中國(guó)特色 “低碳經(jīng)濟(jì)”優(yōu)化模型研究

朱思斯

（清華大學(xué)，北京 100084）

中國(guó)特色 “低碳經(jīng)濟(jì)”優(yōu)化模型研究

朱思斯

（清華大學(xué)，北京 100084）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定增長(zhǎng)、人民生活質(zhì)量不斷提高，如何實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)、限制二氧化碳的排放變得極具挑戰(zhàn)。本文首先對(duì)我國(guó)在2018年的GDP總量、能耗總量以及碳排放總量進(jìn)行了預(yù)測(cè)；然后根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，以經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出最大化、碳排放量最小化以及行業(yè)環(huán)境效率評(píng)估等為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建中國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型；最后通過求解、分析得到針對(duì)我國(guó)產(chǎn)業(yè)部門結(jié)構(gòu)的最優(yōu)調(diào)整方案，為我國(guó)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)提供了科學(xué)依據(jù)和參考。

低碳經(jīng)濟(jì) 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu) 優(yōu)化模型 調(diào)整方案

引 言

自改革開放以來，化石能源（石油、煤炭等）極大的推動(dòng)了中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，然而，伴隨化石能源的燃燒排放出大量的 “溫室氣體” （CO2、CH4、水汽等），導(dǎo)致的全球性氣候變暖首當(dāng)其沖成為各個(gè)國(guó)家所面臨的環(huán)境問題。據(jù)國(guó)際能源署（IEA）在2010年的統(tǒng)計(jì)：中國(guó)已經(jīng)成為 “世界第一大化石能源消費(fèi)國(guó)”［1］，同樣也是 “世界第二大溫室氣體排放國(guó)”［2］。為此，我國(guó)在 “十三五”規(guī)劃中提出，到2020年，二氧化碳排放量（下稱“碳排”）相對(duì)于2005年降低40%～45% ，并承諾到2030年達(dá)到降低60%～65%的目標(biāo)［3］。

低碳經(jīng)濟(jì)首先在2003年被英國(guó)提出，其中心思想就是在保證一定經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度的同時(shí)，減少CO2等溫室氣體的排放；其本質(zhì)則是優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高能源使用效率，從而達(dá)到低碳發(fā)展的目的［4］。按照英國(guó) “能源白皮書”［5］對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)模式的規(guī)劃，英國(guó)逐漸從自給自足的能源供應(yīng)走向主要依靠進(jìn)口的時(shí)代，并預(yù)計(jì)到2020年英國(guó)80%的能源都必須進(jìn)口［6，7］。然而，中國(guó)由于其特殊的國(guó)情，經(jīng)濟(jì)建設(shè)以發(fā)展為首要任務(wù)，急需大力發(fā)展生產(chǎn)力；此外，中國(guó)人口基數(shù)龐大，且人口增長(zhǎng)率也遠(yuǎn)高于歐洲［8－10］。因此，如何建立一個(gè)具有中國(guó)特色的 “低碳經(jīng)濟(jì)道路”迫在眉睫。

1 中國(guó)在2018年的GDP、能耗及碳排總量預(yù)測(cè)

我國(guó)GDP總量、能源消耗總量和二氧化碳排放總量的整體變化趨勢(shì)以及研究三者直接的相互影響規(guī)律是實(shí)現(xiàn)我國(guó) “低碳經(jīng)濟(jì)”體制的重要科學(xué)依據(jù)和研究方法。

作者采用計(jì)量模型擬合的方法［11，12］，并采用2008～2013年的真實(shí)數(shù)據(jù)作對(duì)比，得到了GDP、能源消耗和二氧化碳排放總量的預(yù)測(cè)模型：

根據(jù)預(yù)測(cè)模型以2013年的數(shù)據(jù)為樣本，對(duì)中國(guó)2018年的41項(xiàng)部門產(chǎn)出優(yōu)化總量、能源消耗總量和二氧化碳排放總量進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到附表1所示。

2 中國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型研究

2.1 目標(biāo)函數(shù)確定

根據(jù)預(yù)測(cè)模型，以經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出最大化、碳排放量最小化以及行業(yè)環(huán)境效率評(píng)估等為目標(biāo)，對(duì)經(jīng)濟(jì)總量、能耗總量以及碳排總量的預(yù)測(cè)值作為上限約束進(jìn)行優(yōu)化模型的構(gòu)建，得到的目標(biāo)函數(shù)為：

其中：x——決策變量；

i＝［1，1，…，1］T；

j——附表1中41項(xiàng)部門的總產(chǎn)出，j＝1，2，…，41；

M——代表我國(guó)所有41部門的產(chǎn)出量進(jìn)行加總，將總產(chǎn)出值最大化。

2.2 約束條件的確定

2.2.1 能耗約束

考慮能耗約束，主要為了保證我國(guó)二氧化碳的總排放量不超標(biāo)，同時(shí)也能保證我國(guó)具有一個(gè)健康的能源利用體制?；舅悸肥乔蟮酶鞑块T能源消耗總和，不得超過預(yù)測(cè)的范圍，具體約束模型為：

其中，E——各部門的能耗系數(shù)矩陣；

β——轉(zhuǎn)化系數(shù)，表示各類能源換算成標(biāo)準(zhǔn)煤的比值（見表1所示）；

βTE—為1×41的矩陣，表示綜合能源生產(chǎn)率 ；ef——預(yù)測(cè)的我國(guó)2018年能源消耗量。

表1 標(biāo)準(zhǔn)煤能源轉(zhuǎn)化系數(shù)（β值）

2.2.2 CO2排放約束

該約束條件與約束（1）相近，表示各部門所排出的CO2總和不超過預(yù)測(cè)值。

其中，C——碳的排放系數(shù)矩陣；

iTC——同樣為一個(gè)1×41的矩陣，表示各部門分別消耗的二氧化碳總量；

cf——預(yù)測(cè)的我國(guó)2018年二氧化碳排放總量。

2.2.3 經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平約束

該約束將所有部門的增加值進(jìn)行加總，總量不低于既定的GDP預(yù)測(cè)值。

其中：I——41×41的單位矩陣；

A——部門中間消耗系數(shù)矩陣；

（I－A）——增加值系數(shù)矩陣；

yf——預(yù)測(cè)的我國(guó)2018年GDP總量。

2.2.4 部門結(jié)構(gòu)調(diào)整范圍約束

考慮到實(shí)際情況，一些關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈的部門，其產(chǎn)出量不存在從零到正無窮的變化范圍，為了不影響整體經(jīng)濟(jì)良好運(yùn)行，應(yīng)該受到宏觀調(diào)控的控制，其范圍會(huì)在一個(gè)局部的小區(qū)間內(nèi)活動(dòng)，因此針對(duì)某些部門結(jié)構(gòu)需人為的為其設(shè)置上下限，從而使得到的優(yōu)惠結(jié)果更接近真實(shí)。得到的約束模型如下：

其中，ubj和lbj分別表示各部門產(chǎn)出量的上界和下界。

2.2.5 其他優(yōu)化約束

為保證所得到的產(chǎn)出量均為非負(fù)值，這里多加入了下列優(yōu)化約束：

3 中國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型的求解

3.1 部門產(chǎn)出量?jī)?yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)上述式（1）～（6），采用Matlab軟件對(duì)預(yù)期年各部門的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出量進(jìn)行求解，得到我國(guó)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化指數(shù)如表2。

表2 總體經(jīng)濟(jì)指數(shù)

縱觀全局，我國(guó)的三次產(chǎn)業(yè)在2018年所占比重的優(yōu)化結(jié)果分別為6.18%、69.56%以及28.1%。與2013相比，第一產(chǎn)業(yè)的比重變化不大；而第二產(chǎn)業(yè)呈下降趨勢(shì)，下降幅度達(dá)3.5個(gè)百分點(diǎn)，這說明 “CO2排放約束”對(duì)于工業(yè)部門的結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)生了效果；作為服務(wù)業(yè)的第三產(chǎn)業(yè)所占比重略有增加。我國(guó)經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)出量相比2013年可以增加約36.44%，而增加值（GDP）比例上漲了約29.58%。

圖1 部門產(chǎn)出量最優(yōu)方案（單位：萬元）

根據(jù)41個(gè)部門產(chǎn)出量的結(jié)果看，到2018年我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)出量排名前5位的部門分別為建筑業(yè)，化學(xué)工業(yè)，農(nóng)林牧漁業(yè)，食品制造及煙草加工業(yè)及批發(fā)和零售業(yè)。而相對(duì)增長(zhǎng)幅度排名前6的部門為郵政業(yè)，金融業(yè)，衛(wèi)生、社會(huì)保障和社會(huì)福利業(yè)，批發(fā)和零售業(yè)，研究與試驗(yàn)發(fā)展業(yè)以及綜合技術(shù)服務(wù)業(yè)。

根據(jù)2013～2018年變化趨勢(shì)可知：總產(chǎn)出比重下降的部門主要在第二產(chǎn)業(yè)。其中下降幅度較高的有：煤炭開采和洗選業(yè)，石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)，非金屬礦物制品業(yè)。其中，金屬冶煉及壓延加工業(yè)的降低幅度最高，比例在50%左右。與2013年相比，建筑業(yè)的總產(chǎn)出量達(dá)到18.7萬億，其所占總國(guó)民經(jīng)濟(jì)的份額增長(zhǎng)約為2.4%。除此之外，第二產(chǎn)業(yè)中兩個(gè)主要能源產(chǎn)業(yè)（天然氣開采業(yè)、燃?xì)馍a(chǎn)和供應(yīng)業(yè)以及石油）的產(chǎn)量均需有所提升；另外的石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)、電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、煤炭開采和洗選業(yè)，其產(chǎn)出量絕對(duì)份額需要有所下降。

作為服務(wù)業(yè)務(wù)的第三產(chǎn)業(yè)，其中所有部門的產(chǎn)能均有所升高，提高比例需達(dá)到50%左右。從整體來看，我國(guó)第三產(chǎn)業(yè)全部16個(gè)部門，其產(chǎn)出量的增長(zhǎng)幅度由2013年的20%增長(zhǎng)到2018年25.5%。其中，全部16個(gè)產(chǎn)業(yè)中的文化、體育和娛樂業(yè)產(chǎn)值提升了2.21萬億，上升幅度最大。

由此可見，想要實(shí)現(xiàn)我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，更合理的實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)體制，就必須大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，向服務(wù)業(yè)轉(zhuǎn)型。另外，第二產(chǎn)業(yè)部門中能源部門所占比例需要有所限制；其中，建筑業(yè)仍為我國(guó)支柱產(chǎn)業(yè)，其所占比例仍需持續(xù)維持。還有部分金屬加工業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模也都需要降低。

3.2 能耗量與碳排量的優(yōu)化分析

我們通過公式（2）～（4），可以計(jì)算出我國(guó)2018年41個(gè)產(chǎn)業(yè)部門各自的能源消耗量與CO2排放量，然后再與增加值做比得到優(yōu)化方案中各部門的能源強(qiáng)度及二氧化碳強(qiáng)度。得到的行業(yè)能源強(qiáng)度下降比例結(jié)果如圖2所示。

圖2 行業(yè)能源強(qiáng)度下降比例結(jié)果

3.2.1 能耗量分析

根據(jù)圖2可以看出，能源消耗總量最高的金屬冶煉及壓延加工業(yè)所占比例由2013年部門23%下降至2018年的11.6%；而化學(xué)工業(yè)的能源消耗總量躍居成為首位，遠(yuǎn)超第二名的交通運(yùn)輸及倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)。第二產(chǎn)業(yè)中能耗排名前5位的部門，占據(jù)的比例也由63.06%下降至53%。

從整體優(yōu)化結(jié)構(gòu)來看，農(nóng)林牧漁部門的能源強(qiáng)度在2018年有所上升，代表第一產(chǎn)業(yè)對(duì)我國(guó)能源總量的影響并不大。因此，為了滿足優(yōu)化模型中能源總量的限制，近95%的部門均需要下調(diào)現(xiàn)有的能源強(qiáng)度，其中，第二產(chǎn)業(yè)相對(duì)第三產(chǎn)業(yè)的能源強(qiáng)度下降幅度更需要大一點(diǎn)。

3.2.2 CO2排放量分析

從行業(yè)的CO2排放量可知，電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)是碳排放總量最高的部門，占總體比例的34.49%；而化學(xué)工業(yè)在碳排量?jī)?yōu)化方案中排名第一。此外，碳排量排名前10的部門都來自第二產(chǎn)業(yè)，其中9個(gè)行業(yè)的碳排總量均相對(duì)于2013年都有所降低；排放量需要下降最大的部門為電力、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)，降幅可達(dá)近90%。

由以上結(jié)果表明：CO2排放總量的約束條件下，工業(yè)部門依舊是 “碳排大戶”，但其整體的排放數(shù)量相比2013年需要大幅降低。

第一產(chǎn)業(yè)部門所占并未發(fā)生大的變化，表明了第一產(chǎn)業(yè)的改變對(duì)節(jié)能減排并無大礙。第三產(chǎn)業(yè)部門也是如此，除倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸業(yè)需要對(duì)現(xiàn)有碳排水平進(jìn)行減排外，其余部門都可以保持現(xiàn)狀即可。

從CO2排放強(qiáng)度來看，碳生產(chǎn)率（1/碳強(qiáng)度）前五位全部來自第三產(chǎn)業(yè)部門；而在前十位中的也只有兩個(gè)部門（計(jì)算機(jī)以及其他電子設(shè)備制造業(yè)、儀器儀表及文化辦公用機(jī)械制造業(yè)和通信設(shè)備）來自第二產(chǎn)業(yè)部門。因此，第二產(chǎn)業(yè)中包含的5個(gè)能源部類、11個(gè)部門均需要提升自身行業(yè)的碳生產(chǎn)率以滿足碳排總量的限制條件。

第三產(chǎn)業(yè)由于其具有經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出高、碳排量相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)，在優(yōu)化方案中指出包括了信息傳輸、計(jì)算機(jī)服務(wù)和軟件業(yè)等7個(gè)部門的碳強(qiáng)度需要提升，若能大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，能夠事半功倍的保證經(jīng)濟(jì)總量增長(zhǎng)。

需要指出的是，交通運(yùn)輸及倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)是第三產(chǎn)業(yè)中唯一一個(gè)碳排放總量排進(jìn)前十的部門，并且在經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出量?jī)?yōu)化結(jié)果排行中也占據(jù)第8位，屬于我國(guó)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的重要組成部分，如果未來可以將新能源、新材料等科技在交通運(yùn)輸部門多加推廣及應(yīng)用，減少該部門的碳排壓力，很大程度上會(huì)有助于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的 “低碳”發(fā)展。

圖3 行業(yè)碳排強(qiáng)度排名

圖4 行業(yè)碳排強(qiáng)度下降比例結(jié)果

4 結(jié) 論

中國(guó)特色 “低碳經(jīng)濟(jì)”的直接目的就是在保證一定量經(jīng)濟(jì)增速的前提下，減少碳排放量，以通過優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高能源使用效率的方式來達(dá)到低碳發(fā)展的目的。本文根據(jù)計(jì)量模型的預(yù)測(cè)，構(gòu)建出我國(guó)基于經(jīng)濟(jì)總量、能耗量以及碳排量的總量控制優(yōu)化模型。在保證現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)水平，能源消耗水平及二氧化碳排放水平下，提出2018年最優(yōu)的產(chǎn)出（產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整）方案。研究表明：可以在能耗量與碳排量雙重約束下經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出量達(dá)到最大，且相比基年（2013年）能源強(qiáng)度下降26.04% ，二氧化碳強(qiáng)度下降48.95%。而后，在上面非限制模型的基礎(chǔ)上又對(duì)碳排放總量加入政策性的 “減排”條件。相比上一個(gè)非限制優(yōu)化模型，在滿足最低限度經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的前提下，二氧化碳排放總量能夠下降約22%。

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Research on the Optimization Model of China’s Low－Carbon Economy

Zhu Sisi
（Tsinghua University，Beijing 100084，China）

With the steady growth of China’s economy，people’s life quality rise ceaselessly，how to realize low carbon economy，limiting emissions of carbon dioxide becomes very challenging.Firstly，GDP in 2018，total energy consumption and carbon emissions is forecasted；then according to the forecast results，in order to maximize economic output，taking minimized carbon emissions and environmental efficiency evaluation as objective function，the optimization model of China’s low carbon economy is constructed；finally，by means of solving industrial sectors in China，it analyzes of the structure of the optimal adjustment scheme，for our country to further achieve low carbon economy provides scientific basis and reference.

low carbon economy；industrial structure；the optimization model；adjust the plan

附表1 中國(guó)41項(xiàng)分類部門產(chǎn)出總量、能源消耗總量和二氧化碳排放總量預(yù)測(cè)總表

續(xù)表

10.3969/j.issn.1004－910X.2016.12.013

F205；F121.3

A

（責(zé)任編輯：王 平）

2016—08—25

朱思斯，清華大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院經(jīng)濟(jì)系博士研究生。研究方向 ：產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)、公共經(jīng)濟(jì)學(xué)。