碳達(dá)峰目標(biāo)下綠色住宅發(fā)展路徑模擬與選擇
——以西安市為例

王 瑩，王赟鈁

（西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安 710055）

一、引言

“雙碳”目標(biāo)是我國基于推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體，為實(shí)現(xiàn)大國擔(dān)當(dāng)和中華民族永續(xù)發(fā)展所作出的重大戰(zhàn)略決策，也是推進(jìn)生態(tài)文明的建設(shè)、建設(shè)人與自然和諧共生的美麗中國的重要抓手[1]。目前，中國建筑業(yè)普遍存在碳排放總量大、用能技術(shù)和效率低等問題，其總能耗為社會(huì)總能耗的25%～28%，其二氧化碳排放量為社會(huì)總排放量的40%左右[2]，建筑行業(yè)這一特點(diǎn)決定了其在助力我國“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)中將發(fā)揮關(guān)鍵作用[3]，因此推動(dòng)綠色住宅的發(fā)展意義重大。本文擬構(gòu)建新建綠色住宅和既有住宅建筑節(jié)能改造兩種發(fā)展路徑，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型仿真分析不同路徑若干情景下全社會(huì)住宅建筑碳的排放量，對促進(jìn)整個(gè)建筑業(yè)乃至整個(gè)區(qū)域各行業(yè)的碳達(dá)峰早期實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

已有文獻(xiàn)研究中大量文獻(xiàn)對綠色建筑的碳排放測算研究針對性不強(qiáng)，且目前對預(yù)測碳達(dá)峰及情景模擬分析缺乏多因素的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析[4]。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（System Dynamics，SD）作為一種綜合仿真模擬預(yù)測模型在研究復(fù)雜問題的影響機(jī)制方面具有廣泛的應(yīng)用[5]，其在綠色建筑方面的相關(guān)研究主要側(cè)重仿真綠色建筑的供需市場發(fā)展及政策分析，如王瑩和張路平（2018）[6]利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)從供需兩個(gè)方面研究了綠色住宅的市場發(fā)展及激勵(lì)政策，楊曉冬和武永祥（2013）[7]通過開發(fā)決策子系統(tǒng)、需求子系統(tǒng)、政府行為子系統(tǒng)對南京市綠色住宅市場進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真模擬與預(yù)測。也有學(xué)者運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對國家或省域整體碳排放進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析[8-9]，缺少綠色建筑發(fā)展對碳排放影響的專門研究，也缺乏對綠色住宅發(fā)展路徑的仿真分析研究，無法探知綠色住宅發(fā)展路徑對實(shí)現(xiàn)住宅建筑領(lǐng)域碳達(dá)峰的實(shí)際意義。

關(guān)于建筑領(lǐng)域碳排放核算的研究可以從兩個(gè)維度進(jìn)行劃分。一是微觀層面建筑單體的碳排放核算；二是宏觀層面，如全球、國家、區(qū)域、省市等范圍內(nèi)建筑碳排放的核算[10]。微觀層面的建筑碳排放核算主要集中于對某個(gè)或多個(gè)建筑不同階段、材料、結(jié)構(gòu)形式等進(jìn)行碳排放量的測算及比較分析[11-15]，不具有普適性。宏觀層面的建筑碳排放核算可劃分為物化階段碳排放和運(yùn)行階段碳排放，現(xiàn)有研究中針對建筑運(yùn)行階段碳排放核算開展的相關(guān)研究相對較為成熟，積累了較多的數(shù)據(jù)、模型方法及規(guī)則等研究成果[16]。其中的排放因子法是目前得到最廣泛應(yīng)用的方法。由于住宅建筑運(yùn)行階段的碳排放占其全壽命周期碳排放的60%～80%[17]，且已有研究中針對建筑運(yùn)行階段碳排放核算的研究較為成熟[18-20]，因此本文中的建筑碳排放測算主要指住宅運(yùn)行階段宏觀層面的碳排放。

與已有研究系統(tǒng)建模時(shí)在綠色建筑發(fā)展子系統(tǒng)中只考慮新建綠色建筑對碳減排影響不同[21-23]，本文分析了不同星級綠色建筑占比及既有建筑改規(guī)模對整體建筑碳排放的影響，進(jìn)而更加具有針對性地研究綠色住宅在碳達(dá)峰目標(biāo)下的發(fā)展路徑。

我國各地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡，碳達(dá)峰目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)最終要落實(shí)到各個(gè)地區(qū)層面[24]。西安市是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶起點(diǎn)城市、關(guān)中平原城市群中心城市，國家中心建設(shè)城市，肩負(fù)著在政治、經(jīng)濟(jì)、文化、社會(huì)和生態(tài)文明領(lǐng)域引領(lǐng)區(qū)域發(fā)展的重要使命，率先實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰意義重大[25]。

二、住宅建筑碳排放系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建主要分為以下四個(gè)步驟：首先明確系統(tǒng)邊界，劃分并確定變量類型；其次根據(jù)變量之間的關(guān)系建立因果回路圖；再次將因果回路圖轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)模式，設(shè)置參數(shù)并確定方程，建立存量流量圖；最后完成建模，進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬與仿真[26]。

（一）系統(tǒng)邊界的確定

系統(tǒng)邊界指時(shí)間邊界、空間邊界和變量邊界。本文根據(jù)研究對象確定空間范圍為西安市，根據(jù)數(shù)據(jù)可獲取性確定主要時(shí)段為2011—2040 年，模擬基期為2011 年，仿真步長為1 年。

考慮到建筑碳排放各影響因素之間存在非線性、多反饋的復(fù)雜作用關(guān)系，在建筑碳排放測算方面采用Kaya 恒等式的計(jì)算方法[18]，從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、能源、建筑綠色化發(fā)展4 個(gè)子系統(tǒng)的角度出發(fā)，建立建筑運(yùn)行階段碳排放的Kaya 恒等式：

其中：C、P、GDP、Y、S、E、F分別表示建筑碳排放量、城市人口總量、城市生產(chǎn)總值、建筑業(yè)產(chǎn)值、建筑面積、建筑能耗、能源的碳排放系數(shù)。

（二）因果回路反饋分析

因果回路圖是各主要反饋回路耦合形成的復(fù)合反饋環(huán)。確定系統(tǒng)邊界后，經(jīng)過對邊界內(nèi)各影響因素之間關(guān)系的分析，可以得到系統(tǒng)因果回路圖（見圖1）。

圖1 住宅建筑碳排放因果回路圖

通過圖1 可知，不同星級綠色建筑的面積比例及既有建筑節(jié)能改造面積會(huì)影響整體建筑能耗的數(shù)值，從而影響建筑碳排放的大小。

（三）模型流圖及方程

圖2 為本文所構(gòu)建的住宅建筑碳排放系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型存量流量圖，共62 個(gè)變量，其中包含7 個(gè)水平變量，7 個(gè)速率變量，44 個(gè)輔助變量，4 個(gè)常量。

圖2 住宅建筑碳排放存量流量圖

本文采用Vensim PLE 軟件進(jìn)行建模分析，部分變量之間的關(guān)系采用回歸分析法進(jìn)行擬合，其余變量之間的方程關(guān)系參考了現(xiàn)有文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)方程或使用表函數(shù)表示。模型中主要的方程如下：

（1）城市人口總量=INTEG（人口增長量，791.83）

（2）城市GDP=INTEG（GDP 增長量，3791.71）

（3）人均GDP=城市GDP/城市人口總量

（4）人均可支配收入=0.415*人均GDP

（5）科技創(chuàng)新投入=城市GDP*10000* 科技創(chuàng)新投入占比

（6）建筑業(yè)產(chǎn)值=城市GDP*建筑業(yè)產(chǎn)值占比

（7）既有建筑節(jié)能改造面積=傳統(tǒng)建筑面積*既有建筑節(jié)能改造速率

（8）傳統(tǒng)建筑面積=INTEG（傳統(tǒng)建筑面積增加量－既有建筑節(jié)能改造面積，22833.9）

（9）增量成本=商品房造價(jià)*14%

（10）成本負(fù)擔(dān)比=（增量成本-財(cái)政補(bǔ)貼）/ 商品房造價(jià)

（11）居民節(jié)能改造意愿=人均可支配收入/60000+節(jié)能改造補(bǔ)貼/50

（12）基本級綠色建筑面積=INTEG（IF THEN ELSE（Time<=2019，0，45.4+基本級綠色建筑面積增加量））

（13）一星級綠色建筑面積=INTEG（一星級綠色建筑面積增加量，26.88）

（14）二星級綠色建筑面積=INTEG（IF THEN ELSE（Time<=2011，0，16.025+二星級綠色建筑面積增加量））

（15）三星級綠色建筑面積=INTEG（IF THEN ELSE（Time<=2012，0，37.31+三星級綠色建筑面積增加量））

（16）各星級綠色建筑面積增加量=各星級建筑面積* 各星級綠色建筑面積占比* 新建綠色建筑面積增加率

（17）新建綠色建筑面積增加率=新建建筑面積增加率*成本負(fù)擔(dān)比*溢價(jià)率

（18）能源的碳排放系數(shù)=煤炭的碳排放系數(shù)*能源結(jié)構(gòu)中煤炭占比+天然氣的碳排放系數(shù)* 能源結(jié)構(gòu)中天然氣占比+石油的碳排放系數(shù)* 能源結(jié)構(gòu)中石油占比+電力的碳排放系數(shù)* 能源結(jié)構(gòu)中電力占比

（19）建筑能耗強(qiáng)度=7.25*LN（人均可支配收入）-5.85* 綠色建筑面積占比-0.063* 科技進(jìn)步因子

三、模型檢驗(yàn)及仿真

（一）模型檢驗(yàn)

1.運(yùn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)。選取仿真步長為0.25、0.5、1 的3 種運(yùn)行模式進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)，current 代表步長為1，運(yùn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示，結(jié)果顯示模型能夠正常運(yùn)行，沒有異常結(jié)果輸出。

圖3 住宅建筑碳排放運(yùn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)仿真結(jié)果圖

2.行為一致性檢驗(yàn)。本文將人口總量、西安市GDP、建筑業(yè)產(chǎn)值這三個(gè)指標(biāo)作為檢驗(yàn)變量，將2011—2019 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并計(jì)算誤差，結(jié)果如表1 所示。結(jié)果顯示，檢驗(yàn)變量的誤差都在±5%以內(nèi)，表明模型擬合度較高，能夠較好地“復(fù)現(xiàn)”真實(shí)系統(tǒng)。

表1 人口總量、城市GDP、建筑業(yè)產(chǎn)值誤差分析

（二）基準(zhǔn)情景仿真模擬

本文使用Vensim PLE 軟件進(jìn)行模擬，設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行范圍為2011—2040 年，仿真步長為1 年。在基準(zhǔn)方案中，綠色住宅不同星級的占比根據(jù)2020—2021 年的總體占比情況進(jìn)行確定，截至2040 年各星級占比為0.11：0.31：0.57：0.01。影響住宅建筑碳排放的主要因素為西安市人口、GDP、建筑業(yè)產(chǎn)值、建筑碳排放、建筑能耗、建筑面積，通過Vensim PLE軟件的模擬分析，可以得出上述主要指標(biāo)2011—2040 年的模擬數(shù)據(jù)，具體數(shù)值如表2 所示。

表2 西安市住宅建筑碳排放系統(tǒng)主要指標(biāo)仿真結(jié)果表

由表2 可以看出，2035 年以后碳排放量增速變緩，2040 年碳排放值仍在上升，2040 年的碳排放模擬值為486.69 萬噸。想要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，需要從建筑節(jié)能減排入手。

四、綠色住宅發(fā)展路徑動(dòng)態(tài)仿真

通過對基準(zhǔn)情景下的建筑碳排放進(jìn)行模擬分析可知，西安市住宅建筑運(yùn)行階段碳排放無法達(dá)成2030 年前達(dá)峰的目標(biāo)。因此，需要量化分析綠色住宅發(fā)展模式不同方案的減碳效果，確定合理的綠色住宅發(fā)展路徑。

（一）情景1：新建綠色住宅占比調(diào)控

情景1 體現(xiàn)不同星級新建綠色住宅的占比對住宅建筑碳減排效果及碳達(dá)峰實(shí)現(xiàn)的影響，除新建綠色住宅占比的調(diào)整外，其他變量與基準(zhǔn)情況相同，具體情景設(shè)置方案如表3 所示。

表3 新建綠色住宅占比調(diào)控情景設(shè)置

仿真模擬結(jié)果如圖4 所示。

圖4 新建綠色住宅占比調(diào)控模擬趨勢圖

由圖4 的結(jié)果分析可知，情景1-1 的碳達(dá)峰時(shí)間最晚，為2033 年；情景1-2 的碳達(dá)峰時(shí)間為2032年；情景1-3 的碳達(dá)峰時(shí)間為2031 年；情景1-4 的碳達(dá)峰時(shí)間為2029 年。因此想要在2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，高星級的占比需要達(dá)到80%以上。

（二）情景2：既有建筑節(jié)能改造調(diào)控

情景2 體現(xiàn)既有建筑節(jié)能改造情況對住宅建筑碳減排效果及碳達(dá)峰實(shí)現(xiàn)的影響，除既有建筑節(jié)能改造面積的調(diào)整外，其他變量與基準(zhǔn)情景相同，情景設(shè)置方案如表4 所示。

表4 既有建筑節(jié)能改造調(diào)控情景設(shè)置

由圖5 的結(jié)果分析可知，單純通過增加既有建筑節(jié)能改造的比例，只有高速增長的情景可以實(shí)現(xiàn)西安市住宅建筑2030 年碳達(dá)峰的目標(biāo)，但各情境的碳排放量還處于較高的水平。

圖5 既有建筑節(jié)能改造情景調(diào)控模擬趨勢圖

（三）情景3：綜合調(diào)控

情景3 在情景1 與情景2 的基礎(chǔ)上，綜合考慮同時(shí)調(diào)整新建綠色住宅星級占比與既有建筑面積對碳排放量的影響。由于情景2-3 的碳減排效果最好，因此采用情景2-3 與情景1 中的各方案進(jìn)行組合，分析碳達(dá)峰的時(shí)間及碳減排量。具體的組合形式如表5 所示。

表5 綜合調(diào)控情景設(shè)置

仿真模擬結(jié)果如圖6 所示。

圖6 綜合調(diào)控模擬趨勢圖

由圖6 的結(jié)果分析可知，將兩種情景方案進(jìn)行合并，可以提升情景1 各方案的節(jié)能效果，加快碳達(dá)峰實(shí)現(xiàn)的時(shí)間。情景3-1 達(dá)峰時(shí)間為2032 年，情景3-2 達(dá)峰時(shí)間為2031 年，情景3-3 及情景3-4達(dá)峰時(shí)間為2029 年。

五、結(jié)論與建議

（一）結(jié)論

通過對2011—2040 年西安市綠色住宅建筑不同發(fā)展路徑進(jìn)行情景模擬，得出以下結(jié)論：

一是由于運(yùn)行階段的建筑碳排放占整體碳排放的70%左右，因此設(shè)置情景1-1 的傳統(tǒng)建筑能耗為原來的1.43 倍，更改為情景4，模擬結(jié)果如圖7所示。模擬結(jié)果顯示，情景4 相較于情景1-1 碳排放的值有所增加，但是達(dá)峰時(shí)間并未受到影響，因此測算傳統(tǒng)建筑運(yùn)行階段能耗對住宅碳排放達(dá)峰時(shí)間的測算具有參考價(jià)值。

圖7 傳統(tǒng)建筑能耗調(diào)整模擬結(jié)果

二是若不改變外在條件的參數(shù)設(shè)置，按照目前系統(tǒng)中各影響因素的發(fā)展趨勢，西安市住宅建筑的碳排放量將呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，無法實(shí)現(xiàn)2030 年達(dá)峰的目標(biāo)，因此應(yīng)加快對城市住宅節(jié)能減排對策的制定，分析并選擇綠色住宅發(fā)展路徑，促進(jìn)低碳城市的建設(shè)。

三是新建綠色住宅占比調(diào)控結(jié)果表明，提升新建綠色住宅占比對住宅碳排放量的減少具有較大的影響作用，2025 年以后隨著綠色住宅面積的大幅增加，建筑能耗開始趨于下降，碳排放量出現(xiàn)峰值。其中情景1-1 的二三星級占比總和為50%，是四個(gè)方案中的最小值，碳減排效果最差，因此高星級占比過低，則無法達(dá)到最好的碳減排效果，因此需要增加高星級綠色住宅的占比。通過分析四種情景方案可知，若想要在2030 年之前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，需將新建建筑全部設(shè)定為高星級綠色建筑并讓高星級占比達(dá)到80%。

四是既有建筑節(jié)能改造調(diào)控結(jié)果表明，增加既有建筑節(jié)能改造面積有利于實(shí)現(xiàn)住宅建筑碳達(dá)峰，但是其影響程度與新建綠色住宅的調(diào)控效果相比較低。情景2 中的情景2-1 和情景2-2 都無法在2030 年前實(shí)現(xiàn)住宅建筑碳達(dá)峰，只有高速調(diào)整的情況可以實(shí)現(xiàn)2030 年前住宅建筑碳達(dá)峰。

五是綜合調(diào)控結(jié)果表明，通過綜合調(diào)控新建綠色住宅占比及既有建筑改造，西安市住宅建筑碳達(dá)峰時(shí)間最早可達(dá)到2029 年，達(dá)峰值最低為453.605萬噸，相比情景1 及情景2 各方案的碳減排效果更優(yōu)。通過對不同情境下碳排放量的測算分析可知，綜合調(diào)控比單因素調(diào)控減排效果更明顯。

（二）政策建議

基于以上分析，結(jié)合西安市住宅建筑碳排放系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行結(jié)果，為早日達(dá)成2030 年住宅建筑碳達(dá)峰及西安市綠色住宅發(fā)展路徑提供以下建議：

一是優(yōu)化綠色建筑財(cái)政補(bǔ)貼體系，完善反饋機(jī)制。綠色建筑不僅能夠提高人類生活的質(zhì)量及舒適度，還能夠降低建筑產(chǎn)生的溫室氣體對環(huán)境的破壞程度。但是由于綠色建筑包含研發(fā)投資所產(chǎn)生的價(jià)格溢價(jià)以及高要求的運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)，所以其成本往往高于傳統(tǒng)建筑。目前，財(cái)政補(bǔ)貼是各地最重要的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策，可在一定程度上彌補(bǔ)新建綠色建筑和既有建筑節(jié)能改造的增量成本，旨在推進(jìn)綠色建筑的快速發(fā)展。因此國家和各地方政府應(yīng)該完善相應(yīng)的財(cái)政補(bǔ)貼機(jī)制，根據(jù)發(fā)展路徑和目標(biāo)科學(xué)制定補(bǔ)貼額度及辦法，并根據(jù)實(shí)踐反饋數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整，以優(yōu)化補(bǔ)貼效果，切實(shí)推進(jìn)新建綠色住宅開發(fā)和既有建筑綠色改造，通過兩個(gè)維度提升城市中綠色建筑的總體占比，降低建筑碳排放，為早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

二是改善綠色建筑推廣政策的計(jì)劃性、針對性和多樣性。“建設(shè)生態(tài)文明、推進(jìn)綠色發(fā)展”是我國政府新時(shí)期治國理政的重要理念，堅(jiān)定推進(jìn)綠色建筑已成為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要戰(zhàn)略。因此，在黨中央的有計(jì)劃分步驟實(shí)施碳達(dá)峰行動(dòng)的指導(dǎo)思想下，地方政府應(yīng)該有計(jì)劃地推進(jìn)建筑碳達(dá)峰。“十四五”是碳達(dá)峰的關(guān)鍵期、窗口期，是碳中和愿景提出后的第一個(gè)五年規(guī)劃，西安市預(yù)期城鎮(zhèn)化率將從75%提高到77%，城鎮(zhèn)人口增加約240 萬，新增城市建筑面積約2.88 億平方米，再加上大量高耗能的既有商品房，碳達(dá)峰面臨更大挑戰(zhàn)。因此，對新建和既有住宅的綠色化發(fā)展進(jìn)行全面規(guī)劃是高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)西安市“十四五”規(guī)劃整體目標(biāo)及未來碳達(dá)峰的重要保障。適時(shí)地、科學(xué)地制定不同星級綠色住宅占比目標(biāo)以及既有住宅綠色化改造規(guī)模；將不同星級的相關(guān)政策劃定清晰，不應(yīng)過多強(qiáng)調(diào)低星級綠色建筑的覆蓋面，也不應(yīng)要求開發(fā)商一味地開發(fā)高星級綠色建筑以獲取更高的補(bǔ)貼，依據(jù)發(fā)展路徑和目標(biāo)制定一系列支持不同星級綠色建筑的發(fā)展政策。切實(shí)落實(shí)財(cái)政補(bǔ)貼、稅費(fèi)減免、信貸優(yōu)惠、土地規(guī)劃等政策，發(fā)揮多樣化政策的協(xié)同作用。其它地方政府也應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展水平和規(guī)劃通過仿真預(yù)測，制定適合當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展路徑。