基于STIRPAT模型的民用建筑碳排放影響機(jī)理分析及預(yù)測研究

徐堅(jiān)　張藍(lán)天　錢宇佳

摘要：在“碳中和碳達(dá)峰”目標(biāo)下，碳減排工作要“因地制宜，統(tǒng)籌兼顧”。不同地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及資源稟賦有差異，以云南省為例，基于能源平衡表的建筑能耗拆分模型，測算2011年-2020年云南民用建筑碳排放量，基于STIRPAT模型，采用嶺回歸從人口、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)三方面探究云南民用建筑碳排放的影響機(jī)理，根據(jù)云南省發(fā)展目標(biāo)預(yù)測中短期的民用建筑碳排放量，最后總結(jié)碳減排策略。結(jié)果表明：影響云南民用建筑碳排放的主要因素按影響程度為人均可支配收入>常住人口城鎮(zhèn)化率>能源強(qiáng)度>第三產(chǎn)業(yè)增加值，2025年云南民用建筑碳排放量較2020年預(yù)計(jì)增長1.2倍。

關(guān)鍵詞：民用建筑碳排放；影響因素；STIRPAT模型；云南省

中圖分類號：X22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

面對全球氣候變化問題，為采取更有力措施，中國連續(xù)發(fā)布政策文件對“雙碳”工作做出部署，指出要“因地制宦，統(tǒng)籌兼顧”，根據(jù)地方發(fā)展現(xiàn)狀和目標(biāo)針對性的制定各行業(yè)碳減排方案，能更好的促進(jìn)低碳發(fā)展。

建筑業(yè)作為城市能源消耗的三大主體之一，與其他行業(yè)碳排放相關(guān)性巨大，在發(fā)展過程中出現(xiàn)高能耗導(dǎo)致碳排放量持續(xù)攀升。為促進(jìn)建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展，目前學(xué)者關(guān)注到建筑碳排放的影響因素，但是研究多針對整個(gè)行業(yè)的碳排放影響因素，較少以民用建筑碳排放為對象分析影響肌理。民用建筑占所有建筑比例大，能耗大，且與城市化發(fā)展有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，因此有必要對民用建筑能耗及碳排放展開研究，探索碳減排策略。

目前對于民用建筑碳排放影響因素的研究，越來越多學(xué)者考慮到要因地制宜提出碳減排策略，對省域、市域?qū)用嬉舱归_了研究，但是大多以中東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)為對象。西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)生態(tài)基礎(chǔ)較好但又需加快城市化、工業(yè)化進(jìn)程，民用建筑碳減排策略有別于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)?；诖?，以自然生態(tài)良好但又欠發(fā)達(dá)的云南省為研究對象，深入探討民用建筑碳排放的影響機(jī)理、預(yù)測未來碳排放量，旨在探討云南民用建筑碳中和解決方案的同時(shí)為其他欠發(fā)達(dá)地區(qū)碳中和開展提供參考。

1 研究區(qū)域介紹

云南省自2010年被批準(zhǔn)為中國首批低碳試點(diǎn)省份，作為生態(tài)文明建設(shè)排頭兵，綠色能源、碳匯資源較為豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，云南省人均碳排放水平僅為中國人均碳排放的一半，進(jìn)一步說明云南省低碳發(fā)展?jié)摿^大，具有較好的實(shí)現(xiàn)碳中和的基礎(chǔ)條件。但是，“后發(fā)展”和“欠發(fā)達(dá)”是云南的基本省情，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不充分、不平衡問題較為突出。作為面向南亞東南亞輻射中心，云南省綠色低碳發(fā)展任重道遠(yuǎn)。

基于能源平衡表，根據(jù)《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51366-2019）中的計(jì)算邊界計(jì)算云南省建筑全生命周期碳排放，結(jié)果顯示建筑運(yùn)行階段占建筑業(yè)全生命周期碳排放量44.2%，建筑運(yùn)行碳減排工作面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。而民用建筑與居民生活息息相關(guān)，民用建筑碳排放作為建筑運(yùn)行碳排放主要來源，隨著城市化進(jìn)程加快，在碳排放總量中所占比重日益增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前云南省人均建筑面積高于全國平均水平，云南省民用建筑碳排放必須引起重視。

2 云南民用建筑碳排放現(xiàn)狀分析

2.1 民用建筑碳排放量計(jì)算

范圍界定：根據(jù)現(xiàn)有研究成果，對民用建筑的全生命周期碳排放量進(jìn)行了核算，認(rèn)為運(yùn)行階段碳排放量大約占建筑物全生命周期碳排放量的80%以上，此外，建筑的使用時(shí)間占整個(gè)建筑壽命期的90%以上。因此，文章以狹義的建筑碳排放為對象——建筑運(yùn)行階段碳排放。

針對民用建筑能耗及碳排放，由于中國現(xiàn)行能源統(tǒng)計(jì)模式以三大產(chǎn)業(yè)為主，沒有單列建筑能耗，為民用建筑碳排放計(jì)算帶來了不便，學(xué)者對民用建筑能耗及碳排放的計(jì)算方法展開了豐富研究，但是基于統(tǒng)計(jì)年鑒和抽樣調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有待驗(yàn)證。蔡偉光等總結(jié)了從能源平衡表收集建筑能源消耗數(shù)據(jù)所面臨的問題，經(jīng)過對能源平衡表中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的來源與口徑研究，提出了以能源平衡表作為依據(jù)的建筑能耗拆分模型，并驗(yàn)證了其適用于省級民用建筑能耗的測算。

因此，文章基于能源平衡表的建筑能耗拆分模型，通過2010年-2020年《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》中云南省能源平衡表計(jì)算云南民用建筑原煤、焦炭、天然氣、電力等十一種能源的消耗量，采用計(jì)算碳排放最常用的IPCC碳排放因子法對云南民用建筑碳排放進(jìn)行測算。為了確保研究數(shù)據(jù)的權(quán)威性和實(shí)時(shí)性，充分結(jié)合建筑業(yè)的特點(diǎn)，文章碳排放因子主要來源于《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51366-2019。

式（1）中，CM為民用建筑碳排放量，EM，i為第i類能源消耗量，EFi為第i類能源的碳排放因子。

2.2 民用建筑碳排放特征分析

通過式（1）計(jì)算得到云南省2011年-2020年公共建筑、城鎮(zhèn)住宅、鄉(xiāng)村住宅的四大類能源碳排放量。從整體來看，如圖1所示，民用建筑碳排放從2011年2468.78萬噸增加到2020年的4270.78萬噸，呈現(xiàn)上升趨勢，但增速明顯放緩。

對于不同民用建筑類型，公共建筑碳排放量占比最大，由于空調(diào)、電梯和照明等設(shè)備耗能巨大，并且普遍存在高能耗和低能效問題，其電力消耗碳排放量占主要且持續(xù)增多。鄉(xiāng)村住宅中原煤及煤制品排放量大，是城市住宅的十幾倍，由于煤價(jià)格較便宜，是鄉(xiāng)村居民日常取暖的主要燃料。而城鎮(zhèn)居民以碳排放較低的天然氣、電力為主要能源，因此碳排放量占比較小。

從民用建筑主要能源類型碳排放看，如圖2所示，電力碳排放量占云南民用建筑碳排放比例最大，即電力是云南民用建筑最主要的能源形式。各類燃料碳排放情況與云南省的能源資源條件和能源供應(yīng)狀況相吻合。隨著云南省推動(dòng)清潔能源消費(fèi)轉(zhuǎn)型，大力發(fā)展綠色能源，優(yōu)化煤炭開發(fā)布局，煤制品的碳排放量逐年減少。由于云南存在“缺油少氣”情況，因此油，氣消耗量小，2014年后隨著中緬原油管道和中石油云南煉油項(xiàng)目同步建成投產(chǎn)，油氣使用量逐漸增加，碳排放量增加。

3 云南民用建筑碳排放的主要影響因素分析

3.1 民用建筑碳排放STIRPAT模型構(gòu)建

目前關(guān)于碳排放宏觀影響因素分析的模型方法主要有：IPAT系列識別模型、指數(shù)分解分析方法和結(jié)構(gòu)分解分析方法，其中IPAT可以考慮多方面各因素的共同影響，并且可拓展性較強(qiáng)。STIRPAT模型是在IPAT模型基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展的隨機(jī)形式，是個(gè)多自變量的非線性模型，其優(yōu)點(diǎn)是可以克服模型中各因素對環(huán)境改變結(jié)果一致的情況，以探索關(guān)鍵影響因素，已被多個(gè)學(xué)者用來構(gòu)建碳排放影響機(jī)理分析模型。如WANG等利用改進(jìn)的STIPRAT模型構(gòu)建了理論分析框架，利用靜態(tài)面板模型和空間動(dòng)態(tài)面板模型揭示民用建筑碳排放的影響因素。

STIRPAT模型表達(dá)式為式（2）：

I=aP6AcTde 式（2）

式（2）中，I為環(huán)境因素；P為人口；A為富裕程度，即經(jīng)濟(jì)因素；T為技術(shù)；a為模型系數(shù)；b，c，d分別為對應(yīng)驅(qū)動(dòng)因素的影響指數(shù)；e為模型的誤差。自引入以來，IPAT方程和STIRPAT模型已被廣泛認(rèn)可并應(yīng)用于能源經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境科學(xué)和許多相關(guān)領(lǐng)域。

此研究以STIRPAT模型的人口、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平3個(gè)維度指標(biāo)為基礎(chǔ)，考慮到民用建筑碳排放具體特征，并從現(xiàn)有相關(guān)研究中尋找支持參考，構(gòu)建STIRPAT擴(kuò)展模型。（見表1）

對STIRPAT模型兩端取對數(shù)，以消除模型產(chǎn)生的異方差。為了消除不同量綱造成的影響，對民用建筑碳排放量及其影響要素的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。選擇云南民用建筑碳排放量作為控制變量，運(yùn)用SPSS軟件做偏相關(guān)分析，最終得到U、S、TI、EI四個(gè)因素的相關(guān)系數(shù)分別為0.982、0.983、0.978、-0.978，具有較好的相關(guān)性，因此4個(gè)因子可作為民用建筑碳排放影響因子，模型如式（3）：

InC=Inα+β1lnU+β2lnS+β3lnTI+β4lnEI+e式（3）

式（3）中，β1-4為彈性系數(shù)，表示當(dāng)?shù)趇項(xiàng)指標(biāo)每變化1%時(shí)，將引起C的βil%變化。

3.2 模型多元回歸分析

對STIRPAT模型式（3）通過SPSS軟件進(jìn)行多元回歸分析，模型p=0.000，通過F檢驗(yàn)，調(diào)整后R2為0.953，模型擬合度較高。但是計(jì)算結(jié)果中方差膨脹因子（VIF）遠(yuǎn)高于10，說明變量之間存在嚴(yán)重的共線性，因此不能根據(jù)普通最小二乘法擬合的結(jié)果進(jìn)行判斷。

3.3 基于嶺回歸方法的影響因素分析

為了解決模型變量間多重共線性的問題，采用嶺回歸方法，對模型進(jìn)行回歸分析，以損失部分信息為代價(jià)獲得更適合的回歸模型。利用SPSSAU數(shù)據(jù)分析平臺中的嶺回歸函數(shù)對式（3）模型方程做擬合，嶺跡圖如圖3所示，k值越小損失信息越少，當(dāng)k=0.10時(shí)，嶺跡圖變化趨勢逐漸平穩(wěn)，故取k值為0.10。

如表2所示，模型R2為0.964，意味著InU，InS，InTI，InEI可以解釋InC的96.4%變化原因，整體擬合高。模型p=0.001<0.05，通過F檢驗(yàn)，因此，模型可以以反映云南民用建筑碳排放量與其影響因素之間的關(guān)系，具體形式如式（4）：

InC=0.42lnU+0.162lnS+0.103lnTI-0.159lnEI+4.029 式（4）

從嶺回歸的系數(shù)來看，影響云南民用建筑碳排放的主要因素按影響程度大小排序：人均可支配收入>常住人口城鎮(zhèn)化率>能源強(qiáng)度>第三產(chǎn)業(yè)增加值，四個(gè)變量均通過了顯著性檢驗(yàn)。人均可支配收入、常住人口城鎮(zhèn)化率、能源強(qiáng)度、第三產(chǎn)業(yè)增加值每增加1%，云南民用建筑碳排放量分別增加0.264%、0.246%、0.236%、0.214%。具體分析如下：

（1）人均可支配收入是導(dǎo)致云南民用建筑碳排放量增加的首要因素，這是由于人們對美好生活的向往，可支配收入提高使得人們對舒適度要求更高，伴隨著對能源的絕對需求，而大多數(shù)居民尚未建立足夠的綠色意識，導(dǎo)致民用建筑能耗增加。

（2）其次是人口城鎮(zhèn)化。隨著城鎮(zhèn)化的進(jìn)程不斷加快，人們對于生活、居住空間的需求也越大，從而引發(fā)的民用建筑規(guī)模的增加，隨之帶來的后果是民用建筑碳排放的激增。

（3）能源強(qiáng)度對民用建筑碳排放的影響較小，由于云南民用建筑消費(fèi)的主要能源形式為電力，而云南省電力資源豐富，風(fēng)電、光伏等清潔可再生能源不斷增長。云南省以此發(fā)揮自身優(yōu)勢，使得單位GDP能耗降低，但是由于人們對能源的需求快速增加，抵消了能源強(qiáng)度降低減少的碳排放量。

（4）第三產(chǎn)業(yè)增加值的影響明顯但相對較小，根據(jù)配第一克拉克定理，城市化帶來產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，當(dāng)人均收入進(jìn)一步提高時(shí)，勞動(dòng)力向第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，第三產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，帶動(dòng)公共建筑需求增加，進(jìn)而導(dǎo)致碳排放增加。

4 云南民用建筑碳排放預(yù)測研究

4.1 模型預(yù)測能力檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測能力，將云南省2011年—2020年5個(gè)主要因素的實(shí)際值代入方程（4），經(jīng)計(jì)算得出擬合數(shù)值與真實(shí)值結(jié)果如圖4所示，擬合程度高，10年內(nèi)擬合結(jié)果誤差絕對值均在10%，平均誤差率僅有2.77%，與實(shí)際情況基本吻合，說明該模型能夠有效預(yù)測云南省未來15年的碳排放值。

4.2 碳排放預(yù)測及結(jié)果分析

在云南民用建筑現(xiàn)有碳排放影響因素?cái)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上，基于上述分析所建立的STIRPAT模型，參考目前云南省“十四五規(guī)劃”、各類專項(xiàng)規(guī)劃及近十年的變化規(guī)律等預(yù)計(jì)的目標(biāo)發(fā)展，對控制變量進(jìn)行增長率設(shè)定，以預(yù)測2021年-2025年云南民用建筑碳排放量。

基于STIRPAT模型，將根據(jù)云南省“十四五”規(guī)劃預(yù)測的各影響因素的數(shù)值代入式（4），計(jì)算得到2021年-2025年云南民用建筑碳排放預(yù)測值，2021年到2025年云南民用建筑碳排放量分別為4500.62、4671.99、4849.89、5034.56、5226.26。在云南省政府既定的目標(biāo)下，預(yù)計(jì)年均增長率為3.81%，較“十三五”期間年均增長率（3.59%）有所增加，2025年云南民用建筑碳排放量達(dá)到了5226.26萬噸，約為2020年排放量的1.2倍，增幅明顯，可見云南民用建筑碳排放減排工作面臨巨大挑戰(zhàn)。

4.3 云南民用建筑減碳建議

針對云南民用建筑碳排放特征及影響因素的分析結(jié)果，提出相關(guān)建議如下：

（1）收入水平對民用建筑碳排放的影響最大，而第三產(chǎn)業(yè)增加值對碳排放的影響雖然較小，但是由于第三產(chǎn)業(yè)對公共建筑能耗影響大，且公共建筑碳排放占云南民用建筑碳排放比例最大。因此，在能源消費(fèi)端，政府要大力宣傳，通過政策消費(fèi)引導(dǎo)，提高居民的低碳消費(fèi)意識，構(gòu)建綠色低碳生活方式。

（2）人口城鎮(zhèn)化作為民用建筑碳排放的重要驅(qū)動(dòng)力，應(yīng)從國土空間規(guī)劃、城鄉(xiāng)建設(shè)各環(huán)節(jié)全面落實(shí)綠色低碳要求，合理規(guī)劃，優(yōu)化建筑布局，合理設(shè)定城鎮(zhèn)建筑面積發(fā)展目標(biāo)。

（3）電力碳排放量占云南民用建筑碳排放比例最大，云南要充分利用自身優(yōu)勢，大力發(fā)展水電、風(fēng)電、光伏等清潔可再生能源。探索建立太陽能光伏在城鄉(xiāng)民用建筑中分布式、一體化應(yīng)用的相關(guān)設(shè)計(jì)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)建筑太陽能光伏光熱應(yīng)用，以充分利用建筑空間減少建筑碳體及周邊排放。

（4）能源強(qiáng)度是影響民用建筑碳排放的重要因素，最主要的是要提高民用建筑的能源利用效率。在生產(chǎn)端要提高節(jié)能技術(shù)水平，政府應(yīng)積極建立民用建筑節(jié)能技術(shù)研究激勵(lì)政策，實(shí)現(xiàn)民用建筑技術(shù)創(chuàng)新；在消費(fèi)端要通過完善相關(guān)市場機(jī)制、政策補(bǔ)貼等手段，鼓勵(lì)綠色節(jié)能技術(shù)在民用建筑中的應(yīng)用，嚴(yán)控高能耗公共建筑建設(shè)；對于已有建筑，制定節(jié)能改造標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)民用建筑低碳節(jié)能改造，提高民用建筑運(yùn)行中的能源效率。

5 結(jié)束語

文章首先基于能源平衡表的建筑能耗拆分模型測算了2011年-2020年云南民用建筑碳排放量，分析云南民用建筑碳排放特征：總體呈現(xiàn)上升趨勢，但增速明顯放緩，其中公共建筑碳排放量占比最大，民用建筑主要能源類型為電力碳排放。其次，在STIRPAT模型基礎(chǔ)上，采用嶺回歸探究云南民用建筑碳排放的影響機(jī)理，得出影響云南民用建筑碳排放的主要因素按影響程度為人均可支配收入>常住人口城鎮(zhèn)化率>能源強(qiáng)度>第三產(chǎn)業(yè)增加值。最后，根據(jù)云南省發(fā)展目標(biāo)預(yù)測了2021年-2025年云南省中短期的民用建筑碳排放量，結(jié)果顯示2025年云南民用建筑碳排放量較2020年預(yù)計(jì)增長1.2倍。云南作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢但生態(tài)良好的欠發(fā)達(dá)地區(qū)，為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量綠色發(fā)展，降低碳排放還需各方面共同努力。