基于IPAT理論的城鎮(zhèn)建筑能耗測算模型和應用

鄒 璀 劉秀麗

(中國科學院數(shù)學與系統(tǒng)科學研究院，北京100190)

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)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(zhèn)化建設的不斷推進，我國城鎮(zhèn)居住建筑能耗和城鎮(zhèn)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(zhèn)建筑能耗進行分析和評估是具有現(xiàn)實意義的，有助于制定科學合理的建筑節(jié)能政策措施和規(guī)劃目標。

從已有的文獻來看，國內(nèi)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(xiàn)有公共建筑的節(jié)能潛力;Emily等［3］對現(xiàn)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(zhèn)住宅建筑節(jié)能的潛力;劉秀麗等［5］應用投入產(chǎn)出局部閉模型和數(shù)量經(jīng)濟方法建立了建筑節(jié)能經(jīng)濟－環(huán)境影響測算投入產(chǎn)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(jù)我國現(xiàn)有的經(jīng)濟發(fā)展形勢，分析了建筑節(jié)能在促進經(jīng)濟增長和房地產(chǎn)業(yè)中的作用。

以上這些研究主要側(cè)重于分析經(jīng)濟發(fā)展與建筑能耗的關系，對于節(jié)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(zhèn)建筑節(jié)能研究領域，綜合考慮經(jīng)濟發(fā)展、人口變動，節(jié)能工作等多項城鎮(zhèn)建筑影響因素，建立了城鎮(zhèn)建筑能耗測算模型，然后應用該模型分析了城鎮(zhèn)建筑能耗的各項影響因素的程度，最后根據(jù)建立的模型對城鎮(zhèn)建筑能耗進行情景預測，基于預測結(jié)果，給出政策建議。

1 基于IPAT理論基礎的城鎮(zhèn)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(jīng)濟和技術對環(huán)境的影響而提出的模型，該方程表示為:

其中，I(impact)表示環(huán)境影響或者資源消耗，P(population)表示人口，A(affluence)表示經(jīng)濟發(fā)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(shù);A通常為人均GDP等經(jīng)濟發(fā)展指標;T通常為單位GDP所形成的環(huán)境指標。該模型揭示了引起環(huán)境變化的三個主要驅(qū)動力為人口、經(jīng)濟和技術，這三個因素共同作用于環(huán)境。

隨著時間發(fā)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(jīng)濟、技術以不同的影響程度作用于環(huán)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(shù);b、c和d分別是對應的人口(P)、經(jīng)濟發(fā)展(A)、技術水平(T)的指數(shù);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(zhèn)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(zhèn)化率、年齡結(jié)構(gòu)等;經(jīng)濟因素:GDP、建筑業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)增加值、城鎮(zhèn)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(jié)能建筑占城鎮(zhèn)建筑比重、節(jié)能技術普及率等。本文只針對直接影響城鎮(zhèn)建筑能耗的因素進行分析。

1.2.1 人口(P)

城鎮(zhèn)化對城鎮(zhèn)建筑能耗的影響是多方面的，首先隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進，城鎮(zhèn)建設大規(guī)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(zhèn)化進程的加速將伴隨城鎮(zhèn)居民對物質(zhì)和服務需求的增長，進而推動第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，導致公共建筑能耗增長;最后由于城鎮(zhèn)居民的人均能源消耗遠高于農(nóng)村居民，隨著大量農(nóng)村居民進城轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)居民，城鎮(zhèn)建筑能耗必然也將快速增長。因此城鎮(zhèn)化率是城鎮(zhèn)建筑運行能耗的重要影響因素。

1.2.2 經(jīng)濟(A)

經(jīng)濟對城鎮(zhèn)建筑能耗的影響分別體現(xiàn)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(diào)、電冰箱等)擁有量的增長，電器擁有量的增長導致城鎮(zhèn)住宅建筑能耗的增長。②城鎮(zhèn)公共建筑中能耗受到的經(jīng)濟影響主要是由于第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對能耗的需求，自改革開放以來，我國第三產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)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(jié)能技術，并已取得良好效果。以新建建筑為例，全國城鎮(zhèn)2011年新建建筑設計階段執(zhí)行節(jié)能50%強制性標準基本達到100%，施工階段的執(zhí)行比例為95.5%。正是由于節(jié)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(zhèn)建筑能耗作為一種特殊的環(huán)境影響，雖然滿足“IPAT”理論模型中人口、經(jīng)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(gòu)建了城鎮(zhèn)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(xiàn)實際情況。

最終該模型使用1980－2009年的全國時間序列數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)，選擇城鎮(zhèn)化率、城鎮(zhèn)居民每百戶空調(diào)擁有量、城鎮(zhèn)居民每百戶電冰箱擁有量、第三產(chǎn)業(yè)增加值(不變價，以1978=100計算)、城鎮(zhèn)節(jié)能建筑占既有建筑的比重作為自變量，城鎮(zhèn)建筑能耗作為因變量構(gòu)建模型。

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

上式中的Y表示城鎮(zhèn)建筑能耗總量，X1表示城鎮(zhèn)化率，X2表示第三產(chǎn)業(yè)增加值，X3表示城鎮(zhèn)居民每百戶電冰箱擁有量，X4表示城鎮(zhèn)居民每百戶空調(diào)擁有量，X5表示城鎮(zhèn)節(jié)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(shù)據(jù)來源為:《中國統(tǒng)計年鑒》、《能源統(tǒng)計年鑒》、中經(jīng)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫、清華大學建筑節(jié)能研究中心公布的《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告》(2008－2011年)、住房與城鄉(xiāng)建設部公布的《全國住房城鄉(xiāng)建設領域節(jié)能減排專項監(jiān)督檢查建筑節(jié)能檢查情況通報》(2007－2011年)。

根據(jù)模型結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):以上各影響因素都對建筑能耗產(chǎn)生顯著影響;其中，城鎮(zhèn)節(jié)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(jié)能政策的實施對城鎮(zhèn)建筑能耗的調(diào)控起到了良好的效果。另外，空調(diào)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(huán)境的暖通空調(diào)系統(tǒng)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(fā)展情況采用適當?shù)哪Ｐ瓦M行定量分析。情景的設定需要能夠相互匹配，具有經(jīng)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(xiàn)有的發(fā)展趨勢發(fā)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(jù)中國家用電器協(xié)會在2011年5月公布的《中國家用電器工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃的建議》中的報告，城鎮(zhèn)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(xiàn)大的波動，故本文設置初始假定為:城鎮(zhèn)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(zhèn)化率、節(jié)能建筑占既有建筑的比重、第三產(chǎn)業(yè)增加值分別進行情景設定。

2.1.1 城鎮(zhèn)化率

城鎮(zhèn)化率的增長必然伴隨著城鎮(zhèn)建筑能耗總量的增長。而最近我國的城鎮(zhèn)化率一直處于快速增長的趨勢?；诖藢Τ擎?zhèn)化率在未來的變化情況進行兩個假定:

假定1:城鎮(zhèn)化率增速得到有效控制，根據(jù)“十二五”規(guī)劃，城鎮(zhèn)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(zhèn)化率依次為50.75%，51.55%，52.35%，53.15%，53.95%。

假定2:城鎮(zhèn)化率保持既有增速持續(xù)增長，基于此依據(jù)時間序列數(shù)據(jù)測算出2011－2015年間的城鎮(zhèn)化率依次為 51.40%，52.91%，54.43%，55.94%，57.46%。

2.1.2 第三產(chǎn)業(yè)增加值指數(shù)

公共建筑能耗是城鎮(zhèn)建筑能耗的重要組成部分，而第三產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)增加值在未來的變化情況進行兩個假定:

假定3:第三產(chǎn)業(yè)增速得到有效控制，根據(jù)“十二五”規(guī)劃要求，國內(nèi)生產(chǎn)總值保持年平均7%的增速，同時在2015年第三產(chǎn)業(yè)(服務業(yè))增加值占國內(nèi)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(chǎn)業(yè)增加值折算成第三產(chǎn)業(yè)增加值指數(shù)(不變價，以1978年=100計算)，測算出2011－2015年間的第三產(chǎn)業(yè)增加值指數(shù)依次為 2 961.7，3 181.8，3 401.9，3 622.0，3 842.1。

假定4:第三產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展，第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展不受外界影響，繼續(xù)保持現(xiàn)有的增速;基于此依據(jù)時間序列數(shù)據(jù)把第三產(chǎn)業(yè)增加值折算成第三產(chǎn)業(yè)增加值指數(shù)(不變價，以1978年=100計算)，測算出2011－2015年間的第三產(chǎn)業(yè)增加值指數(shù)依次為 3 065.7，3 402.3，3 775.9，4 190.5，4 650.6。

2.1.3 節(jié)能建筑占既有建筑的比重

隨著節(jié)能工作的不斷推進，城鎮(zhèn)建筑能耗的增速得到了有效控制。基于此，對節(jié)能建筑占比在未來的變化情況進行了假定:

假定5:節(jié)能建筑占比穩(wěn)步增長，即在既有的建筑節(jié)能工作基礎上，節(jié)能工作穩(wěn)步實施，節(jié)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(jié)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(jié)能建筑持續(xù)增長，即政府在既有的建筑節(jié)能工作基礎上，繼續(xù)推進節(jié)能建筑的建造，節(jié)能建筑占比保持現(xiàn)有增速，;基于該假定測算出節(jié)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(jié)果和分析

根據(jù)以上模型和相關數(shù)據(jù)，結(jié)合上述6種情景假定，最終測算出2011－2015年我國城鎮(zhèn)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(xiàn)有的發(fā)展趨勢下的城鎮(zhèn)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(diào)整和控制下的城鎮(zhèn)建筑能耗情景(假定1、假定3、假定6)。

根據(jù)上表可以發(fā)現(xiàn)，如果保持當前的發(fā)展趨勢(即基準情景下)，我國城鎮(zhèn)建筑能耗將出現(xiàn)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(zhèn)建筑能耗，在2015年僅為71 896.15萬tce，為基準情景86%，節(jié)約近14%的能源。

表1 我國城鎮(zhèn)建筑能耗總量 (單位:萬tce)

根據(jù)其他6個情景下建筑用能情況可以發(fā)現(xiàn)第三產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)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(zhèn)建筑能耗節(jié)能工作的重點;其次是節(jié)能建筑的占比，其在較大程度上控制了城鎮(zhèn)建筑能耗的增長趨勢。

3 結(jié)論與建議

本文首先基于IPAT模型的理論思想，結(jié)合ARMA的時間序列模型，構(gòu)建了城鎮(zhèn)建筑能耗的測算模型。然后應用情景分析方法，對城鎮(zhèn)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(zhèn)建筑能耗總量。測算結(jié)果表明若要即保證社會經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展，又降低城鎮(zhèn)建筑能耗的增速，需要積極加大節(jié)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(xù)加強可再生能源建筑的推廣工作。保持現(xiàn)有的新建建筑在設計施工階段的節(jié)能規(guī)范措施，擴大既有建筑的改造工作。可建立可再生能源建筑應用示范市(縣)，當示范建筑面積達到一定規(guī)模，可以推動周邊市(縣)的節(jié)能工作。

(2)健全針對公共建筑特別是大型公共建筑的節(jié)能監(jiān)管體系，實現(xiàn)公共建筑能耗的可計量和監(jiān)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(jié)能標準。

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

(編輯:劉呈慶)

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