基于STIRPAT模型的民用建筑碳排放影响机理分析及预测研究

徐坚　张蓝天　钱宇佳

摘要：在“碳中和碳达峰”目标下，碳减排工作要“因地制宜，统筹兼顾”。不同地区经济发展及资源禀赋有差异，以云南省为例，基于能源平衡表的建筑能耗拆分模型，测算2011年-2020年云南民用建筑碳排放量，基于STIRPAT模型，采用岭回归从人口、经济、技术三方面探究云南民用建筑碳排放的影响机理，根据云南省发展目标预测中短期的民用建筑碳排放量，最后总结碳减排策略。结果表明：影响云南民用建筑碳排放的主要因素按影响程度为人均可支配收入>常住人口城镇化率>能源强度>第三产业增加值，2025年云南民用建筑碳排放量较2020年预计增长1.2倍。

关键词：民用建筑碳排放；影响因素；STIRPAT模型；云南省

中图分类号：X22 文献标志码：A

前言

面对全球气候变化问题，为采取更有力措施，中国连续发布政策文件对“双碳”工作做出部署，指出要“因地制宦，统筹兼顾”，根据地方发展现状和目标针对性的制定各行业碳减排方案，能更好的促进低碳发展。

建筑业作为城市能源消耗的三大主体之一，与其他行业碳排放相关性巨大，在发展过程中出现高能耗导致碳排放量持续攀升。为促进建筑业可持续发展，目前学者关注到建筑碳排放的影响因素，但是研究多针对整个行业的碳排放影响因素，较少以民用建筑碳排放为对象分析影响肌理。民用建筑占所有建筑比例大，能耗大，且与城市化发展有较强的关联性，因此有必要对民用建筑能耗及碳排放展开研究，探索碳减排策略。

目前对于民用建筑碳排放影响因素的研究，越来越多学者考虑到要因地制宜提出碳减排策略，对省域、市域层面也展开了研究，但是大多以中东部经济发达地区为对象。西部欠发达地区生态基础较好但又需加快城市化、工业化进程，民用建筑碳减排策略有别于经济发达地区。基于此，以自然生态良好但又欠发达的云南省为研究对象，深入探讨民用建筑碳排放的影响机理、预测未来碳排放量，旨在探讨云南民用建筑碳中和解决方案的同时为其他欠发达地区碳中和开展提供参考。

1 研究区域介绍

云南省自2010年被批准为中国首批低碳试点省份，作为生态文明建设排头兵，绿色能源、碳汇资源较为丰富。据统计，云南省人均碳排放水平仅为中国人均碳排放的一半，进一步说明云南省低碳发展潜力较大，具有较好的实现碳中和的基础条件。但是，“后发展”和“欠发达”是云南的基本省情，经济社会发展不充分、不平衡问题较为突出。作为面向南亚东南亚辐射中心，云南省绿色低碳发展任重道远。

基于能源平衡表，根据《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366-2019）中的计算边界计算云南省建筑全生命周期碳排放，结果显示建筑运行阶段占建筑业全生命周期碳排放量44.2%，建筑运行碳减排工作面临严峻挑战。而民用建筑与居民生活息息相关，民用建筑碳排放作为建筑运行碳排放主要来源，随着城市化进程加快，在碳排放总量中所占比重日益增加。据统计，目前云南省人均建筑面积高于全国平均水平，云南省民用建筑碳排放必须引起重视。

2 云南民用建筑碳排放现状分析

2.1 民用建筑碳排放量计算

范圍界定：根据现有研究成果，对民用建筑的全生命周期碳排放量进行了核算，认为运行阶段碳排放量大约占建筑物全生命周期碳排放量的80%以上，此外，建筑的使用时间占整个建筑寿命期的90%以上。因此，文章以狭义的建筑碳排放为对象——建筑运行阶段碳排放。

针对民用建筑能耗及碳排放，由于中国现行能源统计模式以三大产业为主，没有单列建筑能耗，为民用建筑碳排放计算带来了不便，学者对民用建筑能耗及碳排放的计算方法展开了丰富研究，但是基于统计年鉴和抽样调查统计数据计算结果的准确性有待验证。蔡伟光等总结了从能源平衡表收集建筑能源消耗数据所面临的问题，经过对能源平衡表中各项数据的来源与口径研究，提出了以能源平衡表作为依据的建筑能耗拆分模型，并验证了其适用于省级民用建筑能耗的测算。

因此，文章基于能源平衡表的建筑能耗拆分模型，通过2010年-2020年《中国能源统计年鉴》中云南省能源平衡表计算云南民用建筑原煤、焦炭、天然气、电力等十一种能源的消耗量，采用计算碳排放最常用的IPCC碳排放因子法对云南民用建筑碳排放进行测算。为了确保研究数据的权威性和实时性，充分结合建筑业的特点，文章碳排放因子主要来源于《建筑碳排放计算标准》GB/T 51366-2019。

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

2.2 民用建筑碳排放特征分析

通过式（1）计算得到云南省2011年-2020年公共建筑、城镇住宅、乡村住宅的四大类能源碳排放量。从整体来看，如图1所示，民用建筑碳排放从2011年2468.78万吨增加到2020年的4270.78万吨，呈现上升趋势，但增速明显放缓。

对于不同民用建筑类型，公共建筑碳排放量占比最大，由于空调、电梯和照明等设备耗能巨大，并且普遍存在高能耗和低能效问题，其电力消耗碳排放量占主要且持续增多。乡村住宅中原煤及煤制品排放量大，是城市住宅的十几倍，由于煤价格较便宜，是乡村居民日常取暖的主要燃料。而城镇居民以碳排放较低的天然气、电力为主要能源，因此碳排放量占比较小。

从民用建筑主要能源类型碳排放看，如图2所示，电力碳排放量占云南民用建筑碳排放比例最大，即电力是云南民用建筑最主要的能源形式。各类燃料碳排放情况与云南省的能源资源条件和能源供应状况相吻合。随着云南省推动清洁能源消费转型，大力发展绿色能源，优化煤炭开发布局，煤制品的碳排放量逐年减少。由于云南存在“缺油少气”情况，因此油，气消耗量小，2014年后随着中缅原油管道和中石油云南炼油项目同步建成投产，油气使用量逐渐增加，碳排放量增加。

3 云南民用建筑碳排放的主要影响因素分析

3.1 民用建筑碳排放STIRPAT模型构建

目前关于碳排放宏观影响因素分析的模型方法主要有：IPAT系列识别模型、指数分解分析方法和结构分解分析方法，其中IPAT可以考虑多方面各因素的共同影响，并且可拓展性较强。STIRPAT模型是在IPAT模型基础上进行扩展的随机形式，是个多自变量的非线性模型，其优点是可以克服模型中各因素对环境改变结果一致的情况，以探索关键影响因素，已被多个学者用来构建碳排放影响机理分析模型。如WANG等利用改进的STIPRAT模型构建了理论分析框架，利用静态面板模型和空间动态面板模型揭示民用建筑碳排放的影响因素。

STIRPAT模型表达式为式（2）：

I=aP6AcTde 式（2）

式（2）中，I为环境因素；P为人口；A为富裕程度，即经济因素；T为技术；a为模型系数；b，c，d分别为对应驱动因素的影响指数；e为模型的误差。自引入以来，IPAT方程和STIRPAT模型已被广泛认可并应用于能源经济学、环境科学和许多相关领域。

此研究以STIRPAT模型的人口、经济、技术水平3个维度指标为基础，考虑到民用建筑碳排放具体特征，并从现有相关研究中寻找支持参考，构建STIRPAT扩展模型。（见表1）

对STIRPAT模型两端取对数，以消除模型产生的异方差。为了消除不同量纲造成的影响，对民用建筑碳排放量及其影响要素的指标数据进行标准化处理。选择云南民用建筑碳排放量作为控制变量，运用SPSS软件做偏相关分析，最终得到U、S、TI、EI四个因素的相关系数分别为0.982、0.983、0.978、-0.978，具有较好的相关性，因此4个因子可作为民用建筑碳排放影响因子，模型如式（3）：

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

式（3）中，β1-4为弹性系数，表示当第i项指标每变化1%时，将引起C的βil%变化。

3.2 模型多元回归分析

对STIRPAT模型式（3）通过SPSS软件进行多元回归分析，模型p=0.000，通过F检验，调整后R2为0.953，模型拟合度较高。但是计算结果中方差膨胀因子（VIF）远高于10，说明变量之间存在严重的共线性，因此不能根据普通最小二乘法拟合的结果进行判断。

3.3 基于岭回归方法的影响因素分析

为了解决模型变量间多重共线性的问题，采用岭回归方法，对模型进行回归分析，以损失部分信息为代价获得更适合的回归模型。利用SPSSAU数据分析平台中的岭回归函数对式（3）模型方程做拟合，岭迹图如图3所示，k值越小损失信息越少，当k=0.10时，岭迹图变化趋势逐渐平稳，故取k值为0.10。

如表2所示，模型R2为0.964，意味着InU，InS，InTI，InEI可以解释InC的96.4%变化原因，整体拟合高。模型p=0.001<0.05，通过F检验，因此，模型可以以反映云南民用建筑碳排放量与其影响因素之间的关系，具体形式如式（4）：

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

从岭回归的系数来看，影响云南民用建筑碳排放的主要因素按影响程度大小排序：人均可支配收入>常住人口城镇化率>能源强度>第三产业增加值，四个变量均通过了显著性检验。人均可支配收入、常住人口城镇化率、能源强度、第三产业增加值每增加1%，云南民用建筑碳排放量分别增加0.264%、0.246%、0.236%、0.214%。具体分析如下：

（1）人均可支配收入是导致云南民用建筑碳排放量增加的首要因素，这是由于人们对美好生活的向往，可支配收入提高使得人们对舒适度要求更高，伴随着对能源的绝对需求，而大多数居民尚未建立足够的绿色意识，导致民用建筑能耗增加。

（2）其次是人口城镇化。随着城镇化的进程不断加快，人们对于生活、居住空间的需求也越大，从而引发的民用建筑规模的增加，随之带来的后果是民用建筑碳排放的激增。

（3）能源强度对民用建筑碳排放的影响较小，由于云南民用建筑消费的主要能源形式为电力，而云南省电力资源丰富，风电、光伏等清洁可再生能源不断增长。云南省以此发挥自身优势，使得单位GDP能耗降低，但是由于人们对能源的需求快速增加，抵消了能源强度降低减少的碳排放量。

（4）第三产业增加值的影响明显但相对较小，根据配第一克拉克定理，城市化带来产业结构的优化，当人均收入进一步提高时，劳动力向第三产业转移，第三产业快速发展，带动公共建筑需求增加，进而导致碳排放增加。

4 云南民用建筑碳排放预测研究

4.1 模型预测能力检验

为检验模型的预测能力，将云南省2011年—2020年5个主要因素的实际值代入方程（4），经计算得出拟合数值与真实值结果如图4所示，拟合程度高，10年内拟合结果误差绝对值均在10%，平均误差率仅有2.77%，与实际情况基本吻合，说明该模型能够有效预测云南省未来15年的碳排放值。

4.2 碳排放预测及结果分析

在云南民用建筑现有碳排放影响因素数据基础上，基于上述分析所建立的STIRPAT模型，参考目前云南省“十四五规划”、各类专项规划及近十年的变化规律等预计的目标发展，对控制变量进行增长率设定，以预测2021年-2025年云南民用建筑碳排放量。

基于STIRPAT模型，将根据云南省“十四五”规划预测的各影响因素的数值代入式（4），计算得到2021年-2025年云南民用建筑碳排放预测值，2021年到2025年云南民用建筑碳排放量分別为4500.62、4671.99、4849.89、5034.56、5226.26。在云南省政府既定的目标下，预计年均增长率为3.81%，较“十三五”期间年均增长率（3.59%）有所增加，2025年云南民用建筑碳排放量达到了5226.26万吨，约为2020年排放量的1.2倍，增幅明显，可见云南民用建筑碳排放减排工作面临巨大挑战。

4.3 云南民用建筑减碳建议

针对云南民用建筑碳排放特征及影响因素的分析结果，提出相关建议如下：

（1）收入水平对民用建筑碳排放的影响最大，而第三产业增加值对碳排放的影响虽然较小，但是由于第三产业对公共建筑能耗影响大，且公共建筑碳排放占云南民用建筑碳排放比例最大。因此，在能源消费端，政府要大力宣传，通过政策消费引导，提高居民的低碳消费意识，构建绿色低碳生活方式。

（2）人口城镇化作为民用建筑碳排放的重要驱动力，应从国土空间规划、城乡建设各环节全面落实绿色低碳要求，合理规划，优化建筑布局，合理设定城镇建筑面积发展目标。

（3）电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优势，大力发展水电、风电、光伏等清洁可再生能源。探索建立太阳能光伏在城乡民用建筑中分布式、一体化应用的相关设计和应用标准，推进建筑太阳能光伏光热应用，以充分利用建筑空间减少建筑碳体及周边排放。

（4）能源强度是影响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。在生产端要提高节能技术水平，政府应积极建立民用建筑节能技术研究激励政策，实现民用建筑技术创新；在消费端要通过完善相关市场机制、政策补贴等手段，鼓励绿色节能技术在民用建筑中的应用，严控高能耗公共建筑建设；对于已有建筑，制定节能改造标准，推动民用建筑低碳节能改造，提高民用建筑运行中的能源效率。

5 结束语

文章首先基于能源平衡表的建筑能耗拆分模型测算了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：总体呈现上升趋势，但增速明显放缓，其中公共建筑碳排放量占比最大，民用建筑主要能源类型为电力碳排放。其次，在STIRPAT模型基础上，采用岭回归探究云南民用建筑碳排放的影响机理，得出影响云南民用建筑碳排放的主要因素按影响程度为人均可支配收入>常住人口城镇化率>能源强度>第三产业增加值。最后，根据云南省发展目标预测了2021年-2025年云南省中短期的民用建筑碳排放量，结果显示2025年云南民用建筑碳排放量较2020年预计增长1.2倍。云南作为经济发展缓慢但生态良好的欠发达地区，为实现高质量绿色发展，降低碳排放还需各方面共同努力。