全產(chǎn)業(yè)鏈視角下建筑碳排放路徑模擬:基于RICE-LEAP模型

洪競科,李沅潮,郭偲悅

全產(chǎn)業(yè)鏈視角下建筑碳排放路徑模擬:基于RICE-LEAP模型

洪競科1*,李沅潮1,郭偲悅2

(1.重慶大學管理科學與房地產(chǎn)學院,重慶 400044；2.清華大學能源環(huán)境經(jīng)濟研究所,北京 100084)

從社會經(jīng)濟活動的角度出發(fā),創(chuàng)新性地構(gòu)建包含中國終端部門的新型綜合評估模型—RICE-LEAP模型,并通過情景設置動態(tài)模擬2020～2050年建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放的發(fā)展路徑及其結(jié)構(gòu)性特征.結(jié)果表明:①與參考情景相比,考察期內(nèi)1.5℃情景下中國碳排放總量的額外累計減排量將達到129.74Gt CO2,而建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放的額外累計減排量為57.53Gt CO2,占比44.28%.②建筑業(yè)是典型的“表觀低碳、隱含高碳”的行業(yè).建筑業(yè)直接碳排放占建筑物化碳排放的比例較小,僅占9.46%～11.75%.③3個動態(tài)情景下,建筑物化碳排放的下降速率均快于建筑運行碳排放.這是由于建筑物化碳排放主要依賴工業(yè)等終端部門的脫碳進程,在實現(xiàn)碳達峰過程中具有先發(fā)優(yōu)勢.④現(xiàn)階段,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈能耗仍以煤炭消費為主,但煤炭的消費占比在3個動態(tài)情景中均呈現(xiàn)出不同程度的下降,而電力的消費占比則呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢.

建筑碳排放；情景分析；RICE-LEAP模型；全產(chǎn)業(yè)鏈

中國作為全球最大的碳排放國家與全球第二大經(jīng)濟體,2019年碳排放總量為9.92Gt CO2,約占全球碳排放總量的29.50%,且尚未實現(xiàn)碳達峰[1].建筑運行碳排放約占中國碳排放總量的21.60%,且隨著生活質(zhì)量提高,建筑運行碳排放將持續(xù)剛性增長[2].如果考慮建造階段的CO2排放,中國建筑部門能源消費所導致CO2排放份額將接近50.60%,合計4.99Gt CO2[3].此外,建筑部門具有巨大的減排潛力.中國石油經(jīng)濟研究院預測,全球三大排放部門中建筑部門的節(jié)能潛力位居首位,高達47.30%[4].研究表明,到2050年,建筑部門預計將為實現(xiàn)中國碳排放盡早達峰貢獻56.00%的減排量[5].建筑碳排放及其減排潛力研究一直是能源經(jīng)濟學領域的研究熱點,這些研究為估算國家或地區(qū)的建筑能源消費及CO2排放,以制定“成本-有效性”的政策提供了科學的視角.

現(xiàn)有研究主要從自上而下和自下而上兩個視角開展對建筑碳排放的研究.具體來說,自上而下的研究側(cè)重于從宏觀角度,基于環(huán)境經(jīng)濟模型揭示廣義建筑碳排放的總量規(guī)模及其碳排放影響力,模型應用主要包括Kaya恒等式[6-7]、Tapio模型[8]、投入產(chǎn)出模型[9],研究對象涵蓋公共建筑、居住建筑以及整個建筑領域等.自下而上的視角則側(cè)重于基于工程技術(shù)模型探究建筑部門未來的排放軌跡、技術(shù)路徑和減排成本.而綜合評估模型(IAMs)是該類研究重點采用的方法,包括采用LEAP模型、CAS模型以及TIMES模型等對中國建筑部門能源消費與碳排放趨勢進行預測,并通過情景推演評估不同節(jié)能減排政策下的能源消費與碳排放的變化趨勢[10-12].部分研究則在原有模型基礎上進一步融合建筑特征,如構(gòu)建包含建筑面積及其他物理屬性和終端能源服務需求等技術(shù)細節(jié)的建筑能源模型,并將其嵌套在GCAM模型中,以探索中國建筑能源需求的發(fā)展路徑[13].

總的來說,現(xiàn)有研究多采用自下而上式模型來探究建筑領域能源消費與碳排放趨勢,缺乏從自上而下的宏觀視角解析建筑碳排放與社會經(jīng)濟發(fā)展間的動態(tài)關系.此外,現(xiàn)有對建筑碳排放趨勢預測的研究均聚焦于建筑運行階段,忽視了建筑物化階段,包括建筑材料的挖掘、運輸、加工到現(xiàn)場施工對碳排放的重要貢獻.實際上隨著裝配式建筑及低碳建造模式的廣泛應用,建筑碳排放在全產(chǎn)業(yè)鏈的重心有前移的趨勢.本文通過耦合自上而下式模型和自下而上式模型,構(gòu)建新型綜合評估模型—RICE- LEAP模型,并從建筑物化生產(chǎn)和運行使用的全產(chǎn)業(yè)鏈視角出發(fā),動態(tài)模擬不同情景下的建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放軌跡,解析其發(fā)展路徑與結(jié)構(gòu)性特征.本研究的創(chuàng)新在于:①模型集成性提高.現(xiàn)有模型多為單一視角的模型,而本文通過耦合自上而下式和自下而上式模型構(gòu)建的RICE-LEAP模型能夠全面模擬預測經(jīng)濟增長、能源消費和氣候變化的動態(tài)演進過程,從宏觀層面探究建筑部門的CO2排放趨勢;②從全產(chǎn)業(yè)鏈的視角出發(fā),探究物化生產(chǎn)階段和運行使用階段的建筑碳排放,以解析不同情景下建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放的發(fā)展趨勢及其結(jié)構(gòu)性特征.

1 模型與方法

1.1 RICE-LEAP模型及建筑模塊

RICE模型是以DICE模型[14]為基礎,通過將進出口變量納入考量,以實現(xiàn)從自上而下的視角對特定國家或地區(qū)的碳排放及全球氣候變化進行經(jīng)濟性分析[15].LEAP 模型可同時將資源稟賦、能源價格及投資等要素納入模型框架,從自下而上的視角對特定國家或地區(qū)能源加工轉(zhuǎn)換和終端需求引起的能源消費及碳排放作出預測[16].RICE-LEAP模型是通過耦合RICE模型和LEAP模型,構(gòu)建出的一種新型綜合評估模型,涵蓋中國能源消費的終端部門,并可對經(jīng)濟增長、能源消費、氣候變化的全過程進行完整的仿真模擬[17].RICE-LEAP模型的計算機理為:由TFP(技術(shù)進步)、L(人口規(guī)模)和資本存量等要素來表征總產(chǎn)出,并通過投資、消費和進出口等社會經(jīng)濟指標描述經(jīng)濟增長過程,同時基于中國能源平衡表,引入產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城鎮(zhèn)化率、人均居住面積、能源強度和能源消費結(jié)構(gòu)等能夠表征未來建筑規(guī)模及技術(shù)發(fā)展水平的指標,對能源消費終端部門的活動水平和能源強度進行描述和設置,以通過不同情景下的減排成本和損失成本的權(quán)衡確定CO2排放和溫度變化等環(huán)境指標,進而實現(xiàn)跨期社會福利最大化.RICE-LEAP模型是以2020年為基準年,展望到2050年.

在RICE-LEAP的基礎上,本研究從全產(chǎn)業(yè)鏈視角出發(fā),嵌入建筑模塊,其基本框架如圖1所示.建筑模塊是指以建筑產(chǎn)品全生命周期為主線,向上追溯至建材生產(chǎn)等上游產(chǎn)業(yè),向下延伸到運行使用階段,從宏觀層面探究建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放.因此,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放主要包括建筑物化碳排放和建筑運行碳排放.其中,建筑物化碳排放主要包括建筑材料生產(chǎn)運輸階段的建筑間接碳排放和建筑施工階段的建筑業(yè)直接碳排放,而建筑運行碳排放是指建筑運行使用階段能源消費所引起的碳排放,主要包括公共建筑碳排放、城鎮(zhèn)居民建筑碳排放和農(nóng)村居民建筑碳排放,分別對應RICE-LEAP模型中的商業(yè)及服務業(yè)、城鎮(zhèn)居民和農(nóng)村居民等終端部門所引起的碳排放.此外,從模型構(gòu)建可以看出,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放路徑將會受到生產(chǎn)生活方式全面轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與能源結(jié)構(gòu)深度調(diào)整的影響.人口規(guī)模變動將從需求側(cè)影響建筑規(guī)模,從而影響建筑運行碳排放.而結(jié)構(gòu)性調(diào)整措施,包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化,則通過降低建筑材料生產(chǎn)制造過程的碳排放實現(xiàn)建筑物化生產(chǎn)階段的減排降碳.值得注意的是,能源消費結(jié)構(gòu)升級還可以通過綠色電力供應實現(xiàn)建筑運行終端能耗的低碳甚至零碳,尤其考慮到電氣化將成為建筑部門實現(xiàn)碳中和的重要技術(shù)手段.

1.2 計算方法

使用EIO-LCA模型(經(jīng)濟投入產(chǎn)出生命周期評價模型)計算建筑物化碳排放.EIO-LCA模型是由Hendrickson等[18]在美國經(jīng)濟學家Leontief的研究基礎上提出的,其模型具體如下:

ATUPLO分別表示大氣、表層海洋和深層海洋中的碳濃度;AT、LO分別表示地表溫度和深海溫度

式中:示各能源消費終端部門的物化碳排放矩陣,b為中元素(為產(chǎn)品生產(chǎn)或服務提供部門的序列號,為產(chǎn)品或服務部門的序列號,1,2,…,,=1,2,…,,為終端部門數(shù),本研究中).的行向量之和表示終端部門在產(chǎn)品生產(chǎn)或服務提供過程中的碳排放量,列向量之和表示終端部門在生產(chǎn)中因使用終端部門的產(chǎn)品或服務產(chǎn)生的物化碳排放(矩陣由5個終端部門的物化碳排放構(gòu)成,為5×5的行列式).為對角矩陣,對角線元素為R,表示各終端部門的直接碳排放強度(-A)-1為列昂惕夫逆矩陣,表示經(jīng)濟投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)技術(shù)水平,其中為單位矩陣,A為國內(nèi)投入部分的直接消耗系數(shù)矩陣,Y為對角矩陣,表示剔除進口部分的最終需求量.對角線元素Y表示終端部門產(chǎn)品或服務的最終需求量.

式中:CDC表示的是建筑業(yè)直接碳排放(Gt CO2),對應RICE-LEAP模型中建筑業(yè)終端部門的碳排放.同時,本研究將RICE-LEAP模型中預測得到的商業(yè)及服務業(yè)、城鎮(zhèn)居民生活和農(nóng)村居民生活這3個終端部門的碳排放之和作為建筑運行碳排放(BFC,Gt CO2):

式中:BSC(Gt CO2)為商業(yè)及服務業(yè)消費第種能源產(chǎn)生的CO2;UC(Gt CO2)為城鎮(zhèn)居民生活消費第種能源產(chǎn)生的CO2;RC(Gt CO2)為農(nóng)村居民生活消費第種能源產(chǎn)生的CO2.本文遵循《中國能源統(tǒng)計年鑒》中能源平衡表的統(tǒng)計口徑,重點關注煤、油品、天然氣、熱力和電力等5種二次能源,計算終端能源消費及CO2排放量.因此,本文中=1,2,3,4,5,分別代表煤、油品、天然氣、熱力和電力.

綜上,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放(BWC,Gt CO2)為:

2 數(shù)據(jù)與情景

2.1 數(shù)據(jù)處理與關鍵參數(shù)取值

RICE-LEAP模型是一種跨期的動態(tài)優(yōu)化模型,模型程序主要通過GAMS編程實現(xiàn),借助其內(nèi)置CONOPT求解器的非線性規(guī)劃算法(NLP)進行求解.社會、經(jīng)濟和人口數(shù)據(jù)主要包括人口規(guī)模、城鎮(zhèn)化水平、人均居住建筑面積、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、GDP、投資、消費、凈出口等歷史階段的基礎數(shù)據(jù),主要來源于《中國統(tǒng)計年鑒》[19]、《中國城市建設統(tǒng)計年鑒》[20]和《中國建筑能耗與碳排放數(shù)據(jù)庫》[21];產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢主要參考《中國碳排放:盡早達峰》[22]和《中國實現(xiàn)全球1.5℃目標下的能源排放情景研究》[23];人口假設主要參考Chen等[24]的最新研究成果;城鎮(zhèn)化水平假設依據(jù)《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014～2020 年)》[25]和發(fā)達國家城鎮(zhèn)化水平確定;建筑規(guī)模假設主要參考《中國低碳建筑情景和政策路線圖研究》[26]、《中國民用建筑能耗總量控制策略》[27]和《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告》[28];模型包含的能源強度和能源消費結(jié)構(gòu)等發(fā)展情況主要參考政府、行業(yè)協(xié)會、權(quán)威國際機構(gòu)的相關報告、統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及相關文獻研究,譬如《世界能源展望:中國特別報告》[30]和《中國中長期低碳發(fā)展戰(zhàn)略目標與實現(xiàn)路徑研究》[31]等.由于時間間隔由5年轉(zhuǎn)變?yōu)?年,本文在此對環(huán)境系統(tǒng)中碳循環(huán)和熱傳導過程的相關參數(shù)參照文獻[32]進行了更新.國外模塊的相關參數(shù)參照文獻[33-34].

表1 各終端部門直接碳排放系數(shù)衛(wèi)星矩陣(t CO2/萬美元)

表2 各終端部門對建筑物化碳排放的投入比例(%)

同時,通過對2000～2017年間投入產(chǎn)出表進行合并和整理,可得到終端部門的直接碳排放系數(shù)衛(wèi)星矩陣(表1),在此基礎上采用EIO-LCA模型計算2000～2017年各終端部門對建筑物化碳排放的投入量與其直接碳排放量的比例系數(shù)(表2),可發(fā)現(xiàn): 2000～2017年間各終端部門對建筑物化碳排放的投入比例在5.26%～6.27%范圍內(nèi)變化,基本保持穩(wěn)定.因此,本研究采用其比例均值計算未來不同終端部門對建筑物化碳排放的貢獻水平,為預測中國未來建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放提供數(shù)據(jù)支撐.

2.2 情景設置

設定參考情景、2℃情景和1.5℃情景,模擬不同情景下未來建筑部門能源消費和碳排放趨勢,并以此為依據(jù)來設定不同情景下的相關參數(shù)(表3).

(1)參考情景:以2015年中國在《巴黎協(xié)定》下提出的國家自主貢獻(NDC)目標、行動計劃和相關政策為基礎,以2021年發(fā)布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第14個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》為補充,確定產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城鎮(zhèn)化水平、能源強度和能源消費結(jié)構(gòu)等各項指標.該情景是強化政策支撐、適應《巴黎協(xié)定》下中國強化和更新NDC目標和行動要求的情景.

(2)2℃情景:以實現(xiàn)全球2℃溫升控制目標為導向,采取強化減排措施,努力到2050年累積碳排放量滿足2℃目標下的中國排放軌跡區(qū)間[35-36].該情景下的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能效水平和能源消費結(jié)構(gòu)將得到優(yōu)化,并要求在宏觀經(jīng)濟政策、能源規(guī)劃和氣候政策等方面有重大舉措,以促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的互進共驅(qū).

表3 不同情景下的相關參數(shù)設置

注:*基準年中,農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)、交通運輸業(yè)和商業(yè)及服務業(yè)等終端部門能源強度單位為t標準煤/萬美元;而城鎮(zhèn)居民和農(nóng)村居民等終端部門的能源強度單位為kg標準煤/m2.

(3)1.5℃情景:以實現(xiàn)全球1.5℃溫升控制目標為導向,規(guī)?；?、專業(yè)化開展減緩行動,采用更為激進的政策和支持方案,以實現(xiàn)我國CO2大幅度減排,到21世紀中葉努力實現(xiàn)CO2及其他溫室氣體深度減排的目標[37-38].該情景需要在2℃情景的基礎上,進一步發(fā)揮產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型與能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的協(xié)同效應,實現(xiàn)從生產(chǎn)方式到生活方式的全面低碳轉(zhuǎn)型.同時通過新型低碳能源技術(shù)、終端部門電氣化和負排放技術(shù)的廣泛應用對能源密集型行業(yè)進行深度脫碳,打造中高級能源消費結(jié)構(gòu),以實現(xiàn)CO2排放總量和強度“雙控”目標.

3 結(jié)果與分析

3.1 中國碳排放總量及建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放趨勢

圖2 中國碳排放總量與建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放趨勢

BWC表示建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放, TC表示中國碳排放總量

在參考情景下,中國將于2030年左右實現(xiàn)碳達峰,其峰值水平為12.23Gt CO2,到2050年將下降至8.33Gt CO2,而建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放將于2032年達峰,對應的排放峰值為5.20Gt CO2,到2050年將下降至3.52Gt CO2(圖2).而且,考察期內(nèi)建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放占中國碳排放總量的比例最高可達46.49%,并始終保持在42.00%以上,這也進一步證實了建筑全產(chǎn)業(yè)鏈深度脫碳對實現(xiàn)“雙碳”目標的重要意義.與參考情景相比,2020～2050年,2℃情景下中國碳排放總量的額外累計減排量為84.96Gt CO2,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放的額外累計減排量為36.54Gt CO2,占比43.01%.由于1.5℃情景采取了更大規(guī)模的深度脫碳措施,故1.5℃情景下中國碳排放總量的額外累計減排量可達129.74Gt CO2,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放的額外累計減排量為57.53Gt CO2,占比44.28%,其中,建筑物化碳排放的額外累計減排量為24.99Gt CO2,占比19.26%,建筑運行碳排放的額外累計減排量為32.46Gt CO2,占比25.02%.因此,可以看出建筑部門具有較高的減排潛力,應把建筑部門作為推動中國實現(xiàn)雙碳目標的重點領域,限制其上下游高耗能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,并有序推進建設模式的轉(zhuǎn)變,大力實施以裝配式建筑為手段的低碳建造模式.同時,大力推廣低碳供暖、建筑電氣化技術(shù)對于達成建筑全產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)能共識,實現(xiàn)“雙碳”目標也具有重要意義.

圖3 全產(chǎn)業(yè)鏈視角下的建筑碳排放

CDC表示建筑業(yè)直接碳排放,BPC表示建筑物化碳排放,BFC表示建筑運行碳排放,BWC表示建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放

由于新型城鎮(zhèn)化進程的持續(xù)推進和人民生活質(zhì)量的不斷改善,建筑運行能源服務需求和能源消費總量快速增長,將成為中國能源消費的重要增長來源.因此,即便在參考情景下中國碳排放總量將于2030年左右達峰,但建筑運行碳排放仍將持續(xù)增長,將于2035年左右到達拐點.工業(yè)部門則將通過新舊動能轉(zhuǎn)換和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級,于2025年左右快速實現(xiàn)達峰[39].在工業(yè)部門的率先達峰作用下,建筑物化碳排放將于2027年實現(xiàn)達峰.從圖3可以看出,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放達峰時間仍遲于中國碳排放總量達峰時間.因此,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放盡快達峰對于中國實現(xiàn)強化NDC目標和“雙碳”目標至關重要.2℃情景與1.5℃情景的模擬結(jié)果同時表明,在嚴格的減排政策下,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放,包括建筑物化碳排放和建筑運行碳排放,均能在2020年前實現(xiàn)碳達峰.因此,只有實施更加嚴格的減排政策,才能保證建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放盡早達峰.進一步地,相較于參考情景,2℃情景與1.5℃情景下的建筑全產(chǎn)業(yè)鏈減排潛力最大值均將出現(xiàn)在2040年左右,這表明2020～ 2040年間是建筑全產(chǎn)業(yè)鏈減排的攻堅階段.同時可以發(fā)現(xiàn),建筑物化碳排放的減排潛力最大值將出現(xiàn)在2035年前后,而建筑運行碳排放的減排潛力最大值將出現(xiàn)在2040年左右.實際上,減排潛力是前序所有減排措施在時間序列下累積效應的體現(xiàn),在一定程度上反映了建筑部門未來減排步驟和節(jié)奏.此外,建筑物化碳排放減排,包括綠色建筑材料與綠色建造技術(shù)的應用推廣,在2020～2035年間具有較強的累積減排效應,是建筑部門的減排重點,而運行階段的深度減排,包括建筑電氣化等技術(shù)的應用是建筑部門后半程(2035～2050年)減排發(fā)力的關鍵.

3.2 全產(chǎn)業(yè)鏈視角下建筑碳排放結(jié)構(gòu)分析

3.2.1 排放結(jié)構(gòu) 在參考情景下,建筑業(yè)直接碳排放的發(fā)展軌跡呈現(xiàn)“倒U型”曲線,并于2025年前后達峰.2℃情景和1.5℃情景的發(fā)展軌跡則具有明顯的差異,呈現(xiàn)出直接下降趨勢.從圖4可以看出,由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)調(diào)整和能源結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化,2℃情景和1.5℃情景下2050年建筑業(yè)直接碳排放僅有0.10Gt CO2和0.07Gt CO2,遠低于參考情景下的0.14Gt CO2.值得注意的是,考察期內(nèi)3個動態(tài)情景下的建筑業(yè)直接碳排放僅占建筑物化碳排放的9.46%～11.75%,這表明建筑業(yè)是典型的“表觀低碳、隱含高碳”的行業(yè),同時也證實了建筑業(yè)的資源密集性特征[22].未來建筑部門減排除了考慮傳統(tǒng)的建筑運行碳排放,更需要加強對物化碳排放的控制.

圖4 建筑物化碳排放和建筑運行碳排放趨勢

CDC表示建筑業(yè)直接碳排放,BIC表示建筑間接碳排放,CDC與BIC之和即為建筑物化碳排放BPC;BFC表示建筑運行碳排放

在參考情景下,建筑物化碳排放和建筑運行碳排放均會出現(xiàn)排放峰值,建筑物化碳排放將于2027年實現(xiàn)碳達峰,對應的峰值水平為2.24Gt CO2,而建筑運行碳排放將于2033年左右實現(xiàn)碳達峰,對應的峰值水平為2.99Gt CO2.相較于參考情景,2℃情景下的建筑物化碳排放和建筑運行碳排放分別由2020年的2.07和2.74Gt CO2下降至2050年的0.92和1.45Gt CO2.而在1.5℃情景下,2050年建筑物化碳排放和建筑運行碳排放將進一步控制在0.58和0.73Gt CO2,較參考情景分別下降71.50%和63.65%.此外,3個動態(tài)情景下,建筑物化碳排放的下降速率均快于建筑運行碳排放.這是由于建筑物化碳排放主要來源于工業(yè)等終端部門,將實現(xiàn)率先達峰.而建筑運行碳排放則以商業(yè)及服務業(yè)、城鎮(zhèn)居民生活消費和農(nóng)村居民生活消費為主,受限于中國城鎮(zhèn)化進程的持續(xù)推進和人民生活質(zhì)量的不斷提高,其能源服務需求仍將持續(xù)剛性增長.

3.2.2 能源結(jié)構(gòu) 現(xiàn)階段,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈能耗仍以煤炭消費為主,但煤炭的消費占比在3個動態(tài)情景中均呈現(xiàn)出不同程度的下降,而電力的消費占比則呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(圖5).以參考情景為例,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈能耗中煤炭的消費占比由2020年的32.78%下降至2050年的14.90%,而電力的消費占比將由2020年的31.00%上升至41.72%.由于可再生能源建筑規(guī)模化應用和建筑與電力部門脫碳進程協(xié)同等政策的大力推行,1.5℃情景下電力的消費占比將進一步提高,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈能耗中電力的消費占比將于2050年達到64.86%.建筑物化能耗和建筑運行能耗的能源消費結(jié)構(gòu)變化趨勢與建筑全產(chǎn)業(yè)鏈能耗具有一致性,參考情景下建筑物化能耗中煤炭的消費占比由2020年的35.93%下降至2050年的25.68%,1.5℃情景下2050年煤炭的消費份額將進一步控制在18.28%.而參考情景下建筑運行能耗中煤炭的消費占比由2020年的26.52%下降至2050年的7.64%,電力的消費占比將由2020年的35.92%上升至2050年的45.72%,1.5℃情景下2050年的電力消費占比將進一步提升至66.99%.因此,大力發(fā)展清潔能源,提高終端電氣化水平是減少建筑全產(chǎn)業(yè)鏈能耗,進而實現(xiàn)1.5℃溫升控制的關鍵舉措.

圖5 不同情景下的建筑能耗類型

Fig.5 Types of building energy consumption under different scenarios

BPE表示建筑物化能耗,BFE表示建筑運行能耗,BWE表示建筑全產(chǎn)業(yè)鏈能耗

3.3 全產(chǎn)業(yè)鏈視角下建筑碳中和路徑展望

考慮2060年碳中和愿景,以建筑部門凈零排放為最終目標,如果直接基于2050年的參數(shù)估算2050～2060年間中國建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放的發(fā)展趨勢,可以發(fā)現(xiàn),只有在1.5℃情景下建筑業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈才能實現(xiàn)2060碳中和目標(2059年凈零排放),而2℃情景和參考情景下實現(xiàn)凈零排放的時間分別為2064年和2075年.從建筑全產(chǎn)業(yè)鏈的排放階段來看,運行階段的碳排放能更早實現(xiàn)碳中和,其在2℃情景下的碳中和時間為2062年,1.5℃情景下的碳中和時間將進一步提前至2058年,而1.5℃情景下物化階段的碳排放則將于2059年實現(xiàn)碳中和.可見,建筑部門要實現(xiàn)2060年凈零排放目標仍面臨較大挑戰(zhàn),需要進一步強化技術(shù)進步與政策支撐.建筑部門實現(xiàn)深度減排最主要的措施包括來自需求側(cè)的能源服務需求控制與供給側(cè)的能源系統(tǒng)深度轉(zhuǎn)型.本研究的路徑分析顯示,到2050年,1.5℃情景下的建筑物化碳排放和建筑運行碳排放較參考情景減少了71.50%和63.65%.因此,必須強化政策引導,分階段實現(xiàn)雙碳目標.在碳達峰階段,我國仍面臨較大的經(jīng)濟和人口增長壓力.根據(jù)預測GDP年均增速將穩(wěn)定在4.79%,為實現(xiàn)第2個百年奮斗目標打下堅實基礎.人口也將在2030年前后達到峰值[24],人均建筑面積將增加到38.75m2[26],基本達到發(fā)達國家水平.從供給側(cè)看,新建建筑面積仍面臨較大增長壓力.因此,該階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重點應當側(cè)重于兼顧我國居民生活水平增長的剛性需求前提下,實現(xiàn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革.本研究結(jié)果也證實物化階段在碳達峰前具有更高的減排潛力,對產(chǎn)業(yè)鏈上游工業(yè)脫碳進程的高度依賴將助力建筑物化階段實現(xiàn)更快的減排速率.在碳中和階段,我國已基本實現(xiàn)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型,人口規(guī)模有所回落.因此該階段建筑領域的減排重點應當從需求側(cè)注重對居民生活方式和行為模式的引導,推進綠色用能方式.能源系統(tǒng)深度轉(zhuǎn)型則在于提升社會電氣化水平與降低化石能源占比.電氣化水平的提升將在建筑深度減排中扮演重要角色,需要在政策與技術(shù)上加以完善.同時,2060年的凈零排放目標也意味著天然氣作為化石能源之一也需要實現(xiàn)清零.而本研究中,不同情景下天然氣的消費占比趨勢各不相同,參考情景持續(xù)上升,2℃情景后期趨于穩(wěn)定,僅1.5℃情景略有下降.因此,在制定建筑部門發(fā)展路徑時,需要著重考慮天然氣的發(fā)展規(guī)模與適時退役問題,以確保凈零排放如期實現(xiàn).

如果考慮部分排放可以依靠碳匯或負排放技術(shù)抵消實現(xiàn)中和,則對建筑部門的減排需求會略有下降.通過政策激勵促使建筑業(yè)主增加在碳匯、負排放技術(shù)等方面的投入,也可以作為未來建筑部門持續(xù)深度減排的可能方向之一.

5 結(jié)論及建議

①與參考情景相比,考察期內(nèi)1.5℃情景下中國碳排放總量的額外累計減排量將達到129.74Gt CO2,而建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放的額外累計減排量為57.53Gt CO2,占比44.28%.②建筑業(yè)是典型的“表觀低碳、隱含高碳”的行業(yè).建筑業(yè)直接碳排放占建筑物化碳排放的比例較小,僅占9.46%～11.75%.③三個動態(tài)情景下,建筑物化碳排放的下降速率均快于建筑運行碳排放.這是由于建筑物化碳排放主要依賴工業(yè)等終端部門的脫碳進程,在實現(xiàn)碳達峰過程中具有先發(fā)優(yōu)勢.④現(xiàn)階段,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈能耗仍以煤炭消費為主,但煤炭的消費占比在3個動態(tài)情景中均呈現(xiàn)出不同程度的下降,而電力的消費占比則呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢.以參考情景為例,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈能耗中煤炭的消費占比由2020年的32.78%下降至2050年的14.90%,而電力的消費占比將由2020年的31.00%上升至41.72%.

鑒于此,中國應盡快制定出可持續(xù)的建筑低碳發(fā)展戰(zhàn)略,明確工作重點,主要包括:①協(xié)同經(jīng)濟增長、能源消費、氣候變化的演進路徑,從宏觀視角解析建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放路徑.區(qū)別于已有研究多從部分階段對建筑碳排放進行獨立分析或討論,本文落腳于全產(chǎn)業(yè)鏈,從宏觀視角闡明建筑全產(chǎn)業(yè)碳排放必須以全生命周期為主線,實現(xiàn)建筑物化碳排放和建筑運行碳排放的雙減排.②強化政策導向,實行CO2排放總量和強度“雙控”,明確建筑規(guī)模約束目標,明確工業(yè)和交通運輸業(yè)等終端部門直接碳排放的總量目標.考察期內(nèi)的建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放占中國碳排放總量可達46.49%,其波動對中國碳排放總量有至關重要的影響.從源頭上控制總量需求,是未來中國碳排放總量控制的工作重點.③加快改善建筑業(yè)“表觀低碳、隱含高碳”的屬性,有序推進建設模式的轉(zhuǎn)變.建筑物化碳排放約占全產(chǎn)業(yè)鏈建筑碳排放的40.00%.建筑物化生產(chǎn)階段的低碳技術(shù)是未來全產(chǎn)業(yè)鏈建筑碳排放總量的控制重點.因此,有序推進建筑模式向低碳化轉(zhuǎn)型,大力發(fā)展以裝配式建筑為主的低碳建造技術(shù),推廣使用綠色建材,更有利于降低建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放.④加快實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)從煤炭為主轉(zhuǎn)向非化石能源為主、終端部門電氣化的深度調(diào)整.現(xiàn)階段,全產(chǎn)業(yè)鏈建筑能耗仍將保持煤炭為主的能源消費結(jié)構(gòu),因此,必須大力調(diào)整終端能源消費結(jié)構(gòu),提高終端部門電氣化技術(shù)水平.

[1] 國際能源署.世界能源展望2020 [EB/OL]. [2020-10-15]. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2020.

International Energy Agency. World Energy Outlook 2020 [EB/OL]. [2020-10-15]. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2020.

[2] Guo S Y, Yan D, Hu S, et al. Modelling building energy consumption in China under different future scenarios [J]. Energy, 2021,214: 119063.

[3] 中國建筑節(jié)能協(xié)會.中國建筑能耗研究報告2020 [EB/OL]. [2020-12-31]. https://mp.weixin.qq.com/s/9o_ZzWNVrP9QQKZq4Kls9w.

CABEE.Research Report on building energy consumption in China 2020 [EB/OL]. [2020-12-31]. https://mp.weixin.qq.com/s/9o_ ZzWNVrP9QQKZq4Kls9w.

[4] 中國石油經(jīng)濟技術(shù)研究院.2050年世界與中國能源展望(2020版) [EB/OL]. [2020-12-26]. https://mp.weixin.qq.com/s/S_S_-WwYkKx OrkinSYwuCw.

China Petroleum Institute of Economics and Technology. Energy Outlook of the World and China in 2050 (2020) [EB/OL]. [2020- 12-26]. https://mp.weixin.qq.com/s/S_S_-WwYkKxOrkinSYwuCw.

[5] Zhou N, Khanna N,Feng W, et al. Scenarios of energy efficiency and CO2emissions reduction potential in the buildings sector in China to year 2050 [J]. Nature Energy, 2018,3:978–984.

[6] Ma M D, Cai W G. Carbon abatement in China's commercial building sector: A bottom-up measurement model based on Kaya-LMDI methods [J]. Energy, 2018,165:350-368.

[7] Ma M D, Ma X, Cai W D, et al. Carbon-dioxide mitigation in the residential building sector: A household scale-based assessment [J]. Energy Conversion and Management, 2019,198:111915.

[8] Liang Y, Cai W, Ma M D. Carbon dioxide intensity and income level in the Chinese megacities' residential building sector: Decomposition and decoupling analyses [J]. Science of The Total Environment, 2019,677:315-327.

[9] 劉 菁,劉伊生,楊 柳,等.全產(chǎn)業(yè)鏈視角下中國建筑碳排放測算研究[J]. 城市發(fā)展研究, 2017,24(12):28-32.

Liu J, Liu Y S, Yang L, et al. Study on the calculation method of carbon emission from the whole building industry chain in China [J]. Urban Development Research, 2017,24(12):28-32.

[10] Subramanyam V, Amit K, Alireza T, et al. Energy efficiency improvement opportunities and associated greenhouse gas abatement costs for the residential sector [J]. Energy, 2017,118:795-807.

[11] Eom J, Leon C, et al. China's building energy demand: Long-term implications from a detailed assessment [J]. Energy, 2012,46(1):405-419.

[12] Shi J C, Chen W Y, Yin X. Modelling building’s decarbonization with application of China TIMES model [J]. Applied Energy, 2016,162: 1303-1312.

[13] Tan X C, Lai H P, Gu B H, et al. Carbon emission and abatement potential outlook in China's building sector through 2050 [J]. Energy policy, 2018,118:429-439.

[14] Nordhaus W D. Rolling the ‘DICE’: An optimal transition path for controlling greenhouse gases [J]. Resource and Energy Economics, 1993,15:27-50.

[15] Nordhaus W D, Yang Z L. A regional dynamic general-equilibrium model of alternative climate-change strategies [J]. The American Economic Review, 1996,86(4):741-765.

[16] Zhao Z J, Chen X T, Liu C Y, et al. Global climate damage in 2 ℃ and 1.5 ℃ scenarios based on BCC_SESM model in IAM framework [J]. Advances in Climate Change Research, 2020,11(3):261-272.

[17] 洪競科,李沅潮,蔡偉光.多情景視角下的中國碳達峰路徑模擬——基于RICE-LEAP模型[J]. 資源科學, 2021,43(4):639-651.

Hong J K, Li Y C, Cai W G, et al. Simulating China’s carbon emission peak path under different scenarios based on RICE-LEAP Model [J]. Resources Science, 2021,43(4):639-651.

[18] Hendrlckson C, Horvath A, Joshl S, et al. Economic input-output models for environmental life cycle assessment [J]. Environmental Science and Technology, 1998,32(7):184-191.

[19] 付凌暉,劉愛華,等.中國統(tǒng)計年鑒2021 [M]. 北京:中國統(tǒng)計出版社, 2021:285-303.

Fu L H, Liu A H, et al. China Statistical Yearbook 2021 [M]. Beijing: China statistics press, 2021:285-303.

[20] 胡子健,等.中國城市建設統(tǒng)計年鑒2020 [M]. 北京:中國統(tǒng)計出版社, 2020:45-83.

Hu Z J, et al. China Urban Construction Statistical Yearbook 2020 [M]. Beijing: China statistics press, 2020:45-83.

[21] 中國建筑節(jié)能協(xié)會.中國建筑能耗與碳排放數(shù)據(jù)庫[EB/OL]. https://www.researchgate.net/project/China-Building-Energy-and-Emission-Database-CBEED.

Professional Committee of Building Energy and Emissions. Database of China building energy consumption and carbon emission [EB/OL]. https://www.researchgate.net/project/China-Building-Energy-and-Emission-Database-CBEED.

[22] 中國盡早實現(xiàn)CO2排放峰值的施路徑研究課題組.中國碳排放盡早達峰 [R]. 北京:中國經(jīng)濟出版社, 2017:65-99.

Research Group on the implementation path for China to realize the peak CO2emission as soon as possible. China's carbon emissions peak as soon as possible [R] Beijing: Economic Press China, 2017:65-99.

[23] 中國煤控項目1.5度能源情景課題組.中國實現(xiàn)全球1.5℃目標下的能源排放情景研究[R]. 北京:中國經(jīng)濟出版社, 2018:20-70.

Research group on 1.5℃ energy scenario of China coal control project. Study on energy emission scenario under the global target of 1.5 ℃ in China [R] Beijing: Economic Press China, 2018:20-70.

[24] Chen Y D, Guo F, Wang J C, et al. Provincial and gridded population projection for China under shared socioeconomic pathways from 2010 to 2100 [J]. Scientific Data, 2020,7(1):83-96.

[25] 國務院.國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014—2020年) [EB/OL]. [2014- 03-16]. http://www.gov.cn/zhengce/2014-03/16/content_2640075.htm.

The State Council. National new urbanization planning (2014—2020)[EB/OL]. [2014-03-16]. http://www.gov.cn/zhengce/2014-03/16/ content_2640075.htm.

[26] 能源研究所.中國低碳建筑情景和政策路線圖研究[EB/OL]. [2014-07-06]. http://www.efchina.org/Attachments/Report/reports- 20140706-zh/reports-20140706-zh.

Energy Research Institute.Study on the scenario and policy roadmap of low carbon buildings in China [EB/OL]. [2014-07-06]. http://www. efchina.org/Attachments/Report/reports-20140706-zh/reports-20140706-zh.

[27] 住房和城鄉(xiāng)建設部標準定額研究所.中國民用建筑能耗總量控制策略 [M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2016:21-55.

Institute of standards and quotas. Ministry of housing and urban rural development total energy consumption control strategy of civil buildings in China [M] Beijing: China Architecture& Building Press, 2016:21-55.

[28] 清華大學建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告 [M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2020:6-43.

Building Energy Efficiency Research Center of Tsinghua University. Annual development research report on building energy efficiency in China [M]. Beijing: China Architecture& Building Press, 2020:6-43.

[29] 國務院.中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要[EB/OL]. [2021-03-12]. http://www.gov.cn/ xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm.

The State Council. The 14th five year plan for national economic and social development of the people's Republic of China and the outline of long-term objectives for 2035.[EB/OL]. [2021-03-12]. http: //www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm.

[30] 國際能源署.世界能源展望:中國特別報告[R/OL]. [2017-12-08]. https://www.iea.org/reports/world-energy-out?look-2017.

International Energy Agency. World Energy Outlook: China Special Report [R/OL]. [2017-12-08]. https://www.iea.org/reports/world- energy-outlook-2017.]

[31] 劉俊伶.中國中長期低碳發(fā)展戰(zhàn)略目標與實現(xiàn)路徑研究[D]. 北京:中國人民大學, 2017.

Liu J L. Research on the strategic goal and realization path of China's medium and long-term low-carbon development [D].Beijing: Renmin University of China, 2017.

[32] Cai Y Y, Lontzek T S. The social cost of carbon with economic and climate risks [J]. Journal of Political Economy, 2019,127(6):2684-2734.

[33] Nordhaus W D. Revisiting the social cost of carbon [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017,114(7):1518-1523.

[34] Chen X, Nordhaus W D. VIIRS Nighttime Lights in the Estimation of Cross-Sectional and Time-Series GDP [J]. Remote Sensing, 2019, 11(9):1057.

[35] 崔學勤,王 克,鄒 驥.2℃和1.5℃目標對中國國家自主貢獻和長期排放路徑的影響[J]. 中國人口·資源與環(huán)境, 2016,26(12):1-7.

Cui X Q, Wang K, Zou J. Impact of 2℃ and 1.5℃ target to INDC and long-term emissions pathway of China [J]. China Population, Resources and Environment, 2016,26(12):1-7.

[36] Johnsson F, Kj?rstad J, Rootzén J. The threat to climate change mitigation posed by the abundance of fossil fuels [J]. Climate Policy, 2019,19(2):258-274.

[37] Zheng J L, Duan H B, Zhou S. Limiting global warming to below 1.5°C from 2°C: An energy-system-based multi-model analysis for China [J]. Energy Economics, 2021,103:116-126.

[38] 王 克,劉芳名,尹明健,等.1℃溫升目標下中國碳排放路徑研究[J]. 氣候變化研究進展, 2021,17(1):7-17.

Wang K, Liu F M, Yin M J, et al. Research on China’s carbon emissions pathway under the 1.5℃ target [J]. Climate Change Research, 2021,17(1):7-17.

[39] 王 勇,畢 瑩,王恩東.中國工業(yè)碳排放達峰的情景預測與減排潛力評估[J]. 中國人口·資源與環(huán)境, 2017,27(10):131-140.

Wand Y, Bi Y, Wang E D. Scene prediction of carbon emission peak and emission reduction potential estimation in Chinese industry [J]. China population, resources and environment, 2017,27(10):131-140.

Simulating building carbon emission path with a RICE-LEAP model from the perspective of the whole supply chain.

HONG Jing-ke1*, LI Yuan-chao1, GUQ Si-yue2

(1.School of Management Science and Real Estate, Chongqing University, Chongqing 400044, China；2.Institute for Energy, Environment & Economy, Tsinghua University, Beijing 100084, China)., 2022,42(9)：4389～4398

This study develops a RICE-LEAP model, an integrated assessment model containing end-use sectors in the context of China, to dynamically simulate building carbon(C) emission path via the whole supply chain and identify the structural characteristics from 2020 to 2050. The results show that: ① Compared to the business-as-usual scenario, the reduction in additional cumulative emissions under 1.5℃ scenario from 2020 to 2050 will reach 129.74 Gt CO2, and the mitigation of additional cumulative emissions from the building supply chain will be 57.53 Gt CO2, accounting for 44.28% of the total C emission reduction. ② The building sector is a sector with low direct C emissions but high indirect C emissions. The direct onsite C emissions from the building sector only account for a very small part of building embodied C emissions with a proportion ranging from 9.46% to 11.75%. ③ The reduction rate of embodied C emissions is higher than that of operational C emissions of buildings in all scenarios; because the embodied C emission reduction in the building sector depends mainly on the decarbonization process of the industry. ④ Coal consumption is still currently dominant in building energy consumption but shows a decline trend under all three scenarios while the proportion of electricity consumption represents an obvious increase trend as a result of building electricification.

building carbon emissions；scenario analysis；RICE-LEAP model；whole industry chain

X22

A

1000-6923(2022)09-4389-10

2022-02-08

國家自然科學基金資助項目(72071022);國家自然科學基金資助項目(71801023);重慶市青年拔尖人才特殊支持計劃項目(T04010013)

*責任作者, 教授, hongjingke@cqu.edu

洪競科(1986-),男,四川成都人,教授,博士,主要研究方向為區(qū)域可持續(xù)建設、數(shù)字碳中和等.發(fā)表論文40余篇.