基于系統(tǒng)動力學(xué)的城市住宅碳減排潛力研究
——以西安市為例

宋金昭，翟佳瑤,王曉平，胡 振

(西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院， 西安 710055)

城市碳排放引發(fā)的氣候問題日益嚴(yán)峻，城市作為控制溫室氣體排放的空間載體，實(shí)現(xiàn)其工業(yè)、住宅、交通等產(chǎn)業(yè)低碳化發(fā)展成為國家應(yīng)對氣候變化的一個主要方向，其中，住宅碳排放成為建設(shè)低碳城市的重大挑戰(zhàn)之一。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(intergovernmental panel on climate change，IPCC)第五次評估報告顯示，城市住宅部門的能源需求占全球能源需求高達(dá)67%以上，并且產(chǎn)出的CO2排放量超過全球二氧化碳排放量的70%[1]。我國城市的快速發(fā)展帶來住宅面積迅猛增加，同時伴隨著巨大的能源消耗及碳排放量。建筑物總能耗占到社會總能耗的25%～28%，二氧化碳排放量占比社會總排放量的40%左右[2]，而在住宅全壽命周期中，其運(yùn)行使用階段的碳排放占整個建筑物碳排放的60%～80%[3]。因此，住宅使用階段的節(jié)能減排對改善城市環(huán)境以及促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。本文以西安市為例從系統(tǒng)角度分析城市人口、經(jīng)濟(jì)及能源的投入與住宅碳排放產(chǎn)出之間關(guān)系，有利于深入研究住宅碳排放因素對碳排放的動態(tài)影響，對于發(fā)展低碳住宅以及建設(shè)“環(huán)境友好型”社會具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

家庭住宅碳排放的影響因素較多，概括起來包括經(jīng)濟(jì)方面(經(jīng)濟(jì)發(fā)展、居民收入、居民消費(fèi))、社會方面(人均居住面積、居民低碳意識、城市化)、人口規(guī)模、能源方面(能源結(jié)構(gòu)、能源效率)等[4-6]。Jackson等[7]通過對英國家庭碳排放量變化研究，分析了影響碳排放的主要社會因素。Dietz等[8]研究說明，受教育程度高的居民環(huán)保意識更強(qiáng)。Lin等[9]的研究說明，居民生活水平的提高是居民碳排放增加的主要驅(qū)動因素，但是能源效率的提高抑制了其增長的趨勢。楊艷芳等[10]通過對北京市宏觀建筑碳排放影響因素分析，結(jié)果表明城市化是北京市建筑碳排放增長的最大影響因素。胡文發(fā)等[11]、譚春平等[12]通過LMDI方法分析了住宅建筑的宏觀影響因素，提出住宅使用階段碳排放的正向驅(qū)動和負(fù)向驅(qū)動影響因素及其規(guī)律，為建筑節(jié)能提供建議。蔣金荷[13]分析了影響碳排放量及其強(qiáng)度的社會經(jīng)濟(jì)和能源強(qiáng)度因子，提出了住宅用能政策的幾點(diǎn)啟示。上述文獻(xiàn)基本上遵循從住宅碳排放的影響機(jī)理出發(fā)，測算住宅使用階段的碳排放量，分析其變化的影響因素，由此提出降低碳排放的政策建議的分析脈絡(luò)[14]。影響因素分析只是基于單一因素對它的影響分析，但是住宅碳排放是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，對于城市社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與住宅碳排放的系統(tǒng)分析，以及系統(tǒng)內(nèi)各因素間相互作用機(jī)理的研究文獻(xiàn)相對較少，并且按照可持續(xù)發(fā)展的要求，對可控參數(shù)變量(居民收入水平、技術(shù)進(jìn)步等)變動對城市住宅碳排放系統(tǒng)的影響程度關(guān)注不夠。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

西安市位于關(guān)中平原中部，是國家西部地區(qū)中心城市，亦是全國重要的科研、教育、工業(yè)基地。西安市現(xiàn)有11個轄區(qū)，面積10 108 km2。近年來，“一帶一路”倡議使國家發(fā)展戰(zhàn)略不斷聚焦于西安，國家旨在把西安打造為國際化大都市，這對其發(fā)展提供了機(jī)遇，也提出了要求。住宅作為城市碳排放的重要貢獻(xiàn)者，應(yīng)承擔(dān)起協(xié)調(diào)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的責(zé)任，為了更好地以低碳理念指導(dǎo)住宅綠色發(fā)展，需要對西安市城市住宅碳排放系統(tǒng)進(jìn)行仿真測算及情景模擬，從而為降低碳排放量提供決策參考。

1.2 研究方法

系統(tǒng)動力學(xué)模型作為一種仿真預(yù)測模型，在研究分析信息反饋系統(tǒng)以及解決系統(tǒng)問題方面具有顯著優(yōu)勢，并且在我國研究碳排放影響機(jī)制方面也得到廣泛的應(yīng)用。范清敏等[15]、唐德才等[16]采用SD模型分析模擬城市碳排放系統(tǒng)，以此提出減排措施。周銀香[17]、張建慧等[18]通過構(gòu)建城市交通系統(tǒng)動力學(xué)模型，探尋城市交通低碳發(fā)展的減排措施。龐婕等[19]將人口、經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境3方面因素納入我國居民居住碳排放系統(tǒng)動力學(xué)模型中，仿真模擬不同情境下省域間碳排放的差異。系統(tǒng)動力學(xué)是研究因素間相互作用關(guān)系以及解決系統(tǒng)問題的綜合性學(xué)科，因此本文基于系統(tǒng)學(xué)理論和可持續(xù)發(fā)展理論，在分析城市住宅碳排放影響因素的基礎(chǔ)上，利用系統(tǒng)動力學(xué)模型研究人口、經(jīng)濟(jì)、能源與環(huán)境之間的相互作用，并以西安市為例建立碳排放的仿真預(yù)測模型，模擬歷年西安市住宅碳排放變化趨勢及減排潛力分析，進(jìn)一步為降低城市住宅碳排放提供理論依據(jù)與合理建議。

1.2.1數(shù)據(jù)來源

本文建立的城市住宅碳排放系統(tǒng)動力學(xué)模型涉及總?cè)丝?、GDP、 各能源消費(fèi)量、人均建筑面積、財(cái)政收入、科學(xué)技術(shù)、教育投入、居民可支配收入、居民居住消費(fèi)支出等數(shù)據(jù)，均來源于歷年《西安市統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.2.2建模目的

建立城市住宅碳排放系統(tǒng)動力學(xué)模型，目的是采用動態(tài)系統(tǒng)模型定量和定性地深化分析與住宅碳排放相關(guān)的各因素之間的因果反饋關(guān)系，便于更全面掌握相關(guān)變量的運(yùn)行機(jī)理以及變化趨勢。

模型的空間邊界為西安市城市住宅，時間為2001—2030年，主要?dú)v史數(shù)據(jù)時段為2001—2016年，時間步長為1年。系統(tǒng)環(huán)境主要由人口、社會、經(jīng)濟(jì)、能源等住宅碳排放影響因素構(gòu)成。根據(jù)西安市歷史年度數(shù)據(jù)以及未來發(fā)展規(guī)劃，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法確定模型的參數(shù)，借助計(jì)算機(jī)軟件Vensim進(jìn)行以下仿真：① 模擬西安市2017—2030年城市住宅碳排放量的主要變化趨勢；② 調(diào)節(jié)模型可控參數(shù)變量，進(jìn)行情景模擬，分析不同模擬情景下的城市住宅碳排放量的變化程度。

1.2.3模型因果關(guān)系圖

系統(tǒng)動力學(xué)的模型因果關(guān)系圖能夠反映各因素間的相互影響和相互制約關(guān)系，本文通過綜合考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口數(shù)量、人均可支配收入、科學(xué)技術(shù)、城市化率、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、人均居住面積等因素之間的相互關(guān)聯(lián)，依靠信息、物質(zhì)交換將這些因素整合為一個有機(jī)的整體，構(gòu)成以經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境以及社會4個子系統(tǒng)構(gòu)成的城市住宅碳排放系統(tǒng)，通過對城市住宅碳排放系統(tǒng)邊界的分析，對系統(tǒng)中涉及的各種變量及關(guān)系進(jìn)行歸納與提煉，形成西安市城市住宅碳排放的因果關(guān)系，如圖1所示。

圖1 住宅碳排放因果關(guān)系

圖1簡潔地表達(dá)了4個系統(tǒng)之間復(fù)雜的因果反饋關(guān)系，其存在5條主要反饋路徑，分別為：

① 經(jīng)濟(jì)發(fā)展→+教育投入→+低碳意識→-能源消耗→-城市住宅碳排放→+環(huán)境質(zhì)量→+經(jīng)濟(jì)發(fā)展

② 經(jīng)濟(jì)發(fā)展→+科技投入→+低碳技術(shù)→-能源消耗→-城市住宅碳排放→+環(huán)境質(zhì)量→+經(jīng)濟(jì)發(fā)展

③ 城市住宅能耗→+城市住宅碳排放→-環(huán)境質(zhì)量→+經(jīng)濟(jì)發(fā)展→+科技投入→+低碳技術(shù)→-城市住宅能耗

④ 經(jīng)濟(jì)發(fā)展→+人均收入→+人均居住面積→+居民人均居住消費(fèi)→+人均生活用能→+城市住宅總能耗→+城市住宅碳排放→-環(huán)境質(zhì)量→-經(jīng)濟(jì)發(fā)展

⑤ 城鎮(zhèn)人口→+城鎮(zhèn)化率→+人均生活用能

1.2.4住宅碳排放系統(tǒng)流量圖

住宅碳排放系統(tǒng)是一個涉及能源、經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境的復(fù)雜系統(tǒng)，本文通過數(shù)學(xué)方法定量表述各因素間的關(guān)系，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)將系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)連接為一個有機(jī)整體，將研究對象放入系統(tǒng)中研究以增加結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文通過對圖1因果關(guān)系的適當(dāng)拓展與延伸，得到了圖2的城市住宅碳排放系統(tǒng)流量(見圖2)。本文方程參數(shù)的確定主要有以下幾種方法:① 回歸分析法，采用一元回歸確定城市人口、教育投入比例的參數(shù)；② 表函數(shù)法，模型中有些變量參數(shù)不能通過簡單的線性回歸得到，表函數(shù)可以精確描述非線性關(guān)系變量的參數(shù)變化，如能源價格、城市化率等；③ 參考相關(guān)文獻(xiàn)[20]確定煤炭、液化石油氣、天然氣以及電力的碳排系數(shù)。通過對模型的不斷調(diào)整使之與歷史數(shù)據(jù)相吻合。

圖2 住宅碳排放系統(tǒng)流量

2 模型檢驗(yàn)分析

2.1 模型一致性檢驗(yàn)

本文運(yùn)用Vensim-PLE軟件對模型系統(tǒng)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，選取系統(tǒng)中2001—2016年的人均可支配收入、人均生活用能和住宅年碳排放量、城市人口以及人均住房建筑面積為檢驗(yàn)變量，其中可支配收入、城市人口以及人均住房建筑面積的歷史數(shù)據(jù)均來自于西安市統(tǒng)計(jì)年鑒，人均生活用能以及住宅年碳排放量的歷史數(shù)值是通過分品種能源計(jì)算以及IPCC國家溫室氣體清單指南的測算方法得到的，模擬結(jié)果顯示該系統(tǒng)相對誤差都不超過12%(見表1)，其誤差均在系統(tǒng)動力學(xué)模型允許的誤差15%以內(nèi)[21-23]，因此本模型真實(shí)可靠，可以仿真調(diào)控不同政策情境下的西安市住宅碳排放。

2.2 靈敏度分析

靈敏度分析是當(dāng)某些參數(shù)的取值發(fā)生改變時，觀測系統(tǒng)的行為是否因?yàn)槟承﹨?shù)的微小變動而發(fā)生重大改變，表達(dá)式如下：

本文針對煤炭消耗、液化石油氣消耗和天然氣消耗比重、科技投入比例4個參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析(見表2)。根據(jù)靈敏度分析數(shù)據(jù)可知：天然氣、液化石油、煤炭消耗比重靈敏度均不超過5%，科技投入比例的靈敏度在10%以內(nèi)，4個參數(shù)的靈敏度都較低，說明該模型比較穩(wěn)定，可用來進(jìn)行情景仿真模擬。

表1 住宅碳排放模擬相對誤差

%

年份可支配收入人均生活用能住宅年碳排放量城市人口人均住房建筑面積2001-8.199.416.75-0.27-3.052002-0.844.125.950.777.8420036.117.068.47-0.029.8020049.73-0.39-1.170.089.62200511.65-6.29-6.54-0.975.40200611.413.882.120.351.5220079.221.38-1.62-1.041.9020083.356.395.14-0.20-5.97

年份可支配收入人均生活用能住宅年碳排放量城市人口人均住房建筑面積2009-5.557.62-3.02-0.95-9.152010-8.450.57-8.581.28-8.102011-9.94-5.55-8.88-0.91-5.282012-11.36-8.86-8.760.40-9.642013-8.32-4.42-5.280.06-7.8020148.421.02-5.99-0.57-2.5420157.822.282.931.051.9420168.975.60-6.66-0.051.18

表2 住宅碳排放參數(shù)靈敏性分析

3 西安市城市住宅碳排放仿真模擬

3.1 碳排放預(yù)測

通過對西安市城市住宅碳排放系統(tǒng)的仿真，得到西安市2001—2030年城市住宅碳排放量的模擬數(shù)據(jù)及變化趨勢(圖3)。模擬結(jié)果顯示:隨著城市化推進(jìn)以及居民生活水平的改善，西安市城市住宅年碳排放量將保持逐年攀升的趨勢，且2030年達(dá)到365.3萬t，約為2016年的4.1倍。2016年，中國政府在《巴黎協(xié)定》中提高了2030年的碳減排目標(biāo)，因此為了積極響應(yīng)國家減排承諾，西安市應(yīng)加快制定低碳發(fā)展戰(zhàn)略，及早實(shí)現(xiàn)環(huán)境經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展的目標(biāo)。

圖3 2001—2030年西安市城市住宅碳排放變化趨勢

3.2 情景模擬及討論分析

3.2.1情景模擬

情景模擬旨在通過調(diào)控主要參數(shù)設(shè)置不同情景，進(jìn)而模擬分析其對碳排放的影響程度，本文主要研究增加人均收入、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、提供技術(shù)水平和低碳意識以及控制城市化增長速率、提高能源價格等情景對碳排放量的影響(表3)，為減排政策的制定提供參考依據(jù)。

根據(jù)6個情景的系統(tǒng)模擬分別得到西安市2017—2030年的城市住宅碳排放量(見表4、圖4)。從測算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：情景1的城市住宅碳排放量從2016年86.89萬t上升到2030年的385萬t，增加了4.4倍，年均增長11.2%；情景2中，從2016年至2030年平均每年增加10.77%的住宅碳排放量，在2030年達(dá)到364.4萬t；在情景3中，2030年的碳排放量為364.8萬t，年均增長率為10.79%；在情景4中，西安市城市住宅碳排放量在2030年達(dá)到348.4萬t，年均增長率為10.44%；在情景5中，2030年的碳排放量為349.6萬t，年均增長率為10.46%；在情景6中，2030年碳排放為332.1萬t，年均增長率為10.05%。數(shù)據(jù)表明，除情景1外，各情景的碳排放量年均增長率相較于基礎(chǔ)情景的10.81% 都有所下降。

表3 情景模擬方案

表4 各情景住宅碳排放量模擬結(jié)果 105 t

圖4 各情景年碳排放量與原預(yù)測值對比

在設(shè)定的6種政策情景中，情景4、情景5和情景6的減排潛力逐年增加，情景2和情景3增加趨勢相對平穩(wěn)，情景1沒有減排效果。其中情景6的減排潛力最大，累計(jì)減排量達(dá)到218.94萬t，情景5次之，情景3的累計(jì)減排量最小(見圖5、圖6)。

圖5 各情景減排潛力比較

圖6 2017—2030年各情景累計(jì)減少碳排放量

3.2.2討論分析

數(shù)據(jù)分析表明，在2030年，情景1中人均收入占人均GDP的比例提高10%，將會導(dǎo)致城市住宅碳排放增加5.39%，說明人均收入是促進(jìn)城市住宅碳排放上升的驅(qū)動因素，伴隨著居民生活水平的提高，居民能源消費(fèi)也逐漸上升，隨之帶來碳排放的增加。情景2中能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的調(diào)整帶來0.25%的碳排放的減少，且在2028年該方案的減排潛力下降，隨著化石能源向二次能源的逐漸過渡，雖然碳排放有所降低，但是減排效果不顯著，因?yàn)槎文茉床⒉皇堑吞寄茉?，以電力為主的二次能源消費(fèi)產(chǎn)生的二氧化碳逐漸增加。情景3中5%能源價格的增加將會帶來0.14%的碳排放的減少，且減排趨勢平穩(wěn)，說明在短期時間內(nèi)能源價格的提升對減少碳排放貢獻(xiàn)不大，在現(xiàn)有的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)下，提高能源價格對居民能源需求沒有明顯的影響。情景4中增加科技及教育投入將減少4.7%的碳排放，人具有主觀能動性，良好的用能習(xí)慣對城市住宅碳減排有一定的積極作用，且技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)能源效率的提高，能源的充分利用對減少碳排放有著正向的調(diào)節(jié)作用，所以加大科技以及教育投入對今后實(shí)現(xiàn)碳減排有著至關(guān)重要的作用。情景5中城市化速率減小2%將會減少4.3%的碳排放，城市化發(fā)展速度對居民住宅能源消費(fèi)有著正向的驅(qū)動作用，合理地推進(jìn)城市化將對城市住宅碳減排有較為明顯的效果。情景6在綜合考慮所有因素下，住宅碳排放在2030年將減少9.1%，說明綜合調(diào)控的減排效果比單一因素的調(diào)控減排效果更明顯。城市碳排放是內(nèi)部因素相互作用、相互影響的整體系統(tǒng)，在實(shí)際發(fā)展中要綜合調(diào)控，才能有效減少碳排放。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

本文基于系統(tǒng)動力學(xué)模型，對2017—2030年西安市不同情境下的城市住宅碳排放進(jìn)行了模擬研究， 主要結(jié)論如下：

1) 基于系統(tǒng)動力學(xué)模型測試結(jié)果，運(yùn)用該模型預(yù)測西安市城市住宅碳排放量以及進(jìn)行相應(yīng)的情景模擬是可行的，并且通過SD模型定量分析西安市住宅碳排放，有助于解釋西安市住宅碳排放動態(tài)變化中存在的問題并探尋其節(jié)能減排的策略。這一模型將可作為參照研究其他區(qū)域類似問題。

2) 若外在條件未發(fā)生任何顯著變化，依照目前系統(tǒng)環(huán)境的發(fā)展趨勢，西安市城市住宅碳排放將呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，因此應(yīng)加快制定城市住宅節(jié)能減排對策，促進(jìn)低碳城市的建設(shè)。

3) 人均可支配收入的提高對城市住宅碳排放的增加有顯著的影響，所以隨著居民收入水平的提高，引導(dǎo)居民綠色消費(fèi)、低碳消費(fèi)變得尤為重要。

4) 改變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以及能源價格對減排效果影響甚微，控制城市化發(fā)展進(jìn)程以及增加教育科技投入對減少碳排放有積極的影響，但是綜合調(diào)控比單因素調(diào)控減排效果更明顯。

4.2 政策建議

基于以上分析，結(jié)合西安市城市住宅碳排放系統(tǒng)動力學(xué)模型各指標(biāo)的影響程度，為改善未來西安市住宅碳排放的嚴(yán)峻形勢提出以下政策建議：

1) 在改善居民收入水平的基礎(chǔ)上，合理提升能源價格，積極引導(dǎo)居民消費(fèi)模式升級。隨著居民生活水平的提高，能源價格的提升短期內(nèi)不會影響居民對能源的需求，這就要求政府積極采取措施促使居民可持續(xù)性消費(fèi)模式的構(gòu)建，例如節(jié)能產(chǎn)品的惠民工程，政府通過財(cái)政補(bǔ)貼消費(fèi)政策，積極引導(dǎo)居民低碳消費(fèi)，這對城市經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有深遠(yuǎn)的影響。

2) 轉(zhuǎn)變城鎮(zhèn)化發(fā)展思維方式，提高居民素質(zhì)教育，改變消費(fèi)觀念，減少城市住宅碳排放。倡導(dǎo)低碳生活方式，加大對建造低碳城市的宣傳力度，培養(yǎng)居民低碳環(huán)保意識，養(yǎng)成良好用能習(xí)慣，塑造健康文明的消費(fèi)文化，教育引導(dǎo)居民從前期的被動減排上升為后期的主動減排。居民作為能源消費(fèi)的最小單元，其低碳意識的形成決定了城市低碳住宅的健康持續(xù)發(fā)展。

3) 推進(jìn)低碳能源的使用，構(gòu)建合適的低碳能源體系。 以二次能源為主的能源結(jié)構(gòu)并不是都有利于住宅碳排放量減少，因此提高“低碳能源”比重是未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點(diǎn)方向，全方位推廣可再生能源包括太陽能、風(fēng)能、核能等能源，突破生物質(zhì)能源的最大利用效率，降低火力發(fā)電量在電力系統(tǒng)中的比例。低碳能源體系的構(gòu)建有利于增加能源多樣性、調(diào)整電能和化石能源為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，這將極大緩解城市住宅碳排放。

4) 開發(fā)先進(jìn)的低碳發(fā)展技術(shù)，推進(jìn)建設(shè)節(jié)能住宅，加強(qiáng)節(jié)能設(shè)備以及節(jié)能材料的使用，提高建筑能效。在建造過程引入“新風(fēng)系統(tǒng)、恒溫恒濕系統(tǒng)”等節(jié)能技術(shù)。使用過程中加強(qiáng)高效節(jié)能家電設(shè)備的研發(fā)，通過技術(shù)革新不斷提升家用設(shè)備的節(jié)能效率。并且政府應(yīng)高效實(shí)施節(jié)能創(chuàng)新獎勵政策，通過財(cái)政、稅收等政策的積極引導(dǎo)使企業(yè)研發(fā)先進(jìn)節(jié)能技術(shù)，不斷提高能源利用效率，使之更有效地減少住宅碳排放。

5) 各能源消費(fèi)主體同步參與節(jié)能減排，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展。政府應(yīng)發(fā)揮在節(jié)能減排中的主導(dǎo)作用，健全激勵約束機(jī)制，聯(lián)動企業(yè)主體細(xì)化管理措施、提升技術(shù)水平以及培養(yǎng)消費(fèi)者低碳意識，堅(jiān)持在市場驅(qū)動下，內(nèi)化企業(yè)和各類社會主體的節(jié)能減排要求，最終形成全民攜手、共同促進(jìn)城市環(huán)境改善的良好氛圍。