夏热冬冷地区建筑业碳排放的关联性与波及性及敏感性分析——以湖南省为例

The Analysis of Correlation Properties and Spreading and Sensitivity Characteristics on CO2 Emission from Energy Consumption of Construction Sector in Hot Summer and Cold Winter Zone: A Case Study of Hunan Province

摘要: 建筑业发展拉动了关联产业发展，不仅促进后者能耗碳排放的增长，也导致前者自身碳排放的增长，因而波及到整个国民经济各部门。基于EIO-LCA模型，采集湖南省2002、2007和2012年42部门投入产出表等数据，测算和分析建筑业能耗碳排放的关联性、波及性和敏感性及其变化。结果表明：建筑业是典型“高影响、高排放”部门，交通运输、仓储业和邮政业的前向关联性较大且稳定，通用、专用设备制造业的后向关联性也如此；建筑业能耗碳排放的影响力系数呈逐年上升之势，感应力系数却呈逐年下降之势，其他部门对建筑业能耗碳排放的拉动作用不显著；三个年份建筑业碳排放的技术、结构责任系数、及对各部门碳排放强度弹性的较大部门，集中在能源开采和洗选业，石油加工、炼焦及核燃料加工业，非金属矿物制品业，金属冶炼及压延加工业，电力、热力的生产和供应业，它们多属资源开采及加工部门。因此一应降低该部门生产中的碳排放，二来建筑业也要尽量减少对该部门的产品或服务需求。

Abstract: The development of construction sector has promoted the development of related industries. It not only promotes the growth of the latter’s energy consumption and carbon emissions, but also leads to the growth of the former’s own carbon emissions, which affected the whole national economy. Based on the EIO-LCA model, data such as IO Tables of 42 sectors in Hunan Province for 2002, 2007 and 2012 year were collected to measure and analyze the correlation properties and spreading and sensitivity characteristics of carbon emissions from energy consumption sector and their changes on the construction sector. The results show that: the construction sector was one of the typical “high-impact/high-emission” sectors; the forward correlation property of Transportation, Storage and Post Industry was large and stable, the backward correlation property of Manufacture of General and Special Purpose Machinery was also the same; the influence coefficients of construction sector’s carbon emissions from energy consumption were on the rise year by year, but sensitivity coefficients were on the declining year by year; the pulling affection were not significant for other sectors on the construction sector’s carbon emissions from energy consumption; the greater sectors of technical responsibility coefficients and structural responsibility coefficients on construction sector’s CO2, and elasticity regarding CO2 emission intensity of all sectors in 2002, 2007 and 2012 year, concentrated in Mining and Washing of energy, Processing of Petroleum, Coking, Nuclear Oil, Manufacture of Non-Metallic Mineral Products, Manufacture and Processing of Metals, Production and Supply of Electric & Heat Power, which mostly belong to the resource extraction and processing sectors. Therefore, one should reduce CO2 emissions from these sectors’ production, and the construction sector should also minimize demand for products or services of these sectors.

1. 引言

伴随我国城市化和工业化的迅猛发展，建筑业不仅自身的能耗碳排放在持续增长，而因其产业带动性，也会造成金属冶炼、非金属制品、化工、机械制造、交通运输等产业能耗碳排放的间接增加，另其产业波及性，使得仓储物流、住宿餐饮、批发零售等产业能耗碳排放的增长又以建筑领域能耗碳排放的增加为载体和代价。因此需对建筑产业链在整个经济体系中所引发的能耗碳排放进行系统核算，从宏观层面把握建筑业能耗碳排放的影响度和感应度及敏感性，破解当前建筑业末端低碳乃至近零、零碳技术，所导致“此减彼升”“局部减，全局升”，甚至“局部越减，全局越升”的现实局面，并提供建筑低碳化政策的决策依据。

考虑到建筑业自身能耗具有直接碳排放效应，它还通过产业关联的带动作用引起间接碳排放效应。而为测算其完全(直接 + 间接)碳排放，国内外学界广泛应用生态投入产出生命周期评价法(EIO-LCA)。它借助经济投入产出表所提供的部门关联信息或环境数据来测算某产品或服务的环境影响，其结果反映了部门的平均消耗或排放水平，成为研究宏观层面(国家或产业等)环境影响的主流方法 [1]。国外的典型研究有测度美国居住和商业建筑碳足迹 [2] 及用于核算建筑材料环境影响的混合投入产出表 [3] 等；也有运用上述方法的研究表明挪威 [4] 和爱尔兰 [5] 的建筑业完全碳排放均远高于其直接碳排放。国内的研究紧跟国外，大部分研究关注更多的也是整个国家尺度建筑业能耗或碳排放及其影响因素 [6] [7]。张智慧等在计算了2002、2005及2007年我国建筑业及其他行业的直接、间接和关联碳排放后，还利用关联碳排放系数和碳排放拉动系数比较了主要工业行业单位产出的碳排放能力 [8]。关军等采用投入产出生命周期评价模型测算建筑业能耗，分析建筑业能耗对部门间联系、部门能源强度和建筑业规模等因素变化的敏感性，提出各部门对建筑业能耗的技术和结构责任系数，以判断这些部门在降低建筑业能耗中的责任 [9]。冯祥玉等运用投入产出法与假设抽取法，对我国2012年由建筑业消费而引起的供应链生命周期隐含碳排放进行了定量解析；在此基础上构建了3种城镇化情景，预测了建筑业发展对经济系统中其他行业隐含碳排放的拉动力 [10]。综合上述国内外文献，已有研究主要集中于测算国家尺度某一年份的建筑业碳排放 [11] [12] [13] [14]，但由于不同国家和地区的气候特点和能源结构不同，建筑业能耗碳排放的区域差异较大，不同时期的数据变化也不小，因而也需在区域尺度，构建动态的EIO-LCA模型，来展开深入细致的变化研究，据此再有的放矢地提出建筑领域的节能减碳对策。课题组已在前期，基于PB-LCA方法以典型的夏热冬冷省区湖南为例，构建了省区层面的宏观建筑碳足迹模型，定量测度和比较2004~2016年建筑各个阶段的碳足迹及其变化情况 [15]，这只是建筑直接碳排放，本文在此基础上基于EIO-LCA模型，测算建筑业的完全能耗碳排放，并分析其关联性、波及性和敏感性及其变化，这是一个新的尝试。

2. 研究方法与数据来源及处理方法

2.1. 研究方法

2.1.1. EIO-LCA模型

1970年Leontief将投入产出模型应用于环境问题的研究，构建了EIO-LCA模型 [16]。EIO-LCA模型利用直接消耗系数(A)和完全消耗系数矩阵(B)来分别计算，后者考虑了部门之间全部的直接与间接联系对建筑业能耗二氧化碳排放(后文全部统一省写为“碳排放”)的贡献，两者之间的关系如下：

$B={\left(I-A\right)}^{-1}$ (1)

式中，I是n × n阶单位矩阵，n是部门数。

2.1.2. 产业碳排放关联性与波及性

碳排放强度表示某部门单位产值所产生的碳排放量，用 $C_{ij}$ 表示，即i部门在生产中单位产值所产生的碳排放量。为便于模型计算，采用对角矩阵 $C_{ij}$ 表示：

$C_{ij}=\{\begin{array}{l}0\left(i\ne j\right)\\ C_i\left(i=j\right)\end{array}$ (2)

在此基础上，计算出碳排放完全需求系数矩阵 $B_R$，即 $B_R=C^{-1}{\left(I-A\right)}^{-1}$。

1) 部门碳排放完全消耗系数与完全分配系数

碳排放完全消耗系数表示某部门(如j部门)单位产出消耗其它部门的产品或服务(如i部门)而产生的碳排放量。碳排放完全分配系数则表示某部门(如i部门)生产单位产值所产生的碳排放量分配给其它部门(如j部门)的量 [8]。

设 $c{b}_{ij}$ 为 $B_R$ 的第i行第j列个元素，从纵向上看，属于碳排放完全消耗系数；从横向上看，则属于碳排放完全分配系数。

2) 部门碳排放影响力系数与感应力系数

部门碳排放影响度为某部门(如j部门)增加1个单位最终使用所引起的社会碳排放总和，即为矩阵 $B_R$ 的第j列之和，记为 $c{b}_j$。则j部门的碳排放影响力系数 $IN{F}_j$ 公式是：

$IN{F}_j=c{b}_j/\frac{1}{n}{\displaystyle \sum c{b}_j}$ (3)

上式中，n为各产业部门。

部门碳排放感应度为国民经济各部门增加单元产值时，带动某部门(如i部门)产值增加而产生的碳排放总量，体现了某部门(如i部门)为满足其它部门而产生的碳排放量 [9]，即为 $B_R$ 的第i行之和，记为 $c{b}_i$。则i部门碳排放感应力系数 $IN{D}_i$ 公式是：

$IN{D}_i=c{b}_i/\frac{1}{n}{\displaystyle \sum c{b}_i}$ (4)

2.1.3. 各部门对建筑业碳排放的敏感性

敏感性分析法用于研究建筑业对直接消耗系数、部门能源(或碳排放)强度变化和建筑业规模等因素变化的敏感大小 [17]。假设建筑业为投入产出表中的第m个部门，则建筑业碳排放为：

$E_m={\displaystyle {\sum }_{i=1}^n{b}_{im}E{I}_i{y}_m}$ (5)

上式中： $E_m$ 为建筑业碳排放(单位：万吨CO₂)，计算方法来源于《建筑业碳排放系统计量方法》 [18]； $b_{im}$ 为建筑业对部门i的完全消耗系数； $E{I}_i$ 为i部门的碳排放强度(单位：吨/万元)； $y_m$ 为建筑业的最终使用量(单位：万元)。

1) 弹性系数

敏感性分析是从定量分析的角度，研究有关因素发生某种变化时，对某一个或一组目标变量影响程度的不确定分析 [19]，一般借助弹性系数来表达。在此将弹性系数定义为：

${\delta }_z=\left(\Delta ob{j}_t/ob{j}_t\right)/\left(\Delta z_t/z_t\right)$ (6)

上式中，obj是关键指标，z是相关变量，∆是对应的变化量。

又采用误差传递理论的核心——Sherman-Morrison公式 [20] [21]，任何一个第k行第l列直接消耗系数( $a_{kl}$ )的变化引起建筑业完全消耗系数( $b_{im}$ )的变化( $\Delta b_{im}$ )为

$\Delta b_{im}=b_{ik}{b}_{lm}\Delta a_{kl}/\left(1-b_{lk}\Delta a_{kl}\right)$ (7)

将式(7)代入式(5)，得到建筑业碳排放的变化量( $\Delta E$ )：

$\Delta E_m=X_m\cdot {\displaystyle {\sum }_{i-1}^{n}E{I}_i{b}_{ik}{b}_{lm}\Delta a_{kl}/\left(1-b_{lk}\Delta a_{kl}\right)}$ (8)

将式(8)代入式(6)，得到建筑业碳排放对直接消耗系数的弹性( ${\delta }_{\alpha }$ )：

${\delta }_{\alpha }={\displaystyle {\sum }_{i=1}^{n}E{I}_i\left(a_{kl}{b}_{ik}{b}_{lm}/\left(1-b_{lk}\Delta a_{kl}\right)\right)}/{\displaystyle {\sum }_{i=1}^{n}E{I}_i{b}_{im}}$ (9)

${\delta }_{\alpha }$ 说明直接消耗系数对建筑业碳排放的影响越大，反之亦然。

2) 技术责任系数

再借助投入产出分析中部门的影响力系数和感知力系数 [22] 来定义部门对建筑业碳排放变化的技术责任系数和结构责任系数。部门V所在行的 ${\delta }_{\alpha }$ 之和，表示全体部门对部门V的直接消耗系数同时变化单位百分比的情况下(不考虑交互影响)建筑业碳排放的变化幅度，反映了部门V对建筑业碳排放变化的“影响力”大小。将部门V所在行的弹性系数之和定义为部门V对建筑业碳排放的技术责任系数( $T_V$ )：

$T_V={\displaystyle {\sum }_{j=1}^n{\delta }_{Vj}}$ (10)

技术责任系数表示V部门碳排放的大小，通过影响所有部门产品隐含碳排放来影响建筑业碳排放的程度高低。对技术责任系数越大的部门，降低其生产碳排放，将会大幅减少本部门通过其他部门投入到建筑业的碳排放。

3) 结构责任系数

部门V所在列的 ${\delta }_{\alpha }$ 之和，表示部门V对全体部门的直接消耗系数同时变化单位百分比的情况下(不考虑交互影响)建筑业碳排放的变化幅度，代表了部门V“感知”其他部门碳排放大小变化，进而影响建筑业碳排放的程度高低。将部门V所在列的 ${\delta }_{\alpha }$ 之和，定义为部门V对建筑业碳排放的结构责任系数( $S_V$ ) [9]：

$S_V={\displaystyle {\sum }_{i=1}^n{\delta }_{iV}}$ (11)

4) 对碳排放强度的弹性

由公式(5)、(6)可得，建筑业碳排放对部门V的碳排放强度变化的弹性( ${\delta }_{EI}$ )：

${\delta }_{EI}=b_{Vm}E{I}_V/{\displaystyle {\sum }_{i=1}^{n}E{I}_i{b}_{im}}$ (12)

2.2. 数据来源

在本文中，湖南省2002、2007和2012年投入产出表来自湖南省统计局公布相应三个年份的42部门投入产出表。能源数据则来自历年的《中国能源统计年鉴》中湖南能源统计平衡表和《湖南统计年鉴》。

2.3. 处理方法

由于湖南省42部门投入产出表与能源数据的产业部门分类不一致，因而将42个部门归并为28个部门(表1，2002年因缺少废品废料业而只有27部门)后，再计算投入产出表中的直接消耗系数和完全消耗系数。根据2002、2007和2012年投入产出表构建出动态的EIO-LCA模型。

3. 实证结果分析

3.1. 建筑业与其他部门的碳排放关联性及其变化

为分析湖南省建筑业与其他部门的碳排放关联性及其变化，根据前文的公式(1)、(2)计算建筑业与前向关联部门的碳排放完全消耗系数，以及与后向关联部门的碳排放完全分配系数。前一个系数，表示建筑业每增加1个单位产值需要前向关联部门产生的碳排放量。后一个系数，表示建筑业每增加1个单位产值需向后向关联部门分配的碳排放量。如表2所示，碳排放完全消耗系数和完全分配系数排前5位的部门和位次，在2002、2007和2012年的变化都较大。就碳排放完全消耗系数而言，除交通运输、仓储和邮政业，批发、零售业和住宿、餐饮业外，2002年有金属制品业，非金属矿采选业及其他矿采选业，通用、专用设备制造业；但2007年这三个部门均不在其中，取代它们的是建筑业，其他行业，石油加工、炼焦及核燃料加工业；到了2012年除了交通运输、仓储和邮政业与建筑业仍保留外，取代它们的又变成食品制造及烟草加工业，燃气生产和供应业。由此可见交通运输、仓储和邮政业的前向关联性较大且稳定，这可能与建材的物流能耗较高有关。就碳排放完全分配系数而言，除其他行业，通用、专用设备制造业是三个年份都有的部门外，2002年还有批发、零售业和住宿、餐饮业，其他制造业，交通运输设备制造业；但2007年，取代它们的是仪器仪表及文化办公用机械制造业，金属矿采选业，金属制品业；到了2012年取代它们的又变成电气机械及器材制造业，建筑业。由此可见其他行业与通用、专用设备制造业的后向关联性较大且稳定，这是由于建筑业需向这两个部门分配的能耗和碳排放量较多。建筑业作为基础设施部门，主要是作为固定资产投入，一般极少作为生产资料直接投入到其他部门之中。

Table 1. The 28 industries classification and numbering in Hunan Province

表1. 湖南省28个行业部门分类与编号

Table 2. The top 5 sectors of completely consumption coefficient and fully distribution coefficient on construction sector’s CO2 emission in Hunan Province for 2002, 2007 and 2012 year

表2. 2002、2007和2012年湖南省碳排放完全消耗系数和分配系数排前5位的部门

3.2. 建筑业与其他部门的碳排放波及性及其变化

为分析湖南省建筑业与其他部门的碳排放波及性及其变化，根据前文的公式(3)、(4)计算各部门碳排放影响力与感应力如表3所示。建筑业的碳排放影响度数值，表示建筑业每增加1个单位产值，将会导致国民经济其它部门排放相应个数值单位的能耗CO₂。碳排放影响力系数如大于1，则说明建筑业碳排放的影响力居于湖南所有部门的平均水平以上，反之亦然。就影响度来说，从2002年的7.24剧降到2007年的1.51，又回升到2012年的3.90，在28个部门中的排位却从第16到降到第14，再降到第11，呈逐年下降之势。就影响力系数来说，从2002年的0.98增加到2007年的1.02，再增加到2012年的1.04，呈逐年上升之势，这表明其从处于平均水平以下增长到平均水平以上，因此需要进一步降低建筑业的碳排放影响度及影响力系数，减少对其它部门的间接能耗和CO₂排放，提升建筑业的碳核心竞争力。建筑业的碳排放感应度数值，表示国民经济其它各部门平均每增加1个单位的产值，将会促使建筑业排放相应个数值单位的能耗CO₂。碳排放感应力系数如小于1，则说明建筑业的碳排放感应能力在所有部门中低于平均水平，反之亦然。就感应度而言，从2002年的3.02剧降到2007年的0.43，又回升到2012年的0.87，在所有部门中的排位却从第14上升到第23，2012年保持在第23，呈较快上升之势。就感应力系数而言，从2002年的0.41减少到2007年的0.29，再减少到2012年的0.24，呈逐年下降之势，这反映湖南省国民经济其它部门的蓬勃发展，对建筑业碳排放的拉动作用并不特别显著，且呈递减之势。究其原因主要在于建筑业主要作为固定资产投入部门，并不能作为中间生产资料而投入其它部门的生产之中。

Table 3. The influence and sensitivity of construction sector’s CO2 emission in Hunan Province for 2002, 2007 and 2012 year

表3. 2002、2007和2012年湖南省建筑业碳排放的影响力与感应力

3.3. 建筑业碳排放的敏感性及其变化

3.3.1. 技术责任系数与结构责任系数及其变化

根据前文的公式(10)、(11)计算各部门对建筑业碳排放的技术责任系数和结构责任系数如表4所示。就技术责任系数来看，2002年排前5位的部门依次是：金属冶炼及压延加工业(0.4298)，石油加工、炼焦及核燃料加工业(0.3306)，电力、热力的生产和供应业(0.1296)，非金属矿物制品业(0.1132)，化学工业(0.0718)；2007年排前5位的部门依次是：金属冶炼及压延加工业(0.3334)，非金属矿物制品业(0.2844)，石油加工、炼焦及核燃料加工业(0.1192)，能源开采和洗选业(0.0959)，化学工业(0.0484)；2012年排前5位的部门依次是：石油加工、炼焦及核燃料加工业(0.3895)，金属冶炼及压延加工业(0.2901)，非金属矿物制品业(0.1995)，电力、热力的生产和供应业(0.1579)，能源开采和洗选业(0.1468)。总之，三个年份技术责任系数较大的都集中在能源开采和洗选业，石油加工、炼焦及核燃料加工业，化学工业，非金属矿物制品业，金属冶炼及压延加工业，电力、热力的生产和供应业等，大都属于资源开采及其加工部门，只是排位有所变动，这些部门应尽量降低其生产过程中的碳排放。就结构责任系数而言，2002年排前5位的部门依次是：能源开采和洗选业(0.3341)，金属冶炼及压延加工业(0.1407)、电力、热力的生产和供应业(0.1145)，金属矿采选业(0.1058)，交通运输、仓储和邮政(0.0889)；2007年排前5位的部门依次是：能源开采洗选业(0.2077)，非金属矿物制品业(0.1685)，金属冶炼及压延加工业(0.1080)，金属矿采选业(0.0941)，电力、热力的生产和供应业(0.0856)；2012年排前5位的部门依次是：石油加工、炼焦及核燃料加工业(0.3239)，能源开采和洗选业(0.2598)，批发、零售业和住宿、餐饮业(0.1280)，金属冶炼及压延加工业(0.1103)，金属矿采选业(0.0912)。总之，三个年份结构责任系数较大的也都集中在能源开采和洗选业，金属矿采选业，石油加工、炼焦及核燃料加工业，非金属矿物制品业，金属冶炼及压延加工业，电力、热力的生产和供应业等，大都也属于资源开采及其加工部门，只是排位有所变动。因而在建筑业全生命周期过程，应尽可能降低对这些部门的产品或服务需求。

Table 4. The technical responsibility coefficients ( T V ) and structural responsibility coefficients ( S V ) of all sectors in Hunan Province for 2002, 2007 and 2012 year

表4. 2002、2007和2012年湖南省各部门技术责任系数( $T_V$ )和结构责任系数( S V )

3.3.2. 对部门碳排放强度的弹性及其变化

根据前文的公式(12)计算出建筑业碳排放对各部门碳排放强度的弹性( )如表5所示。2002年弹性排前5位的部门依次是：金属冶炼及压延加工业(0.2992)，石油加工、炼焦及核燃料加工业(0.2098)，电力、热力的生产和供应业(0.1393)，非金属矿物制品业(0.1063)，能源开采和洗选业(0.0842)；2007年弹性排前5位的部门依次是：非金属矿物制品业(0.2435)，金属冶炼及压延加工业(0.2036)，电力、热力的生产和供应业(0.1721)，能源开采和洗选业(0.1444)，石油加工、炼焦及核燃料加工业(0.0824)；2012年弹性排前5位的部门依次是：能源开采和洗选业(0.2064)，金属冶炼及压延加工业(0.1976)，非金属矿物制品业(0.1620)，石油加工、炼焦及核燃料加工业(0.1591)，电力、热力的生产和供应业(0.1327)。总之，三个年份建筑业碳排放对各部门碳排放强度的弹性较大部门全部集中在能源开采和洗选业、石油加工、炼焦及核燃料加工业，非金属矿物制品业，金属冶炼及压延加工业，电力、热力的生产和供应业5大部门，与技术责任系数和结构责任系数较大的部门也基本一致，都属于资源开采及其加工部门，只是排位有所变动。这些部门同时具有碳排放强度高、建筑业对其总需求大等特点，因此降低这些部门的碳排放，对控制建筑业碳排放具有较为明显的效果。

Table 5. The elasticity of construction sector’s CO2 emission regarding CO2 emission intensity of all sectors in Hunan Province for 2002, 2007 and 2012 year

表5. 2002、2007和2012年湖南省建筑业碳排放对各部门碳排放强度的弹性

4. 结论与讨论

本文运用动态的EIO-LCA模型，以2002、2007和2012年湖南省投入产出表和部门碳排放强度为基础，分析了湖南省建筑业与其它各部门碳排放的关联性与波及性及敏感性，探讨了建筑业碳排放与其关联部门的关联性、与国民经济的波及性、对部门碳排放强度的弹性，及其变化特点，结论如下。

4.1. 结论

1) 建筑业属于典型的“高影响、高排放”部门，交通运输、仓储和邮政业等的前向关联性较大且稳定，其他行业与通用、专用设备制造业等的后向关联性较大且稳定。

2) 建筑业碳排放的影响力系数呈逐年上升之势，且居于所有部门的平均水平以上，需减少对其它部门的间接碳排放；感应力系数却呈逐年下降之势，建筑业主要作为固定资产投入到其它部门生产之中，而其他部门对建筑业碳排放的拉动作用不显著，其蓬勃发展不会带来建筑业的巨大碳排放量。

3) 三个年份建筑业碳排放的技术责任系数、结构责任系数、及对各部门碳排放强度弹性的较大部门，集中在能源开采和洗选业，石油加工、炼焦及核燃料加工业，非金属矿物制品业，金属冶炼及压延加工业，电力、热力的生产和供应业，它们多属于资源开采及其加工部门，因而一是应降低这些部门自身生产过程中的碳排放，二来建筑业也要尽量减少对这些部门产品或服务的需求。

4.2. 讨论

值得注意的是，由于数据可得性和文章篇幅所限，本研究未能就湖南省2002、2007和2012年135部门的投入产出表进行计算和分析，也没探究直接消耗系数变化对建筑业碳排放的影响，这在一定程度上影响了结论的细致性、深入性和精准性，当是后续研究的重点内容。

基金项目

湖南省哲学社会科学基金项目《基于LCA的湖南省建筑碳足迹核算及减碳策略研究》(17YBA129)。