产者价格PD。模型37设定节能住宅建筑总需求XMT，其中PMT为总节能住宅建筑价格。模型38采取常见的CES对偶价格加总模型决定Armington价格PA。

第二层嵌套结构，本文以CES形式描述节能住宅建筑总需求XMT与差异贸易伙伴的关系。节能住宅建筑产品的国内产品的国内价格PM，考虑到数据的可得性，本文用包含税收的到岸价格设定，即等于世界市场价格WPM乘以汇率，并用节能住宅建筑税收τm调整，如模型39所示。税收税率按部门和贸易伙伴的原产地进行区分。来自地区r的节能住宅建筑商品k，本文用模型40设定，其中贸易伙伴地区间的替代弹性为σw，相应得消费价格包括国内贸易和运输费用τmg。总产品的节能住宅建筑价格PMT如模型41所示。

2.3.2节能住宅建筑供给模块

本文采用嵌套的常弹性转换函数（CET）形式，设定国内产品在国内与国外之间的分配。第一层嵌套设定生产者在国内市场和总节能住宅建筑之间进行产品分配，第二层嵌套设定总节能住宅建筑在贸易伙伴之间的分配。假定生产者在市场之间没有偏好，满足一价法则的条件。模型42设定国内生产者价格PE同世界价格WPE的关系。离岸价格WPE包括了国内贸易和运输费用τmg，以及节能住宅建筑税和补贴τe。CET转化的最优条件如模型43和模型44所示。模型43决定国内供给X分配给国内市场的部分XDs，模型44决定国内供给用于总节能住宅建筑的部分XET。PET代表总节能住宅建筑供给价格，转换弹性为σχ如果为完全转换，则供给的最优化条件被一价法则所替代。在不完全转换的情况下，CET加总函数被其等价形式CET对偶价格加总函数所替代。因为在完全转换情况下，不存在产品差异，供给国内外的产品可直接加总在一起。CET加总函数如模型45所示。

2.4动态模块

在动态模型框架中，本文以市场价格计算的GDP增长率和劳动生产率的增长率模型如49和50所示。劳动生产率的增长率包括两部分，即适用于所有部门和所有劳动类型中的一致因子γ1，以及分部门和劳动熟练程度的因子χ1。在基准情景时，本文假定GDP的增长率是外生的，用模型48来标定γ1参数。在政策模拟中，假定γ1给定，用模型49来确定GDP的增长率。简单动态模型的其他要素包括劳动供给的外生增长率，资本的外生增长率和土地生产率的外生增长率，以及投资驱动的资本积累如模型50所示。

2.5环境福利模块

本文把污染物减排量作为环境指标纳入到环境福利函数中，反映居民对良好环境的需求，综合其它因素，本文构建环境福利函数，是居民对各种商品的消费需求、休闲时间和污染减排量的函数，如模型51所示。

其中，U设定为环境福利函数，XD为居民住房消费需求，ULE为休闲时间，TDA为污染减排量，ψi为环境福利函数CES各层次嵌套的替代弹性。

3结论

以上将住宅建筑节能作为变量扩展到标准CGE模型的方法，构建了住宅建筑节能CGE模型。借助该扩展模型，可以研究非节能建筑约束、外部节能建筑与经济增长之间的内在关系，进而破解非节能建筑约束、外部节能建筑与住宅建筑节能快速发展之间难以协调的矛盾。至于模型求解已有现成的软件，但为了降低问题维数，可以假定要素市场、产品市场和外汇交易市场出清的求解策略[21]。笔者下一步拟以本文研究成果为基础，进一步建立相应的社会核算矩阵（SAM），并对各种函数的参数估计和敏感性检验进行实证分析。

（编辑：刘呈庆）

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作者简介：汪宏，博士生，高级工程师，主要研究方向为可持续发展与管理、低碳经济、生态建筑与建筑节能管理。Email：giant945@126.com。

基金项目：上海市科技发展基金课题“特大型城市低碳化的系统结构研究”（批准号：10692103000）。