基于STIRPAT模型的民用建筑碳排放影響機理分析及預測研究

徐堅　張藍天　錢宇佳

摘要：在“碳中和碳達峰”目標下，碳減排工作要“因地制宜，統籌兼顧”。不同地區經濟發展及資源稟賦有差異，以云南省為例，基于能源平衡表的建筑能耗拆分模型，測算2011年-2020年云南民用建筑碳排放量，基于STIRPAT模型，采用嶺回歸從人口、經濟、技術三方面探究云南民用建筑碳排放的影響機理，根據云南省發展目標預測中短期的民用建筑碳排放量，最后總結碳減排策略。結果表明：影響云南民用建筑碳排放的主要因素按影響程度為人均可支配收入>常住人口城鎮化率>能源強度>第三產業增加值，2025年云南民用建筑碳排放量較2020年預計增長1.2倍。

關鍵詞：民用建筑碳排放；影響因素；STIRPAT模型；云南省

中圖分類號：X22 文獻標志碼：A

前言

面對全球氣候變化問題，為采取更有力措施，中國連續發布政策文件對“雙碳”工作做出部署，指出要“因地制宦，統籌兼顧”，根據地方發展現狀和目標針對性的制定各行業碳減排方案，能更好的促進低碳發展。

建筑業作為城市能源消耗的三大主體之一，與其他行業碳排放相關性巨大，在發展過程中出現高能耗導致碳排放量持續攀升。為促進建筑業可持續發展，目前學者關注到建筑碳排放的影響因素，但是研究多針對整個行業的碳排放影響因素，較少以民用建筑碳排放為對象分析影響肌理。民用建筑占所有建筑比例大，能耗大，且與城市化發展有較強的關聯性，因此有必要對民用建筑能耗及碳排放展開研究，探索碳減排策略。

目前對于民用建筑碳排放影響因素的研究，越來越多學者考慮到要因地制宜提出碳減排策略，對省域、市域層面也展開了研究，但是大多以中東部經濟發達地區為對象。西部欠發達地區生態基礎較好但又需加快城市化、工業化進程，民用建筑碳減排策略有別于經濟發達地區?；诖?，以自然生態良好但又欠發達的云南省為研究對象，深入探討民用建筑碳排放的影響機理、預測未來碳排放量，旨在探討云南民用建筑碳中和解決方案的同時為其他欠發達地區碳中和開展提供參考。

1 研究區域介紹

云南省自2010年被批準為中國首批低碳試點省份，作為生態文明建設排頭兵，綠色能源、碳匯資源較為豐富。據統計，云南省人均碳排放水平僅為中國人均碳排放的一半，進一步說明云南省低碳發展潛力較大，具有較好的實現碳中和的基礎條件。但是，“后發展”和“欠發達”是云南的基本省情，經濟社會發展不充分、不平衡問題較為突出。作為面向南亞東南亞輻射中心，云南省綠色低碳發展任重道遠。

基于能源平衡表，根據《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366-2019）中的計算邊界計算云南省建筑全生命周期碳排放，結果顯示建筑運行階段占建筑業全生命周期碳排放量44.2%，建筑運行碳減排工作面臨嚴峻挑戰。而民用建筑與居民生活息息相關，民用建筑碳排放作為建筑運行碳排放主要來源，隨著城市化進程加快，在碳排放總量中所占比重日益增加。據統計，目前云南省人均建筑面積高于全國平均水平，云南省民用建筑碳排放必須引起重視。

2 云南民用建筑碳排放現狀分析

2.1 民用建筑碳排放量計算

范圍界定：根據現有研究成果，對民用建筑的全生命周期碳排放量進行了核算，認為運行階段碳排放量大約占建筑物全生命周期碳排放量的80%以上，此外，建筑的使用時間占整個建筑壽命期的90%以上。因此，文章以狹義的建筑碳排放為對象——建筑運行階段碳排放。

針對民用建筑能耗及碳排放，由于中國現行能源統計模式以三大產業為主，沒有單列建筑能耗，為民用建筑碳排放計算帶來了不便，學者對民用建筑能耗及碳排放的計算方法展開了豐富研究，但是基于統計年鑒和抽樣調查統計數據計算結果的準確性有待驗證。蔡偉光等總結了從能源平衡表收集建筑能源消耗數據所面臨的問題，經過對能源平衡表中各項數據的來源與口徑研究，提出了以能源平衡表作為依據的建筑能耗拆分模型，并驗證了其適用于省級民用建筑能耗的測算。

因此，文章基于能源平衡表的建筑能耗拆分模型，通過2010年-2020年《中國能源統計年鑒》中云南省能源平衡表計算云南民用建筑原煤、焦炭、天然氣、電力等十一種能源的消耗量，采用計算碳排放最常用的IPCC碳排放因子法對云南民用建筑碳排放進行測算。為了確保研究數據的權威性和實時性，充分結合建筑業的特點，文章碳排放因子主要來源于《建筑碳排放計算標準》GB/T 51366-2019。

式（1）中，CM為民用建筑碳排放量，EM，i為第i類能源消耗量，EFi為第i類能源的碳排放因子。

2.2 民用建筑碳排放特征分析

通過式（1）計算得到云南省2011年-2020年公共建筑、城鎮住宅、鄉村住宅的四大類能源碳排放量。從整體來看，如圖1所示，民用建筑碳排放從2011年2468.78萬噸增加到2020年的4270.78萬噸，呈現上升趨勢，但增速明顯放緩。

對于不同民用建筑類型，公共建筑碳排放量占比最大，由于空調、電梯和照明等設備耗能巨大，并且普遍存在高能耗和低能效問題，其電力消耗碳排放量占主要且持續增多。鄉村住宅中原煤及煤制品排放量大，是城市住宅的十幾倍，由于煤價格較便宜，是鄉村居民日常取暖的主要燃料。而城鎮居民以碳排放較低的天然氣、電力為主要能源，因此碳排放量占比較小。

從民用建筑主要能源類型碳排放看，如圖2所示，電力碳排放量占云南民用建筑碳排放比例最大，即電力是云南民用建筑最主要的能源形式。各類燃料碳排放情況與云南省的能源資源條件和能源供應狀況相吻合。隨著云南省推動清潔能源消費轉型，大力發展綠色能源，優化煤炭開發布局，煤制品的碳排放量逐年減少。由于云南存在“缺油少氣”情況，因此油，氣消耗量小，2014年后隨著中緬原油管道和中石油云南煉油項目同步建成投產，油氣使用量逐漸增加，碳排放量增加。

3 云南民用建筑碳排放的主要影響因素分析

3.1 民用建筑碳排放STIRPAT模型構建

目前關于碳排放宏觀影響因素分析的模型方法主要有：IPAT系列識別模型、指數分解分析方法和結構分解分析方法，其中IPAT可以考慮多方面各因素的共同影響，并且可拓展性較強。STIRPAT模型是在IPAT模型基礎上進行擴展的隨機形式，是個多自變量的非線性模型，其優點是可以克服模型中各因素對環境改變結果一致的情況，以探索關鍵影響因素，已被多個學者用來構建碳排放影響機理分析模型。如WANG等利用改進的STIPRAT模型構建了理論分析框架，利用靜態面板模型和空間動態面板模型揭示民用建筑碳排放的影響因素。

STIRPAT模型表達式為式（2）：

I=aP6AcTde 式（2）

式（2）中，I為環境因素；P為人口；A為富裕程度，即經濟因素；T為技術；a為模型系數；b，c，d分別為對應驅動因素的影響指數；e為模型的誤差。自引入以來，IPAT方程和STIRPAT模型已被廣泛認可并應用于能源經濟學、環境科學和許多相關領域。

此研究以STIRPAT模型的人口、經濟、技術水平3個維度指標為基礎，考慮到民用建筑碳排放具體特征，并從現有相關研究中尋找支持參考，構建STIRPAT擴展模型。（見表1）

對STIRPAT模型兩端取對數，以消除模型產生的異方差。為了消除不同量綱造成的影響，對民用建筑碳排放量及其影響要素的指標數據進行標準化處理。選擇云南民用建筑碳排放量作為控制變量，運用SPSS軟件做偏相關分析，最終得到U、S、TI、EI四個因素的相關系數分別為0.982、0.983、0.978、-0.978，具有較好的相關性，因此4個因子可作為民用建筑碳排放影響因子，模型如式（3）：

InC=Inα+β1lnU+β2lnS+β3lnTI+β4lnEI+e式（3）

式（3）中，β1-4為彈性系數，表示當第i項指標每變化1%時，將引起C的βil%變化。

3.2 模型多元回歸分析

對STIRPAT模型式（3）通過SPSS軟件進行多元回歸分析，模型p=0.000，通過F檢驗，調整后R2為0.953，模型擬合度較高。但是計算結果中方差膨脹因子（VIF）遠高于10，說明變量之間存在嚴重的共線性，因此不能根據普通最小二乘法擬合的結果進行判斷。

3.3 基于嶺回歸方法的影響因素分析

為了解決模型變量間多重共線性的問題，采用嶺回歸方法，對模型進行回歸分析，以損失部分信息為代價獲得更適合的回歸模型。利用SPSSAU數據分析平臺中的嶺回歸函數對式（3）模型方程做擬合，嶺跡圖如圖3所示，k值越小損失信息越少，當k=0.10時，嶺跡圖變化趨勢逐漸平穩，故取k值為0.10。

如表2所示，模型R2為0.964，意味著InU，InS，InTI，InEI可以解釋InC的96.4%變化原因，整體擬合高。模型p=0.001<0.05，通過F檢驗，因此，模型可以以反映云南民用建筑碳排放量與其影響因素之間的關系，具體形式如式（4）：

InC=0.42lnU+0.162lnS+0.103lnTI-0.159lnEI+4.029 式（4）

從嶺回歸的系數來看，影響云南民用建筑碳排放的主要因素按影響程度大小排序：人均可支配收入>常住人口城鎮化率>能源強度>第三產業增加值，四個變量均通過了顯著性檢驗。人均可支配收入、常住人口城鎮化率、能源強度、第三產業增加值每增加1%，云南民用建筑碳排放量分別增加0.264%、0.246%、0.236%、0.214%。具體分析如下：

（1）人均可支配收入是導致云南民用建筑碳排放量增加的首要因素，這是由于人們對美好生活的向往，可支配收入提高使得人們對舒適度要求更高，伴隨著對能源的絕對需求，而大多數居民尚未建立足夠的綠色意識，導致民用建筑能耗增加。

（2）其次是人口城鎮化。隨著城鎮化的進程不斷加快，人們對于生活、居住空間的需求也越大，從而引發的民用建筑規模的增加，隨之帶來的后果是民用建筑碳排放的激增。

（3）能源強度對民用建筑碳排放的影響較小，由于云南民用建筑消費的主要能源形式為電力，而云南省電力資源豐富，風電、光伏等清潔可再生能源不斷增長。云南省以此發揮自身優勢，使得單位GDP能耗降低，但是由于人們對能源的需求快速增加，抵消了能源強度降低減少的碳排放量。

（4）第三產業增加值的影響明顯但相對較小，根據配第一克拉克定理，城市化帶來產業結構的優化，當人均收入進一步提高時，勞動力向第三產業轉移，第三產業快速發展，帶動公共建筑需求增加，進而導致碳排放增加。

4 云南民用建筑碳排放預測研究

4.1 模型預測能力檢驗

為檢驗模型的預測能力，將云南省2011年—2020年5個主要因素的實際值代入方程（4），經計算得出擬合數值與真實值結果如圖4所示，擬合程度高，10年內擬合結果誤差絕對值均在10%，平均誤差率僅有2.77%，與實際情況基本吻合，說明該模型能夠有效預測云南省未來15年的碳排放值。

4.2 碳排放預測及結果分析

在云南民用建筑現有碳排放影響因素數據基礎上，基于上述分析所建立的STIRPAT模型，參考目前云南省“十四五規劃”、各類專項規劃及近十年的變化規律等預計的目標發展，對控制變量進行增長率設定，以預測2021年-2025年云南民用建筑碳排放量。

基于STIRPAT模型，將根據云南省“十四五”規劃預測的各影響因素的數值代入式（4），計算得到2021年-2025年云南民用建筑碳排放預測值，2021年到2025年云南民用建筑碳排放量分別為4500.62、4671.99、4849.89、5034.56、5226.26。在云南省政府既定的目標下，預計年均增長率為3.81%，較“十三五”期間年均增長率（3.59%）有所增加，2025年云南民用建筑碳排放量達到了5226.26萬噸，約為2020年排放量的1.2倍，增幅明顯，可見云南民用建筑碳排放減排工作面臨巨大挑戰。

4.3 云南民用建筑減碳建議

針對云南民用建筑碳排放特征及影響因素的分析結果，提出相關建議如下：

（1）收入水平對民用建筑碳排放的影響最大，而第三產業增加值對碳排放的影響雖然較小，但是由于第三產業對公共建筑能耗影響大，且公共建筑碳排放占云南民用建筑碳排放比例最大。因此，在能源消費端，政府要大力宣傳，通過政策消費引導，提高居民的低碳消費意識，構建綠色低碳生活方式。

（2）人口城鎮化作為民用建筑碳排放的重要驅動力，應從國土空間規劃、城鄉建設各環節全面落實綠色低碳要求，合理規劃，優化建筑布局，合理設定城鎮建筑面積發展目標。

（3）電力碳排放量占云南民用建筑碳排放比例最大，云南要充分利用自身優勢，大力發展水電、風電、光伏等清潔可再生能源。探索建立太陽能光伏在城鄉民用建筑中分布式、一體化應用的相關設計和應用標準，推進建筑太陽能光伏光熱應用，以充分利用建筑空間減少建筑碳體及周邊排放。

（4）能源強度是影響民用建筑碳排放的重要因素，最主要的是要提高民用建筑的能源利用效率。在生產端要提高節能技術水平，政府應積極建立民用建筑節能技術研究激勵政策，實現民用建筑技術創新；在消費端要通過完善相關市場機制、政策補貼等手段，鼓勵綠色節能技術在民用建筑中的應用，嚴控高能耗公共建筑建設；對于已有建筑，制定節能改造標準，推動民用建筑低碳節能改造，提高民用建筑運行中的能源效率。

5 結束語

文章首先基于能源平衡表的建筑能耗拆分模型測算了2011年-2020年云南民用建筑碳排放量，分析云南民用建筑碳排放特征：總體呈現上升趨勢，但增速明顯放緩，其中公共建筑碳排放量占比最大，民用建筑主要能源類型為電力碳排放。其次，在STIRPAT模型基礎上，采用嶺回歸探究云南民用建筑碳排放的影響機理，得出影響云南民用建筑碳排放的主要因素按影響程度為人均可支配收入>常住人口城鎮化率>能源強度>第三產業增加值。最后，根據云南省發展目標預測了2021年-2025年云南省中短期的民用建筑碳排放量，結果顯示2025年云南民用建筑碳排放量較2020年預計增長1.2倍。云南作為經濟發展緩慢但生態良好的欠發達地區，為實現高質量綠色發展，降低碳排放還需各方面共同努力。