基于系統動力學的河南省建筑業碳排放預測研究

關鍵詞：建筑業；碳排放；系統動力學；碳排放預測

中圖分類號：TU241；X322 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）11-0058-08

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.11.013

Research on Carbon Emissions Prediction ofHenan Province's Construction Industry Based on System Dynamics

DONG Runrun FU Guodong （Henan University of Technology，Zhengzhou 45oooo， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to analyze the influencing factors of carbon emissions in the construction industry of Henan Province，predict future carbon emissions，provide a basis for formulating emission reduction measures，and help achievement of the carbon peak in the construction industry. [Methods] Based on the literature review and the development situation of Henan Province，21 indicators were selected from five aspects： energy consumption， construction development， social development， economic development，and science and technology to establish a system dynamics model with the carbon emissions of the construction industry.Combined with the relevant policies of Henan Province，three scenarios of low-energy development，medium-energy development，and high-energy development were designed to predict the future carbon emissions of the construction industry in Henan Province.[Findings] The results show that under the low-energy development scenario，the growth rate of carbon emissions in the construction industry of Henan Province is the slowest，and the emission reduction effect is the best. [Conclusions] In the future，the emission reduction measures of carbon emissions in the construction industry of Henan Province should focus more on optimizing the energy structure and promoting the use of green building materials，while strengthening policy guidance to ensure the best emisson reduction effect. Keywords： construction industry; carbon emissions; system dynamics; carbon emissions prediction

0 引言

隨著工業化和城市化進程的加速，全球氣候變化成為不容忽視的重大環境問題。人類活動導致大氣中溫室氣體濃度持續上升，其中二氧化碳0 CO² ）的排放尤為顯著[1。溫室氣體過度排放會導致海平面急劇攀升，氣候模式發生紊亂，生態系統平衡遭到破壞等問題，這一嚴峻形勢引起了國際社會的廣泛關注，采取一系列行動以減少溫室氣體排放。因此，低碳排放已經成為當今世界大多數國家的共同目標。

中國作為負責任的大國，積極應對全球氣候變化挑戰，提出了“碳達峰”和“碳中和”的“雙碳”目標。建筑行業碳排放量在各行業中尤為突出，成為實現國家“雙碳”目標的關鍵領域。相關統計數據表明，建筑業在能源消耗方面占社會總能耗的25%～28%^[2] 。在碳排放量層面，建筑業所產生的碳排放量約占社會碳排放總量的 40%^[3] 。此外，鋼鐵、玻璃等建筑材料在其建造過程中產生的碳排放量約為全球碳總排放量的 10%^[4] 號

省級層面“雙碳”目標的實現是國家整體目標成功推進的重要基礎，應深入分析各省級行政區域建筑業碳排放的現狀，科學合理地預測其未來發展趨勢，并據此精確制定省級建筑行業的碳達峰目標及其措施。因此，本文以河南省建筑業為研究對象，采用碳排放系數法對河南省建筑業的碳排放量進行測算，借助系統動力學模型并結合情景分析法預測其碳排放峰值時間。通過預測河南省建筑業碳排放量趨勢，探究河南省建筑業實現碳減排的關鍵影響因素，結合研究結果提出更具針對性的對策和建議，以促進河南省低碳發展并早日實現“雙碳”目標。

1文獻綜述

建筑業碳排放已成為國內外學者研究的焦點。目前，建筑業碳排放量測算的方法主要有碳排放系數法、物料衡算法和實測法，分別適用于不同的核算場景和精度要求。物料衡算法不適用于對復雜工藝流程碳排放進行核算，實測法的結果雖然較為精確，但測算成本較高，因此使用受限，應用范圍不廣。碳排放系數法因其適用性和應用性強而成為最廣泛使用的方法[5。該方法根據政府間氣候變化專門委員會提供的碳核算基本方程，通過活動數據（AD）與排放因子（EF的乘積來計算溫室氣體排放量，在國內外碳排放量研究中使用普遍。例如，Chancel和Raza等利用碳排放系數法分別對法國和美國家庭碳排放量，以及巴基斯坦電力行業的碳排放量進行了測算，發現風能和太陽能發電的增長有助于減少碳排放。鄒非等8采用排放系數法對中國建筑業1991—2013年的碳排放量進行了測算分析。李小冬等則對排放因子法、質量平衡法及實測法進行了比較研究，探討了這些核算方法的特定屬性，并評估各種方法在建筑領域碳排放核算中的局限性與適用范圍，認為實測法和質量平衡法不適用于建筑行業的碳排放核算。

在影響因素分析方面，巨欣借助STIRPAT模型，從人口、經濟和技術視角，對碳排放的影響因素展開深入剖析。研究結果表明，能源強度、人口規模和人均可支配收入，對建筑業的碳排放產生了較為顯著的影響。苗澤惠等\"通過進行系統的文獻梳理工作，提出城鎮化率、人均GDP、建材生產及專業人才利用率等15個影響建筑碳排放的因素，并根據屬性將這些因素劃分至能源、人口、經濟、資源和技術這5個維度。隨后，以江西省作為研究對象，運用AMOS構建結構方程模型，精準判斷不同維度因素對建筑碳排放的影響程度。

系統動力學（SystemDynamics，SD），作為一種結構化的系統建模與動態仿真方法，被應用于復雜反饋系統的預測、分析和評價中[12]。在建筑業碳排放的要素關系分析中，系統動力學利用因果關系圖來進行定性描繪。通過存量流量圖確定各要素性質和系統框架，并利用函數方程明確各要素間的定量聯系，實現對碳排放系統的模擬。Smiianov等[13]通過系統動力學和Vensim軟件針對疫情封鎖對空氣污染、健康和經濟增長的影響進行預測和建模。Marzouk等[14以埃及建筑業為研究對象，利用Ven-simPLE軟件構建系統動力學模擬模型，探索1990—2050年埃及金融增長—能源關系對碳排放的影響。趙冬蕾等基于對經濟、能源、人口、環境等4個子系統之間的因果關系進行分析和仿真模擬，從建材生產、產業結構、能源結構等3方面提出了相應的政策建議。張麗[6、侍劍峰[1也采用系統動力學方法進行了相關研究，并據此提出了一系列具有建設性的政策建議

2河南省建筑業碳排放現狀

2.1核算模型構建

本研究參考馮博等[18]建立的建筑業碳排放量預測模型，結合政府間氣候變化專門委員會公布的碳排放系數，構建河南省建筑業碳排放測算模型，其中碳排放總量包括直接碳排放量和間接碳排放量。

直接碳排放主要源于工業生產過程，考慮到數據的可獲取性，以及為了能夠更加真實、客觀地反映河南省建筑業碳排放量，本研究選取11種能源來計算建筑業直接碳排放量，計算見式（1）。

式中： C_## 為直接碳排放總量，萬 t;E_i 為第 i 種能源的終端消費量，萬 t;Q_i 為第 i 種能源的平均低位發熱值，TJ/萬t； EF_i 為第 i 種能源的缺省碳排放因子， kg/TJ;H 為建筑業熱力消耗量， 10¹⁰kJ;a 為熱力的碳排放因子； E 為建筑業電力消耗量， 10⁸kW?h;b 為電力的碳排放因子。

間接碳排放是由于大量建材消耗而間接產生的，依據馮博等的研究可知，使用鋼材、木材、水泥、玻璃和鋁材等5種建筑材料在生產運輸過程中產生的碳排放量表征間接碳排放量，同時將建材的可回收性考慮在測算模型當中，計算見式（2）。

C_pqliff=M_j?F_j?（1-β_j）

式中： 為建筑業碳排放總量，萬 t;M_j 為第 j 種建材的消耗量，萬t; F_j 為第 j 種建材的碳排放因子， kg/kg 或 kg/m³;β_j 為第 j 種建材的回收系數。

2.2 數據來源

河南省建筑業碳排放數據主要來源于《中國建筑業統計年鑒》（2009—2023年）的表1-14/1-16、《中國能源統計年鑒》（2009—2023年）《河南省統計年鑒》（2009—2023年）的河南省能源平衡表、EPS數據庫，本研究利用差值法對個別缺失數據進行補齊。

2.3河南省建筑業碳排放量

利用上述模型計算得出河南省2008—2022年建筑業碳排放量，結果見表1。由表1可知，河南省建筑業碳排放總量在2008—2022年呈現先上升后下降的波動趨勢，碳排放量從2008年的6446.23萬t增加到2022年的18150.05萬t，共增長11703.82萬t，漲幅為 181.5% 。建筑業的間接碳排放量在整個建筑行業中占比最大，間接碳排放量的趨勢與總碳排放量相似，從2008年的6329.98萬t增加到2014年的32414.77萬t。2015年有所下降，后在2016年到2018年再次上升，2018年達到23737.37萬t。

3實證

3.1建筑業碳排放系統動力學模型

3.1.1確定系統邊界。在構建系統動力學模型時，首要步驟為界定系統邊界及研究對象。在本研究中，所確定的系統邊界為河南省建筑業的碳排放情況，涵蓋對建筑業碳排放產生影響的各類相關因素。時間跨度設定為2008—2022年，其中2008年作為模擬的基準年份，主要的歷史數據采集時段為2008—2022年，模型的仿真步長則定為1a。

3.1.2建筑業碳排放因果關系。本研究從社會、經濟、建筑、能源、技術等5個系統的角度出發，將河南省建筑業碳排放系統分成5大子系統，子系統中的具體指標為： ① 社會子系統包括常住人口、城鎮化率、老年系數、綠化覆蓋率、垃圾清運量；② 經濟子系統包括地區生產總值、第二產業增加值、固定資產投資增速、城市居民人均可支配收人、農村居民人均可支配收入； ③ 建筑子系統包括建筑企業個數、建筑業企業總產值、房屋建筑施工面積、房屋建筑竣工面積； ④ 能源子系統包括汽油消耗量、柴油消耗量、天然氣消耗量、熱力消耗量、電力消耗量； ⑤ 技術子系統包括高技術產業Ramp;D機構數、專利授權量。這5個子系統之間相互關聯，形成了復雜的關系網（圖1）。整個系統內部的主要反饋回路為： ① 固定資產一 ^?+ 房屋建筑施工面積一 ⁺ 能源消耗總量一 ^?+ 碳排放量； ② 汽油、柴油、天然氣、電力等能源一 ⁺ 能源消耗總量一 ⁺ 碳排放量； ③ 第二產業增加值一 ^?+ 地區生產總值一 +Ramp;D 經費支出一 ⁺ 高技術產業Ramp;D機構數一 ^?+ 專利授權量 碳排放量； ④ Ramp;D經費支出一 ^?+ 高技術產業Ramp;D機構數一 ^?+ 專利授權量一-碳排放量； ⑤ 人均地區生產總值一 ^?+ 農村居民人均可支配收入一 ⁺ 社會消費品零售總額一 ^?+ 垃圾清運量一-碳排放量。圖1中展示了經濟增長、人口增長、能源消耗、建筑業發展等因素如何通過不同的路徑影響碳排放量。各因素對河南省建筑業碳排放量存在正反饋回路，如地區生產總值的增長通常伴隨著第二產業增加值的增長，這可能導致更多的工業活動和能源消耗，從而增加碳排放量；人均地區生產總值的增長可能導致農村居民和城市居民的人均可支配收人增加，這可能會增加社會消費品零售總額，進而增加能源消耗和碳排放。也存在負反饋回路，如隨著Ramp;D經費支出和專利授權量的增加，可能會帶來技術創新，這些創新可能會提高能源效率或開發新的可再生能源

技術，從而減少碳排放。

3.1.3建筑業碳排放存量流量。根據建筑業碳排放系統因果關系圖，綜合考慮影響河南省建筑業碳排放的5大子系統，得出河南省建筑業碳排放存量流量圖，如圖2所示，建模相關方程式見表2。

該模型主要變量包括地區生產總值、常住人口數、能源消耗量、建筑業企業數等。其中，能源消耗總量直接關系到碳排放量。能源消耗的增加，尤其是來自電力、熱力、汽油、柴油和天然氣的消耗，會直接增加碳排放；地區生產總值的增長可能會增加Ramp;D經費支出，促進高技術產業和Ramp;D機構的發展，這可能會提高能源效率，減少單位地區生產總值的碳排放；人均地區生產總值的提高可能會增加個人消費，包括能源密集型商品和服務，從而增加碳排放。

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，本研究對2008—2022年的河南省建筑業碳排放量進行仿真，系統模擬時間設為2008一2022年，數據來源于《中國統計年鑒》（2009—2023年）、《中國能源統計年鑒》（2009—2023年）、《河南省統

計年鑒》（2009—2023年）。通過建立各變量方程，結合VensimPLE軟件對河南省2008—2022年建筑業碳排放量和各影響因素進行數值模擬，模擬仿真結果如表3和圖3所示。

3.2.2有效性檢驗。本研究采用運行檢驗、穩定性檢驗和歷史數據檢驗等3種驗證方法驗證模型的有效性[19]。

① 運行檢驗。通過檢查，驗證了模型結構的可行性，并為模型的后續應用提供了堅實的基礎

② 歷史檢驗。通過計算模擬值與實際值之間的誤差絕對值，評價模型在模擬復雜系統動態時的穩定性和恢復力，歷史性檢驗結果誤差見表4。經過對比分析，可以確認4個指標的模擬結果均處于合理波動區間內，符合誤差允許范圍。

③ 穩定性檢驗。本研究以碳排放量作為關鍵指標，對模型進行了穩定性檢驗。檢驗仿真步長“TIMESTEP\"分別設置為1a ?0.5 a和 0.25a 。不同仿真步長下，模型最終輸出結果保持高度一致，不存在明顯波動，表明模型在不同仿真步長條件下均能保持穩定性能。

3.3情景分析及預測

為了對河南省碳達峰的實現進行更為精確的預測，本研究采用情景分析法作為預測工具。在綜合考慮“十四五\"規劃期間的政策導向，以及河南省特有的發展背景的基礎上，對2023—2035年河南省建筑行業的碳排放趨勢進行預測與分析。

在宏觀層面，本研究參照了國家層面的相關政策，并結合河南省建筑行業的發展趨勢進行設計；在微觀層面，借鑒了現有研究成果，對調控參數進行了細致的調整。建筑行業的碳排放作為一個不斷變化的動態系統，其變化受到社會經濟發展的深刻影響。

在全面考慮河南省的具體發展狀況后，本研究將城鎮化水平、人均地區生產總值及能源消耗量等關鍵因素作為調控變量，納人系統動力學模型。通過系統模擬和動態仿真，本研究深人分析了在不同因素影響下，河南省建筑行業碳排放的動態變化情況。情景分析設計見表5，相關政策見表6。

本研究基于構建的河南省建筑行業碳排放系統動力學模型，進行了模擬預測，并獲得了總碳排放的模擬數值，詳見表7。結合圖4的碳排放模擬圖進行分析，可以得出以下結論：在方案一（高耗能情景）下，預計2024年河南省建筑業的碳排放量為

19946.3萬t，到2035年將增至26630.8萬t；在方案二（中耗能情景）下，2024年碳排放量預計為19783.1萬t，到2035年將達到24307.3萬t；而在方案三（低耗能情景）下，2024年碳排放量為19742.9萬t，預計到2035年將控制在24149.3萬t。通過比較方案一、方案二和方案三的碳排放量，可以明顯看出，在低耗能情景下，河南省建筑業的碳排放量相對較低，并且增長趨勢趨于平穩。具體而言，2035年方案三相比方案二可減少碳排放158萬t，相較于高耗能情景的方案一，更是減少2481.5萬t的碳排放。這一結果充分證明了節能減排措施在降低碳排放量方面具有顯著效果。通過改變能源結構、降低能源消耗量等能使碳排放量降低，這對于河南省“雙碳”目標的實現具有參考作用。

導向及相關節能減排經驗，依據國家制定的減排目標，對河南省建筑行業碳減排工作提出以下建議。

4對策

4.1 優化能源結構

在建筑領域，積極倡導整合太陽能光伏板與太陽能熱水器等可再生能源技術，旨在實現能源自給，降低對外部能源供應的依賴性。此外，應加速地熱能和生物質能等新興能源的開發與利用，以此增強建筑能源結構的多元性及可持續性，大力推進清潔能源的替代進程2，包括加快電動汽車、地鐵系統及船舶岸電設施的發展步伐等。同時，應深化實施以電力替代煤炭和石油的能源消費模式，以此提升社會經濟活動的電氣化程度。

4.2推廣綠色建材使用

鼓勵在建筑過程中使用如綠色混凝土和再生鋼材等低碳環保材料，這些材料在生產過程中的碳排放量相對較低，有助于減少建筑活動對環境的整體影響。實施建筑廢棄物的分類收集與循環利用策略，以降低廢棄物的排放，實現資源的高效利用，同時減少對自然環境的污染

4.3 加強政策引導

在深入貫徹國家“雙碳”目標背景下，立足河南省建筑業發展現狀，制定更加精細化和有針對性的碳排放減排的政策法規體系，如加快碳交易市場的建設，推廣節能建筑等，以確保碳減排目標的成功實現。另外，應清晰界定建筑企業在項目規劃、設計、施工、運營等全生命周期各個階段的碳排放量化指標與限額，構建起一套嚴密且高效的碳排放監管與執法架構。

5結語

本研究通過對河南省建筑業碳排放情況進行仿真模擬和情景分析，結合國家節能減排的宏觀政策

本研究基于系統動力學模型，對河南省建筑業碳排放的影響因素及其內在關系進行了深人探討。

通過對2008—2022年河南省建筑業碳排放量的動態模擬，結合情景分析法，對2023一2035年河南省建筑業碳排放量進行了預測與分析。研究結果表明，在保持經濟平穩上升且降低能源消耗的情景下的碳排放量相對較低，且碳排放量在2035年左右增長率趨于零，可能達到頂峰，這為河南省建筑業實現碳減排目標提供了參考。未來，河南省應繼續加強在能源結構優化、綠色建材推廣、政策引導等方面的工作，以實現建筑業的低碳發展，為國家“雙碳”目標的實現貢獻力量。

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