基于系统动力学的建筑业碳排放预测——以浙江省为例

陈 莉，杨雨欣

（安徽建筑大学经济与管理学院，安徽 合肥 230601）

0 引言

新时代背景下，我国城镇化水平与日俱增，与此同时，建筑业碳排放也呈现上升的趋势。相关数据表明：2019 年，在全球范围内，建筑行业的CO2排放量达到全球CO2总排放量的38%，其中，钢铁、玻璃等建筑材料在它们建造过程中的CO2排放量约为全球CO2总排放量的10%［1］；截至2018 年，我国建筑全过程能源占我国能源消费总额的46.5%，碳排放量占我国总量的51.3%［2］。因此，推进“碳中和”目标实现，是当下建筑行业的当务之急。而浙江省是国内首个提出碳达峰碳中和科技创新有关行动方案的地区，通过对浙江省建筑业碳排放的研究，可为其他省份碳减排寻求先机［3］。本文通过建立浙江省碳排放系统动力学模型，分析碳排放各个影响因素之间的关系和作用；通过模拟仿真，揭示浙江省经济发展、人口状况、能源耗费与建筑业碳排放之间的动态变化规律；预测浙江省未来碳排放量，预先发现可能发生的问题并予以修正，把握建筑业绿色发展的源头，这对于浙江省乃至全国建筑行业实现“碳中和”目标具有重要意义。

1 文献综述

建筑业碳排放已成为国内外学者研究的焦点。在研究建筑业及其运行过程中碳排放影响因素方面，邓椿等［4］采用Kaya 恒等式和LMDI（对数均值迪氏指数分解模型，Logarithmic Mean Divisia Index）模型，对山西省1988—2012 年各年度的能源碳排放进行因素分析，结果表明：经济效应对碳排放的影响较大，而对人口结构的影响较小。戴新颖［5］根据Kaya 恒等式，将碳排放强度、能源消费强度、能源结构、人均GDP、人口数量作为影响中国煤炭碳排放量的5 个因素，采用实证分析的方法分析影响因素与煤炭碳排放之间的协整关系，研究发现，经济的增长是我国煤炭碳排放增长的最主要因素。汪燕等［6］首先将国内外的研究结果与浙江省的现实相结合，得出6 个主要影响因子，即经济发展水平、人口、产业结构、能源结构、城市化水平、能源利用水平。其次，在对影响因子初步研究的基础上，基于拓展的STIRPAT 模型（随机环境影响计量模型，Stochastic Impacts by Regression on Population Affluence and Technology），对浙江省碳排放驱动因素进行展开分析。最后通过岭回归方法，得出了人口规模（总数、城市化水平）、财富效应（人均GDP、第二产业占比）、技术因素（煤炭消费、能源消费强度）对CO2排放具有显著影响的结论，而人口规模对碳排放总量的影响最为显著。Ma 等［7］根据STIRPAT 模型和岭回归方法，得出5 个因素（人口、城市化水平、公共建筑人均面积、第三产业GDP 指数、公共建筑碳排放强度）对碳排放有显著影响。李爽等［8］基于Kaya 恒等式、STIRPAT 模型、岭回归方法分析各种因素对建筑业碳排放量的影响。惠明珠等［9］采用SBM 法测算建筑业碳排放效率，同时，通过空间杜宾面板计量分析，从经济发展水平、城镇化水平、产业结构、能源消费结构、节能技术水平和资源禀赋6 个角度探讨我国建筑业的碳排放效率影响因素。范建双等［10］利用空间自相关和核密度函数方法，对中国建筑业碳排放量开展时空特征分析研究，得出中国建筑行业发展水平和从业人口规模对CO2排放量大幅增加具有重要的促进作用。针对建筑业碳排放的因素分解研究，诸多学者都是使用Kaya 恒等式、LMDI 模型、STIRPAT 模型等方法建立碳排放模型，得出影响建筑碳排放的关键因素主要有经济、环境、人口、能源4 个方面。

系统动力学（System Dynamics, SD）广泛应用于研究复杂问题的影响机制，在碳排放量预测和影响因素方面有很大贡献［11-12］。SD 模型基于因果关系图对影响建筑业碳排放的要素关系进行定性描述，通过流图确定各要素性质、系统框架，并利用函数方程确定各要素之间的定量关系，从而实现对碳排放系统的模拟。Du 等［13］以SD 为基础，通过8 个子系统（社会经济，第一、二、三产业，住宅，交通，废物处置，电力）具体研究其对城市碳排放的影响程度，并开展仿真预测，研究表明：我国城镇的CO2排放量主要来自工业能源的生产和电力的使用。刘菁［14］以系统动力学仿真技术为基础，通过设置各种模拟情景预测建筑碳排放的未来变化及其内部逻辑关系，并据此提出了相应的减排措施。赵冬蕾等［15］基于SD，分析经济、能源、人口、环境4 个子系统之间的因果关系，在此基础上进行仿真模拟，并从建材生产、产业结构、能源结构3 个不同方面提出相应的政策建议。本文在其他学者研究的基础之上，以系统动力学为理论基础，通过构建浙江省建筑业碳排放模型来分析不同系统之间影响因素的协整关系，对浙江省建筑业的碳排放进行预测，并据此提出相应的碳减排建议。

2 浙江省建筑业碳排放现状

建筑行业的碳排放总量主要有：直接碳排放和间接碳排放。直接碳排放主要源于工业生产过程，间接碳排放则是由于大量建材的耗费而间接产生的。本文参考冯博等［16］建立的建筑业CO2排放量预测模型，结合联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）公布的碳排放系数，依据《中国统计年鉴》（2011—2020 年）、《中国能源统计年鉴》（2011—2019 年）、《浙江省统计年鉴》（2011—2020 年），利用差值法对某些缺失数据进行补齐，得出浙江省2010—2019 年建筑业碳排放量，如表1 所示。本文选取了9 种能源的直接碳排放，主要能源消费碳排放量从大到小依次为柴油>电力>汽油>原煤>煤油（仅列出排名前五者）。2010—2019 年浙江省建筑业能源消费碳排放量在持续增长，排放CO2从460.56 万t 增加到683.52 万t，增幅达48.41%。建筑业间接碳排放主要是由5 种材料消耗所形成的碳排放量，如水泥、钢材、玻璃和木材、铝材等［17］。浙江省建筑业的间接碳排放量在建筑行业中占比很大，约为95%。2010—2017 年，间接碳排放量CO2从32 419.10 万t 增长到57 355.22 万t，但浙江省建筑业间接碳排放量在2017 年达峰值，在此之后CO2排放量从57 355.22 万t 下降到43 057.55 万t。

表1 建筑业碳排放量统计表

3 实证

3.1 建筑业碳排放系统动力学模型

3.1.1 建筑业碳排放因果关系图

系统动力学利用内部的动态结构和反应机理来表达系统的动作模式和功能。根据有关学者的研究成果可知，在经济发展、产业结构调整、技术创新、社会效应等因素作用下，建筑业的碳排放水平受到较大影响。基于此，本文采用LMDI 模型［18］和Kaya 恒等式，从经济、环境、能源、人口4 个系统的角度出发，设定变量C、Ci、E、Ei、Y、P，分别表示建筑业碳排放总量、i种能源的碳排放量、一次能源消费量、i种能源的消费量、建筑业生产总值（GDP）、人口数量，计算得出建筑业碳排放Kaya 恒等式为C= ∑i，。

将浙江省建筑业碳排放系统分成4 大子系统，子系统中的具体指标为：①环境子系统：建筑业碳排放、环保水平、碳汇。②经济子系统：GDP、建筑业总产值、建筑业投资、减排成本、科技创新投入、技术水平、第二产业所占比重。③能源子系统：能源强度、建筑业能源消耗总量。④人口子系统：生活水平、劳动力、城市人口。这4 个子系统之间相互联系、相互作用，形成了复杂的关系网图（如图1 所示）。整个系统内部的主要反馈回路为：①GDP→+生活水平→+城市人口→+劳动力→+第二产业所占比重→+GDP。②GDP→+科技创新投入→+技术水平→+GDP。③GDP→+建筑业投资→+建筑业总产值→+第二产业所占比重→+GDP。④建筑业碳排放→+减排成本→-GDP→+科技创新投入→+环保水平→+碳汇→+建筑业碳排放。⑤建筑业碳排放→+减排成本→-GDP→+能源强度→+建筑业能源消耗总量→+建筑业碳排放。GDP的增长会促进建筑业投资、科技投入等变量，导致建筑业产值增加；建筑业产值的增长对第二产业比重产生一定的影响，从而使建筑业能耗和碳排放量上升。通过对建筑碳排放体系的因果关系和主要反馈的分析，可以发现：建筑业的碳排放受到诸多因素的制约，存在着复杂的因果关系。因此，要有效地控制建筑业的碳排放，必须对其复杂的影响机制进行深入的探讨，可以构建系统动力学存量流量图来研究建筑业碳排放。

图1 碳排放系统因果关系图

3.1.2 建筑业碳排放存量流量图

根据建筑业碳排放系统因果关系图，综合考虑建筑业的直接和间接碳排放量，得出浙江省建筑业碳排放存量流量图，如图2 所示。

图2 碳排放存量流量图

该模型主要变量包括GDP、建筑业产值、总人口、建筑能耗等。其中，建筑业碳排放量直接受直接碳排放和间接碳排放影响，而其他影响因子如GDP 增长速率作用于GDP 增加量，GDP 影响因子协同总人口数量、建筑业产值、能源效率等影响直接碳排放量，最后影响到整个建筑业的碳排放量。

3.2 模拟仿真及检验

3.2.1 系统仿真

基于系统存量流量图中的结构模型，本文对2010—2019 年的浙江省建筑业碳排放量进行仿真，系统模拟时间设为2010—2019 年，并设置了2010 年的一些初始值，数据来源于《中国统计年鉴》（2011—2020年）、《中国能源统计年鉴》（2011—2019 年）、《浙江省统计年鉴》（2011—2020 年），利用差值法对某些缺失数据进行补齐。通过建立各变量方程，结合Vensim PLE 软件对浙江省2010—2019 年建筑业碳排放量和各影响因子进行了数值模拟，模拟仿真结果如表2 所示。

表2 建筑业碳排放系统各指标模拟仿真结果

系统模拟仿真结果输出的变量趋势图如图3 所示。通过对比浙江省建筑业总碳排放量、直接碳排放量、间接碳排放量趋势图结果可以得出：2010—2019 年建筑业碳排放与间接碳排放涨幅是趋于一致的，间接碳排放占95%以上，这是因为建筑材料消耗所形成的碳排放量大造成的，因此在建材生产过程中实施节能减排，更有利于实现低碳的目标。2017 年，建筑行业的总碳排放量和间接碳排放量都达到了最高峰，此后开始逐年下降。究其缘由，“十三五”期间，浙江省坚持绿色发展理念，推动“911”行动计划，积极推进创新绿色发展体制机制建设，生态环境取得显著成果。与此同时，装配式建筑在我国发展飞速，在某种程度上降低了现场混凝土的浇筑，对建筑碳排放产生了抑制作用。浙江省把发展绿色低碳作为社会经济发展的重要战略，这也是形成生态文化的重要手段，《浙江省“十三五”控制温室气体排放实施方案》对此作了明确阐述：到2020 年，碳排放总量规模将得到合理调控。在本文所仿真模拟的建筑业碳排放量趋势图中，2019 年建筑业碳排放量有所降低，这有利于目标任务的完成，我们再结合多方面的措施，为进一步实现减排目标作出贡献。

图3 建筑业碳排放量运行检验结果

3.2.2 有效性检验

通过对建筑业碳排放系统进行模拟仿真，得到系统各指标的仿真结果。从仿真结果数值角度对比上述计算的真实结果，以验证检验模型运行的合理性和有效性。本文采用了历史检验和运行检验两种方法。

（1）历史检验。历史检验是将模拟与实际数据进行对比，并将其误差绝对值进行对比，从而判定该模型的有效性。通过对建筑业碳排放、直接碳排放、间接碳排放、人口总量4 个指标的历史检验，得出的具体结果如表3 和表4 所示。通过对比分析后，可以得出：4 个指标变量的模拟值维持在一个合理的范围内，仿真偏差小于10%，满足系统动力学15%的误差允许范围，从而通过了历史验证。

表3 各指标仿真数据对照表

表4 各指标仿真数据对照表

（2）运行检验。用3 种不同的步长模拟值（0.25，0.5，1）来验证该模型总体的稳定性。如图4 所示，在步长模拟中，模型最后结果没有发生太大的变化，表明该模型也通过了运行检验。

图4 建筑业碳排放量运行检验结果图

3.2.3 与GM预测对比

为了对模型进行深入验证，本文通过GM 灰色预测模型，对建筑业碳排放总量的拟合值与实际值进行对比，再结合系统动力学模型仿真结果，得到如表5 所示的结果。从表中可以看出，用系统动力学模型仿真的模拟值与实际值更接近，这进一步证明了以此方法进行仿真是真实有效的。

表5 各指标仿真数据对照表

3.3 情景分析及预测

在减排取得一定成效的基础上，为了模拟未来浙江省建筑业碳排放的变化，本文基于情景分析法，对2020—2030 年浙江省建筑业碳排放的发展趋势进行预测考量。首先，因为文中浙江省的建筑业间接碳排放量计算主要依据建筑材料消耗量与建材的碳排放系数计算而得出，因此，间接碳排放的主要因素是建材消耗。同时，由于建筑材料生产受到行业短期发展政策、进口产品总量等诸多因素的影响，这10 年来的数据波动较大，难以精确地预测。据此，通过控制参量，本文将从经济、人口、能源结构、产业结构等方面着手，依靠《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》，逐步调整2020—2030 年预测模型中的主要产业结构、总人口出生率、总人口死亡率、GDP 增长率。其次，“十三五”期间，国家能源局依据《能源发展战略行动计划（2014—2020 年）》的相关要求，提出全国建筑节能要达到9.3 亿t 标准煤以内的目标。按照《石油发展“十三五”规划》，维持石油比重不变的“稳油增气”发展方针，在减少煤占比、增加燃气占比的原则上作出预测。综上考虑，本文借鉴国家及浙江省相关节能政策要求（见表6），对不同情景下的减排成果进行预测，得出的主要指标数值如表7 所示。

表6 国家及浙江省相关节能政策

表7 相关建筑业碳排放具体节能减排指标

基于浙江省建筑行业的碳排放系统动力学模型，对其进行模拟预测，得到直接碳排放模拟值，结果如表8 所示。再结合图5 的趋势图可以得出：在方案一中，2020 年浙江省建筑业直接碳排放量为649.2 万t，2030 年达到1 047.0 万t；在方案二中，2020 年浙江省建筑业直接碳排放量为660.2 万t，2030 年达到1 190.0 万t；在方案三中，2020 年浙江省建筑业直接碳排放量为682.1 万t，2030 年达到1 299.0 万t。相比较中耗能及高耗能，在低耗能情景下的直接碳排放量较少，2030 年低耗能情景比中耗能少排放143 万t CO2，比高耗能少排放252 万t CO2，这表明节能减排对降低碳排放量是非常有效的。通过改变能源结构、产业结构及技术等其他手段能使碳排放量降低，这对于浙江省“碳达峰”和“碳中和”的战略目标具有重要的指导作用，同时，也为全面贯彻落实《浙江省“十三五”控制温室气体排放实施方案》提供了依据。

图5 2010—2030 年浙江建筑业直接碳排放量趋势模拟图

表8 浙江省建筑业直接碳排放模拟值

4 对策

基于上述对浙江省建筑业碳排放进行仿真模拟和情景分析的结果，结合当前国际、国内先进的节能减排经验，依据国家制定的减排目标，对浙江省建筑行业的碳减排提出了以下几点建议：

（1）加快技术进步，打造数字化技术应用平台。“十四五”期间，建筑业在数字化建造和智能建造方面发生很大变革。加强科技研究力量及投入，积极拓展建筑应用领域内可再生能源市场，使建筑能源结构逐步向洁净化和低碳化转变，逐步建成以新型能源技术和可再生能源为主导的新型可持续建筑能源体系。深入研发低碳技术，加强绿色低碳技术和产品创新，并运用到能源、工业、建筑等重点领域。

（2）转变思维方式，建设建材生产全面绿色转型区。建材生产造成了巨大的碳排放量，首先要转变建设及运维管理思维方式，结合浙江省气候特征与建筑特点，对建材进行合理的资源化利用，优先使用低消耗、低排放的材料，打造超低能耗建筑，从而降低建筑业碳排放总量。根据地区特点，因地制宜采取工业余热的使用、绿色环保建材的应用等低碳手段，提高可再生能源的比重。例如：进一步加快探索在杭州、宁波、温州3 个低碳城市试点工作，并总结经验，以便推广复制到其他城市。

（3）优化能源结构，建设可再生能源集聚地。通过新技术与新能源的结合，科学调整能源结构，如碳捕捉、碳封存技术。合理调控能源消费总量，降低燃煤消费占比，逐步消除燃煤过剩的生产能力，提升燃煤洁净化的利用水平。深入推动我国清洁能源示范省建设，首先，重视优先发展非化石能源，促进能源结构低碳化；其次，积极推动清洁能源替代，加快推进电动汽车、地铁、船舶岸等发展，进一步实施以电代煤、以电代油，提升社会经济电气化水平。

（4）加强政策引导，打造低碳策源地。强化政策引导，利用市场机制完善低碳转型。通过政策法规的引导，对能源结构进行调整和优化，进而降低建筑业碳排放量。例如，煤炭补贴改革［19］在一定程度上能提升能源利用效率。坚持低碳理念和要求，在重大城乡规划和环境工程建设中，进一步发挥低碳理念；积极探索发展集约、智能、绿色生态、低碳的新型城市化管理模式，通过防止大拆大建，从根源上限制建筑物的碳排放量；通过发展现代装配式建筑，深入推行绿色建筑标准，加速研发和推广绿色建材。

5 结语

本文围绕浙江省建筑业碳排放展开研究，通过建立浙江省碳排放系统动力学模型，探讨影响建筑业碳排放影响因素及内在关系。为探究浙江省建筑业能否实现碳减排战略目标，文中对浙江省2010—2019年建筑业碳排放进行动态模拟，并对浙江省2020—2030 年建筑业碳排放量进行预测及分析，为我国其他省份建筑业低碳发展提供一定指导。本文主要得出以下结论：浙江省建筑行业碳排放主要来源于大量建材耗费产生的间接碳排放，直接碳排放量的比例较少。在碳排放影响因素方面，建筑业CO2排放量的上升将引起碳排放成本的增加，从而导致GDP 的下降；此外，GDP 将影响科技投入、建筑投资等变量，最终影响到建筑行业的碳排放量。