秦云,趙麗婭,許峰,黃運(yùn)新

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430062)

中國城市居民生活碳排放的量化
——個(gè)人碳排放計(jì)算器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

秦云,趙麗婭,許峰,黃運(yùn)新

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430062)

根據(jù)IPCC溫室氣體清單方法,以投入產(chǎn)出表為基礎(chǔ),測算直接和間接碳排放系數(shù),確定我國城市居民日常生活碳排放的量化公式.使用Visual Studio軟件開發(fā)工具,制作出可以獨(dú)立運(yùn)行于WindowsXP、Win7等操作系統(tǒng)的碳排放計(jì)算器.以問卷調(diào)查和計(jì)算器為基礎(chǔ),分析我國城市居民的消費(fèi)模式,計(jì)算人均每天碳排放.針對(duì)特定案例,對(duì)個(gè)人碳排放進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,為個(gè)人減少碳排放提供簡便易行的幫助指導(dǎo).

碳排放;碳足跡;低碳生活;全球變暖

0 引言

全球變暖已成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn),以IPCC為代表的國際主流觀點(diǎn)認(rèn)為人類活動(dòng)所導(dǎo)致的地球大氣系統(tǒng)碳循環(huán)失調(diào)是全球變暖的主要原因[1].全球人口的快速增長和高度工業(yè)化直接導(dǎo)致溫室氣體排放增加,加速全球變暖.主要的溫室氣體包括二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氯氟烴和臭氧等,其中二氧化碳是最主要的溫室氣體,約占總量的70%[2].數(shù)據(jù)顯示[3],2013年3月大氣中二氧化碳濃度已大大超出了最高安全限值(1987年:678.5 mg/m3).城市作為人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的中心,聚集了世界一半以上的人口,消耗了全球67%的能源并產(chǎn)生了75%的二氧化碳排放[4].與發(fā)達(dá)國家和欠發(fā)達(dá)國家相比,中國城市具有人口多、密度大的特點(diǎn).到2012年為止,中國城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诘谋壤殉^50%[5].另外,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和收入的提高,中國城市人口的生活方式和消費(fèi)模式也在發(fā)生變化.因此,對(duì)中國城市生活碳排放進(jìn)行量化研究具有重要的實(shí)際意義.

國外提出的城市碳排放測算方法多種多樣,其中比較重要的方法有基于地理范圍的測算、基于基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)的測算和基于消費(fèi)的測算,相關(guān)研究重點(diǎn)放在確定城市范圍內(nèi)的碳排放測算體系[6],如Sovacool等[7]對(duì)全球12個(gè)大都市區(qū)的碳足跡進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析,并提出了減少碳足跡的政策建議;Kenny[8]以愛爾蘭為例,對(duì)6種碳足跡計(jì)算模型的運(yùn)行效果進(jìn)行了對(duì)比分析.我國有關(guān)碳排放的一般研究也較多,如馮玲等[9]研究了1999—2007年生活能耗與碳排放的動(dòng)態(tài)變化特征,并分析了其潛在的影響因素;孫建衛(wèi)等[10]對(duì)我國國民經(jīng)濟(jì)最終消費(fèi)品可能產(chǎn)生的直接或間接碳排放量進(jìn)行了分析,并對(duì)碳排放足跡及各部門之間的碳關(guān)聯(lián)進(jìn)行了分析;朱勤等[11]測算了中國居民消費(fèi)品載能碳排放量,分析了影響居民消費(fèi)品載能碳排放的主要因素并量化了其貢獻(xiàn)率.

總體看來,我國的碳排放研究重在測算碳排放總量,對(duì)個(gè)人特別是城市居民個(gè)人日常生活產(chǎn)生的碳排放測算研究重視不夠.人類日?；顒?dòng)特別是城市居民的日?；顒?dòng)承載著大量的二氧化碳排放,控制減少城市居民個(gè)人日?；顒?dòng)產(chǎn)生的碳排放對(duì)國家整體的節(jié)能減排具有重要意義.為此,本文中從衣、食、住、行、用5個(gè)方面對(duì)城市居民個(gè)人碳排放活動(dòng)進(jìn)行分類,同時(shí)考慮直接和間接碳排放,確定碳排放系數(shù),構(gòu)建碳排放模型,設(shè)計(jì)碳排放計(jì)算器,對(duì)城市居民個(gè)人日常生活碳排放進(jìn)行合理量化.在此基礎(chǔ)上,結(jié)合碳排放計(jì)算器和調(diào)查問卷對(duì)城市居民個(gè)人日常生活碳排放的總量和規(guī)律進(jìn)行綜合分析,為個(gè)人節(jié)能減排提供參考.

1 城市生活碳排放的測算方法

城市居民生活碳排放主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是在炊事、熱水、采暖、家用電器等生活起居方面對(duì)能源的直接消費(fèi)所產(chǎn)生的碳排放(直接碳排放);一是消費(fèi)品(不包括生活用能)在其原料、生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售及終端消費(fèi)等環(huán)節(jié)中所承載的能源消耗導(dǎo)致的碳排放(間接碳排放)[12].

(1)

式中:Cd為直接碳排放,E1,p為居民生活中燃燒活動(dòng)對(duì)一次能源的消費(fèi)量,E2,p為居民生活中燃燒活動(dòng)二次能源轉(zhuǎn)換一次能源的消費(fèi)量,kp為直接碳排放系數(shù),下標(biāo)p為一次能源種類編號(hào).

表1 能源類別與直接碳排放系數(shù) kg CO2

城市居民生活中燃燒的能源主要有5類(表1),根據(jù)《綜合能耗計(jì)算通則》(GB/T2589-2008)[13]和《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》(發(fā)改辦氣候[2011]1041號(hào))[14]提供的數(shù)據(jù),可按以下公式分別計(jì)算5類能源的直接碳排放系數(shù)kp(表1):

(2)

式中:Q為平均低位發(fā)熱量,a為單位熱值含碳量,K為碳氧化率.

1.2間接碳排放的測算方法間接碳排放涉及消費(fèi)品的周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié),反映的是消費(fèi)品在各個(gè)環(huán)節(jié)的能源消費(fèi)所產(chǎn)生的碳排放的總和.間接碳排放的投入產(chǎn)出模型公式為[12]:

Cf=X(I-A)-1Y

(3)

式中:Cf為各類居民消費(fèi)品間接碳排放行向量,X為投入產(chǎn)出表中各部門單位產(chǎn)出碳排放行向量,(I-A)-1為投入產(chǎn)出表中完全需求系數(shù)矩陣,X(I-A)-1為各部門生產(chǎn)單位價(jià)值產(chǎn)品引起的碳排放行向量,Y為投入產(chǎn)出表中居民對(duì)各類消費(fèi)品的最終消費(fèi)量列向量轉(zhuǎn)換而成的對(duì)角矩陣.

(4)

根據(jù)2007年《投入產(chǎn)出基本流量表》中的部門總產(chǎn)出數(shù)據(jù),將第i個(gè)部門總產(chǎn)出碳排放(TX)i除以第i個(gè)部門總產(chǎn)出,得到第i個(gè)部門單位產(chǎn)出碳排放Xi(表2).Xi為行向量X的元素.

表2 單位產(chǎn)出碳排放(a)與間接碳排放(b)系數(shù) 噸CO2/萬元

1.2.2 完全需求系數(shù)矩陣(I-A)-1的求解 根據(jù)2007年《投入產(chǎn)出基本流量表》[5]和《按行業(yè)分能源消費(fèi)量》[5],先用MacrosoftExcel2003計(jì)算出直接消耗系數(shù)矩陣A,再用MatlabR2009a計(jì)算出完全需求系數(shù)矩陣(I-A)-1.

1.2.3 間接碳排放系數(shù)di的求解 由于商品的生產(chǎn)價(jià)格,是由部門平均生產(chǎn)成本和社會(huì)平均利潤構(gòu)成的價(jià)格,是價(jià)值的轉(zhuǎn)化形式,生產(chǎn)價(jià)格形成后,市場價(jià)格將圍繞生產(chǎn)價(jià)格而上下波動(dòng),因此可以近似地認(rèn)為,居民購買某種商品時(shí)實(shí)際支付的價(jià)格等于這種商品的生產(chǎn)價(jià)格,進(jìn)而可以認(rèn)為,居民消費(fèi)某個(gè)部門單位價(jià)值產(chǎn)品引起的碳排放等于這個(gè)部門生產(chǎn)單位價(jià)值產(chǎn)品引起的碳排放.間接碳排放系數(shù)di是居民消費(fèi)單位價(jià)值產(chǎn)品引起的碳排放轉(zhuǎn)移到部門中的表現(xiàn)形式,因此,行向量X(I-A)-1中的元素即間接碳排放系數(shù).用MatlabR2009a計(jì)算出各部門生產(chǎn)單位價(jià)值產(chǎn)品引起的碳排放X(I-A)-1,得到間接碳排放系數(shù)di(表2).

2 個(gè)人碳排放計(jì)算器的設(shè)計(jì)

2.1個(gè)人碳排放的分類計(jì)算本研究從衣、食、住、行、用5個(gè)方面來計(jì)算碳排放,根據(jù)城市居民生活中容易產(chǎn)生碳排放的各種活動(dòng),分別對(duì)其進(jìn)行二、三級(jí)細(xì)分,歸類為15種不同的碳排放途徑,找出每種途徑碳排放的計(jì)算表達(dá)式(表3),根據(jù)物價(jià)局等提供的物價(jià)參數(shù),結(jié)合能源等物質(zhì)或材料物理屬性參數(shù),綜合考慮直接和間接碳排放系數(shù),確定變量單位,進(jìn)行量綱換算,簡化表達(dá)式(表4).

根據(jù)上述分類可以依次完成居民衣、食、住、行、用各方面的碳排放計(jì)算.例如,當(dāng)居民購買一件衣服時(shí),因?yàn)橐路怯杉徔?、服裝及皮革產(chǎn)品制造業(yè)(部門4)生產(chǎn)出來的,不涉及燃燒活動(dòng),所以只有間接碳排放,其值為間接碳排放系數(shù)d4乘以購買衣服時(shí)實(shí)際支付的價(jià)格R11;當(dāng)居民在一次做飯過程中使用天然氣作為能源,則此行為碳排放既包含燃燒天然氣過程中直接排放到大氣的二氧化碳(直接碳排放),又包含煉焦、燃?xì)饧笆图庸I(yè)(部門6)在生產(chǎn)這些天然氣過程中所投入的能源導(dǎo)致的在生產(chǎn)車間排放的二氧化碳(間接碳排放),間接碳排放系數(shù)d6與天然氣的市場價(jià)格j32之積為生產(chǎn)單位量的天然氣在生產(chǎn)車間排放的二氧化碳量,加上燃燒單位量的天然氣排放的二氧化碳量(直接碳排放系數(shù)k3),得到總碳排放系數(shù)(k3+d6*j32),將總碳排放系數(shù)(k3+d6*j32)乘以此次做飯過程中天然氣的使用量(V32*ρ3)即為總碳排放,其中,消耗的天然氣體積V32由天然氣計(jì)量表讀出,天然氣密度ρ3為0.717 4kg/m3.

2.2碳排放計(jì)算器界面的設(shè)計(jì)內(nèi)容上,按衣、食、住、行、用劃分為5大區(qū)塊(圖1).對(duì)于使用家用電器和選擇交通工具等碳排放較大的類別,則進(jìn)行細(xì)分.對(duì)于汽油車和電力車等發(fā)生頻率較高、個(gè)體差異較大的出行方式,則進(jìn)一步細(xì)分,并且將選擇的項(xiàng)目碳排放通過單擊小加號(hào)按鈕顯示在下面帶垂直滾動(dòng)條的列表框中,增強(qiáng)和提高碳排放計(jì)算器的操作靈活性和指導(dǎo)作用.碳排放報(bào)告內(nèi)容包括當(dāng)天生活碳排放總量及衣、食、住、行、用5個(gè)分類的碳排放.技術(shù)上,使用VisualStudio2010軟件開發(fā)工具,以Windows窗體應(yīng)用程序?yàn)槟０?采用VisualC++語言編程,新增兩個(gè)Windows窗體類,用于顯示碳排放報(bào)告和碳排放日志保存報(bào)告.

表3 碳排放計(jì)算表達(dá)式

表4 簡化后的碳排放計(jì)算表達(dá)式

2.3碳排放的匯總包括二級(jí)匯總:衣、食、住、行、用每個(gè)類別碳排放的匯總;衣、食、住、行、用5個(gè)類別碳排放的匯總(表5).其中,“住”類別中家用電器碳排放為S(i),i表示家用電器序列號(hào);“行”類別中交通工具碳排放分為汽油車碳排放和電力車碳排放,根據(jù)不同類別、類型等設(shè)定的默認(rèn)值分別計(jì)算碳排放,將當(dāng)天使用過的交通工具碳排放記為T(i),i表示交通工具序列號(hào).

圖1 碳排放計(jì)算器主界面

表5 碳排放匯總公式

3 實(shí)證分析

根據(jù)碳排放計(jì)算器設(shè)置的輸入項(xiàng)目,從衣、食、住、行、用5大方面分別設(shè)置1～3個(gè)問題,在“問卷星”網(wǎng)站上發(fā)布調(diào)查問卷,從后臺(tái)將調(diào)查結(jié)果以Excel的形式下載到本地電腦.根據(jù)問卷內(nèi)容,對(duì)不同問題的不同選項(xiàng)分別進(jìn)行碳排放的合理量化,將處理后的結(jié)果用碳排放計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算,得到單項(xiàng)碳排放.用Macrosoft Excel 2003對(duì)收集到的98份答卷進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),得到人均每天碳排放為18.424 82 kg,其中衣2.772 25 kg,食11.139 35 kg,住2.051 22 kg,行2.455 57 kg,用0.006 43 kg,并按5大分類碳排放所占的比例繪制餅狀圖(圖2).

圖2 碳排放所占比例餅狀圖

由圖2可以看出,在城市居民日常生活中,由“食”引起的碳排放在五大分類中占60.46%,是日常生活碳排放的主要來源.“食”作為民生的支柱,每人每天都需要消費(fèi)大量食物,而這些食物從生產(chǎn)到食用前,在農(nóng)林牧漁業(yè)、食品加工業(yè)、餐飲業(yè)等多個(gè)部門間轉(zhuǎn)移,途徑加工、運(yùn)輸、銷售等多個(gè)環(huán)節(jié),承載著大量的間接碳排放.因此合理規(guī)劃飲食、減少浪費(fèi)是減少碳排放的重要途徑.

圖3 某人連續(xù)30天碳排放與人均每天碳排放的比較

某人在月初使用私家車上下班,經(jīng)常乘坐電梯,經(jīng)常使用一次性餐具,逛超市經(jīng)常購買塑料袋,經(jīng)常參加聚會(huì),周末在家空調(diào)幾乎全天開著,外出時(shí)經(jīng)常不記得關(guān)電燈,電腦經(jīng)常處于待機(jī)狀態(tài),在當(dāng)月14日乘坐飛機(jī)出差,參加了一次關(guān)于碳排放的會(huì)議,回來后改用電動(dòng)自行車上下班.根據(jù)此人用碳排放計(jì)算器記錄的連續(xù)30天碳排放,繪制折線圖(圖3),計(jì)算出前半個(gè)月和后半個(gè)月的日均碳排放,分別為93.803 9 kg和30.613 2 kg.

由圖3可以看出,此人后半個(gè)月的生活碳排放與前半個(gè)月的生活碳排放有明顯的差別,并且月末碳排放基本上降到人均每天碳排放的水平.通過改變生活方式,此人每年可以減少23 t二氧化碳的排放,要減少到最高安全限值(1987年:678.5 mg/m3),在中國需要約2億與此人生活方式類似的人花費(fèi)1年時(shí)間來減排.

4 結(jié)語

本研究嘗試開發(fā)了一個(gè)簡便易行的碳排放計(jì)算器.該計(jì)算器不但能夠快速地計(jì)算出個(gè)人每天的碳排放,對(duì)個(gè)人節(jié)能減排進(jìn)行監(jiān)督指導(dǎo),而且可結(jié)合個(gè)人日常生活消費(fèi)的抽樣調(diào)查,對(duì)特定城市居民生活碳排放的人均量和總量進(jìn)行估計(jì).基于該碳排放計(jì)算器,還可以對(duì)城市居民生活碳排放的相關(guān)問題進(jìn)行深度分析.例如,通過問卷調(diào)查和碳排放計(jì)算器的計(jì)算分析,本文發(fā)現(xiàn)在衣、食、住、行、用5個(gè)方面中,由“食”引起的碳排放所占的比例最高.這一結(jié)果有些出乎意料,但由于“食”尤其是“葷食”產(chǎn)生的間接碳排放相對(duì)較高,所以結(jié)果是合理的.

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(責(zé)任編輯 游俊)

Quantification of carbon emissions from the lives of urban residents in China:design and application of an individual’s carbon emissions calculator

QIN Yun,ZHAO Liya,XU Feng,HUANG Yunxin

(School of Resource and Environmental Science, Hubei University, Wuhan 430062, China)

Based on the IPCC guidelines for greenhouse gas inventories and the input-output tables, this article derived the coefficients of direct and indirect carbon emissions as well as quantitative formula by which carbon emissions from individual urban residents were computed. Using Visual Studio software development tools, a carbon calculator was developed which was independent of any specific computer operating systems such as Windows XP, Win 7. Using the calculator together with sampling survey data, the consumption pattern of urban residents was analyzed, and daily per capital carbon emissions was calculated. The calculator was applied to a case study of individual carbon emission as to illustrate how the calculator could be used for guiding individuals to reduce carbon emissions.

carbon emission; carbon footprint; low-carbon life style; global warming

2013-09-05

國家科技專項(xiàng)(2014ZX08012004)資助

秦云(1990-)，女，本科生；黃運(yùn)新，通信作者，教授，E-mail：y.huang@hubu.edu.cn

1000-2375(2014)04-0375-06

X24

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2014.04.018