基于IPAT理論的城鎮建筑能耗測算模型和應用

鄒 璀 劉秀麗

(中國科學院數學與系統科學研究院，北京100190)

隨著我國經濟的持續發展和人民生活的改善，我國建筑能耗逐年增長，建筑能耗占全社會總能耗的比例也有所提高。建筑能耗是指建筑在使用過程中對能源的消耗，這種消耗指的是熱能通過傳導、對流和輻射等方式對能源的消耗［1］。同時由于城鎮化建設的不斷推進，我國城鎮居住建筑能耗和城鎮公共建筑能耗已成為我國建筑能耗中增幅最快的一類。因此對城鎮建筑能耗進行分析和評估是具有現實意義的，有助于制定科學合理的建筑節能政策措施和規劃目標。

從已有的文獻來看，國內外的專家學者在建筑能耗方面做了大量的研究。Oyeshola等［2］基于LCEA(生命周期能源分析)理論對泰國典型的公共建筑能耗進行了計算，同時分析泰國現有公共建筑的節能潛力;Emily等［3］對現有的多種建筑能耗模型進行分析整理，考慮不同的居住者對建筑能耗的影響來提高模型的精度;Elena等［4］基于歐洲建筑方法論建立模型，預測2016年希臘的城鎮住宅建筑節能的潛力;劉秀麗等［5］應用投入產出局部閉模型和數量經濟方法建立了建筑節能經濟－環境影響測算投入產出模型，并基于該模型進行了相關的測算分析;范周等［6］根據我國現有的經濟發展形勢，分析了建筑節能在促進經濟增長和房地產業中的作用。

以上這些研究主要側重于分析經濟發展與建筑能耗的關系，對于節能技術對于建筑能耗的影響較少涉及。因此，本文將IPAT的理論模型應用到城鎮建筑節能研究領域，綜合考慮經濟發展、人口變動，節能工作等多項城鎮建筑影響因素，建立了城鎮建筑能耗測算模型，然后應用該模型分析了城鎮建筑能耗的各項影響因素的程度，最后根據建立的模型對城鎮建筑能耗進行情景預測，基于預測結果，給出政策建議。

1 基于IPAT理論基礎的城鎮建筑能耗測算模型

1.1 IPAT 理論模型

“IPAT”模型是 1971 年美國 Ehrlich 和 Holden［7］基于人口、經濟和技術對環境的影響而提出的模型，該方程表示為:

其中，I(impact)表示環境影響或者資源消耗，P(population)表示人口，A(affluence)表示經濟發展，T(technology)表示技術。在實際分析中，上式的I通常為能源消耗或者CO2，NOx等廢氣廢物的排放量;P通常為人口數;A通常為人均GDP等經濟發展指標;T通常為單位GDP所形成的環境指標。該模型揭示了引起環境變化的三個主要驅動力為人口、經濟和技術，這三個因素共同作用于環境。

隨著時間發展，一些學者也對“IPAT”模型進行了改進和擴展，其中最著名的是 Dietz［8］，其認為人口、經濟、技術以不同的影響程度作用于環境，因此提出了STIRPAT模型(Stochastic Impacts by Regression on Population，Affluence，and Technology)，模型如下:

上式中的a是模型系數;b、c和d分別是對應的人口(P)、經濟發展(A)、技術水平(T)的指數;e是模型誤差項。在STIRPAT中，Dietz保留了原有的因素之間的相乘關系，然后賦予其不同的影響因子。

1.2 影響因素分析

影響城鎮建筑能耗增長的因素較多，按照“IPAT”模型理論分為人口因素:人口總量、城鎮化率、年齡結構等;經濟因素:GDP、建筑業產值、第三產業增加值、城鎮居民電器擁有量、人均可支配收入、居民消費水平等;技術因素:節能建筑占城鎮建筑比重、節能技術普及率等。本文只針對直接影響城鎮建筑能耗的因素進行分析。

1.2.1 人口(P)

城鎮化對城鎮建筑能耗的影響是多方面的，首先隨著城鎮化的不斷推進，城鎮建設大規模開展，建筑面積總量隨之快速增長，從而導致建筑能耗的增長;其次，城鎮化進程的加速將伴隨城鎮居民對物質和服務需求的增長，進而推動第三產業的發展，導致公共建筑能耗增長;最后由于城鎮居民的人均能源消耗遠高于農村居民，隨著大量農村居民進城轉為城鎮居民，城鎮建筑能耗必然也將快速增長。因此城鎮化率是城鎮建筑運行能耗的重要影響因素。

1.2.2 經濟(A)

經濟對城鎮建筑能耗的影響分別體現在住宅建筑能耗和公共建筑能耗兩個方面:①居民生活水平的提高通常伴隨大功率電器(空調、電冰箱等)擁有量的增長，電器擁有量的增長導致城鎮住宅建筑能耗的增長。②城鎮公共建筑中能耗受到的經濟影響主要是由于第三產業的發展對能耗的需求，自改革開放以來，我國第三產業快速增長，其占GDP的比重也由1990年的31.6%增長到2010年的43.1%。因此第三產業的發展已經成為公共建筑能耗增長的重要因素。

1.2.3 技術(T)

面對我國建筑能耗的不斷增長，我國政府在新建建筑建造和既有建筑改造兩個方面大力推廣節能技術，并已取得良好效果。以新建建筑為例，全國城鎮2011年新建建筑設計階段執行節能50%強制性標準基本達到100%，施工階段的執行比例為95.5%。正是由于節能工作的大力推行才使得我國建筑能耗的增長趨勢得以放緩。

1.3 模型的建立

城鎮建筑能耗作為一種特殊的環境影響，雖然滿足“IPAT”理論模型中人口、經濟、技術等因素對其的影響，但其與各自變量之間的關系并不完全由“IPAT”中的相乘關系表示;因此本文基于IPAT原理重新構建了城鎮建筑能耗模型，并且引入了時間序列ARMA模型，以使新的模型更加精準的表現實際情況。

最終該模型使用1980－2009年的全國時間序列數據作為樣本數據，選擇城鎮化率、城鎮居民每百戶空調擁有量、城鎮居民每百戶電冰箱擁有量、第三產業增加值(不變價，以1978=100計算)、城鎮節能建筑占既有建筑的比重作為自變量，城鎮建筑能耗作為因變量構建模型。

城鎮化率反映城鎮的發展，相對城鎮人口總量而言，更全面的反映了人口因素(P)在城鎮建筑能耗中的影響;第三產業增加值變化反映公共建筑能耗的經濟影響(A)，城鎮居民每百戶空調器、電冰箱擁有量作為城鎮住宅終端大功率電器的代表，也集中反映了城鎮住宅建筑能耗的經濟指標(A);城鎮節能建筑占既有建筑的比重代表了技術發展(T)在城鎮建筑能耗中的影響。根據以上選擇，模型如下所示:

上式中的Y表示城鎮建筑能耗總量，X1表示城鎮化率，X2表示第三產業增加值，X3表示城鎮居民每百戶電冰箱擁有量，X4表示城鎮居民每百戶空調擁有量，X5表示城鎮節能建筑占既有建筑的比重，MA(1)表示時間序列移動平均項，CA表示誤差項。

上式的數據來源為:《中國統計年鑒》、《能源統計年鑒》、中經網數據庫、清華大學建筑節能研究中心公布的《中國建筑節能年度發展研究報告》(2008－2011年)、住房與城鄉建設部公布的《全國住房城鄉建設領域節能減排專項監督檢查建筑節能檢查情況通報》(2007－2011年)。

根據模型結果可以發現:以上各影響因素都對建筑能耗產生顯著影響;其中，城鎮節能建筑的占比對建筑能耗的影響程度最高(1 247.47)，可見政府節能政策的實施對城鎮建筑能耗的調控起到了良好的效果。另外，空調擁有量對建筑能耗也具有明顯的促進作用(260.62)，由于生活水平的不斷提高，提供熱舒適環境的暖通空調系統的能耗必將隨之增長。

2 情景分析

情景分析是指在不同的情景下使用研究方法分析問題，即先設定若干種情景，運用過去的發展情況采用適當的模型進行定量分析。情景的設定需要能夠相互匹配，具有經濟、人口、技術、社會等多方面的合理性，同時需要設計一個基準情景(BAU，business as usually，即按現有的發展趨勢發展)，然后通過改變情景假定條件設置不同的情景，再與基準情景進行比較分析，來研究未來的變化。

2.1 情景假定

首先根據中國家用電器協會在2011年5月公布的《中國家用電器工業“十二五”發展規劃的建議》中的報告，城鎮居民家用電器的擁有量將在未來五年期間將保持既有的增長趨勢，不會出現大的波動，故本文設置初始假定為:城鎮居民家用電器的擁有量將在2011－2015年間保持既有的增速。在此前提下，本文對城鎮化率、節能建筑占既有建筑的比重、第三產業增加值分別進行情景設定。

2.1.1 城鎮化率

城鎮化率的增長必然伴隨著城鎮建筑能耗總量的增長。而最近我國的城鎮化率一直處于快速增長的趨勢。基于此對城鎮化率在未來的變化情況進行兩個假定:

假定1:城鎮化率增速得到有效控制，根據“十二五”規劃，城鎮化率在2011－2015年間將提高4個百分點;基于此測算出2011－2015年間的城鎮化率依次為50.75%，51.55%，52.35%，53.15%，53.95%。

假定2:城鎮化率保持既有增速持續增長，基于此依據時間序列數據測算出2011－2015年間的城鎮化率依次為 51.40%，52.91%，54.43%，55.94%，57.46%。

2.1.2 第三產業增加值指數

公共建筑能耗是城鎮建筑能耗的重要組成部分，而第三產業的快速增長通常伴隨著公共建筑能耗的增長。基于此對第三產業增加值在未來的變化情況進行兩個假定:

假定3:第三產業增速得到有效控制，根據“十二五”規劃要求，國內生產總值保持年平均7%的增速，同時在2015年第三產業(服務業)增加值占國內生長總值比重將由2010年的43.1%增長4個百分點，達到47%;基于此把第三產業增加值折算成第三產業增加值指數(不變價，以1978年=100計算)，測算出2011－2015年間的第三產業增加值指數依次為 2 961.7，3 181.8，3 401.9，3 622.0，3 842.1。

假定4:第三產業持續發展，第三產業發展不受外界影響，繼續保持現有的增速;基于此依據時間序列數據把第三產業增加值折算成第三產業增加值指數(不變價，以1978年=100計算)，測算出2011－2015年間的第三產業增加值指數依次為 3 065.7，3 402.3，3 775.9，4 190.5，4 650.6。

2.1.3 節能建筑占既有建筑的比重

隨著節能工作的不斷推進，城鎮建筑能耗的增速得到了有效控制?；诖?，對節能建筑占比在未來的變化情況進行了假定:

假定5:節能建筑占比穩步增長，即在既有的建筑節能工作基礎上，節能工作穩步實施，節能建筑占比在未來五年的每年增量保持不變;基于該假定測算出節能建筑占比在2011 －2015 年間為 24.6%，26.1%，27.6%，29.1%，30.6%。

假定6:節能建筑持續增長，即政府在既有的建筑節能工作基礎上，繼續推進節能建筑的建造，節能建筑占比保持現有增速，;基于該假定測算出節能建筑占比在2011－2015 年間為 24.6%，26.2%，27.9%，29.7%，31.6%。

2.2 測算結果和分析

根據以上模型和相關數據，結合上述6種情景假定，最終測算出2011－2015年我國城鎮建筑能耗總量的8種情景(見表1)，其中情景1即基準情景，指保持現有的發展趨勢下的城鎮建筑能耗情景(假定2、假定4、假定5)，而情景8即最佳情景，指在受到有效調整和控制下的城鎮建筑能耗情景(假定1、假定3、假定6)。

根據上表可以發現，如果保持當前的發展趨勢(即基準情景下)，我國城鎮建筑能耗將出現大幅增長，在2015年達到89 509.29萬tce，這幾乎是2009年(47 737萬tce)的1.8倍之多;在最佳情景下的城鎮建筑能耗，在2015年僅為71 896.15萬tce，為基準情景86%，節約近14%的能源。

表1 我國城鎮建筑能耗總量 (單位:萬tce)

根據其他6個情景下建筑用能情況可以發現第三產業的穩步發展對于能耗的控制最為有效，因此如何有效降低公共建筑能耗將是城鎮建筑能耗節能工作的重點;其次是節能建筑的占比，其在較大程度上控制了城鎮建筑能耗的增長趨勢。

3 結論與建議

本文首先基于IPAT模型的理論思想，結合ARMA的時間序列模型，構建了城鎮建筑能耗的測算模型。然后應用情景分析方法，對城鎮建筑能耗進行了情景分析和測算，得出2011年至2015年我國的城鎮建筑能耗總量。測算結果表明若要即保證社會經濟穩步發展，又降低城鎮建筑能耗的增速，需要積極加大節能措施的實施，尤其是加強公共建筑能耗的控制力度，具體提出以下幾點建議:

(1)繼續加強可再生能源建筑的推廣工作。保持現有的新建建筑在設計施工階段的節能規范措施，擴大既有建筑的改造工作?？山⒖稍偕茉唇ㄖ檬痉妒?縣)，當示范建筑面積達到一定規模，可以推動周邊市(縣)的節能工作。

(2)健全針對公共建筑特別是大型公共建筑的節能監管體系，實現公共建筑能耗的可計量和監測的功能。確定各類型的公共建筑能耗的基線(即基本能耗)，對重點用能建筑和高能耗建筑提高節能標準。

(3)對既有居住建筑的節能改造需要做到因地制宜，合理安排。在考慮地區氣候特點、建筑現狀、居民用能習慣等因素前提下，強化建筑節能技術支持。

(編輯:劉呈慶)

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