基于STIRPAT模型的江西省建筑业碳达峰时间预测研究

林珑芪 马天柱

(南昌航空大学土木建筑学院,江西 南昌 330063)

在温室效应加剧、全球变暖的背景下,环境问题已成为全人类关注的重点话题。《中国落实国家自主贡献目标进展报告(2022)》中提到,中国碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。相关文献指出,我国建筑业碳排放(直接和间接)在我国总碳排放中的比例高达36%[1],按照目前的发展趋势,建筑业碳排放总量将在2030年达到51亿t。由此可见,建筑行业能否实现碳达峰、碳中和(以下简称“双碳”),对我国“双碳”目标的实现至关重要。

对建筑业碳排放的研究主要集中在碳排放的测算、影响因素分析及碳达峰预测3大方面。ADOLF等[2]利用投入产出法测算了爱尔兰建筑业的碳排放量,并给出了建筑业减排措施。李爽等[3]在分析不同影响因素对建筑业碳排放的影响程度时采用的是可拓展的随机性的环境影响评估(STIRPAT)模型,并提出了减排建议。谭春平等[4]通过运用对数平均迪式指数(LMDI)模型分析甘肃省城镇住宅建筑的碳排放影响因素,计算了各因素的效应值。张为程[5]通过构建长期能源可替代规划模型(LEAP),对吉林省建筑部门在不同情景下运营期的碳排放峰值进行了模拟。董棒棒等[6]采用排放因子法,测算了中国西北5个省1997—2016年的能源消费碳排放总量,并采用STIRPAT模型与情景分析法相结合,预测了西北地区2017—2030年能源消费的碳排放量。

综上所述,针对碳排放预测的研究,STIRPAT结合回归分析、系统动力学模型、LEAP模型这3种最为主流[7],但近年也有学者使用基于粒子群优化的长短时记忆网络(PSO-LSTM)模型[8]等较为复杂的数学模型进行预测。

江西省位于我国中部,是首批国家生态文明试验区省份[9]。为响应国家减排政策,加快碳排放达峰,有必要对江西省建筑业碳排放影响因素和达峰情况进行研究。本研究从江西省建筑行业的宏观层面出发,将碳排放分为直接和间接两方面,并利用STIRPAT模型建模,对碳排放影响因素进行分析,并对碳排放趋势进行预测,为建筑行业的碳减排策略提供参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

1.1.1 碳排放测算方法

将建筑业的碳排放定义为直接碳排放和间接碳排放,并且采用排放因子法,测算江西省建筑业碳排放量,计算方法如下:

I=ID+II=(∑Ni×μi×αi+∑Mj×βj)×10-4

(1)

式中:I为建筑业碳排放量,万t;ID为建筑业直接碳排放量,万t;II为建筑业间接碳排放量,万t;Ni为第i种能源消耗量,t(煤、石油)或kW·h(电力);μi为第i种能源的标准煤折算系数,t/t(以每吨煤、石油折算的标准煤计)或t/(kW·h)(电力);ai为第i种能源碳排放系数,t/t(以每吨标准煤排放的CO2量计) ;Mj为第j种建筑材料使用量,t;βj为第j种建筑材料碳排放系数,t/t(以每吨建筑材料排放的CO2量计)。

1.1.2 STIRPAT模型

STIRPAT模型是在IPAT模型的基础上发展起来的[10],该模型广泛应用于环境和碳排放影响因素研究领域,对该模型两边取对数,结合江西省建筑业发展现状,选取人口数量、城镇化率、人均可支配收入、地区生产总值、建筑业能源强度、能源结构、建筑业总产值以及建筑业从业人数8个影响因素作为自变量,建筑业碳排放量为因变量,得到以下模型:

lnI=a+blnB+clnC+dlnD+elnE+flnF+glnG+hlnH+jlnJ+m

(2)

式中:B为人口数量,万人;C为城镇化率,%;D为人均可支配收入,元;E为地区生产总值,亿元;F为建筑业能源强度,万t/亿元(以建筑业单位产值的标准煤消费量计);G为能源结构,%;H为建筑业总产值,亿元;J为建筑业从业人数,万人;a为常数项;b、c、d、e、f、g、h和j为各因素的弹性系数,绝对值越大,相对应的影响因素对江西省建筑业碳排放的影响程度则越大,如人口数量变动1%,会导致碳排放量变动b%;m为残差。

1.2 数据来源

各能源碳排放系数和标准煤折算系数来自国家有关部门和中国统计年鉴公布的相关数据;江西省建筑业能源消耗数据来自2006—2022年江西统计年鉴(选取记录在册的煤炭、石油、电力3种能源)和《中国建筑业统计年鉴2022》(选取2005—2021年水泥、钢材、玻璃、木材、铝材5种主要建材)。

2 碳排放分析

2.1 江西省建筑业碳排放测算

2005—2021年江西省建筑业碳排放量整体呈增长趋势(见图1),且间接碳排放量远大于直接碳排放量。

图1 江西省建筑业碳排放量

2.2 影响因素分析

首先用SPSS软件对构建的模型进行多元线性回归分析,再对8个自变量进行多重共线性分析,发现自变量间存在多重共线性。为避免多重共线性带来的误差,本研究选择岭回归对构建的模型进行分析。结果显示,模型R2为0.924,具有较高的拟合度。各自变量的方差膨胀因子(VIF)均小于10,说明模型通过了总体显著性检验。最终得到的江西省建筑业碳排放影响因素分析模型见式(3)。

lnI=-31.073+3.375lnB+1.301lnC+0.244lnD+0.193lnE+0.185lnF-0.092lnG+0.116lnH+0.436lnJ

(3)

由式(3)中各因素的弹性系数可知,能源结构为抑碳因子,其他因素均为促碳因子。由系数的绝对值可知,8个因素对碳排放量的影响表现为:人口数量>城镇化率>建筑业从业人数>人均可支配收入>地区生产总值>建筑业能源强度>建筑业总产值>能源结构。

将各影响因素2005—2021年的数据代入式(3)进行检验。根据实际碳排放量和拟合值的对数绘制了图2,可看出拟合值与实际值高度一致,且经计算回归模型(式(3))的偏差率为1.62%。可知拟合效果较好,回归模型的代表性较强。

图2 江西省建筑业碳排放量的实际值与拟合值

3 江西省建筑业碳排放情景预测分析

3.1 情景参数设置

本研究针对低速、中速、高速3种社会经济发展模式,对各影响因素变化率(2021年为基准年,2022年是相对2021年的变化率,此后每年都是相对前一年的变化率)进行了设置,预测江西省建筑业2022—2050年的碳排放量。由于年限较长,为保证合理与科学性,将其分为5个阶段。未来参数设定依照江西省已实施和出台的相关法规,并参考国内外相关数据,结合江西省历年来的影响因素变化情况进行设置。

3.1.1 人口数量

根据《江西省人口发展计划(2016—2030年)》,江西省人口到2020年将达到4 800万,预计2016—2020年平均人口自然增长率约为0.8%。江西统计年鉴显示2020年末江西省人口为4 518.86万,2016—2020年实际平均自然增长率约为0.638%。可知目前人口数量和自然增长率均未达到预期,江西省乃至全国人口增速呈现大幅放缓趋势,本研究以此趋势设置人口年均增速变化,设定在高、中、低速模式下,江西省常住人口数量增长率根据2016—2021年年增长率的最高值、平均值和最低值设置。

3.1.2 城镇化率

《江西省新型城镇规划(2014—2020年)》提到2020年全省常住人口城镇化率预期目标为60%左右,2030年为68%左右。江西统计年鉴显示2020年城镇化率实际为60.44%,可知短期内城镇化率的变化满足政府调控目标。因此,本研究设定城镇化率在高、中速模式下均于2030年达到68%,低速模式下2035年达到68%(为低速模式下的峰值),其间城镇化率随年份均匀增长。《人口与劳动绿皮书》显示,我国城镇化率的峰值可能介于75%～80%。因此,本研究设定城镇化率在高、中速模式下分别在2040、2045年达到75%,其间城镇化率随年份均匀增长。达到峰值后增速均按照50%递减,具体设置见表1。

表1 情景参数设置

3.1.3 人均可支配收入

从2005—2021年的数据可知,人均可支配收入处于上升趋势,本研究取“十三五”时期人均可支配收入年增速的均值作为高速模式下第一阶段的变化率,最小值为低速模式下第一阶段变化率。《江西省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》中提到预计“十四五”期间人均可支配收入年均增长6.70%,因此将其设定为中速模式下的变化率。取“十三五”时期和“十二五”时期年均增速的差值3百分点作为前期不同阶段间的差值,随后各阶段增速均按照50%递减,具体设置见表1。

3.1.4 地区生产总值

《江西省国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》提出,“十三五”期间,江西省地区生产总值设定为年均增长8.5%左右,2020年将达到2.6万亿元。实际数据显示2020年江西省地区生产总值为2.58万亿元,基本达到预期目标。《江西省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》提出“十四五”期间全省经济发展的目标是地区生产总值年均增长7%左右。本研究将7.00%设置为中速模式下第一阶段变化率,参照文献[8]设置其他不同模式和阶段的变化率。

3.1.5 建筑业能源强度

2005—2021年能源强度年均变化率为-6.50%,设置江西省中速模式下的能源强度变化率仍按此变化幅度变化。借鉴文献[11]的研究,低速和高速模式下江西省建筑业能源强度在中速模式的基础上下变化0.4百分点,每5年下降0.2百分点。

3.1.6 能源结构

虽然近年来江西省清洁能源消费量日益增多,但煤炭在建筑业能源消耗中占比依旧很大。“十三五”以来能源结构变化逐渐趋于稳定,江西省建筑业能源煤炭占比年均变化率为-2.81%。假设中速模式下建筑业煤炭消费占比仍按此速度变化。本研究的低、高增长模式参考能源强度的变化。

3.1.7 建筑业总产值

《江西省“十四五”住房城乡建设事业发展规划》提出,力争2025年建筑业总产值达到1.5万亿元。观察2005—2021年的数据,建筑业总产值稳步上升。设定中速模式下2025年建筑业总产值达到1.5万亿元,则2021—2025年建筑业总产值的年均增长速率为11.33%,将其设置为中速模式下第一阶段的增长率。取2016年以来年增速的均值和最小值作为高速和低速模式第一阶段增长率。不同阶段之间的变化规律参考地区生产总值的变化进行设置。

3.1.8 建筑业从业人数

根据2005—2021年的数据可知,建筑业从业人数总体呈增长趋势。2005—2021年建筑业从业人数的年均增长率为6.96%,“十二五”和“十三五”期间年均增长率分别为8.14%和1.53%,将以上3个数据按从大到小的顺序分别设置为高、中、低速下第一阶段的建筑业从业人数增长率。观察往年增长率变化规律,设置建筑业从业人数变化率。情景参数设置见表1。

3.2 预测情景构建

参考文献[12],根据各影响因素的低、中、高变化率设置4种情景(见表2)。

表2 江西省建筑业碳排放情景设置

3.3 峰值预测与分析

不同情景下2022—2050年江西省建筑业碳排放量见图3,碳达峰的峰值和时间见表3。

表3 不同情景下江西省建筑业碳排放的达峰时间和峰值

图3 不同情景下江西省建筑业碳排放预测

基准情景即参考情景,是以2021年为基准年,延续过往的建筑业发展轨迹,根据发展的惯性趋势外推而得到的可能情景。在该情景模式下,江西省建筑业碳排放在2040年达峰,峰值为35 648.06万t。

节能情景是指在贯彻2022年江西省人民政府印发的文件《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的实施意见》中的理念措施,调整能源结构,降低能源强度的情景。在该情景模式下,达峰时间与基准情景一致,均为2040年,但整体碳排放量减少。排放量峰值为35 365.07万t,比基准情景少282.99万t,约降低了0.79%,说明能源结构和建筑业能源强度的降低在一定程度上可以降低碳排放量,但对达峰时间的影响较小。

绿色情景反映了注重经济与生态协调发展的情景。各方面都得到优化,低碳技术创新有所突破。在该情景下江西省建筑业达峰时间最早,为2030年,碳排放量峰值也最小,为21 901.39万t。与基准和粗放情景相比,峰值分别降低约38.56%和66.27%。这表明该情景模式是当前江西省建筑业实现碳达峰的最有效情景,基本反映技术进步和政策引导相结合的社会发展状态。

在粗放情景模式下各因素均高速发展,不采取任何新的节能减排方针,江西省建筑业碳排放量呈大幅上升趋势。最大碳排放量为64 940.00万t,为基准和节能情景的1.83倍左右,绿色情景的2.97倍,最大碳排放量出现时间为2050年,但无法判断是否达峰。这种高产出与高耗能的方式和当前社会所提倡的减碳减排绿色发展理念相悖。

4 结论与建议

4.1 结 论

1) 江西省建筑业2005—2021年碳排放量总体呈上升趋势,间接碳排放量的占比远大于直接碳排放量。

2) 运用SPSS进行回归分析,计算8个影响因素对江西省建筑业碳排放量的影响,结果发现:人口数量>城镇化率>建筑业从业人数>人均可支配收入>地区生产总值>建筑业能源强度>建筑业总产值>能源结构。能源结构为抑碳因子,其他因素均为促碳因子。

3) 峰值预测结果显示基准和节能情景下江西省建筑业碳排放在2040年达到峰值;绿色发展情景于2030年达到峰值,碳排放量峰值也最小;粗放情景下无法判断是否达峰。要力求达到技术进步和政策引导相结合的社会发展状态,方能促进江西省建筑业碳排放早日达峰。

4.2 建 议

4.2.1 加大低碳节能的宣传力度

人口数量和城镇化率对江西省建筑业碳排放的影响最大,为控制其对碳排放的影响,除了保证人口数量按照规划控制的目标发展外,还应注重增强居民低碳意识。城镇化主要是通过农村人口向城市迁移实现的,居民的节能意识并无根本性的转变。因此,可以通过加大宣传力度提高居民节能意识,例如利用电视、网络等媒介投放关于低碳生活的宣传片,引导居民将节能减排落实到生活当中,使居民能自发地遵循低碳的生活和消费模式。

4.2.2 鼓励使用节能建材,支持节能技术创新

江西省建筑业间接碳排放量占比远大于直接碳排放,可知建筑材料的碳减排潜力很大。因此,应鼓励使用节能建材,并加速推动建材行业的技术变革,例如组织研发可替代原高碳排放材料的绿色建材,政府可以通过给予一定的经济或荣誉奖励来鼓励创新。通过大力生产和推广节能材料,降低建材带来的大量间接碳排放。

4.2.3 降低能源强度,提高能源利用效率

江西省能源消耗中煤炭占比居高,建议对煤炭的使用进行严格控制,以降低能源消耗总量,从而降低能源强度。此外,采用新技术使既有建筑的能源使用效率得到提高,以扩大建筑节能范围,达到抑制建筑业碳排放增长的目的。