洪競(jìng)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(jìng)科1*,李沅潮1,郭偲悅2

(1.重慶大學(xué)管理科學(xué)與房地產(chǎn)學(xué)院,重慶 400044；2.清華大學(xué)能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所,北京 100084)

從社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的角度出發(fā),創(chuàng)新性地構(gòu)建包含中國(guó)終端部門(mén)的新型綜合評(píng)估模型—RICE-LEAP模型,并通過(guò)情景設(shè)置動(dòng)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(guó)碳排放總量的額外累計(jì)減排量將達(dá)到129.74Gt CO2,而建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放的額外累計(jì)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(gè)動(dòng)態(tài)情景下,建筑物化碳排放的下降速率均快于建筑運(yùn)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(mén)的脫碳進(jìn)程,在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰過(guò)程中具有先發(fā)優(yōu)勢(shì).④現(xiàn)階段,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈能耗仍以煤炭消費(fèi)為主,但煤炭的消費(fèi)占比在3個(gè)動(dòng)態(tài)情景中均呈現(xiàn)出不同程度的下降,而電力的消費(fèi)占比則呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì).

建筑碳排放；情景分析；RICE-LEAP模型；全產(chǎn)業(yè)鏈

中國(guó)作為全球最大的碳排放國(guó)家與全球第二大經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰[1].建筑運(yùn)行碳排放約占中國(guó)碳排放總量的21.60%,且隨著生活質(zhì)量提高,建筑運(yùn)行碳排放將持續(xù)剛性增長(zhǎng)[2].如果考慮建造階段的CO2排放,中國(guó)建筑部門(mén)能源消費(fèi)所導(dǎo)致CO2排放份額將接近50.60%,合計(jì)4.99Gt CO2[3].此外,建筑部門(mén)具有巨大的減排潛力.中國(guó)石油經(jīng)濟(jì)研究院預(yù)測(cè),全球三大排放部門(mén)中建筑部門(mén)的節(jié)能潛力位居首位,高達(dá)47.30%[4].研究表明,到2050年,建筑部門(mén)預(yù)計(jì)將為實(shí)現(xiàn)中國(guó)碳排放盡早達(dá)峰貢獻(xiàn)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(jì)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),這些研究為估算國(guó)家或地區(qū)的建筑能源消費(fèi)及CO2排放,以制定“成本-有效性”的政策提供了科學(xué)的視角.

現(xiàn)有研究主要從自上而下和自下而上兩個(gè)視角開(kāi)展對(duì)建筑碳排放的研究.具體來(lái)說(shuō),自上而下的研究側(cè)重于從宏觀角度,基于環(huán)境經(jīng)濟(jì)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(yīng)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(duì)象涵蓋公共建筑、居住建筑以及整個(gè)建筑領(lǐng)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(mén)未來(lái)的排放軌跡、技術(shù)路徑和減排成本.而綜合評(píng)估模型(IAMs)是該類研究重點(diǎn)采用的方法,包括采用LEAP模型、CAS模型以及TIMES模型等對(duì)中國(guó)建筑部門(mén)能源消費(fèi)與碳排放趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),并通過(guò)情景推演評(píng)估不同節(jié)能減排政策下的能源消費(fèi)與碳排放的變化趨勢(shì)[10-12].部分研究則在原有模型基礎(chǔ)上進(jìn)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(wù)需求等技術(shù)細(xì)節(jié)的建筑能源模型,并將其嵌套在GCAM模型中,以探索中國(guó)建筑能源需求的發(fā)展路徑[13].

總的來(lái)說(shuō),現(xiàn)有研究多采用自下而上式模型來(lái)探究建筑領(lǐng)域能源消費(fèi)與碳排放趨勢(shì),缺乏從自上而下的宏觀視角解析建筑碳排放與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展間的動(dòng)態(tài)關(guān)系.此外,現(xiàn)有對(duì)建筑碳排放趨勢(shì)預(yù)測(cè)的研究均聚焦于建筑運(yùn)行階段,忽視了建筑物化階段,包括建筑材料的挖掘、運(yùn)輸、加工到現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)碳排放的重要貢獻(xiàn).實(shí)際上隨著裝配式建筑及低碳建造模式的廣泛應(yīng)用,建筑碳排放在全產(chǎn)業(yè)鏈的重心有前移的趨勢(shì).本文通過(guò)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(píng)估模型—RICE- LEAP模型,并從建筑物化生產(chǎn)和運(yùn)行使用的全產(chǎn)業(yè)鏈視角出發(fā),動(dòng)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(guò)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(yù)測(cè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、能源消費(fèi)和氣候變化的動(dòng)態(tài)演進(jìn)過(guò)程,從宏觀層面探究建筑部門(mén)的CO2排放趨勢(shì);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(yùn)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(shì)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(chǔ),通過(guò)將進(jìn)出口變量納入考量,以實(shí)現(xiàn)從自上而下的視角對(duì)特定國(guó)家或地區(qū)的碳排放及全球氣候變化進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析[15].LEAP 模型可同時(shí)將資源稟賦、能源價(jià)格及投資等要素納入模型框架,從自下而上的視角對(duì)特定國(guó)家或地區(qū)能源加工轉(zhuǎn)換和終端需求引起的能源消費(fèi)及碳排放作出預(yù)測(cè)[16].RICE-LEAP模型是通過(guò)耦合RICE模型和LEAP模型,構(gòu)建出的一種新型綜合評(píng)估模型,涵蓋中國(guó)能源消費(fèi)的終端部門(mén),并可對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、能源消費(fèi)、氣候變化的全過(guò)程進(jìn)行完整的仿真模擬[17].RICE-LEAP模型的計(jì)算機(jī)理為:由TFP(技術(shù)進(jìn)步)、L(人口規(guī)模)和資本存量等要素來(lái)表征總產(chǎn)出,并通過(guò)投資、消費(fèi)和進(jìn)出口等社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)描述經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)過(guò)程,同時(shí)基于中國(guó)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(qiáng)度和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)等能夠表征未來(lái)建筑規(guī)模及技術(shù)發(fā)展水平的指標(biāo),對(duì)能源消費(fèi)終端部門(mén)的活動(dòng)水平和能源強(qiáng)度進(jìn)行描述和設(shè)置,以通過(guò)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(biāo),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)跨期社會(huì)福利最大化.RICE-LEAP模型是以2020年為基準(zhǔn)年,展望到2050年.

在RICE-LEAP的基礎(chǔ)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行碳排放是指建筑運(yùn)行使用階段能源消費(fèi)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(duì)應(yīng)RICE-LEAP模型中的商業(yè)及服務(wù)業(yè)、城鎮(zhèn)居民和農(nóng)村居民等終端部門(mén)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(huì)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(dòng)將從需求側(cè)影響建筑規(guī)模,從而影響建筑運(yùn)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(guò)降低建筑材料生產(chǎn)制造過(guò)程的碳排放實(shí)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(fèi)結(jié)構(gòu)升級(jí)還可以通過(guò)綠色電力供應(yīng)實(shí)現(xiàn)建筑運(yùn)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(mén)實(shí)現(xiàn)碳中和的重要技術(shù)手段.

1.2 計(jì)算方法

使用EIO-LCA模型(經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出生命周期評(píng)價(jià)模型)計(jì)算建筑物化碳排放.EIO-LCA模型是由Hendrickson等[18]在美國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家Leontief的研究基礎(chǔ)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(fèi)終端部門(mén)的物化碳排放矩陣,b為中元素(為產(chǎn)品生產(chǎn)或服務(wù)提供部門(mén)的序列號(hào),為產(chǎn)品或服務(wù)部門(mén)的序列號(hào),1,2,…,,=1,2,…,,為終端部門(mén)數(shù),本研究中).的行向量之和表示終端部門(mén)在產(chǎn)品生產(chǎn)或服務(wù)提供過(guò)程中的碳排放量,列向量之和表示終端部門(mén)在生產(chǎn)中因使用終端部門(mén)的產(chǎn)品或服務(wù)產(chǎn)生的物化碳排放(矩陣由5個(gè)終端部門(mén)的物化碳排放構(gòu)成,為5×5的行列式).為對(duì)角矩陣,對(duì)角線元素為R,表示各終端部門(mén)的直接碳排放強(qiáng)度(-A)-1為列昂惕夫逆矩陣,表示經(jīng)濟(jì)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(guó)內(nèi)投入部分的直接消耗系數(shù)矩陣,Y為對(duì)角矩陣,表示剔除進(jìn)口部分的最終需求量.對(duì)角線元素Y表示終端部門(mén)產(chǎn)品或服務(wù)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(duì)應(yīng)RICE-LEAP模型中建筑業(yè)終端部門(mén)的碳排放.同時(shí),本研究將RICE-LEAP模型中預(yù)測(cè)得到的商業(yè)及服務(wù)業(yè)、城鎮(zhèn)居民生活和農(nóng)村居民生活這3個(gè)終端部門(mén)的碳排放之和作為建筑運(yùn)行碳排放(BFC,Gt CO2):

式中:BSC(Gt CO2)為商業(yè)及服務(wù)業(yè)消費(fèi)第種能源產(chǎn)生的CO2;UC(Gt CO2)為城鎮(zhèn)居民生活消費(fèi)第種能源產(chǎn)生的CO2;RC(Gt CO2)為農(nóng)村居民生活消費(fèi)第種能源產(chǎn)生的CO2.本文遵循《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》中能源平衡表的統(tǒng)計(jì)口徑,重點(diǎn)關(guān)注煤、油品、天然氣、熱力和電力等5種二次能源,計(jì)算終端能源消費(fèi)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(guān)鍵參數(shù)取值

RICE-LEAP模型是一種跨期的動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型,模型程序主要通過(guò)GAMS編程實(shí)現(xiàn),借助其內(nèi)置CONOPT求解器的非線性規(guī)劃算法(NLP)進(jìn)行求解.社會(huì)、經(jīng)濟(jì)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(fèi)、凈出口等歷史階段的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),主要來(lái)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》[19]、《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》[20]和《中國(guó)建筑能耗與碳排放數(shù)據(jù)庫(kù)》[21];產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)主要參考《中國(guó)碳排放:盡早達(dá)峰》[22]和《中國(guó)實(shí)現(xiàn)全球1.5℃目標(biāo)下的能源排放情景研究》[23];人口假設(shè)主要參考Chen等[24]的最新研究成果;城鎮(zhèn)化水平假設(shè)依據(jù)《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014～2020 年)》[25]和發(fā)達(dá)國(guó)家城鎮(zhèn)化水平確定;建筑規(guī)模假設(shè)主要參考《中國(guó)低碳建筑情景和政策路線圖研究》[26]、《中國(guó)民用建筑能耗總量控制策略》[27]和《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告》[28];模型包含的能源強(qiáng)度和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)等發(fā)展情況主要參考政府、行業(yè)協(xié)會(huì)、權(quán)威國(guó)際機(jī)構(gòu)的相關(guān)報(bào)告、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及相關(guān)文獻(xiàn)研究,譬如《世界能源展望:中國(guó)特別報(bào)告》[30]和《中國(guó)中長(zhǎng)期低碳發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)路徑研究》[31]等.由于時(shí)間間隔由5年轉(zhuǎn)變?yōu)?年,本文在此對(duì)環(huán)境系統(tǒng)中碳循環(huán)和熱傳導(dǎo)過(guò)程的相關(guān)參數(shù)參照文獻(xiàn)[32]進(jìn)行了更新.國(guó)外模塊的相關(guān)參數(shù)參照文獻(xiàn)[33-34].

表1 各終端部門(mén)直接碳排放系數(shù)衛(wèi)星矩陣(t CO2/萬(wàn)美元)

表2 各終端部門(mén)對(duì)建筑物化碳排放的投入比例(%)

同時(shí),通過(guò)對(duì)2000～2017年間投入產(chǎn)出表進(jìn)行合并和整理,可得到終端部門(mén)的直接碳排放系數(shù)衛(wèi)星矩陣(表1),在此基礎(chǔ)上采用EIO-LCA模型計(jì)算2000～2017年各終端部門(mén)對(duì)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(mén)對(duì)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(jì)算未來(lái)不同終端部門(mén)對(duì)建筑物化碳排放的貢獻(xiàn)水平,為預(yù)測(cè)中國(guó)未來(lái)建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放提供數(shù)據(jù)支撐.

2.2 情景設(shè)置

設(shè)定參考情景、2℃情景和1.5℃情景,模擬不同情景下未來(lái)建筑部門(mén)能源消費(fèi)和碳排放趨勢(shì),并以此為依據(jù)來(lái)設(shè)定不同情景下的相關(guān)參數(shù)(表3).

(1)參考情景:以2015年中國(guó)在《巴黎協(xié)定》下提出的國(guó)家自主貢獻(xiàn)(NDC)目標(biāo)、行動(dòng)計(jì)劃和相關(guān)政策為基礎(chǔ),以2021年發(fā)布的《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第14個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》為補(bǔ)充,確定產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城鎮(zhèn)化水平、能源強(qiáng)度和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)等各項(xiàng)指標(biāo).該情景是強(qiáng)化政策支撐、適應(yīng)《巴黎協(xié)定》下中國(guó)強(qiáng)化和更新NDC目標(biāo)和行動(dòng)要求的情景.

(2)2℃情景:以實(shí)現(xiàn)全球2℃溫升控制目標(biāo)為導(dǎo)向,采取強(qiáng)化減排措施,努力到2050年累積碳排放量滿足2℃目標(biāo)下的中國(guó)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(fèi)結(jié)構(gòu)將得到優(yōu)化,并要求在宏觀經(jīng)濟(jì)政策、能源規(guī)劃和氣候政策等方面有重大舉措,以促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的互進(jìn)共驅(qū).

表3 不同情景下的相關(guān)參數(shù)設(shè)置

注:*基準(zhǔn)年中,農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)和商業(yè)及服務(wù)業(yè)等終端部門(mén)能源強(qiáng)度單位為t標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)美元;而城鎮(zhèn)居民和農(nóng)村居民等終端部門(mén)的能源強(qiáng)度單位為kg標(biāo)準(zhǔn)煤/m2.

(3)1.5℃情景:以實(shí)現(xiàn)全球1.5℃溫升控制目標(biāo)為導(dǎo)向,規(guī)模化、專業(yè)化開(kāi)展減緩行動(dòng),采用更為激進(jìn)的政策和支持方案,以實(shí)現(xiàn)我國(guó)CO2大幅度減排,到21世紀(jì)中葉努力實(shí)現(xiàn)CO2及其他溫室氣體深度減排的目標(biāo)[37-38].該情景需要在2℃情景的基礎(chǔ)上,進(jìn)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(yīng),實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)方式到生活方式的全面低碳轉(zhuǎn)型.同時(shí)通過(guò)新型低碳能源技術(shù)、終端部門(mén)電氣化和負(fù)排放技術(shù)的廣泛應(yīng)用對(duì)能源密集型行業(yè)進(jìn)行深度脫碳,打造中高級(jí)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)CO2排放總量和強(qiáng)度“雙控”目標(biāo).

3 結(jié)果與分析

3.1 中國(guó)碳排放總量及建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放趨勢(shì)

圖2 中國(guó)碳排放總量與建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放趨勢(shì)

BWC表示建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放, TC表示中國(guó)碳排放總量

在參考情景下,中國(guó)將于2030年左右實(shí)現(xiàn)碳達(dá)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(dá)峰,對(duì)應(yīng)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(guó)碳排放總量的比例最高可達(dá)46.49%,并始終保持在42.00%以上,這也進(jìn)一步證實(shí)了建筑全產(chǎn)業(yè)鏈深度脫碳對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要意義.與參考情景相比,2020～2050年,2℃情景下中國(guó)碳排放總量的額外累計(jì)減排量為84.96Gt CO2,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放的額外累計(jì)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(guó)碳排放總量的額外累計(jì)減排量可達(dá)129.74Gt CO2,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放的額外累計(jì)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(jì)減排量為24.99Gt CO2,占比19.26%,建筑運(yùn)行碳排放的額外累計(jì)減排量為32.46Gt CO2,占比25.02%.因此,可以看出建筑部門(mén)具有較高的減排潛力,應(yīng)把建筑部門(mén)作為推動(dòng)中國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重點(diǎn)領(lǐng)域,限制其上下游高耗能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,并有序推進(jìn)建設(shè)模式的轉(zhuǎn)變,大力實(shí)施以裝配式建筑為手段的低碳建造模式.同時(shí),大力推廣低碳供暖、建筑電氣化技術(shù)對(duì)于達(dá)成建筑全產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)能共識(shí),實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)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(yùn)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(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)和人民生活質(zhì)量的不斷改善,建筑運(yùn)行能源服務(wù)需求和能源消費(fèi)總量快速增長(zhǎng),將成為中國(guó)能源消費(fèi)的重要增長(zhǎng)來(lái)源.因此,即便在參考情景下中國(guó)碳排放總量將于2030年左右達(dá)峰,但建筑運(yùn)行碳排放仍將持續(xù)增長(zhǎng),將于2035年左右到達(dá)拐點(diǎn).工業(yè)部門(mén)則將通過(guò)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí),于2025年左右快速實(shí)現(xiàn)達(dá)峰[39].在工業(yè)部門(mén)的率先達(dá)峰作用下,建筑物化碳排放將于2027年實(shí)現(xiàn)達(dá)峰.從圖3可以看出,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放達(dá)峰時(shí)間仍遲于中國(guó)碳排放總量達(dá)峰時(shí)間.因此,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放盡快達(dá)峰對(duì)于中國(guó)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化NDC目標(biāo)和“雙碳”目標(biāo)至關(guān)重要.2℃情景與1.5℃情景的模擬結(jié)果同時(shí)表明,在嚴(yán)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(yùn)行碳排放,均能在2020年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰.因此,只有實(shí)施更加嚴(yán)格的減排政策,才能保證建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放盡早達(dá)峰.進(jìn)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(jiān)階段.同時(shí)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(yùn)行碳排放的減排潛力最大值將出現(xiàn)在2040年左右.實(shí)際上,減排潛力是前序所有減排措施在時(shí)間序列下累積效應(yīng)的體現(xiàn),在一定程度上反映了建筑部門(mén)未來(lái)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(yīng)用推廣,在2020～2035年間具有較強(qiáng)的累積減排效應(yīng),是建筑部門(mén)的減排重點(diǎn),而運(yùn)行階段的深度減排,包括建筑電氣化等技術(shù)的應(yīng)用是建筑部門(mén)后半程(2035～2050年)減排發(fā)力的關(guān)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(dá)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(shì).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(yuǎn)低于參考情景下的0.14Gt CO2.值得注意的是,考察期內(nèi)3個(gè)動(dòng)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(shí)也證實(shí)了建筑業(yè)的資源密集性特征[22].未來(lái)建筑部門(mén)減排除了考慮傳統(tǒng)的建筑運(yùn)行碳排放,更需要加強(qiáng)對(duì)物化碳排放的控制.

圖4 建筑物化碳排放和建筑運(yùn)行碳排放趨勢(shì)

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(yùn)行碳排放

在參考情景下,建筑物化碳排放和建筑運(yùn)行碳排放均會(huì)出現(xiàn)排放峰值,建筑物化碳排放將于2027年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,對(duì)應(yīng)的峰值水平為2.24Gt CO2,而建筑運(yùn)行碳排放將于2033年左右實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,對(duì)應(yīng)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(yùn)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(yùn)行碳排放將進(jìn)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(gè)動(dòng)態(tài)情景下,建筑物化碳排放的下降速率均快于建筑運(yùn)行碳排放.這是由于建筑物化碳排放主要來(lái)源于工業(yè)等終端部門(mén),將實(shí)現(xiàn)率先達(dá)峰.而建筑運(yùn)行碳排放則以商業(yè)及服務(wù)業(yè)、城鎮(zhèn)居民生活消費(fèi)和農(nóng)村居民生活消費(fèi)為主,受限于中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)和人民生活質(zhì)量的不斷提高,其能源服務(wù)需求仍將持續(xù)剛性增長(zhǎng).

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(fèi)為主,但煤炭的消費(fèi)占比在3個(gè)動(dòng)態(tài)情景中均呈現(xiàn)出不同程度的下降,而電力的消費(fèi)占比則呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)(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(fèi)占比由2020年的32.78%下降至2050年的14.90%,而電力的消費(fèi)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)?；瘧?yīng)用和建筑與電力部門(mén)脫碳進(jìn)程協(xié)同等政策的大力推行,1.5℃情景下電力的消費(fèi)占比將進(jìn)一步提高,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈能耗中電力的消費(fèi)占比將于2050年達(dá)到64.86%.建筑物化能耗和建筑運(yùn)行能耗的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)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(fèi)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(fèi)份額將進(jìn)一步控制在18.28%.而參考情景下建筑運(yùn)行能耗中煤炭的消費(fèi)占比由2020年的26.52%下降至2050年的7.64%,電力的消費(fèi)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(fèi)占比將進(jìn)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)1.5℃溫升控制的關(guān)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(yùn)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(mén)凈零排放為最終目標(biāo),如果直接基于2050年的參數(shù)估算2050～2060年間中國(guó)建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放的發(fā)展趨勢(shì),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(shí)現(xiàn)2060碳中和目標(biāo)(2059年凈零排放),而2℃情景和參考情景下實(shí)現(xiàn)凈零排放的時(shí)間分別為2064年和2075年.從建筑全產(chǎn)業(yè)鏈的排放階段來(lái)看,運(yùn)行階段的碳排放能更早實(shí)現(xiàn)碳中和,其在2℃情景下的碳中和時(shí)間為2062年,1.5℃情景下的碳中和時(shí)間將進(jìn)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(shí)現(xiàn)碳中和.可見(jiàn),建筑部門(mén)要實(shí)現(xiàn)2060年凈零排放目標(biāo)仍面臨較大挑戰(zhàn),需要進(jìn)一步強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)步與政策支撐.建筑部門(mén)實(shí)現(xiàn)深度減排最主要的措施包括來(lái)自需求側(cè)的能源服務(wù)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(yùn)行碳排放較參考情景減少了71.50%和63.65%.因此,必須強(qiáng)化政策引導(dǎo),分階段實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo).在碳達(dá)峰階段,我國(guó)仍面臨較大的經(jīng)濟(jì)和人口增長(zhǎng)壓力.根據(jù)預(yù)測(cè)GDP年均增速將穩(wěn)定在4.79%,為實(shí)現(xiàn)第2個(gè)百年奮斗目標(biāo)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).人口也將在2030年前后達(dá)到峰值[24],人均建筑面積將增加到38.75m2[26],基本達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家水平.從供給側(cè)看,新建建筑面積仍面臨較大增長(zhǎng)壓力.因此,該階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)側(cè)重于兼顧我國(guó)居民生活水平增長(zhǎng)的剛性需求前提下,實(shí)現(xiàn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革.本研究結(jié)果也證實(shí)物化階段在碳達(dá)峰前具有更高的減排潛力,對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈上游工業(yè)脫碳進(jìn)程的高度依賴將助力建筑物化階段實(shí)現(xiàn)更快的減排速率.在碳中和階段,我國(guó)已基本實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)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(lǐng)域的減排重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)從需求側(cè)注重對(duì)居民生活方式和行為模式的引導(dǎo),推進(jìn)綠色用能方式.能源系統(tǒng)深度轉(zhuǎn)型則在于提升社會(huì)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(shí),2060年的凈零排放目標(biāo)也意味著天然氣作為化石能源之一也需要實(shí)現(xiàn)清零.而本研究中,不同情景下天然氣的消費(fèi)占比趨勢(shì)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(mén)發(fā)展路徑時(shí),需要著重考慮天然氣的發(fā)展規(guī)模與適時(shí)退役問(wèn)題,以確保凈零排放如期實(shí)現(xiàn).

如果考慮部分排放可以依靠碳匯或負(fù)排放技術(shù)抵消實(shí)現(xiàn)中和,則對(duì)建筑部門(mén)的減排需求會(huì)略有下降.通過(guò)政策激勵(lì)促使建筑業(yè)主增加在碳匯、負(fù)排放技術(shù)等方面的投入,也可以作為未來(lái)建筑部門(mén)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(guó)碳排放總量的額外累計(jì)減排量將達(dá)到129.74Gt CO2,而建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放的額外累計(jì)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(gè)動(dòng)態(tài)情景下,建筑物化碳排放的下降速率均快于建筑運(yùn)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(mén)的脫碳進(jìn)程,在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰過(guò)程中具有先發(fā)優(yōu)勢(shì).④現(xiàn)階段,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈能耗仍以煤炭消費(fèi)為主,但煤炭的消費(fèi)占比在3個(gè)動(dòng)態(tài)情景中均呈現(xiàn)出不同程度的下降,而電力的消費(fèi)占比則呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì).以參考情景為例,建筑全產(chǎn)業(yè)鏈能耗中煤炭的消費(fèi)占比由2020年的32.78%下降至2050年的14.90%,而電力的消費(fèi)占比將由2020年的31.00%上升至41.72%.

鑒于此,中國(guó)應(yīng)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(diǎn),主要包括:①協(xié)同經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、能源消費(fèi)、氣候變化的演進(jìn)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(duì)建筑碳排放進(jìn)行獨(dú)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(shí)現(xiàn)建筑物化碳排放和建筑運(yùn)行碳排放的雙減排.②強(qiáng)化政策導(dǎo)向,實(shí)行CO2排放總量和強(qiáng)度“雙控”,明確建筑規(guī)模約束目標(biāo),明確工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)等終端部門(mén)直接碳排放的總量目標(biāo).考察期內(nèi)的建筑全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放占中國(guó)碳排放總量可達(dá)46.49%,其波動(dòng)對(duì)中國(guó)碳排放總量有至關(guān)重要的影響.從源頭上控制總量需求,是未來(lái)中國(guó)碳排放總量控制的工作重點(diǎn).③加快改善建筑業(yè)“表觀低碳、隱含高碳”的屬性,有序推進(jìn)建設(shè)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(lái)全產(chǎn)業(yè)鏈建筑碳排放總量的控制重點(diǎn).因此,有序推進(jìn)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(shí)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(mén)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(fèi)結(jié)構(gòu),因此,必須大力調(diào)整終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),提高終端部門(mén)電氣化技術(shù)水平.

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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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(72071022);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71801023);重慶市青年拔尖人才特殊支持計(jì)劃項(xiàng)目(T04010013)

*責(zé)任作者, 教授, hongjingke@cqu.edu

洪競(jìng)科(1986-),男,四川成都人,教授,博士,主要研究方向?yàn)閰^(qū)域可持續(xù)建設(shè)、數(shù)字碳中和等.發(fā)表論文40余篇.