低碳示范城市情景仿真模型研究

房　勁，蒲剛清，劉　貞

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司人力資源部，重慶　400015；2.重慶理工大學(xué) 工商管理學(xué)院，重慶　400054)

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低碳示范城市情景仿真模型研究

房勁1，蒲剛清2，劉貞2

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司人力資源部，重慶400015；2.重慶理工大學(xué) 工商管理學(xué)院，重慶400054)

為了有效落實(shí)碳減排目標(biāo)，理清各種減排途徑的碳減排潛力，給出了應(yīng)優(yōu)先發(fā)展的行業(yè)、領(lǐng)域及技術(shù)，提出了一種基于行業(yè)的考慮技術(shù)進(jìn)步、技術(shù)替代和碳減排成本的低碳示范城市情景仿真模型。該模型考慮技術(shù)進(jìn)步對單位GDP碳排放強(qiáng)度的影響、技術(shù)替代對行業(yè)整體水平的影響及不同時期碳減排成本對碳減排技術(shù)實(shí)施的影響。系統(tǒng)包括基本設(shè)置、基準(zhǔn)期設(shè)置、情景參數(shù)設(shè)置和情景輸出四大模塊，可在調(diào)查、分析獲得的各類技術(shù)碳減排潛力、投資成本和技術(shù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置觀察期、GDP增長和產(chǎn)品需求增長預(yù)測，分析各類技術(shù)對城市減排潛力的貢獻(xiàn)度和城市碳排放總量的變化趨勢。給出了一個碳減排情景仿真案例，對不同情景下的碳排放總量、碳減排潛力及投資總量進(jìn)行分析。

技術(shù)進(jìn)步; 碳減排; 低碳城市; 情景分析

低碳經(jīng)濟(jì)自2003年被提出以來，已成為各國應(yīng)對氣候變化和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型雙重挑戰(zhàn)的途徑與方法。2008年，胡錦濤總書記在主持中共中央政治局集體學(xué)習(xí)時指出：“發(fā)展經(jīng)濟(jì)和改善民生的任務(wù)十分繁重，應(yīng)對氣候變化的任務(wù)十分艱巨?！?2009年11月，溫家寶總理在哥本哈根氣候變化會議的領(lǐng)導(dǎo)人會議上，向世界做出了低碳減排的承諾。節(jié)能減排已是各級政府落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展要求的硬任務(wù)，但是作為最重要的溫室氣體——CO2卻并沒有在減排指標(biāo)中體現(xiàn)。目前，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已經(jīng)被納入國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的十二五規(guī)劃。在國家明確碳減排任務(wù)之后，減排目標(biāo)需要分解給各級政府，成為各級政府制定中長期發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃的重要依據(jù)。

碳排放總量的計(jì)算存在于3個不同的層面：① 產(chǎn)品和服務(wù)(包括工業(yè)產(chǎn)品)碳排放。目前主要采用基于生命周期評價(jià)法(LCA)的軟件，如德國斯圖加特大學(xué)IKP研究所開發(fā)、PE-International公司提供的Gabi 軟件[1-3]。② 企業(yè)碳排放。如澳大利亞碳系統(tǒng)管理公司開發(fā)的Carbon system軟件[4-5]。③ 行政區(qū)域與行業(yè)碳排放分析，如文獻(xiàn)[6-7]。

目前，地區(qū)或行業(yè)碳排放總量計(jì)算的軟件均基于能源的生產(chǎn)與消費(fèi)模型。針對能源系統(tǒng)建模的分析自1970年開始，至今已發(fā)展出多種模型與軟件工具。能源系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)中考慮的因素越來越多，如能源因素、環(huán)境因素、經(jīng)濟(jì)因素、政策因素。能源系統(tǒng)模型構(gòu)建所采用的方法也逐步多樣化，如工程經(jīng)濟(jì)學(xué)方法、線性規(guī)劃方法、非線性規(guī)劃方法、投入產(chǎn)出法、系統(tǒng)動力學(xué)方法、可計(jì)算一般均衡法等。這些能源系統(tǒng)模型軟件中具備碳排放計(jì)算功能的主要包括：

1) NICE系統(tǒng)。由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所開發(fā)，目前版本為NICE3。NICE系統(tǒng)基于對經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的預(yù)測，計(jì)算農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、民生對能源的需求，并最終獲得區(qū)域內(nèi)碳排放總量。NICE系統(tǒng)提供的變量類型有4類：基礎(chǔ)變量、能源變量、CO2變量和電力供應(yīng)變量[8-9]。如文獻(xiàn)[10]采用NICE系統(tǒng)計(jì)算國內(nèi)建材、鋼鐵、造紙、廢水處理和城市化幾個方面的碳排放量。

2) LEAP系統(tǒng)。由瑞典斯德哥爾摩環(huán)境所開發(fā)的靜態(tài)能源經(jīng)濟(jì)環(huán)境模型，以能源需求、消費(fèi)和環(huán)境影響為研究對象，通過數(shù)學(xué)模型預(yù)測各部門的能源需求、消費(fèi)及環(huán)境影響，并對能源方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。如文獻(xiàn)[11-12]使用LEAP系統(tǒng)對碳排放總量進(jìn)行分析。

4) GREEM系統(tǒng)。由世界經(jīng)合組織于20世紀(jì)90年代初開發(fā)，主要用于研究二氧化碳減排成本。系統(tǒng)關(guān)注4個方面：化石能源消耗、能源生產(chǎn)、能源利用和CO2排放[16]。文獻(xiàn)[17]使用GREEM模型對1985—2020年世界各區(qū)域的GDP增長、技術(shù)進(jìn)步、能源消費(fèi)和CO2排放進(jìn)行研究。

其余模型包括日本國立環(huán)境研究所于1994年開發(fā)的AIM系統(tǒng)[18-19]、我國發(fā)改委能源所2000年后開發(fā)的IPAC系統(tǒng)[20-21]等。在法國IEJE研究所開發(fā)的MEDEE模型[22]、荷蘭環(huán)境署(MNP)開發(fā)的IMAGE系統(tǒng)[23]中也存在有關(guān)計(jì)算CO2排放的功能模塊。

上述系統(tǒng)都是針對能源系統(tǒng)進(jìn)行建模，研究的主要目標(biāo)是能源結(jié)構(gòu)、能源生產(chǎn)與消費(fèi)對氣候、海洋及生態(tài)的影響。在計(jì)算碳排放總量的過程中，以能源的生產(chǎn)與需求作為變化因子，對行業(yè)中技術(shù)進(jìn)步與技術(shù)替代影響考慮較少，因此無法給出要達(dá)到碳減排目標(biāo)所能采取的技術(shù)途徑，不能評估行業(yè)技術(shù)的碳減排潛力并給出優(yōu)先發(fā)展建議。

1.　低碳示范城市情景仿真模型

1.1.基本框架

基于技術(shù)進(jìn)步和替代的城市碳排放情景分析系統(tǒng)的主要目的是評估包括工業(yè)領(lǐng)域、交通領(lǐng)域、能源領(lǐng)域在內(nèi)多個行業(yè)的不同環(huán)節(jié)所使用的各類技術(shù)，在發(fā)生技術(shù)進(jìn)步或者技術(shù)更替、取代原有技術(shù)的情況下，考慮城市碳排放總量產(chǎn)生的影響，進(jìn)而為制定優(yōu)先發(fā)展技術(shù)及其推廣程度、所能達(dá)到的碳減排目標(biāo)等給出參考。系統(tǒng)使用時需對如下內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置：待評估的地區(qū)；待評估的行業(yè)；已有的技術(shù)類型、投資成本和減排能力；該行業(yè)基準(zhǔn)期的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、各環(huán)節(jié)使用的技術(shù)及結(jié)構(gòu)。構(gòu)成情景分析的自變量因素包括：行業(yè)產(chǎn)品的需求預(yù)測；擬觀察期數(shù)；技術(shù)擴(kuò)散速度及替代關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)計(jì)算得到在不同情景設(shè)置情況下該城市碳排放總量的變化趨勢分析圖表。

1.2基本原理

目前，國內(nèi)對技術(shù)碳減排的研究文獻(xiàn)[12-14]使用的是行業(yè)減排模型系統(tǒng)。在碳排放的計(jì)算上，均以能源生產(chǎn)與需求作為變化因子，沒有考慮行業(yè)中技術(shù)進(jìn)步與技術(shù)擴(kuò)散對區(qū)域碳排放的影響。因此，不能評估行業(yè)技術(shù)碳減排潛力和給出優(yōu)先發(fā)展建議。

技術(shù)進(jìn)步可以使水泥生產(chǎn)成本下降，單位碳減排能力提升。可給出技術(shù)進(jìn)步比例，以2005年為基準(zhǔn)可求出給定年份的碳減排量。

較低的碳排放技術(shù)替代較高的碳排放技術(shù)，可以使行業(yè)總體碳排放水平下降。以2005年為基準(zhǔn)期，給定技術(shù)替代比率，可求出給定年份的碳減排量。

強(qiáng)制減排政策使未來的單位生產(chǎn)成本升高，使得較高碳減排高成本技術(shù)得到推廣使用。以2005年為基準(zhǔn)期，給定減排技術(shù)推廣率，可求出給定年份的碳減排總量。當(dāng)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)步與替代無法實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)時，可以加大其他高碳減排、低成本技術(shù)的推廣。

系統(tǒng)基本框架見圖1，基本原理見圖2。

圖1　低碳示范城市情景仿真模型基本框架

圖2　碳減排情景仿真模型基本原理

國家發(fā)改委2010年10月開始以廣東、湖北等7省作為編制2005年溫室氣體排放清單的試點(diǎn)單位，根據(jù)《(2006)IPCC國家溫室氣體排放清單指南》給出的計(jì)算方法進(jìn)行碳減排計(jì)算?？紤]到城市碳排放總量與國家減排目標(biāo)的任務(wù)分解密切相關(guān)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時也采用該方法進(jìn)行。

系統(tǒng)的使用對象主要是負(fù)責(zé)制定政府碳排放減排總目標(biāo)、行業(yè)目標(biāo)的決策部門和從事低碳研究的單位。

1.3主要功能

系統(tǒng)可以劃分為3個模塊：基本設(shè)置模塊、基準(zhǔn)期設(shè)置模塊、情景參數(shù)設(shè)置模塊?；驹O(shè)置模塊中可對行政區(qū)域、行業(yè)、環(huán)節(jié)、技術(shù)進(jìn)行設(shè)置；基準(zhǔn)期設(shè)置模塊中可對城市基準(zhǔn)期各行業(yè)所使用的技術(shù)結(jié)構(gòu)及行業(yè)產(chǎn)品需求總量進(jìn)行設(shè)置；情景參數(shù)設(shè)置模塊中設(shè)置本區(qū)域的GDP增長率、行業(yè)增長率、新技術(shù)和原有技術(shù)應(yīng)用替代關(guān)系。

系統(tǒng)的功能模塊設(shè)置如圖3所示。

圖3　情景分析系統(tǒng)的功能模塊

2　情景仿真分析采用的主要算法

技術(shù)進(jìn)步率可采用學(xué)習(xí)曲線模型來描述：

y=ax-b

其中：a為期初生產(chǎn)平均成本；x為生產(chǎn)產(chǎn)品的累積產(chǎn)量；b為學(xué)習(xí)系數(shù)；y為期初生產(chǎn)x件產(chǎn)品時單位產(chǎn)品的平均成本。

為了研究可再生能源行業(yè)，對光伏生產(chǎn)企業(yè)采用指數(shù)函數(shù)擬合曲線，得到方程：y=43.91x-0.21，表示在2004—2008年光伏電池的學(xué)習(xí)速率PR=2-0.21=0.89。

包含發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)外部性的單位商品價(jià)格為：

其中：α為發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)所帶來的外部收益的變化率，各個行業(yè)的碳排放對于社會來說，其單位收益是相同的；p0為期初碳減排外部性價(jià)格；qz,t為行業(yè)單位產(chǎn)品的碳排放量。

3　情景仿真模型實(shí)現(xiàn)及案例

本系統(tǒng)使用基于.net的C#語言作為系統(tǒng)開發(fā)語言。在對城市碳排放的情景分析計(jì)算過程中，一般會設(shè)計(jì)3～6種情景，每種情景涉及的行業(yè)約8～12種，每個行業(yè)涉及的主要技術(shù)環(huán)節(jié)約5～8個，每個技術(shù)環(huán)節(jié)使用到的技術(shù)及替代技術(shù)約5～8種。每個情景設(shè)置的觀察期約20～50個，因此，對某一城市情景分析的數(shù)據(jù)總量約23萬條(6×12×8×8×50)。

本文對行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)替代對區(qū)域碳排放的影響進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)并開發(fā)了在多種情景下地區(qū)CO2總量的趨勢、地區(qū)行業(yè)投資趨勢、地區(qū)行業(yè)CO2排放趨勢、地區(qū)技術(shù)投資趨勢的情景分析與實(shí)現(xiàn)(圖4～7)，為地區(qū)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展和節(jié)能減排提供了有效的參考。

圖4　分地區(qū)CO2排放總量趨勢

圖5　分地區(qū)行業(yè)CO2排放趨勢

圖6　分地區(qū)行業(yè)投資趨勢

圖7　不同區(qū)域技術(shù)的投資趨勢

4　結(jié)束語

本文提出了一種基于行業(yè)層面，考慮技術(shù)進(jìn)步、技術(shù)替代和碳減排成本的低碳示范城市情景仿真模型。仿真模型考慮技術(shù)進(jìn)步對單位GDP碳排放強(qiáng)度的影響、技術(shù)替代對行業(yè)整體水平的影響及不同時期碳減排成本對碳減排技術(shù)實(shí)施的影響。仿真系統(tǒng)給出了碳減排研究的基本模塊：基本設(shè)置、基準(zhǔn)期設(shè)置、情景參數(shù)設(shè)置和情景輸出四大模塊。在通過調(diào)查、分析獲得的各類技術(shù)碳減排潛力、投資成本和技術(shù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置觀察期、GDP增長和產(chǎn)品需求增長預(yù)測，分析各類技術(shù)對城市減排潛力的貢獻(xiàn)度和城市碳排放總量的變化趨勢。

本文給出了一個碳減排情景仿真案例，針對不同的碳減排情景，給出了不同情景下的碳排放總量、碳減排潛力及投資總量分析結(jié)果。通過案例驗(yàn)證了該模型的正確性。在下一步研究中，應(yīng)用將逐步擴(kuò)充到14個重點(diǎn)能耗行業(yè)。

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(責(zé)任編輯楊黎麗)

Study on a Scenario Simulation Model for the Low-Carbon Demonstration City

FANG Jin1, PU Gang-qing2, LIU Zhen2

(1.State Grid Chongqing Electric Power Company, Chongqing 400015, China;2.College of Management, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

In order to effectively implement carbon emission reduction targets, and to clear carbon emission reduction potential of channels of various emission reduction, and the priority to the development industry and technology were given, and demonstration of carbon simulation model of urban scenario was proposed considering the advances in technology, technology substitution and carbon abatement costs. This simulation models take into account technological progress on the unit of carbon emissions intensity of GDP, the overall level of technical substitution effect on the industry and the different times of the carbon abatement costs of carbon abatement technology implementation. System includes four modules of the basic settings, set the base period, scenarios and scenario output parameters, and it can investigate and analyze access to a variety of technical carbon emission reduction potential, investment cost and technology on the basis of structural data, by setting the observation period, GDP growth and product demand growth forecast, and analyze the potential of various emission reduction technologies for the contribution of cities and urban trends in carbon emissions. A simulation of carbon reduction case scenario to do a rough estimate of total emissions,carbon reduction potential and aggregate investment under different circumstances was shown.

technological progress; carbon emissions; low-carbon city; scenario analysis

2016-03-14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71573026)；重慶電力公司科技項(xiàng)目(SGTYHT/15-JS-191)

房勁(1982—)，男，浙江寧波人，碩士研究生，高級工程師，主要從事能源經(jīng)濟(jì)與低碳發(fā)展研究，E-mail:13883365862@139.com；劉貞(1973—)，男，河南上蔡人，教授，主要從事博弈論與系統(tǒng)仿真研究。

format：FANG Jin, PU Gang-qing, LIU Zhen.Study on a Scenario Simulation Model for the Low-Carbon Demonstration City[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(9):66-72.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.011

TV139; TP391.9

A

1674-8425(2016)09-0066-07

引用格式：房勁，蒲剛清，劉貞.低碳示范城市情景仿真模型研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(9):66-72.