中国特色 “低碳经济”优化模型研究

朱思斯

（清华大学，北京 100084）

中国特色 “低碳经济”优化模型研究

朱思斯

（清华大学，北京 100084）

随着我国经济的稳定增长、人民生活质量不断提高，如何实现低碳经济、限制二氧化碳的排放变得极具挑战。本文首先对我国在2018年的GDP总量、能耗总量以及碳排放总量进行了预测；然后根据预测结果，以经济产出最大化、碳排放量最小化以及行业环境效率评估等为目标函数，构建中国低碳经济优化模型；最后通过求解、分析得到针对我国产业部门结构的最优调整方案，为我国进一步实现低碳经济提供了科学依据和参考。

低碳经济 产业结构 优化模型 调整方案

引 言

自改革开放以来，化石能源（石油、煤炭等）极大的推动了中国经济的飞速发展，然而，伴随化石能源的燃烧排放出大量的 “温室气体” （CO2、CH4、水汽等），导致的全球性气候变暖首当其冲成为各个国家所面临的环境问题。据国际能源署（IEA）在2010年的统计：中国已经成为 “世界第一大化石能源消费国”［1］，同样也是 “世界第二大温室气体排放国”［2］。为此，我国在 “十三五”规划中提出，到2020年，二氧化碳排放量（下称“碳排”）相对于2005年降低40%～45% ，并承诺到2030年达到降低60%～65%的目标［3］。

低碳经济首先在2003年被英国提出，其中心思想就是在保证一定经济增长速度的同时，减少CO2等温室气体的排放；其本质则是优化产业结构，提高能源使用效率，从而达到低碳发展的目的［4］。按照英国 “能源白皮书”［5］对低碳经济模式的规划，英国逐渐从自给自足的能源供应走向主要依靠进口的时代，并预计到2020年英国80%的能源都必须进口［6，7］。然而，中国由于其特殊的国情，经济建设以发展为首要任务，急需大力发展生产力；此外，中国人口基数庞大，且人口增长率也远高于欧洲［8－10］。因此，如何建立一个具有中国特色的 “低碳经济道路”迫在眉睫。

1 中国在2018年的GDP、能耗及碳排总量预测

我国GDP总量、能源消耗总量和二氧化碳排放总量的整体变化趋势以及研究三者直接的相互影响规律是实现我国 “低碳经济”体制的重要科学依据和研究方法。

作者采用计量模型拟合的方法［11，12］，并采用2008～2013年的真实数据作对比，得到了GDP、能源消耗和二氧化碳排放总量的预测模型：

根据预测模型以2013年的数据为样本，对中国2018年的41项部门产出优化总量、能源消耗总量和二氧化碳排放总量进行预测，得到附表1所示。

2 中国低碳经济优化模型研究

2.1 目标函数确定

根据预测模型，以经济产出最大化、碳排放量最小化以及行业环境效率评估等为目标，对经济总量、能耗总量以及碳排总量的预测值作为上限约束进行优化模型的构建，得到的目标函数为：

其中：x——决策变量；

i＝［1，1，…，1］T；

j——附表1中41项部门的总产出，j＝1，2，…，41；

M——代表我国所有41部门的产出量进行加总，将总产出值最大化。

2.2 约束条件的确定

2.2.1 能耗约束

考虑能耗约束，主要为了保证我国二氧化碳的总排放量不超标，同时也能保证我国具有一个健康的能源利用体制。基本思路是求得各部门能源消耗总和，不得超过预测的范围，具体约束模型为：

其中，E——各部门的能耗系数矩阵；

β——转化系数，表示各类能源换算成标准煤的比值（见表1所示）；

βTE—为1×41的矩阵，表示综合能源生产率 ；ef——预测的我国2018年能源消耗量。

表1 标准煤能源转化系数（β值）

2.2.2 CO2排放约束

该约束条件与约束（1）相近，表示各部门所排出的CO2总和不超过预测值。

其中，C——碳的排放系数矩阵；

iTC——同样为一个1×41的矩阵，表示各部门分别消耗的二氧化碳总量；

cf——预测的我国2018年二氧化碳排放总量。

2.2.3 经济发展水平约束

该约束将所有部门的增加值进行加总，总量不低于既定的GDP预测值。

其中：I——41×41的单位矩阵；

A——部门中间消耗系数矩阵；

（I－A）——增加值系数矩阵；

yf——预测的我国2018年GDP总量。

2.2.4 部门结构调整范围约束

考虑到实际情况，一些关系到国民经济命脉的部门，其产出量不存在从零到正无穷的变化范围，为了不影响整体经济良好运行，应该受到宏观调控的控制，其范围会在一个局部的小区间内活动，因此针对某些部门结构需人为的为其设置上下限，从而使得到的优惠结果更接近真实。得到的约束模型如下：

其中，ubj和lbj分别表示各部门产出量的上界和下界。

2.2.5 其他优化约束

为保证所得到的产出量均为非负值，这里多加入了下列优化约束：

3 中国低碳经济优化模型的求解

3.1 部门产出量优化结果分析

根据上述式（1）～（6），采用Matlab软件对预期年各部门的经济产出量进行求解，得到我国经济优化指数如表2。

表2 总体经济指数

纵观全局，我国的三次产业在2018年所占比重的优化结果分别为6.18%、69.56%以及28.1%。与2013相比，第一产业的比重变化不大；而第二产业呈下降趋势，下降幅度达3.5个百分点，这说明 “CO2排放约束”对于工业部门的结构形式产生了效果；作为服务业的第三产业所占比重略有增加。我国经济总产出量相比2013年可以增加约36.44%，而增加值（GDP）比例上涨了约29.58%。

图1 部门产出量最优方案（单位：万元）

根据41个部门产出量的结果看，到2018年我国国民经济总产出量排名前5位的部门分别为建筑业，化学工业，农林牧渔业，食品制造及烟草加工业及批发和零售业。而相对增长幅度排名前6的部门为邮政业，金融业，卫生、社会保障和社会福利业，批发和零售业，研究与试验发展业以及综合技术服务业。

根据2013～2018年变化趋势可知：总产出比重下降的部门主要在第二产业。其中下降幅度较高的有：煤炭开采和洗选业，石油加工、炼焦及核燃料加工业，非金属矿物制品业。其中，金属冶炼及压延加工业的降低幅度最高，比例在50%左右。与2013年相比，建筑业的总产出量达到18.7万亿，其所占总国民经济的份额增长约为2.4%。除此之外，第二产业中两个主要能源产业（天然气开采业、燃气生产和供应业以及石油）的产量均需有所提升；另外的石油加工、炼焦及核燃料加工业、电力、热力的生产和供应业、煤炭开采和洗选业，其产出量绝对份额需要有所下降。

作为服务业务的第三产业，其中所有部门的产能均有所升高，提高比例需达到50%左右。从整体来看，我国第三产业全部16个部门，其产出量的增长幅度由2013年的20%增长到2018年25.5%。其中，全部16个产业中的文化、体育和娱乐业产值提升了2.21万亿，上升幅度最大。

由此可见，想要实现我国产业结构的优化，更合理的实现低碳经济体制，就必须大力发展第三产业，向服务业转型。另外，第二产业部门中能源部门所占比例需要有所限制；其中，建筑业仍为我国支柱产业，其所占比例仍需持续维持。还有部分金属加工业的生产规模也都需要降低。

3.2 能耗量与碳排量的优化分析

我们通过公式（2）～（4），可以计算出我国2018年41个产业部门各自的能源消耗量与CO2排放量，然后再与增加值做比得到优化方案中各部门的能源强度及二氧化碳强度。得到的行业能源强度下降比例结果如图2所示。

图2 行业能源强度下降比例结果

3.2.1 能耗量分析

根据图2可以看出，能源消耗总量最高的金属冶炼及压延加工业所占比例由2013年部门23%下降至2018年的11.6%；而化学工业的能源消耗总量跃居成为首位，远超第二名的交通运输及仓储业。第二产业中能耗排名前5位的部门，占据的比例也由63.06%下降至53%。

从整体优化结构来看，农林牧渔部门的能源强度在2018年有所上升，代表第一产业对我国能源总量的影响并不大。因此，为了满足优化模型中能源总量的限制，近95%的部门均需要下调现有的能源强度，其中，第二产业相对第三产业的能源强度下降幅度更需要大一点。

3.2.2 CO2排放量分析

从行业的CO2排放量可知，电力、热力的生产和供应业是碳排放总量最高的部门，占总体比例的34.49%；而化学工业在碳排量优化方案中排名第一。此外，碳排量排名前10的部门都来自第二产业，其中9个行业的碳排总量均相对于2013年都有所降低；排放量需要下降最大的部门为电力、热力生产和供应业，降幅可达近90%。

由以上结果表明：CO2排放总量的约束条件下，工业部门依旧是 “碳排大户”，但其整体的排放数量相比2013年需要大幅降低。

第一产业部门所占并未发生大的变化，表明了第一产业的改变对节能减排并无大碍。第三产业部门也是如此，除仓储运输业需要对现有碳排水平进行减排外，其余部门都可以保持现状即可。

从CO2排放强度来看，碳生产率（1/碳强度）前五位全部来自第三产业部门；而在前十位中的也只有两个部门（计算机以及其他电子设备制造业、仪器仪表及文化办公用机械制造业和通信设备）来自第二产业部门。因此，第二产业中包含的5个能源部类、11个部门均需要提升自身行业的碳生产率以满足碳排总量的限制条件。

第三产业由于其具有经济产出高、碳排量相对较低等优势，在优化方案中指出包括了信息传输、计算机服务和软件业等7个部门的碳强度需要提升，若能大力发展第三产业，能够事半功倍的保证经济总量增长。

需要指出的是，交通运输及仓储业是第三产业中唯一一个碳排放总量排进前十的部门，并且在经济产出量优化结果排行中也占据第8位，属于我国经济产出的重要组成部分，如果未来可以将新能源、新材料等科技在交通运输部门多加推广及应用，减少该部门的碳排压力，很大程度上会有助于我国经济的 “低碳”发展。

图3 行业碳排强度排名

图4 行业碳排强度下降比例结果

4 结 论

中国特色 “低碳经济”的直接目的就是在保证一定量经济增速的前提下，减少碳排放量，以通过优化产业结构、提高能源使用效率的方式来达到低碳发展的目的。本文根据计量模型的预测，构建出我国基于经济总量、能耗量以及碳排量的总量控制优化模型。在保证现有的经济增长水平，能源消耗水平及二氧化碳排放水平下，提出2018年最优的产出（产业结构调整）方案。研究表明：可以在能耗量与碳排量双重约束下经济产出量达到最大，且相比基年（2013年）能源强度下降26.04% ，二氧化碳强度下降48.95%。而后，在上面非限制模型的基础上又对碳排放总量加入政策性的 “减排”条件。相比上一个非限制优化模型，在满足最低限度经济增长的前提下，二氧化碳排放总量能够下降约22%。

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［2］苏源.碳排放交易渐近中国将成世界第二大市场 ［J］.能源研究与利用，2013，（3）：19～20

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［4］陈柳钦.英国的低碳经济与可持续发展 ［J］.改革与开放，2010，（9）：21～22

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Research on the Optimization Model of China’s Low－Carbon Economy

Zhu Sisi
（Tsinghua University，Beijing 100084，China）

With the steady growth of China’s economy，people’s life quality rise ceaselessly，how to realize low carbon economy，limiting emissions of carbon dioxide becomes very challenging.Firstly，GDP in 2018，total energy consumption and carbon emissions is forecasted；then according to the forecast results，in order to maximize economic output，taking minimized carbon emissions and environmental efficiency evaluation as objective function，the optimization model of China’s low carbon economy is constructed；finally，by means of solving industrial sectors in China，it analyzes of the structure of the optimal adjustment scheme，for our country to further achieve low carbon economy provides scientific basis and reference.

low carbon economy；industrial structure；the optimization model；adjust the plan

附表1 中国41项分类部门产出总量、能源消耗总量和二氧化碳排放总量预测总表

续表

10.3969/j.issn.1004－910X.2016.12.013

F205；F121.3

A

（责任编辑：王 平）

2016—08—25

朱思斯，清华大学经济管理学院经济系博士研究生。研究方向 ：产业经济学、公共经济学。