基于STIRPAT模型的江西省建筑業碳達峰時間預測研究

林瓏芪 馬天柱

(南昌航空大學土木建筑學院,江西 南昌 330063)

在溫室效應加劇、全球變暖的背景下,環境問題已成為全人類關注的重點話題。《中國落實國家自主貢獻目標進展報告(2022)》中提到,中國碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和。相關文獻指出,我國建筑業碳排放(直接和間接)在我國總碳排放中的比例高達36%[1],按照目前的發展趨勢,建筑業碳排放總量將在2030年達到51億t。由此可見,建筑行業能否實現碳達峰、碳中和(以下簡稱“雙碳”),對我國“雙碳”目標的實現至關重要。

對建筑業碳排放的研究主要集中在碳排放的測算、影響因素分析及碳達峰預測3大方面。ADOLF等[2]利用投入產出法測算了愛爾蘭建筑業的碳排放量,并給出了建筑業減排措施。李爽等[3]在分析不同影響因素對建筑業碳排放的影響程度時采用的是可拓展的隨機性的環境影響評估(STIRPAT)模型,并提出了減排建議。譚春平等[4]通過運用對數平均迪式指數(LMDI)模型分析甘肅省城鎮住宅建筑的碳排放影響因素,計算了各因素的效應值。張為程[5]通過構建長期能源可替代規劃模型(LEAP),對吉林省建筑部門在不同情景下運營期的碳排放峰值進行了模擬。董棒棒等[6]采用排放因子法,測算了中國西北5個省1997—2016年的能源消費碳排放總量,并采用STIRPAT模型與情景分析法相結合,預測了西北地區2017—2030年能源消費的碳排放量。

綜上所述,針對碳排放預測的研究,STIRPAT結合回歸分析、系統動力學模型、LEAP模型這3種最為主流[7],但近年也有學者使用基于粒子群優化的長短時記憶網絡(PSO-LSTM)模型[8]等較為復雜的數學模型進行預測。

江西省位于我國中部,是首批國家生態文明試驗區省份[9]。為響應國家減排政策,加快碳排放達峰,有必要對江西省建筑業碳排放影響因素和達峰情況進行研究。本研究從江西省建筑行業的宏觀層面出發,將碳排放分為直接和間接兩方面,并利用STIRPAT模型建模,對碳排放影響因素進行分析,并對碳排放趨勢進行預測,為建筑行業的碳減排策略提供參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

1.1.1 碳排放測算方法

將建筑業的碳排放定義為直接碳排放和間接碳排放,并且采用排放因子法,測算江西省建筑業碳排放量,計算方法如下:

I=ID+II=(∑Ni×μi×αi+∑Mj×βj)×10-4

(1)

式中:I為建筑業碳排放量,萬t;ID為建筑業直接碳排放量,萬t;II為建筑業間接碳排放量,萬t;Ni為第i種能源消耗量,t(煤、石油)或kW·h(電力);μi為第i種能源的標準煤折算系數,t/t(以每噸煤、石油折算的標準煤計)或t/(kW·h)(電力);ai為第i種能源碳排放系數,t/t(以每噸標準煤排放的CO2量計) ;Mj為第j種建筑材料使用量,t;βj為第j種建筑材料碳排放系數,t/t(以每噸建筑材料排放的CO2量計)。

1.1.2 STIRPAT模型

STIRPAT模型是在IPAT模型的基礎上發展起來的[10],該模型廣泛應用于環境和碳排放影響因素研究領域,對該模型兩邊取對數,結合江西省建筑業發展現狀,選取人口數量、城鎮化率、人均可支配收入、地區生產總值、建筑業能源強度、能源結構、建筑業總產值以及建筑業從業人數8個影響因素作為自變量,建筑業碳排放量為因變量,得到以下模型:

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

(2)

式中:B為人口數量,萬人;C為城鎮化率,%;D為人均可支配收入,元;E為地區生產總值,億元;F為建筑業能源強度,萬t/億元(以建筑業單位產值的標準煤消費量計);G為能源結構,%;H為建筑業總產值,億元;J為建筑業從業人數,萬人;a為常數項;b、c、d、e、f、g、h和j為各因素的彈性系數,絕對值越大,相對應的影響因素對江西省建筑業碳排放的影響程度則越大,如人口數量變動1%,會導致碳排放量變動b%;m為殘差。

1.2 數據來源

各能源碳排放系數和標準煤折算系數來自國家有關部門和中國統計年鑒公布的相關數據;江西省建筑業能源消耗數據來自2006—2022年江西統計年鑒(選取記錄在冊的煤炭、石油、電力3種能源)和《中國建筑業統計年鑒2022》(選取2005—2021年水泥、鋼材、玻璃、木材、鋁材5種主要建材)。

2 碳排放分析

2.1 江西省建筑業碳排放測算

2005—2021年江西省建筑業碳排放量整體呈增長趨勢(見圖1),且間接碳排放量遠大于直接碳排放量。

圖1 江西省建筑業碳排放量

2.2 影響因素分析

首先用SPSS軟件對構建的模型進行多元線性回歸分析,再對8個自變量進行多重共線性分析,發現自變量間存在多重共線性。為避免多重共線性帶來的誤差,本研究選擇嶺回歸對構建的模型進行分析。結果顯示,模型R2為0.924,具有較高的擬合度。各自變量的方差膨脹因子(VIF)均小于10,說明模型通過了總體顯著性檢驗。最終得到的江西省建筑業碳排放影響因素分析模型見式(3)。

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

(3)

由式(3)中各因素的彈性系數可知,能源結構為抑碳因子,其他因素均為促碳因子。由系數的絕對值可知,8個因素對碳排放量的影響表現為:人口數量>城鎮化率>建筑業從業人數>人均可支配收入>地區生產總值>建筑業能源強度>建筑業總產值>能源結構。

將各影響因素2005—2021年的數據代入式(3)進行檢驗。根據實際碳排放量和擬合值的對數繪制了圖2,可看出擬合值與實際值高度一致,且經計算回歸模型(式(3))的偏差率為1.62%。可知擬合效果較好,回歸模型的代表性較強。

圖2 江西省建筑業碳排放量的實際值與擬合值

3 江西省建筑業碳排放情景預測分析

3.1 情景參數設置

本研究針對低速、中速、高速3種社會經濟發展模式,對各影響因素變化率(2021年為基準年,2022年是相對2021年的變化率,此后每年都是相對前一年的變化率)進行了設置,預測江西省建筑業2022—2050年的碳排放量。由于年限較長,為保證合理與科學性,將其分為5個階段。未來參數設定依照江西省已實施和出臺的相關法規,并參考國內外相關數據,結合江西省歷年來的影響因素變化情況進行設置。

3.1.1 人口數量

根據《江西省人口發展計劃(2016—2030年)》,江西省人口到2020年將達到4 800萬,預計2016—2020年平均人口自然增長率約為0.8%。江西統計年鑒顯示2020年末江西省人口為4 518.86萬,2016—2020年實際平均自然增長率約為0.638%。可知目前人口數量和自然增長率均未達到預期,江西省乃至全國人口增速呈現大幅放緩趨勢,本研究以此趨勢設置人口年均增速變化,設定在高、中、低速模式下,江西省常住人口數量增長率根據2016—2021年年增長率的最高值、平均值和最低值設置。

3.1.2 城鎮化率

《江西省新型城鎮規劃(2014—2020年)》提到2020年全省常住人口城鎮化率預期目標為60%左右,2030年為68%左右。江西統計年鑒顯示2020年城鎮化率實際為60.44%,可知短期內城鎮化率的變化滿足政府調控目標。因此,本研究設定城鎮化率在高、中速模式下均于2030年達到68%,低速模式下2035年達到68%(為低速模式下的峰值),其間城鎮化率隨年份均勻增長。《人口與勞動綠皮書》顯示,我國城鎮化率的峰值可能介于75%～80%。因此,本研究設定城鎮化率在高、中速模式下分別在2040、2045年達到75%,其間城鎮化率隨年份均勻增長。達到峰值后增速均按照50%遞減,具體設置見表1。

表1 情景參數設置

3.1.3 人均可支配收入

從2005—2021年的數據可知,人均可支配收入處于上升趨勢,本研究取“十三五”時期人均可支配收入年增速的均值作為高速模式下第一階段的變化率,最小值為低速模式下第一階段變化率。《江西省國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標綱要》中提到預計“十四五”期間人均可支配收入年均增長6.70%,因此將其設定為中速模式下的變化率。取“十三五”時期和“十二五”時期年均增速的差值3百分點作為前期不同階段間的差值,隨后各階段增速均按照50%遞減,具體設置見表1。

3.1.4 地區生產總值

《江西省國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》提出,“十三五”期間,江西省地區生產總值設定為年均增長8.5%左右,2020年將達到2.6萬億元。實際數據顯示2020年江西省地區生產總值為2.58萬億元,基本達到預期目標。《江西省國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標綱要》提出“十四五”期間全省經濟發展的目標是地區生產總值年均增長7%左右。本研究將7.00%設置為中速模式下第一階段變化率,參照文獻[8]設置其他不同模式和階段的變化率。

3.1.5 建筑業能源強度

2005—2021年能源強度年均變化率為-6.50%,設置江西省中速模式下的能源強度變化率仍按此變化幅度變化。借鑒文獻[11]的研究,低速和高速模式下江西省建筑業能源強度在中速模式的基礎上下變化0.4百分點,每5年下降0.2百分點。

3.1.6 能源結構

雖然近年來江西省清潔能源消費量日益增多,但煤炭在建筑業能源消耗中占比依舊很大。“十三五”以來能源結構變化逐漸趨于穩定,江西省建筑業能源煤炭占比年均變化率為-2.81%。假設中速模式下建筑業煤炭消費占比仍按此速度變化。本研究的低、高增長模式參考能源強度的變化。

3.1.7 建筑業總產值

《江西省“十四五”住房城鄉建設事業發展規劃》提出,力爭2025年建筑業總產值達到1.5萬億元。觀察2005—2021年的數據,建筑業總產值穩步上升。設定中速模式下2025年建筑業總產值達到1.5萬億元,則2021—2025年建筑業總產值的年均增長速率為11.33%,將其設置為中速模式下第一階段的增長率。取2016年以來年增速的均值和最小值作為高速和低速模式第一階段增長率。不同階段之間的變化規律參考地區生產總值的變化進行設置。

3.1.8 建筑業從業人數

根據2005—2021年的數據可知,建筑業從業人數總體呈增長趨勢。2005—2021年建筑業從業人數的年均增長率為6.96%,“十二五”和“十三五”期間年均增長率分別為8.14%和1.53%,將以上3個數據按從大到小的順序分別設置為高、中、低速下第一階段的建筑業從業人數增長率。觀察往年增長率變化規律,設置建筑業從業人數變化率。情景參數設置見表1。

3.2 預測情景構建

參考文獻[12],根據各影響因素的低、中、高變化率設置4種情景(見表2)。

表2 江西省建筑業碳排放情景設置

3.3 峰值預測與分析

不同情景下2022—2050年江西省建筑業碳排放量見圖3,碳達峰的峰值和時間見表3。

表3 不同情景下江西省建筑業碳排放的達峰時間和峰值

圖3 不同情景下江西省建筑業碳排放預測

基準情景即參考情景,是以2021年為基準年,延續過往的建筑業發展軌跡,根據發展的慣性趨勢外推而得到的可能情景。在該情景模式下,江西省建筑業碳排放在2040年達峰,峰值為35 648.06萬t。

節能情景是指在貫徹2022年江西省人民政府印發的文件《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的實施意見》中的理念措施,調整能源結構,降低能源強度的情景。在該情景模式下,達峰時間與基準情景一致,均為2040年,但整體碳排放量減少。排放量峰值為35 365.07萬t,比基準情景少282.99萬t,約降低了0.79%,說明能源結構和建筑業能源強度的降低在一定程度上可以降低碳排放量,但對達峰時間的影響較小。

綠色情景反映了注重經濟與生態協調發展的情景。各方面都得到優化,低碳技術創新有所突破。在該情景下江西省建筑業達峰時間最早,為2030年,碳排放量峰值也最小,為21 901.39萬t。與基準和粗放情景相比,峰值分別降低約38.56%和66.27%。這表明該情景模式是當前江西省建筑業實現碳達峰的最有效情景,基本反映技術進步和政策引導相結合的社會發展狀態。

在粗放情景模式下各因素均高速發展,不采取任何新的節能減排方針,江西省建筑業碳排放量呈大幅上升趨勢。最大碳排放量為64 940.00萬t,為基準和節能情景的1.83倍左右,綠色情景的2.97倍,最大碳排放量出現時間為2050年,但無法判斷是否達峰。這種高產出與高耗能的方式和當前社會所提倡的減碳減排綠色發展理念相悖。

4 結論與建議

4.1 結 論

1) 江西省建筑業2005—2021年碳排放量總體呈上升趨勢,間接碳排放量的占比遠大于直接碳排放量。

2) 運用SPSS進行回歸分析,計算8個影響因素對江西省建筑業碳排放量的影響,結果發現:人口數量>城鎮化率>建筑業從業人數>人均可支配收入>地區生產總值>建筑業能源強度>建筑業總產值>能源結構。能源結構為抑碳因子,其他因素均為促碳因子。

3) 峰值預測結果顯示基準和節能情景下江西省建筑業碳排放在2040年達到峰值;綠色發展情景于2030年達到峰值,碳排放量峰值也最小;粗放情景下無法判斷是否達峰。要力求達到技術進步和政策引導相結合的社會發展狀態,方能促進江西省建筑業碳排放早日達峰。

4.2 建 議

4.2.1 加大低碳節能的宣傳力度

人口數量和城鎮化率對江西省建筑業碳排放的影響最大,為控制其對碳排放的影響,除了保證人口數量按照規劃控制的目標發展外,還應注重增強居民低碳意識。城鎮化主要是通過農村人口向城市遷移實現的,居民的節能意識并無根本性的轉變。因此,可以通過加大宣傳力度提高居民節能意識,例如利用電視、網絡等媒介投放關于低碳生活的宣傳片,引導居民將節能減排落實到生活當中,使居民能自發地遵循低碳的生活和消費模式。

4.2.2 鼓勵使用節能建材,支持節能技術創新

江西省建筑業間接碳排放量占比遠大于直接碳排放,可知建筑材料的碳減排潛力很大。因此,應鼓勵使用節能建材,并加速推動建材行業的技術變革,例如組織研發可替代原高碳排放材料的綠色建材,政府可以通過給予一定的經濟或榮譽獎勵來鼓勵創新。通過大力生產和推廣節能材料,降低建材帶來的大量間接碳排放。

4.2.3 降低能源強度,提高能源利用效率

江西省能源消耗中煤炭占比居高,建議對煤炭的使用進行嚴格控制,以降低能源消耗總量,從而降低能源強度。此外,采用新技術使既有建筑的能源使用效率得到提高,以擴大建筑節能范圍,達到抑制建筑業碳排放增長的目的。