國(guó)內(nèi)外城市交通能耗系統(tǒng)能源模型比較研究

張雅京 中日友好環(huán)境保護(hù)中心

一、研究目的與意義

（一）研究目的

本文以城市交通系統(tǒng)的能耗特征為基礎(chǔ)，探討有關(guān)交通政策碳減排潛力評(píng)價(jià)與城市交通系統(tǒng)能源消耗模型，通過(guò)比較分析國(guó)內(nèi)外能源與交通系統(tǒng)能耗模型，為建設(shè)城市交通系統(tǒng)能源消耗與有關(guān)能源政策評(píng)價(jià)模型提供基礎(chǔ)理論依據(jù)，旨在分析當(dāng)前城市交通系統(tǒng)的能源消耗和今后城市交通發(fā)展過(guò)程中所需能源需求，以及相關(guān)能源政策碳減排潛力內(nèi)因。探索更有效和更具針對(duì)性的現(xiàn)代城市交通清潔能源發(fā)展對(duì)策，為政府及相關(guān)決策制定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)施合理的城市交通發(fā)展規(guī)劃及發(fā)展“綠色生態(tài)城市”提供有價(jià)值的建議與參考，以及科學(xué)有效的決策依據(jù)。

目前我國(guó)關(guān)于計(jì)算城市交通系統(tǒng)能源消耗方面的理論文章與系統(tǒng)分析方法相對(duì)較少，且現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)城市頒布實(shí)施的大部分交通政策基本為定性描述，關(guān)于定量的分析較少。本文旨在探索解決城市內(nèi)部交通系統(tǒng)能源消耗較為全面的科學(xué)計(jì)算方法，從節(jié)能潛力、碳減排的角度來(lái)定量分析、評(píng)價(jià)各政策的實(shí)施效果，為政府科學(xué)、合理制定城市交通系統(tǒng)有關(guān)能源政策提供決策參考。

（二）研究意義

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)大多數(shù)地區(qū)對(duì)節(jié)能、低碳清潔交通的發(fā)展正處于摸索階段，對(duì)于推動(dòng)綠色交通體系建設(shè)，發(fā)展綠色交通的側(cè)重點(diǎn)及能耗、控制二氧化碳、氮氧化物等溫室氣體的排放指標(biāo)并沒(méi)有一套全面、科學(xué)地標(biāo)準(zhǔn)可以參考，且有關(guān)交通政策對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的影響難以定量化預(yù)測(cè)。本文通過(guò)城市交通能源結(jié)構(gòu)、能源消耗及需求定量分析預(yù)測(cè)，且這種預(yù)測(cè)而不僅僅限于單一交通方式，目前只是針對(duì)公路部分進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，沒(méi)有將城市交通作為一個(gè)有機(jī)統(tǒng)一的整體進(jìn)行科學(xué)合理的預(yù)測(cè)分析，并不足以應(yīng)對(duì)當(dāng)前的嚴(yán)峻形勢(shì)，進(jìn)行城市交通政策的能源消耗與碳減排潛力的評(píng)價(jià)研究工作，為綠色交通、生態(tài)環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展城市建設(shè)提供科學(xué)有效的技術(shù)支持和科學(xué)決策幫助。

二、我國(guó)交通部門(mén)能源消耗現(xiàn)狀

雖然我國(guó)當(dāng)前能源消費(fèi)量連續(xù)五年減緩增長(zhǎng)，但仍然占比全球能源消費(fèi)增長(zhǎng)量的四分之三。我國(guó)在2008年全年能源消費(fèi)總量共計(jì)28.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，同比比2007年能源消費(fèi)總量增長(zhǎng)了4%。單從行業(yè)消費(fèi)的角度來(lái)看，所占比重較大的為交通運(yùn)輸。高速經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)隨之而來(lái)的是城市交通及相關(guān)領(lǐng)域的高能源消耗，而高能源消耗恰恰對(duì)有限的資源是一個(gè)嚴(yán)峻地挑戰(zhàn)，與此同時(shí)，交通系統(tǒng)溫室氣體的高排放量對(duì)生態(tài)環(huán)境也是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)用油量的50%將被城市交通運(yùn)輸業(yè)耗油量占據(jù)，屆時(shí)我國(guó)石油對(duì)外依存度將達(dá) 60%。因此，作為石油能源消耗的主要需求大國(guó)，降低城市交通運(yùn)輸系統(tǒng)的能源消耗，對(duì)于減少全社會(huì)能耗，提高資源使用效率，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，將產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。

20世紀(jì)60年代中期，隨著對(duì)石油進(jìn)口的依賴(lài)度越來(lái)越高，各國(guó)政府高度重視能源供應(yīng)安全的問(wèn)題，與此同時(shí)，能源使用帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，全球?qū)δ茉吹年P(guān)注重點(diǎn)逐漸從如何推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域轉(zhuǎn)向可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域，基于此各國(guó)開(kāi)發(fā)了一系列有關(guān)能源規(guī)劃和預(yù)測(cè)能源供給、需求的能源消耗預(yù)測(cè)模型。根據(jù)模型的特點(diǎn)和建模方法基本可以分為三種類(lèi)型：

（一）宏觀經(jīng)濟(jì)型模型——自上而下能源模型

自上向下能源模型(Top-down Model)。該模型是在經(jīng)濟(jì)學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過(guò)能源價(jià)值、經(jīng)濟(jì)彈性為主要經(jīng)濟(jì)指數(shù)，集中表現(xiàn)其與生產(chǎn)能源和消費(fèi)能源之間的關(guān)系，主要適用于宏觀經(jīng)濟(jì)和能源政策及相關(guān)規(guī)劃分析方面的研究。該模型較為典型代表是CGE模型，該模型是基在一般均衡理論的模型（Ceomputational General EquilibriumMode）的基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)。20世紀(jì)年代末，瑞典經(jīng)濟(jì)學(xué)院于研發(fā)了一般均衡能源CGE模型，該模型于 20世紀(jì)80年代末發(fā)展完善并建立了能源境-經(jīng)濟(jì)CGE模型，作為自上而下模型的代表，該模型主要分析預(yù)測(cè)和模擬經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源、環(huán)境之間的相互內(nèi)在關(guān)聯(lián)。CGE模型的適用研究對(duì)象為能源環(huán)境、能源相關(guān)經(jīng)濟(jì)貿(mào)易以及規(guī)劃政策等方面的分析評(píng)價(jià)，在分析各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)政策與能源政策、環(huán)境政策的實(shí)施效果方面具有優(yōu)勢(shì)。

計(jì)量經(jīng)濟(jì)模型是由日本于同時(shí)代中期研發(fā)，該模型主要從自上而下尺度設(shè)計(jì)，主要評(píng)估分析國(guó)家和地區(qū)能源消費(fèi)、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值等國(guó)家宏觀經(jīng)濟(jì)尺度的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上分析能源政策以及能源相應(yīng)的價(jià)格，對(duì)能源消費(fèi)和使用的影響。除此之外，較為典型其它該類(lèi)別典型模型還有于1993開(kāi)研究發(fā)的一般均衡環(huán)境Green模型、OECD模型，德國(guó)斯圖加特大學(xué)能源經(jīng)濟(jì)與能源效率研究所于1996年研發(fā)的區(qū)域乃至整體的一般均衡系統(tǒng)應(yīng)用模型（NEWAGE），歐盟在1993年開(kāi)發(fā)的Global2100模型，本世紀(jì)初日本研發(fā)的3ES模型，以及20世紀(jì)80年代歐盟聯(lián)合開(kāi)發(fā)的宏觀部門(mén)投入產(chǎn)出HERMES模型、溫室氣體排放預(yù)測(cè)與政策分析模型EPPA、GLOBAL、溫室氣體減排政策地區(qū)與全球影響評(píng)價(jià)MERGE模型等等。這一類(lèi)別的模型能夠很好地反映宏觀經(jīng)濟(jì)部門(mén)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，但與技術(shù)相關(guān)的環(huán)境和資源約束成本等無(wú)法在模型中得到有效反饋。綜觀自上而下這類(lèi)模型，總體來(lái)看其在對(duì)市場(chǎng)體系比較完善的宏觀經(jīng)濟(jì)體進(jìn)行模擬則更有優(yōu)勢(shì)。

（二）能源工程型模型——自下而上能源模型

自下而上模型(Bottom-up Model)。主要在工程技術(shù)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)以能源生產(chǎn)和能源消費(fèi)過(guò)程中所使用的技術(shù)作為基礎(chǔ)，進(jìn)行仿真和詳細(xì)描述，且對(duì)生產(chǎn)方式、能源消費(fèi)為主進(jìn)行供需預(yù)測(cè)和生態(tài)環(huán)境影響分析的模型。主要包括仿真和優(yōu)化模型，優(yōu)化模型最具代表性的包括以國(guó)際能源組織（IEA）為核心開(kāi)發(fā)的模型MARKAL、歐盟研發(fā)的模型EFOM、日本國(guó)立研究所（NIES）研發(fā)的技術(shù)模型AIM、國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所（IIASA）研發(fā)的模型MESSAGE等；仿真模型的典型代表，是由瑞典斯德哥爾摩環(huán)境研究所研發(fā)的LEAP政策模擬仿真模型，該模型是基于情景分析的能源-環(huán)境模型，目前得到廣泛應(yīng)用。自下向上模型當(dāng)前主要有兩大開(kāi)發(fā)方向：一是以消費(fèi)、能源需求為分析作為對(duì)象，詳細(xì)分析計(jì)算各部門(mén)能源消耗；二是以能源轉(zhuǎn)換、供應(yīng)為中心，以分析高效能源技術(shù)引入和其實(shí)施效果為目標(biāo)的模型，此類(lèi)模型典型代表為EFOM模型和MARKAL模型。

“終端能源消費(fèi)模型”是因人類(lèi)活動(dòng)變化所引起的能耗強(qiáng)度和能耗水平變化的模型。法國(guó)的LEAP模型和MEDEE模型是這類(lèi)模型的典型代表。除此之外，其它具有代表性的自下而上模型還有：1996年由美國(guó)馬薩諸塞技術(shù)研究所研發(fā)的氣體污染物排放預(yù)測(cè)與政策分析EPPA Model模型等。

LEAP（Long-range Energy Alternatives Planning system）模型以能源消費(fèi)、能源需求和環(huán)境影響為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)各部門(mén)的能源消費(fèi)、能源需求及環(huán)境影響的靜態(tài)能源經(jīng)濟(jì)環(huán)境模型。該模型作為“終端能源消費(fèi)模型”的典型代表，可成功的對(duì)能源消費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行仿真?？傮w來(lái)看，LEAP已有研究目前已相對(duì)較多，但現(xiàn)階段研究尺度一般都較大，且研究多數(shù)集中于一個(gè)或某幾個(gè)能源部門(mén)，而從整個(gè)城市交通系統(tǒng)角度出發(fā)對(duì)城市交通系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)組成部門(mén)進(jìn)行能源消耗和節(jié)能減排潛力的分析研究相對(duì)較少。

日本國(guó)立環(huán)境研究所（MES）于1994年研究開(kāi)發(fā)AIM模型是能源終端消費(fèi)模型。該模型主要對(duì)人類(lèi)活動(dòng)引起的溫室氣體排放，大氣中溫室氣體增加引起的氣候變化，以及氣候變化對(duì)生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響進(jìn)行全面綜合分析。因此，該模型也通常用來(lái)評(píng)價(jià)應(yīng)對(duì)地球變暖各種對(duì)策的實(shí)施效果。

創(chuàng)立于 20世紀(jì) 70年代末的MARKAL模型，是以技術(shù)為支撐的能源分配長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)線(xiàn)性規(guī)劃模型。該模型被廣泛應(yīng)用于37個(gè)國(guó)家的77個(gè)研究機(jī)構(gòu)中。MARKAL模型作為能源系統(tǒng)模型主要用于研究國(guó)家層級(jí)或地區(qū)層級(jí)的能源政策和規(guī)劃分析。

此類(lèi)模型的優(yōu)勢(shì)在于將能源的技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、利用效率、及環(huán)境排放水平等一系列信息納入至模型中，值得注意的是該類(lèi)模型忽略了和缺乏經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi)部的反饋關(guān)系。此外，低碳經(jīng)濟(jì)的研究中也是借鑒了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的強(qiáng)大系統(tǒng)仿真能力應(yīng)用于模型的研究中，可持續(xù)發(fā)展類(lèi)研究經(jīng)常使用該類(lèi)模型，現(xiàn)階段成功應(yīng)用到能源政策、能源規(guī)劃和低碳城市相關(guān)政策中去。

（三）混合模型

混合模型是指從能源開(kāi)采到能源最終使用全生命周期過(guò)程中對(duì)整體能源系統(tǒng)的預(yù)測(cè)和情景模擬的模型。此類(lèi)模型囊括了自上而下的宏觀經(jīng)濟(jì)模型和自下而的能源供應(yīng)及需求模型兩種模型。它整合了以上兩種模型的優(yōu)點(diǎn)，具體而言，混合模型主要通過(guò)自上而下的方式作為數(shù)據(jù)獲取的主要方式，同時(shí)，輔以自下而上模型作為補(bǔ)充，分析內(nèi)部要素。這兩種方法互相協(xié)調(diào)，補(bǔ)充完善。最終對(duì)碳排放及能源消耗的計(jì)算結(jié)果更趨向客觀準(zhǔn)確，所分析數(shù)據(jù)的來(lái)源更加全面廣泛。混合模型國(guó)際上最具有代表性的是美國(guó)NASA和WEC開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)線(xiàn)性規(guī)劃能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境模型 (NASA- WECE3模型)，EIA/DOE研發(fā)的能源經(jīng)濟(jì)區(qū)域模型(NEMS模型)，以及歐盟TEEM計(jì)劃JOULE研究組開(kāi)發(fā)的研究能源預(yù)測(cè)和規(guī)劃的能源經(jīng)濟(jì)模型(MIDAS模型)。

截止目前，國(guó)外對(duì)于城市交通領(lǐng)域能源消耗和碳減排的研究，各類(lèi)模型已運(yùn)用成熟，城市交通系統(tǒng)領(lǐng)域的能源消耗和碳減排模型我國(guó)目前仍處于探索階段，案例較少，且主要采用MAKLE、AIM模型等，除此之外大都采用MAKLE、AIM、因素分解等模型。國(guó)內(nèi)學(xué)者碳排放分析研究主要集中在碳排放與能源結(jié)構(gòu)演進(jìn)、碳排放與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)演進(jìn)等方面的關(guān)系，而對(duì)于城市交通產(chǎn)生碳排放基礎(chǔ)的內(nèi)部各要素之間相互影響和相互作用的研究尚未取得突破性進(jìn)展。

三、國(guó)內(nèi)外交通能源消耗與碳減排研究特點(diǎn)和存在問(wèn)題

綜上，國(guó)內(nèi)外城市交通系統(tǒng)能源消耗與碳減排研究領(lǐng)域存在以下的特點(diǎn)和問(wèn)題：

1.CGE模型、LEAP模型和MARKAL模型等以大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的綜合模型，在能源規(guī)劃和低碳能源相關(guān)對(duì)策研究中的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛，最近投入產(chǎn)出模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型也被引入到能源政策和低碳對(duì)策研究中，是對(duì)能源規(guī)劃、能源消耗和溫室氣體減排模型分析新方向的有意義的探索。

2.現(xiàn)階段城市交通系統(tǒng)領(lǐng)域碳減排研究大部分采用AIM模型分析法、相關(guān)性分析法，交通系統(tǒng)能耗主流研究方法多采用指數(shù)分析法，但在產(chǎn)生碳排放內(nèi)部關(guān)鍵要素之間的相互作用與關(guān)聯(lián)，以及未來(lái)需求預(yù)測(cè)和潛在影響分析研方面的究尚未取得令人滿(mǎn)意的成果；當(dāng)前，基于 Leap模型的能源消耗、碳減排潛力、遠(yuǎn)期能源替代相關(guān)政策的研究已成為目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。