基于系統動力學的建筑業碳排放預測
——以浙江省為例

陳 莉，楊雨欣

（安徽建筑大學經濟與管理學院，安徽 合肥 230601）

0 引言

新時代背景下，我國城鎮化水平與日俱增，與此同時，建筑業碳排放也呈現上升的趨勢。相關數據表明：2019 年，在全球范圍內，建筑行業的CO2排放量達到全球CO2總排放量的38%，其中，鋼鐵、玻璃等建筑材料在它們建造過程中的CO2排放量約為全球CO2總排放量的10%［1］；截至2018 年，我國建筑全過程能源占我國能源消費總額的46.5%，碳排放量占我國總量的51.3%［2］。因此，推進“碳中和”目標實現，是當下建筑行業的當務之急。而浙江省是國內首個提出碳達峰碳中和科技創新有關行動方案的地區，通過對浙江省建筑業碳排放的研究，可為其他省份碳減排尋求先機［3］。本文通過建立浙江省碳排放系統動力學模型，分析碳排放各個影響因素之間的關系和作用；通過模擬仿真，揭示浙江省經濟發展、人口狀況、能源耗費與建筑業碳排放之間的動態變化規律；預測浙江省未來碳排放量，預先發現可能發生的問題并予以修正，把握建筑業綠色發展的源頭，這對于浙江省乃至全國建筑行業實現“碳中和”目標具有重要意義。

1 文獻綜述

建筑業碳排放已成為國內外學者研究的焦點。在研究建筑業及其運行過程中碳排放影響因素方面，鄧椿等［4］采用Kaya 恒等式和LMDI（對數均值迪氏指數分解模型，Logarithmic Mean Divisia Index）模型，對山西省1988—2012 年各年度的能源碳排放進行因素分析，結果表明：經濟效應對碳排放的影響較大，而對人口結構的影響較小。戴新穎［5］根據Kaya 恒等式，將碳排放強度、能源消費強度、能源結構、人均GDP、人口數量作為影響中國煤炭碳排放量的5 個因素，采用實證分析的方法分析影響因素與煤炭碳排放之間的協整關系，研究發現，經濟的增長是我國煤炭碳排放增長的最主要因素。汪燕等［6］首先將國內外的研究結果與浙江省的現實相結合，得出6 個主要影響因子，即經濟發展水平、人口、產業結構、能源結構、城市化水平、能源利用水平。其次，在對影響因子初步研究的基礎上，基于拓展的STIRPAT 模型（隨機環境影響計量模型，Stochastic Impacts by Regression on Population Affluence and Technology），對浙江省碳排放驅動因素進行展開分析。最后通過嶺回歸方法，得出了人口規模（總數、城市化水平）、財富效應（人均GDP、第二產業占比）、技術因素（煤炭消費、能源消費強度）對CO2排放具有顯著影響的結論，而人口規模對碳排放總量的影響最為顯著。Ma 等［7］根據STIRPAT 模型和嶺回歸方法，得出5 個因素（人口、城市化水平、公共建筑人均面積、第三產業GDP 指數、公共建筑碳排放強度）對碳排放有顯著影響。李爽等［8］基于Kaya 恒等式、STIRPAT 模型、嶺回歸方法分析各種因素對建筑業碳排放量的影響?；菝髦榈龋?］采用SBM 法測算建筑業碳排放效率，同時，通過空間杜賓面板計量分析，從經濟發展水平、城鎮化水平、產業結構、能源消費結構、節能技術水平和資源稟賦6 個角度探討我國建筑業的碳排放效率影響因素。范建雙等［10］利用空間自相關和核密度函數方法，對中國建筑業碳排放量開展時空特征分析研究，得出中國建筑行業發展水平和從業人口規模對CO2排放量大幅增加具有重要的促進作用。針對建筑業碳排放的因素分解研究，諸多學者都是使用Kaya 恒等式、LMDI 模型、STIRPAT 模型等方法建立碳排放模型，得出影響建筑碳排放的關鍵因素主要有經濟、環境、人口、能源4 個方面。

系統動力學（System Dynamics, SD）廣泛應用于研究復雜問題的影響機制，在碳排放量預測和影響因素方面有很大貢獻［11-12］。SD 模型基于因果關系圖對影響建筑業碳排放的要素關系進行定性描述，通過流圖確定各要素性質、系統框架，并利用函數方程確定各要素之間的定量關系，從而實現對碳排放系統的模擬。Du 等［13］以SD 為基礎，通過8 個子系統（社會經濟，第一、二、三產業，住宅，交通，廢物處置，電力）具體研究其對城市碳排放的影響程度，并開展仿真預測，研究表明：我國城鎮的CO2排放量主要來自工業能源的生產和電力的使用。劉菁［14］以系統動力學仿真技術為基礎，通過設置各種模擬情景預測建筑碳排放的未來變化及其內部邏輯關系，并據此提出了相應的減排措施。趙冬蕾等［15］基于SD，分析經濟、能源、人口、環境4 個子系統之間的因果關系，在此基礎上進行仿真模擬，并從建材生產、產業結構、能源結構3 個不同方面提出相應的政策建議。本文在其他學者研究的基礎之上，以系統動力學為理論基礎，通過構建浙江省建筑業碳排放模型來分析不同系統之間影響因素的協整關系，對浙江省建筑業的碳排放進行預測，并據此提出相應的碳減排建議。

2 浙江省建筑業碳排放現狀

建筑行業的碳排放總量主要有：直接碳排放和間接碳排放。直接碳排放主要源于工業生產過程，間接碳排放則是由于大量建材的耗費而間接產生的。本文參考馮博等［16］建立的建筑業CO2排放量預測模型，結合聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）公布的碳排放系數，依據《中國統計年鑒》（2011—2020 年）、《中國能源統計年鑒》（2011—2019 年）、《浙江省統計年鑒》（2011—2020 年），利用差值法對某些缺失數據進行補齊，得出浙江省2010—2019 年建筑業碳排放量，如表1 所示。本文選取了9 種能源的直接碳排放，主要能源消費碳排放量從大到小依次為柴油>電力>汽油>原煤>煤油（僅列出排名前五者）。2010—2019 年浙江省建筑業能源消費碳排放量在持續增長，排放CO2從460.56 萬t 增加到683.52 萬t，增幅達48.41%。建筑業間接碳排放主要是由5 種材料消耗所形成的碳排放量，如水泥、鋼材、玻璃和木材、鋁材等［17］。浙江省建筑業的間接碳排放量在建筑行業中占比很大，約為95%。2010—2017 年，間接碳排放量CO2從32 419.10 萬t 增長到57 355.22 萬t，但浙江省建筑業間接碳排放量在2017 年達峰值，在此之后CO2排放量從57 355.22 萬t 下降到43 057.55 萬t。

表1 建筑業碳排放量統計表

3 實證

3.1 建筑業碳排放系統動力學模型

3.1.1 建筑業碳排放因果關系圖

系統動力學利用內部的動態結構和反應機理來表達系統的動作模式和功能。根據有關學者的研究成果可知，在經濟發展、產業結構調整、技術創新、社會效應等因素作用下，建筑業的碳排放水平受到較大影響?；诖?，本文采用LMDI 模型［18］和Kaya 恒等式，從經濟、環境、能源、人口4 個系統的角度出發，設定變量C、Ci、E、Ei、Y、P，分別表示建筑業碳排放總量、i種能源的碳排放量、一次能源消費量、i種能源的消費量、建筑業生產總值（GDP）、人口數量，計算得出建筑業碳排放Kaya 恒等式為C= ∑i，。

將浙江省建筑業碳排放系統分成4 大子系統，子系統中的具體指標為：①環境子系統：建筑業碳排放、環保水平、碳匯。②經濟子系統：GDP、建筑業總產值、建筑業投資、減排成本、科技創新投入、技術水平、第二產業所占比重。③能源子系統：能源強度、建筑業能源消耗總量。④人口子系統：生活水平、勞動力、城市人口。這4 個子系統之間相互聯系、相互作用，形成了復雜的關系網圖（如圖1 所示）。整個系統內部的主要反饋回路為：①GDP→+生活水平→+城市人口→+勞動力→+第二產業所占比重→+GDP。②GDP→+科技創新投入→+技術水平→+GDP。③GDP→+建筑業投資→+建筑業總產值→+第二產業所占比重→+GDP。④建筑業碳排放→+減排成本→-GDP→+科技創新投入→+環保水平→+碳匯→+建筑業碳排放。⑤建筑業碳排放→+減排成本→-GDP→+能源強度→+建筑業能源消耗總量→+建筑業碳排放。GDP的增長會促進建筑業投資、科技投入等變量，導致建筑業產值增加；建筑業產值的增長對第二產業比重產生一定的影響，從而使建筑業能耗和碳排放量上升。通過對建筑碳排放體系的因果關系和主要反饋的分析，可以發現：建筑業的碳排放受到諸多因素的制約，存在著復雜的因果關系。因此，要有效地控制建筑業的碳排放，必須對其復雜的影響機制進行深入的探討，可以構建系統動力學存量流量圖來研究建筑業碳排放。

圖1 碳排放系統因果關系圖

3.1.2 建筑業碳排放存量流量圖

根據建筑業碳排放系統因果關系圖，綜合考慮建筑業的直接和間接碳排放量，得出浙江省建筑業碳排放存量流量圖，如圖2 所示。

圖2 碳排放存量流量圖

該模型主要變量包括GDP、建筑業產值、總人口、建筑能耗等。其中，建筑業碳排放量直接受直接碳排放和間接碳排放影響，而其他影響因子如GDP 增長速率作用于GDP 增加量，GDP 影響因子協同總人口數量、建筑業產值、能源效率等影響直接碳排放量，最后影響到整個建筑業的碳排放量。

3.2 模擬仿真及檢驗

3.2.1 系統仿真

基于系統存量流量圖中的結構模型，本文對2010—2019 年的浙江省建筑業碳排放量進行仿真，系統模擬時間設為2010—2019 年，并設置了2010 年的一些初始值，數據來源于《中國統計年鑒》（2011—2020年）、《中國能源統計年鑒》（2011—2019 年）、《浙江省統計年鑒》（2011—2020 年），利用差值法對某些缺失數據進行補齊。通過建立各變量方程，結合Vensim PLE 軟件對浙江省2010—2019 年建筑業碳排放量和各影響因子進行了數值模擬，模擬仿真結果如表2 所示。

表2 建筑業碳排放系統各指標模擬仿真結果

系統模擬仿真結果輸出的變量趨勢圖如圖3 所示。通過對比浙江省建筑業總碳排放量、直接碳排放量、間接碳排放量趨勢圖結果可以得出：2010—2019 年建筑業碳排放與間接碳排放漲幅是趨于一致的，間接碳排放占95%以上，這是因為建筑材料消耗所形成的碳排放量大造成的，因此在建材生產過程中實施節能減排，更有利于實現低碳的目標。2017 年，建筑行業的總碳排放量和間接碳排放量都達到了最高峰，此后開始逐年下降。究其緣由，“十三五”期間，浙江省堅持綠色發展理念，推動“911”行動計劃，積極推進創新綠色發展體制機制建設，生態環境取得顯著成果。與此同時，裝配式建筑在我國發展飛速，在某種程度上降低了現場混凝土的澆筑，對建筑碳排放產生了抑制作用。浙江省把發展綠色低碳作為社會經濟發展的重要戰略，這也是形成生態文化的重要手段，《浙江省“十三五”控制溫室氣體排放實施方案》對此作了明確闡述：到2020 年，碳排放總量規模將得到合理調控。在本文所仿真模擬的建筑業碳排放量趨勢圖中，2019 年建筑業碳排放量有所降低，這有利于目標任務的完成，我們再結合多方面的措施，為進一步實現減排目標作出貢獻。

圖3 建筑業碳排放量運行檢驗結果

3.2.2 有效性檢驗

通過對建筑業碳排放系統進行模擬仿真，得到系統各指標的仿真結果。從仿真結果數值角度對比上述計算的真實結果，以驗證檢驗模型運行的合理性和有效性。本文采用了歷史檢驗和運行檢驗兩種方法。

（1）歷史檢驗。歷史檢驗是將模擬與實際數據進行對比，并將其誤差絕對值進行對比，從而判定該模型的有效性。通過對建筑業碳排放、直接碳排放、間接碳排放、人口總量4 個指標的歷史檢驗，得出的具體結果如表3 和表4 所示。通過對比分析后，可以得出：4 個指標變量的模擬值維持在一個合理的范圍內，仿真偏差小于10%，滿足系統動力學15%的誤差允許范圍，從而通過了歷史驗證。

表3 各指標仿真數據對照表

表4 各指標仿真數據對照表

（2）運行檢驗。用3 種不同的步長模擬值（0.25，0.5，1）來驗證該模型總體的穩定性。如圖4 所示，在步長模擬中，模型最后結果沒有發生太大的變化，表明該模型也通過了運行檢驗。

圖4 建筑業碳排放量運行檢驗結果圖

3.2.3 與GM預測對比

為了對模型進行深入驗證，本文通過GM 灰色預測模型，對建筑業碳排放總量的擬合值與實際值進行對比，再結合系統動力學模型仿真結果，得到如表5 所示的結果。從表中可以看出，用系統動力學模型仿真的模擬值與實際值更接近，這進一步證明了以此方法進行仿真是真實有效的。

表5 各指標仿真數據對照表

3.3 情景分析及預測

在減排取得一定成效的基礎上，為了模擬未來浙江省建筑業碳排放的變化，本文基于情景分析法，對2020—2030 年浙江省建筑業碳排放的發展趨勢進行預測考量。首先，因為文中浙江省的建筑業間接碳排放量計算主要依據建筑材料消耗量與建材的碳排放系數計算而得出，因此，間接碳排放的主要因素是建材消耗。同時，由于建筑材料生產受到行業短期發展政策、進口產品總量等諸多因素的影響，這10 年來的數據波動較大，難以精確地預測。據此，通過控制參量，本文將從經濟、人口、能源結構、產業結構等方面著手，依靠《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》，逐步調整2020—2030 年預測模型中的主要產業結構、總人口出生率、總人口死亡率、GDP 增長率。其次，“十三五”期間，國家能源局依據《能源發展戰略行動計劃（2014—2020 年）》的相關要求，提出全國建筑節能要達到9.3 億t 標準煤以內的目標。按照《石油發展“十三五”規劃》，維持石油比重不變的“穩油增氣”發展方針，在減少煤占比、增加燃氣占比的原則上作出預測。綜上考慮，本文借鑒國家及浙江省相關節能政策要求（見表6），對不同情景下的減排成果進行預測，得出的主要指標數值如表7 所示。

表6 國家及浙江省相關節能政策

表7 相關建筑業碳排放具體節能減排指標

基于浙江省建筑行業的碳排放系統動力學模型，對其進行模擬預測，得到直接碳排放模擬值，結果如表8 所示。再結合圖5 的趨勢圖可以得出：在方案一中，2020 年浙江省建筑業直接碳排放量為649.2 萬t，2030 年達到1 047.0 萬t；在方案二中，2020 年浙江省建筑業直接碳排放量為660.2 萬t，2030 年達到1 190.0 萬t；在方案三中，2020 年浙江省建筑業直接碳排放量為682.1 萬t，2030 年達到1 299.0 萬t。相比較中耗能及高耗能，在低耗能情景下的直接碳排放量較少，2030 年低耗能情景比中耗能少排放143 萬t CO2，比高耗能少排放252 萬t CO2，這表明節能減排對降低碳排放量是非常有效的。通過改變能源結構、產業結構及技術等其他手段能使碳排放量降低，這對于浙江省“碳達峰”和“碳中和”的戰略目標具有重要的指導作用，同時，也為全面貫徹落實《浙江省“十三五”控制溫室氣體排放實施方案》提供了依據。

圖5 2010—2030 年浙江建筑業直接碳排放量趨勢模擬圖

表8 浙江省建筑業直接碳排放模擬值

4 對策

基于上述對浙江省建筑業碳排放進行仿真模擬和情景分析的結果，結合當前國際、國內先進的節能減排經驗，依據國家制定的減排目標，對浙江省建筑行業的碳減排提出了以下幾點建議：

（1）加快技術進步，打造數字化技術應用平臺?！笆奈濉逼陂g，建筑業在數字化建造和智能建造方面發生很大變革。加強科技研究力量及投入，積極拓展建筑應用領域內可再生能源市場，使建筑能源結構逐步向潔凈化和低碳化轉變，逐步建成以新型能源技術和可再生能源為主導的新型可持續建筑能源體系。深入研發低碳技術，加強綠色低碳技術和產品創新，并運用到能源、工業、建筑等重點領域。

（2）轉變思維方式，建設建材生產全面綠色轉型區。建材生產造成了巨大的碳排放量，首先要轉變建設及運維管理思維方式，結合浙江省氣候特征與建筑特點，對建材進行合理的資源化利用，優先使用低消耗、低排放的材料，打造超低能耗建筑，從而降低建筑業碳排放總量。根據地區特點，因地制宜采取工業余熱的使用、綠色環保建材的應用等低碳手段，提高可再生能源的比重。例如：進一步加快探索在杭州、寧波、溫州3 個低碳城市試點工作，并總結經驗，以便推廣復制到其他城市。

（3）優化能源結構，建設可再生能源集聚地。通過新技術與新能源的結合，科學調整能源結構，如碳捕捉、碳封存技術。合理調控能源消費總量，降低燃煤消費占比，逐步消除燃煤過剩的生產能力，提升燃煤潔凈化的利用水平。深入推動我國清潔能源示范省建設，首先，重視優先發展非化石能源，促進能源結構低碳化；其次，積極推動清潔能源替代，加快推進電動汽車、地鐵、船舶岸等發展，進一步實施以電代煤、以電代油，提升社會經濟電氣化水平。

（4）加強政策引導，打造低碳策源地。強化政策引導，利用市場機制完善低碳轉型。通過政策法規的引導，對能源結構進行調整和優化，進而降低建筑業碳排放量。例如，煤炭補貼改革［19］在一定程度上能提升能源利用效率。堅持低碳理念和要求，在重大城鄉規劃和環境工程建設中，進一步發揮低碳理念；積極探索發展集約、智能、綠色生態、低碳的新型城市化管理模式，通過防止大拆大建，從根源上限制建筑物的碳排放量；通過發展現代裝配式建筑，深入推行綠色建筑標準，加速研發和推廣綠色建材。

5 結語

本文圍繞浙江省建筑業碳排放展開研究，通過建立浙江省碳排放系統動力學模型，探討影響建筑業碳排放影響因素及內在關系。為探究浙江省建筑業能否實現碳減排戰略目標，文中對浙江省2010—2019年建筑業碳排放進行動態模擬，并對浙江省2020—2030 年建筑業碳排放量進行預測及分析，為我國其他省份建筑業低碳發展提供一定指導。本文主要得出以下結論：浙江省建筑行業碳排放主要來源于大量建材耗費產生的間接碳排放，直接碳排放量的比例較少。在碳排放影響因素方面，建筑業CO2排放量的上升將引起碳排放成本的增加，從而導致GDP 的下降；此外，GDP 將影響科技投入、建筑投資等變量，最終影響到建筑行業的碳排放量。