碳达峰目标下绿色住宅发展路径模拟与选择——以西安市为例

王 莹，王赟钫

（西安建筑科技大学 管理学院，陕西 西安 710055）

一、引言

“双碳”目标是我国基于推动构建人类命运共同体，为实现大国担当和中华民族永续发展所作出的重大战略决策，也是推进生态文明的建设、建设人与自然和谐共生的美丽中国的重要抓手[1]。目前，中国建筑业普遍存在碳排放总量大、用能技术和效率低等问题，其总能耗为社会总能耗的25%～28%，其二氧化碳排放量为社会总排放量的40%左右[2]，建筑行业这一特点决定了其在助力我国“碳达峰、碳中和”目标的实现中将发挥关键作用[3]，因此推动绿色住宅的发展意义重大。本文拟构建新建绿色住宅和既有住宅建筑节能改造两种发展路径，采用系统动力学模型仿真分析不同路径若干情景下全社会住宅建筑碳的排放量，对促进整个建筑业乃至整个区域各行业的碳达峰早期实现具有重要意义。

已有文献研究中大量文献对绿色建筑的碳排放测算研究针对性不强，且目前对预测碳达峰及情景模拟分析缺乏多因素的系统动态分析[4]。系统动力学（System Dynamics，SD）作为一种综合仿真模拟预测模型在研究复杂问题的影响机制方面具有广泛的应用[5]，其在绿色建筑方面的相关研究主要侧重仿真绿色建筑的供需市场发展及政策分析，如王莹和张路平（2018）[6]利用系统动力学从供需两个方面研究了绿色住宅的市场发展及激励政策，杨晓冬和武永祥（2013）[7]通过开发决策子系统、需求子系统、政府行为子系统对南京市绿色住宅市场进行了动态仿真模拟与预测。也有学者运用系统动力学对国家或省域整体碳排放进行动态分析[8-9]，缺少绿色建筑发展对碳排放影响的专门研究，也缺乏对绿色住宅发展路径的仿真分析研究，无法探知绿色住宅发展路径对实现住宅建筑领域碳达峰的实际意义。

关于建筑领域碳排放核算的研究可以从两个维度进行划分。一是微观层面建筑单体的碳排放核算；二是宏观层面，如全球、国家、区域、省市等范围内建筑碳排放的核算[10]。微观层面的建筑碳排放核算主要集中于对某个或多个建筑不同阶段、材料、结构形式等进行碳排放量的测算及比较分析[11-15]，不具有普适性。宏观层面的建筑碳排放核算可划分为物化阶段碳排放和运行阶段碳排放，现有研究中针对建筑运行阶段碳排放核算开展的相关研究相对较为成熟，积累了较多的数据、模型方法及规则等研究成果[16]。其中的排放因子法是目前得到最广泛应用的方法。由于住宅建筑运行阶段的碳排放占其全寿命周期碳排放的60%～80%[17]，且已有研究中针对建筑运行阶段碳排放核算的研究较为成熟[18-20]，因此本文中的建筑碳排放测算主要指住宅运行阶段宏观层面的碳排放。

与已有研究系统建模时在绿色建筑发展子系统中只考虑新建绿色建筑对碳减排影响不同[21-23]，本文分析了不同星级绿色建筑占比及既有建筑改规模对整体建筑碳排放的影响，进而更加具有针对性地研究绿色住宅在碳达峰目标下的发展路径。

我国各地区社会经济发展不均衡，碳达峰目标的实现最终要落实到各个地区层面[24]。西安市是丝绸之路经济带起点城市、关中平原城市群中心城市，国家中心建设城市，肩负着在政治、经济、文化、社会和生态文明领域引领区域发展的重要使命，率先实现碳达峰意义重大[25]。

二、住宅建筑碳排放系统动力学模型

系统动力学模型的构建主要分为以下四个步骤：首先明确系统边界，划分并确定变量类型；其次根据变量之间的关系建立因果回路图；再次将因果回路图转化为动态模式，设置参数并确定方程，建立存量流量图；最后完成建模，进行数据模拟与仿真[26]。

（一）系统边界的确定

系统边界指时间边界、空间边界和变量边界。本文根据研究对象确定空间范围为西安市，根据数据可获取性确定主要时段为2011—2040 年，模拟基期为2011 年，仿真步长为1 年。

考虑到建筑碳排放各影响因素之间存在非线性、多反馈的复杂作用关系，在建筑碳排放测算方面采用Kaya 恒等式的计算方法[18]，从经济、社会、能源、建筑绿色化发展4 个子系统的角度出发，建立建筑运行阶段碳排放的Kaya 恒等式：

其中：C、P、GDP、Y、S、E、F分别表示建筑碳排放量、城市人口总量、城市生产总值、建筑业产值、建筑面积、建筑能耗、能源的碳排放系数。

（二）因果回路反馈分析

因果回路图是各主要反馈回路耦合形成的复合反馈环。确定系统边界后，经过对边界内各影响因素之间关系的分析，可以得到系统因果回路图（见图1）。

图1 住宅建筑碳排放因果回路图

通过图1 可知，不同星级绿色建筑的面积比例及既有建筑节能改造面积会影响整体建筑能耗的数值，从而影响建筑碳排放的大小。

（三）模型流图及方程

图2 为本文所构建的住宅建筑碳排放系统动力学模型存量流量图，共62 个变量，其中包含7 个水平变量，7 个速率变量，44 个辅助变量，4 个常量。

图2 住宅建筑碳排放存量流量图

本文采用Vensim PLE 软件进行建模分析，部分变量之间的关系采用回归分析法进行拟合，其余变量之间的方程关系参考了现有文献中的经验方程或使用表函数表示。模型中主要的方程如下：

（1）城市人口总量=INTEG（人口增长量，791.83）

（2）城市GDP=INTEG（GDP 增长量，3791.71）

（3）人均GDP=城市GDP/城市人口总量

（4）人均可支配收入=0.415*人均GDP

（5）科技创新投入=城市GDP*10000* 科技创新投入占比

（6）建筑业产值=城市GDP*建筑业产值占比

（7）既有建筑节能改造面积=传统建筑面积*既有建筑节能改造速率

（8）传统建筑面积=INTEG（传统建筑面积增加量－既有建筑节能改造面积，22833.9）

（9）增量成本=商品房造价*14%

（10）成本负担比=（增量成本-财政补贴）/ 商品房造价

（11）居民节能改造意愿=人均可支配收入/60000+节能改造补贴/50

（12）基本级绿色建筑面积=INTEG（IF THEN ELSE（Time<=2019，0，45.4+基本级绿色建筑面积增加量））

（13）一星级绿色建筑面积=INTEG（一星级绿色建筑面积增加量，26.88）

（14）二星级绿色建筑面积=INTEG（IF THEN ELSE（Time<=2011，0，16.025+二星级绿色建筑面积增加量））

（15）三星级绿色建筑面积=INTEG（IF THEN ELSE（Time<=2012，0，37.31+三星级绿色建筑面积增加量））

（16）各星级绿色建筑面积增加量=各星级建筑面积* 各星级绿色建筑面积占比* 新建绿色建筑面积增加率

（17）新建绿色建筑面积增加率=新建建筑面积增加率*成本负担比*溢价率

（18）能源的碳排放系数=煤炭的碳排放系数*能源结构中煤炭占比+天然气的碳排放系数* 能源结构中天然气占比+石油的碳排放系数* 能源结构中石油占比+电力的碳排放系数* 能源结构中电力占比

（19）建筑能耗强度=7.25*LN（人均可支配收入）-5.85* 绿色建筑面积占比-0.063* 科技进步因子

三、模型检验及仿真

（一）模型检验

1.运行稳定性检验。选取仿真步长为0.25、0.5、1 的3 种运行模式进行稳定性检验，current 代表步长为1，运行稳定性检验结果如图3 所示，结果显示模型能够正常运行，没有异常结果输出。

图3 住宅建筑碳排放运行稳定性检验仿真结果图

2.行为一致性检验。本文将人口总量、西安市GDP、建筑业产值这三个指标作为检验变量，将2011—2019 年的统计数据与模拟数据进行比较并计算误差，结果如表1 所示。结果显示，检验变量的误差都在±5%以内，表明模型拟合度较高，能够较好地“复现”真实系统。

表1 人口总量、城市GDP、建筑业产值误差分析

（二）基准情景仿真模拟

本文使用Vensim PLE 软件进行模拟，设置系统运行范围为2011—2040 年，仿真步长为1 年。在基准方案中，绿色住宅不同星级的占比根据2020—2021 年的总体占比情况进行确定，截至2040 年各星级占比为0.11：0.31：0.57：0.01。影响住宅建筑碳排放的主要因素为西安市人口、GDP、建筑业产值、建筑碳排放、建筑能耗、建筑面积，通过Vensim PLE软件的模拟分析，可以得出上述主要指标2011—2040 年的模拟数据，具体数值如表2 所示。

表2 西安市住宅建筑碳排放系统主要指标仿真结果表

由表2 可以看出，2035 年以后碳排放量增速变缓，2040 年碳排放值仍在上升，2040 年的碳排放模拟值为486.69 万吨。想要实现碳达峰目标，需要从建筑节能减排入手。

四、绿色住宅发展路径动态仿真

通过对基准情景下的建筑碳排放进行模拟分析可知，西安市住宅建筑运行阶段碳排放无法达成2030 年前达峰的目标。因此，需要量化分析绿色住宅发展模式不同方案的减碳效果，确定合理的绿色住宅发展路径。

（一）情景1：新建绿色住宅占比调控

情景1 体现不同星级新建绿色住宅的占比对住宅建筑碳减排效果及碳达峰实现的影响，除新建绿色住宅占比的调整外，其他变量与基准情况相同，具体情景设置方案如表3 所示。

表3 新建绿色住宅占比调控情景设置

仿真模拟结果如图4 所示。

图4 新建绿色住宅占比调控模拟趋势图

由图4 的结果分析可知，情景1-1 的碳达峰时间最晚，为2033 年；情景1-2 的碳达峰时间为2032年；情景1-3 的碳达峰时间为2031 年；情景1-4 的碳达峰时间为2029 年。因此想要在2030 年实现碳达峰，高星级的占比需要达到80%以上。

（二）情景2：既有建筑节能改造调控

情景2 体现既有建筑节能改造情况对住宅建筑碳减排效果及碳达峰实现的影响，除既有建筑节能改造面积的调整外，其他变量与基准情景相同，情景设置方案如表4 所示。

表4 既有建筑节能改造调控情景设置

由图5 的结果分析可知，单纯通过增加既有建筑节能改造的比例，只有高速增长的情景可以实现西安市住宅建筑2030 年碳达峰的目标，但各情境的碳排放量还处于较高的水平。

图5 既有建筑节能改造情景调控模拟趋势图

（三）情景3：综合调控

情景3 在情景1 与情景2 的基础上，综合考虑同时调整新建绿色住宅星级占比与既有建筑面积对碳排放量的影响。由于情景2-3 的碳减排效果最好，因此采用情景2-3 与情景1 中的各方案进行组合，分析碳达峰的时间及碳减排量。具体的组合形式如表5 所示。

表5 综合调控情景设置

仿真模拟结果如图6 所示。

图6 综合调控模拟趋势图

由图6 的结果分析可知，将两种情景方案进行合并，可以提升情景1 各方案的节能效果，加快碳达峰实现的时间。情景3-1 达峰时间为2032 年，情景3-2 达峰时间为2031 年，情景3-3 及情景3-4达峰时间为2029 年。

五、结论与建议

（一）结论

通过对2011—2040 年西安市绿色住宅建筑不同发展路径进行情景模拟，得出以下结论：

一是由于运行阶段的建筑碳排放占整体碳排放的70%左右，因此设置情景1-1 的传统建筑能耗为原来的1.43 倍，更改为情景4，模拟结果如图7所示。模拟结果显示，情景4 相较于情景1-1 碳排放的值有所增加，但是达峰时间并未受到影响，因此测算传统建筑运行阶段能耗对住宅碳排放达峰时间的测算具有参考价值。

图7 传统建筑能耗调整模拟结果

二是若不改变外在条件的参数设置，按照目前系统中各影响因素的发展趋势，西安市住宅建筑的碳排放量将呈现逐步上升的趋势，无法实现2030 年达峰的目标，因此应加快对城市住宅节能减排对策的制定，分析并选择绿色住宅发展路径，促进低碳城市的建设。

三是新建绿色住宅占比调控结果表明，提升新建绿色住宅占比对住宅碳排放量的减少具有较大的影响作用，2025 年以后随着绿色住宅面积的大幅增加，建筑能耗开始趋于下降，碳排放量出现峰值。其中情景1-1 的二三星级占比总和为50%，是四个方案中的最小值，碳减排效果最差，因此高星级占比过低，则无法达到最好的碳减排效果，因此需要增加高星级绿色住宅的占比。通过分析四种情景方案可知，若想要在2030 年之前实现碳达峰，需将新建建筑全部设定为高星级绿色建筑并让高星级占比达到80%。

四是既有建筑节能改造调控结果表明，增加既有建筑节能改造面积有利于实现住宅建筑碳达峰，但是其影响程度与新建绿色住宅的调控效果相比较低。情景2 中的情景2-1 和情景2-2 都无法在2030 年前实现住宅建筑碳达峰，只有高速调整的情况可以实现2030 年前住宅建筑碳达峰。

五是综合调控结果表明，通过综合调控新建绿色住宅占比及既有建筑改造，西安市住宅建筑碳达峰时间最早可达到2029 年，达峰值最低为453.605万吨，相比情景1 及情景2 各方案的碳减排效果更优。通过对不同情境下碳排放量的测算分析可知，综合调控比单因素调控减排效果更明显。

（二）政策建议

基于以上分析，结合西安市住宅建筑碳排放系统动力学模型的系统结构及运行结果，为早日达成2030 年住宅建筑碳达峰及西安市绿色住宅发展路径提供以下建议：

一是优化绿色建筑财政补贴体系，完善反馈机制。绿色建筑不仅能够提高人类生活的质量及舒适度，还能够降低建筑产生的温室气体对环境的破坏程度。但是由于绿色建筑包含研发投资所产生的价格溢价以及高要求的运行维护系统，所以其成本往往高于传统建筑。目前，财政补贴是各地最重要的经济激励政策，可在一定程度上弥补新建绿色建筑和既有建筑节能改造的增量成本，旨在推进绿色建筑的快速发展。因此国家和各地方政府应该完善相应的财政补贴机制，根据发展路径和目标科学制定补贴额度及办法，并根据实践反馈数据及时调整，以优化补贴效果，切实推进新建绿色住宅开发和既有建筑绿色改造，通过两个维度提升城市中绿色建筑的总体占比，降低建筑碳排放，为早日实现碳达峰目标做出贡献。

二是改善绿色建筑推广政策的计划性、针对性和多样性。“建设生态文明、推进绿色发展”是我国政府新时期治国理政的重要理念，坚定推进绿色建筑已成为实现“双碳”目标的重要战略。因此，在党中央的有计划分步骤实施碳达峰行动的指导思想下，地方政府应该有计划地推进建筑碳达峰。“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期，是碳中和愿景提出后的第一个五年规划，西安市预期城镇化率将从75%提高到77%，城镇人口增加约240 万，新增城市建筑面积约2.88 亿平方米，再加上大量高耗能的既有商品房，碳达峰面临更大挑战。因此，对新建和既有住宅的绿色化发展进行全面规划是高质量实现西安市“十四五”规划整体目标及未来碳达峰的重要保障。适时地、科学地制定不同星级绿色住宅占比目标以及既有住宅绿色化改造规模；将不同星级的相关政策划定清晰，不应过多强调低星级绿色建筑的覆盖面，也不应要求开发商一味地开发高星级绿色建筑以获取更高的补贴，依据发展路径和目标制定一系列支持不同星级绿色建筑的发展政策。切实落实财政补贴、税费减免、信贷优惠、土地规划等政策，发挥多样化政策的协同作用。其它地方政府也应根据当地的发展水平和规划通过仿真预测，制定适合当地的发展路径。