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        考慮能源、環(huán)境影響的住宅建筑節(jié)能CGE模型構建

        2017-06-08 16:49:13汪宏陶小馬
        中國人口·資源與環(huán)境 2017年5期
        關鍵詞:住宅建筑節(jié)能能源

        汪宏++陶小馬

        摘要

        中國承諾將于2030年左右使單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降60%—65%,排放總量達到峰值并爭取盡早實現(xiàn)。我國目前的碳排放主要來自工業(yè)、交通運輸業(yè)和建筑業(yè),其中建筑業(yè)碳排放約40%,所占比重最大,而高達550億m2的存量住宅能耗和排放是建筑業(yè)碳排放的主力。住宅建筑節(jié)能是關系到我國建筑業(yè)節(jié)能減排目標能否順利實現(xiàn)的重要因素,是我國節(jié)能減排工作的重要領域。構建一個可用于衡量住宅建筑節(jié)能對資源環(huán)境及經濟發(fā)展影響的可計算模型是推動住宅建筑節(jié)能工作的重要基礎。本文嘗試以CGE標準模型為基礎,依次對住宅建筑生產模塊、污染排放模塊、節(jié)能住宅建筑模塊、動態(tài)模塊和環(huán)境福利模塊進行詳細構建說明。在四方面對標準模型進行擴展:第一,將生產要素擴展為資本、勞動和能源要素束,能源要素束被深化分解為清潔能源與非清潔能源束,然后再予深化細化;第二,依據差異的貿易伙伴將進出口細化為差異的國家和地區(qū);第三,將建筑污染排放作為一個特殊部門,建立建筑污染排放模塊,納入到CGE模型中,并將污染要素納入到效應函數中;第四,依據資本增長模型,建立動態(tài)模塊。通過將住宅建筑節(jié)能作為變量擴展到標準CGE模型的方法,構建了住宅建筑節(jié)能CGE擴展模型。借助該擴展模型,可以研究非節(jié)能建筑約束、外部節(jié)能建筑與經濟增長之間的內在關系,進而破解非節(jié)能建筑約束、外部節(jié)能建筑與住宅建筑節(jié)能快速發(fā)展之間難以協(xié)調的矛盾。在本文研究成果的基礎上,可進一步建立相應的社會核算矩陣(SAM),并對各種函數的參數估計和敏感性檢驗進行實證分析。

        關鍵詞能源;環(huán)境;住宅建筑;節(jié)能;CGE模型

        中圖分類號F062.2

        文獻標識碼A文章編號1002-2104(2017)05-0084-08DOI:10.12062/cpre.20170401

        2016年4月22日全球氣候變化新協(xié)議《巴黎協(xié)定》簽署,締約各方承諾將加強對氣候變化威脅的全球應對,力爭把全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高控制在2℃之內,并為把升溫控制在1.5℃之內而努力。為此,全球將盡快實現(xiàn)溫室氣體排放達峰,并在本世紀下半葉實現(xiàn)溫室氣體凈零排放[1]。中國是《巴黎協(xié)定》的重要參與者和推動者,習近平主席已向世界承諾中國將于2030年左右使單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降60%—65%,排放總量達到峰值并爭取盡早實現(xiàn)。我國目前的碳排放主要來自工業(yè)、交通運輸業(yè)和建筑業(yè),其中建筑業(yè)碳排放約40%,所占比重最大,而高達550億m2的存量住宅能耗和排放是建筑業(yè)碳排放的主力。并且,隨著中國城鎮(zhèn)化進程的加快和經濟水平的穩(wěn)步提升,居民對住宅的建筑面積、室內舒適度和生活環(huán)境的要求也會越來越高,從而將導致住宅建筑對能源的消耗大幅上升。目前,中國建筑能耗約占全社會能源總消耗的27.45%,而根據發(fā)達國家經驗,這一比例將逐步增加到40%左右[2]。由此顯見,能否把握并控制住宅建筑節(jié)能對資源環(huán)境及經濟發(fā)展的影響具有重要的理論和現(xiàn)實意義。但迄今為止,這方面的研究尚不多見。本文嘗試在基于CGE標準模型的基礎上,采用將住宅建筑節(jié)能變量納入到標準模型的方法,得出一個在擴展后可用于研究住宅建筑節(jié)能對經濟發(fā)展影響的新模型,并由此為后續(xù)建立社會核算矩陣進行政策效果模擬分析提供基礎。

        1CGE模型的源起及其在資源、環(huán)境領域的應用

        可計算一般均衡(CGE)模型是目前在把某一經濟系統(tǒng)整體作為研究對象,考察系統(tǒng)內的所有市場、價格、供需關系在市場出清的假設下和市場均衡的約束下,使得由價格調整所決定的總需求不會超過總供給所需條件的一種非常規(guī)范與常用的經濟分析方法。根據研究目的不同,CGE的模型構建存在一定差異,但在原理上均是把瓦爾拉斯一般均衡的構造由一個抽象的形式轉化為關于現(xiàn)實經濟系統(tǒng)中供求平衡關系的一組方程,其基本構成一般可以歸納為三個部分:供給部分、需求部分和供求關系部分[3]。

        20世紀80年代末期,F(xiàn)orsund和Bergman開始把環(huán)境因素納入CGE分析框架。最初的資源與環(huán)境CGE模型,主要是將污染變量以差異的方式納入到生產函數或效用函數之中,利用這些模型可以分析環(huán)境或經濟政策對環(huán)境和經濟的影響[4-5]。

        按照污染方式在CGE模型中建立函數的差異,將資源與環(huán)境CGE模型分為三類:第一類,是將污染與環(huán)境資源的直接使用部門的中間投入-產出采用固定排放系數相關聯(lián),比如Glomsrod等建立的資源與環(huán)境模型。這類模型并不改變模型中行為主體的決策行為,只是在標準的CGE模型中增加一個外生的污染排放或能源消耗模塊[6]。第二類,是將污染的變量納入至經濟系統(tǒng)中。比如Jorgensen和Wilcoxen建立的模型中就在生產函數中加入包括污染損失在內的成本約束變量模型,而Robinson,Piggott以及Bergman等在居民的效用函數中增加了污染排放與節(jié)能減排因素[7-10]。第三類,是在生產函數中加入污染節(jié)能減排技術。比如Robinson在CobbDouglas生產函數中增加了消除污染的技術創(chuàng)新[11]。Xie開發(fā)了一個綜合描述經濟、資源與環(huán)境之間相互關系與影響的CGE模型。他將污染與經濟生產活動通過模型聯(lián)系起來,并將節(jié)能減排和節(jié)能住宅環(huán)境政策變量聯(lián)系起來,并構造了一個包含資源環(huán)境賬戶的社會核算矩陣(SAM)作為模型的數據基礎。利用此模型,分析控制污染政策的實際環(huán)境效果和對經濟增長、收入和投資等的影響[12]。

        2住宅建筑節(jié)能CGE模型的擴展

        由圖1可見,在住宅建筑全壽命周期的各個階段,建筑節(jié)能與能源、環(huán)境和經濟之間存在很多相生和沖突的復雜關系。住宅建筑的全壽命周期實質就是自然資源被消〖LL〗耗、產生新的資源和污染物的過程,也是改良環(huán)境和污染環(huán)境的過程??紤]到分析外部建筑節(jié)能房產與污染排放問題,本文主要是把經濟行業(yè)中污染排放較大的部門進行細化,分成19個生產部門,分別是農業(yè)、煤炭開采和洗選業(yè)、石油和天然氣開采業(yè)、黑色金屬礦采選業(yè)、有色金屬礦采選業(yè)、非金屬礦采選業(yè)、農副食品加工業(yè)、紡織業(yè)、造紙及紙制品業(yè)、石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)、化學原料及化學制品制造業(yè)、醫(yī)藥制造業(yè)、化學纖維制造業(yè)、非金屬礦物制品業(yè)、黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)、有色金屬冶煉及壓延加工業(yè)和電力、熱力的生產和供應業(yè)、服務業(yè)和其他行業(yè)。為了簡化模型,假設各個部門的生產函數都是規(guī)模報酬不變的CES函數的形式,只是差異的部門具有差異的規(guī)模效率參數以及差異的資本產出彈性。把居民劃分為城鎮(zhèn)居民和農村居民,這種劃分主要基于中國城鄉(xiāng)二元化的經濟和社會結構。城鄉(xiāng)居民在收入水平和結構以及消費、儲蓄模式方面存在著巨大的差異,與城鎮(zhèn)勞動力相比,中國農村勞動力數值巨大但素質偏低,同時,城鄉(xiāng)間要素流動的壁壘仍然存在。為此,模型對城鄉(xiāng)居民家庭作了區(qū)分,以反映中國城鄉(xiāng)居民差異的需求方式[13]。

        基于OECD貿易模型原理,并引用Jian Xie 和Sidney Saltzman在模型中引入環(huán)境反饋機制的做法[14],以及借鑒李善同等建立的側重于分析環(huán)境與節(jié)能住宅建筑的DRCGEM模型[15],本文將外部市場也納入到資源與環(huán)境的CGE模型中。

        相對于標準的CGE模型,本文主要在以下四方面做了擴展:第一,將生產要素擴展為資本、勞動和能源要素束,能源要素被進一步分解為清潔能源與非清潔能源束,清潔能源和非清潔能源再被深化、細化;第二,依據差異的貿易伙伴將進出口細化為差異的國家和地區(qū);第三,將污染排放作為一個特殊部門,建立污染排放模塊,納入到CGE模型中,并將污染要素納入到效用函數中;第四,依據資本增長模型,建立動態(tài)模塊。

        以下將依次對住宅建筑生產模塊、污染排放模塊、節(jié)能住宅建筑模塊、動態(tài)模塊和環(huán)境福利模塊進行詳細說明。而價格模塊、節(jié)能建筑需求模塊、收入分配模塊、市場均衡等其他模塊和標準的CGE模塊相似[16]。

        2.1住宅建筑生產模塊

        在一般的CGE生產模型中,生產函數建立在生產要素和中間投入之間的某種函數替代關系的基礎上,本文同樣通過建立嵌套的固定替代彈性生產函數(CES)設定生產過程中差異要素之間的替代關系[17]。同時,本文假定市場具有完全競爭、規(guī)模收益不變,以及中間投入與節(jié)能建筑產出成固定比例關系。具體構建框架如圖2所示。

        2.1.1第一層嵌套

        第一層嵌套對節(jié)能建筑產出XP進行分解,總節(jié)能建筑產出為增加值VA和中間投入ND的加總。第一層CES嵌套就是一個固定系數的Leontief生產函數。模型1和模型2設定了這一常用CES生產函數的最優(yōu)需求條件,其中PND為ND束的價格,PVA為增加值的總價格,PX設定生產的單位成本,σp為替代彈性。如果替代彈性為0,則ND和VA與產品成固定比例關系,而不用考慮相對價格。模型3是單位成本PX的決定模型,依據CES生產函數的對偶價格推理出。因為假定在市場為完全競爭,同時所有部門中規(guī)模收益不變,因此,生產者價格PP用生產者稅收或補貼τp調整后的單位成本,如模型4所示。下文中,如沒有特別注明,則用i表示生產活動的種類,k表示商品的種類,m表示貿易與運輸的費用,r表示為貿易伙伴,h表示為居民,e表示為企業(yè),f表示為最終需求,l表示勞動力,ZIg表示私人投資。

        2.1.2第二層嵌套

        第二層嵌套分為兩個部分,首先采用Leontief生產函數的形式將總中間需求ND分解為各部門對商品和服務的需求XAp。模型5描述了部門j對商品k的需求,其中系數a設定XAp和ND之間的比例關系。模型6表明,ND束的價格PND是商品和服務的價格PA的加權平均,用技術系數作為權重。另外,反映產品生產差異的阿明頓(Armington)價格要乘以部門和商品的間接稅稅率τcp。

        然后,把第二部分的總增加值VA分解為三部分:對資本和勞動力的總需求KLd,對能源束的總需求TEd以及對部門固定要素的需求NR,其模型如模型7、模型8和模型9所示。相應的價格分別為PKL、PTE和PR,對應的替代彈性則為σv。模型9考量到了要素生產率的變動,設參數為λ,增加值的價格PVA是三部分價格的CES 生產函數的加總,如模型10

        2.1.5第五層嵌套

        第五層嵌套首先將水和森林資源要素束WF分解為水WE和森林資源FE要素投入,相應價格為PWE和PFE。然后將石油和天然氣資源要素束PNG分解為石油PE和天然氣NGE資源要素投入,相應價格為PPE和PNGE。模型20和模型21分別設定在相對價格PWE和PFE下的最優(yōu)化條件,替代彈性為σwf。水和森林資源要素束價格PWF,如模型22所示。

        另外,本文假定所生產的商品可簡單加總為總節(jié)能建筑產出。這時將商品視作若干差異生產活動的匯總,模型26反映了產品加總成為商品的最優(yōu)化條件。生產者價格為PP,總供給價格為P,商品的替代彈性為σck。模型考慮了完全替代的情況,則滿足一階法則。

        關于污染排放模塊,本文借鑒魏巍賢在中國能源節(jié)能住宅環(huán)境政策分析中的污染模塊的建模思想[18]。首先,本文構建污染減排成本模型28,各部門差異污染物的減排成本是部門節(jié)能建筑產出、污染減排率、污染密度和污染清理價格的函數。污染排放稅模型29,污染排放稅是污染排放稅率、各部門節(jié)能建筑產出、污染密度和污染減排率的函數。污染產出模型30,是各個部門污染產生量的之和。排污價格模型31,是一個價格轉化模型。減排總量模型32和污染減排率模型33。污染排放量模型34設定污染產出扣除減排總量,將各種污染物的排放稅進行加總。

        其中,g為污染物的種類,PACOSTg,j是i部門的污染減排成本,XPi是i部門的節(jié)能建筑產出,CLg為污染減排率,dg,j為污染密度,PAg為污染清理價格,DGg為污染物的產生總量,X0g為基期減排節(jié)能建筑產出,TDA0g為基期減排總量, DEg為污染物的凈排放量。

        2.3節(jié)能住宅模塊

        本文把節(jié)能住宅模塊分為二部分:節(jié)能住宅建筑需求模塊、節(jié)能住宅建筑供給模塊,這兩部分具有多層嵌套結構??傂枨竽K分解成兩層:第一層將總的Armington產品需求分解為對國內產品的需求和對節(jié)能住宅建筑產品的需求。在第二層,總的節(jié)能住宅建筑需求分配給差異的貿易伙伴。這兩層Armington假定都有效,即商品存在原產地的差異用CES函數形式來設定差異原產地之間的替代程度,其替代彈性大小通常依賴于加總水平[19]。而非價格壁壘也可能影響其替代程度,例如環(huán)境技術壁壘以及環(huán)境標準等。與此類似,節(jié)能住宅建筑供給也用兩層場轉換彈性函數來設定,可反映相對價格調整而導致的不安全供給。在節(jié)能住宅建筑需求模型中本文放松了對小國節(jié)能住宅建筑的假定。其中的貿易與需求模型的設計框架如下圖3所示。

        2.3.1節(jié)能住宅建筑需求模塊

        本文用XA設定Armington產品的國內需求,其是所有國內賬戶對Armington需求的總和:即中間需求XAp、居民需求XACh和其他國內需求XAf以及由國內貿易和運輸產生的需求XAmg之和,如模型35所示。Armington產品需求通過嵌套CES結構分解為對國內產品和節(jié)能住宅建筑產品的需求[20]。模型36設定對國內生產的商品需求XDd,本文設第一層Armington彈性為σm。國內產品的價格等于包含國內貿易和運輸費用τmg后的生產者價格PD。模型37設定節(jié)能住宅建筑總需求XMT,其中PMT為總節(jié)能住宅建筑價格。模型38采取常見的CES對偶價格加總模型決定Armington價格PA。

        第二層嵌套結構,本文以CES形式描述節(jié)能住宅建筑總需求XMT與差異貿易伙伴的關系。節(jié)能住宅建筑產品的國內產品的國內價格PM,考慮到數據的可得性,本文用包含稅收的到岸價格設定,即等于世界市場價格WPM乘以匯率,并用節(jié)能住宅建筑稅收τm調整,如模型39所示。稅收稅率按部門和貿易伙伴的原產地進行區(qū)分。來自地區(qū)r的節(jié)能住宅建筑商品k,本文用模型40設定,其中貿易伙伴地區(qū)間的替代彈性為σw,相應得消費價格包括國內貿易和運輸費用τmg??偖a品的節(jié)能住宅建筑價格PMT如模型41所示。

        2.3.2節(jié)能住宅建筑供給模塊

        本文采用嵌套的常彈性轉換函數(CET)形式,設定國內產品在國內與國外之間的分配。第一層嵌套設定生產者在國內市場和總節(jié)能住宅建筑之間進行產品分配,第二層嵌套設定總節(jié)能住宅建筑在貿易伙伴之間的分配。假定生產者在市場之間沒有偏好,滿足一價法則的條件。模型42設定國內生產者價格PE同世界價格WPE的關系。離岸價格WPE包括了國內貿易和運輸費用τmg,以及節(jié)能住宅建筑稅和補貼τe。CET轉化的最優(yōu)條件如模型43和模型44所示。模型43決定國內供給X分配給國內市場的部分XDs,模型44決定國內供給用于總節(jié)能住宅建筑的部分XET。PET代表總節(jié)能住宅建筑供給價格,轉換彈性為σχ如果為完全轉換,則供給的最優(yōu)化條件被一價法則所替代。在不完全轉換的情況下,CET加總函數被其等價形式CET對偶價格加總函數所替代。因為在完全轉換情況下,不存在產品差異,供給國內外的產品可直接加總在一起。CET加總函數如模型45所示。

        2.4動態(tài)模塊

        在動態(tài)模型框架中,本文以市場價格計算的GDP增長率和勞動生產率的增長率模型如49和50所示。勞動生產率的增長率包括兩部分,即適用于所有部門和所有勞動類型中的一致因子γ1,以及分部門和勞動熟練程度的因子χ1。在基準情景時,本文假定GDP的增長率是外生的,用模型48來標定γ1參數。在政策模擬中,假定γ1給定,用模型49來確定GDP的增長率。簡單動態(tài)模型的其他要素包括勞動供給的外生增長率,資本的外生增長率和土地生產率的外生增長率,以及投資驅動的資本積累如模型50所示。

        2.5環(huán)境福利模塊

        本文把污染物減排量作為環(huán)境指標納入到環(huán)境福利函數中,反映居民對良好環(huán)境的需求,綜合其它因素,本文構建環(huán)境福利函數,是居民對各種商品的消費需求、休閑時間和污染減排量的函數,如模型51所示。

        其中,U設定為環(huán)境福利函數,XD為居民住房消費需求,ULE為休閑時間,TDA為污染減排量,ψi為環(huán)境福利函數CES各層次嵌套的替代彈性。

        3結論

        以上將住宅建筑節(jié)能作為變量擴展到標準CGE模型的方法,構建了住宅建筑節(jié)能CGE模型。借助該擴展模型,可以研究非節(jié)能建筑約束、外部節(jié)能建筑與經濟增長之間的內在關系,進而破解非節(jié)能建筑約束、外部節(jié)能建筑與住宅建筑節(jié)能快速發(fā)展之間難以協(xié)調的矛盾。至于模型求解已有現(xiàn)成的軟件,但為了降低問題維數,可以假定要素市場、產品市場和外匯交易市場出清的求解策略[21]。筆者下一步擬以本文研究成果為基礎,進一步建立相應的社會核算矩陣(SAM),并對各種函數的參數估計和敏感性檢驗進行實證分析。

        (編輯:劉呈慶)

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        作者簡介:汪宏,博士生,高級工程師,主要研究方向為可持續(xù)發(fā)展與管理、低碳經濟、生態(tài)建筑與建筑節(jié)能管理。Email:giant945@126.com。

        基金項目:上海市科技發(fā)展基金課題“特大型城市低碳化的系統(tǒng)結構研究”(批準號:10692103000)。

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