摘 要:未來城市能源供給面臨巨大的壓力，同時(shí)溫室氣體減排也成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項(xiàng)硬約束．為探索節(jié)能減排和低碳發(fā)展背景下城市的能源需求和CO2排放變化，本文基于LEAP(Long range Energy Alternatives Planning System)模型框架，建立起針對基準(zhǔn)情景和節(jié)能低碳情景的能源消費(fèi)和CO2排放的預(yù)測技術(shù)．以景德鎮(zhèn)市為例，利用建立的LEAP模型預(yù)測兩種情景下能源需求和CO2排放變化．結(jié)果表明，節(jié)能低碳情景下2020年景德鎮(zhèn)市能源需求和CO2排放增速顯著減緩，其中能源需求相比基準(zhǔn)情景將降低27%，單位產(chǎn)值CO2排放則降低37%．
傳統(tǒng)的能源規(guī)劃側(cè)重能源供需平衡分析，但能源消耗的外部性對生態(tài)環(huán)境的影響不容忽視．2010年中國向世界承諾“在2020年單位GDP溫室氣體排放量在2005年基礎(chǔ)上減少45%”，碳減排已成為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的硬性約束．為此在城市能源規(guī)劃中，既要注重能源供需平衡，也要考慮溫室氣體的減排約束．目前，城市能源系統(tǒng)分析與規(guī)劃方法主要集中在能源總量的需求及其影響因素分析上，其中能源預(yù)測方法包括彈性系數(shù)法、投入產(chǎn)出法、時(shí)間序列分析法等［1-2］．這些方法可以識別和探討能源體系中的主要影響因素、相互關(guān)系和聯(lián)合作用，但難以模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化比較大的情況，不適合能源的中長期預(yù)測［3］，而且也未能關(guān)聯(lián)環(huán)境影響，不能為決策者提供綜合的支持．LEAP模型是一個(gè)基于情景分析的能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合模型，可以在對經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)或技術(shù)的重大演變提出各種關(guān)鍵假設(shè)的基礎(chǔ)上，構(gòu)想未來較長時(shí)期能源及其環(huán)境影響的各種可能方案，得出相應(yīng)的預(yù)測結(jié)果［3-4］．目前LEAP模型已廣泛應(yīng)用于交通能源及大氣污染物預(yù)測［5］、化學(xué)吸收工藝環(huán)境和經(jīng)濟(jì)評價(jià)［6］、填埋氣環(huán)境經(jīng)濟(jì)評估［7］、鋼鐵行業(yè)CO2減排潛力分析［8］、可再生能源和未來行業(yè)能源預(yù)測等［9-11］．這些研究主要集中在對單項(xiàng)能源政策或某一項(xiàng)措施的環(huán)境影響和效益評估，很少涉及對綜合的能源政策組合影響進(jìn)行預(yù)測，而且研究尺度集中在國家或某一行業(yè)部門，較少利用LEAP模型開展城市尺度下的綜合能源體系和節(jié)能減排規(guī)劃．本文基于LEAP框架，構(gòu)建適用于城市能源需求和節(jié)能減排預(yù)測的LEAP模型，并以景德鎮(zhèn)市為例，預(yù)測中長期范圍內(nèi)全市分行業(yè)和部門能源需求和溫室氣體排放情況．
1研究方法
1．1 LEAP模型框架LEAP模型由瑞典斯德哥爾摩環(huán)境研究所及美國波士頓Tellus研究所共同研發(fā)，是一個(gè)能源-環(huán)境情景分析模型，可以進(jìn)行中長期能源供需平衡分析、能源流通和消費(fèi)過程中大氣污染物及溫室氣體的排放及成本效益分析，可以用來追蹤一個(gè)經(jīng)濟(jì)體中所有部門之間的資源開采、能源生產(chǎn)和消費(fèi)行為［12］．LEAP模型包括能源供給、能源加工轉(zhuǎn)換、終端能源需求3個(gè)環(huán)節(jié)，可根據(jù)項(xiàng)目的要求自由調(diào)整模型的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)框架，涵蓋了幾乎所有的能源需求、轉(zhuǎn)換、傳輸、分配和終端使用，能夠模擬已存在的和即將應(yīng)用的終端用能技術(shù)［13］．LEAP模型的應(yīng)用過程首先是進(jìn)行發(fā)展歷史的回顧性分析，然后對未來的趨勢做出一系列假定，接著對政策措施、經(jīng)濟(jì)狀況和技術(shù)水平等因素進(jìn)行有目的的設(shè)定，在此基礎(chǔ)上建立起數(shù)據(jù)模型，輸入相關(guān)參數(shù)，最后得出相應(yīng)的預(yù)測結(jié)果．
1．2能源需求和CO2排放計(jì)算LEAP模型對能源需求進(jìn)行分行業(yè)預(yù)測．假設(shè)有m種能源和n個(gè)行業(yè)部門，各行業(yè)的能源需求由經(jīng)濟(jì)活動水平和單位經(jīng)濟(jì)活動水平下的能源強(qiáng)度決定，CO2排放由能源需求和碳排放系數(shù)決定，公式如下Eti=∑nj=1AtjEtijEtj=∑mi=1AtjEtijC=∑i∑jAtjEtijfij式中，Eti為t時(shí)刻第i種能源消費(fèi)總量;Etj為t時(shí)刻第j部門綜合能耗;C為CO2排放量;Atj為第j部門在t時(shí)刻的活動水平，多以部門產(chǎn)值或產(chǎn)品產(chǎn)量表示;Etij為t時(shí)刻j部門單位活動水平下的能源消費(fèi)強(qiáng)度;fij為第j部門對第i種能源的碳排放系數(shù)．焦炭和煤氣的生產(chǎn)與消費(fèi)過程均產(chǎn)生CO2排放，本模型按照投入焦炭和煤氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)的全部能源進(jìn)行計(jì)算，不再考慮其終端消費(fèi)產(chǎn)生的CO2．化工生產(chǎn)部門CO2排放按照投入的全部能源進(jìn)行計(jì)算，沒有考慮扣除作為原料的部分，因此計(jì)算得到的CO2排放量略微偏大．燃料大氣污染物和CO2排放系數(shù)參見表1和表2
2．2模型構(gòu)建景德鎮(zhèn)市LEAP模型基于LEAP提供的建?；A(chǔ)框架構(gòu)建，覆蓋了終端能源消費(fèi)部門和加工轉(zhuǎn)換部門，并涵蓋了終端能源消費(fèi)主要的能源品種．考慮數(shù)據(jù)可獲得性，模型以2007年為基準(zhǔn)年，研究時(shí)間跨度為2007—2020年，模型的驅(qū)動因素包括GDP增長、人口規(guī)模變化、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源技術(shù)進(jìn)步和能效提高等．根據(jù)景德鎮(zhèn)市的產(chǎn)業(yè)部門分類和終端能源消費(fèi)特點(diǎn)，模型將終端能源需求部門劃分為第一產(chǎn)業(yè)用能、工業(yè)用能、建筑業(yè)用能、交通用能、商業(yè)用能和居民生活用能6個(gè)部門．其中工業(yè)用能部門細(xì)化為建材行業(yè)(陶瓷和水泥)、造紙、制藥、機(jī)械制造、制焦、電力、化學(xué)纖維、精細(xì)化工等子部門，交通部門分為鐵路運(yùn)輸、公路運(yùn)輸和水路運(yùn)輸3個(gè)子部門，居民生活用能分為城鎮(zhèn)居民用能和農(nóng)村居民用能．模型中的能源載體有原煤、電力、煤氣、天然氣等．由于數(shù)據(jù)來源的限制和數(shù)據(jù)類型的差異，對各部門設(shè)計(jì)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采取不同的計(jì)算方式．
2景德鎮(zhèn)案例研究
2．1區(qū)域背景景德鎮(zhèn)市位于江西省東北部，是著名的瓷都，其陶瓷、飛機(jī)汽車制造、電子、化工、機(jī)械等行業(yè)發(fā)展迅速，是江西省重要的工業(yè)城市．快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致能源消費(fèi)不斷上升，根據(jù)景德鎮(zhèn)統(tǒng)計(jì)局公示的相關(guān)數(shù)據(jù)景德鎮(zhèn)2007年單位GDP能耗高于全國平均水平，且“十一五”前三年能源消費(fèi)強(qiáng)度未能達(dá)到規(guī)劃進(jìn)度要求．根據(jù)“景德鎮(zhèn)十一五規(guī)劃”和《景德鎮(zhèn)城市總體規(guī)劃綱要》，確定未來主要社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，詳見表
2．2模型構(gòu)建景德鎮(zhèn)市LEAP模型基于LEAP提供的建?；A(chǔ)框架構(gòu)建，覆蓋了終端能源消費(fèi)部門和加工轉(zhuǎn)換部門，并涵蓋了終端能源消費(fèi)主要的能源品種．考慮數(shù)據(jù)可獲得性，模型以2007年為基準(zhǔn)年，研究時(shí)間跨度為2007—2020年，模型的驅(qū)動因素包括GDP增長、人口規(guī)模變化、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源技術(shù)進(jìn)步和能效提高等．根據(jù)景德鎮(zhèn)市的產(chǎn)業(yè)部門分類和終端能源消費(fèi)特點(diǎn)，模型將終端能源需求部門劃分為第一產(chǎn)業(yè)用能、工業(yè)用能、建筑業(yè)用能、交通用能、商業(yè)用能和居民生活用能6個(gè)部門．其中工業(yè)用能部門細(xì)化為建材行業(yè)(陶瓷和水泥)、造紙、制藥、機(jī)械制造、制焦、電力、化學(xué)纖維、精細(xì)化工等子部門，交通部門分為鐵路運(yùn)輸、公路運(yùn)輸和水路運(yùn)輸3個(gè)子部門，居民生活用能分為城鎮(zhèn)居民用能和農(nóng)村居民用能．模型中的能源載體有原煤、電力、煤氣、天然氣等．由于數(shù)據(jù)來源的限制和數(shù)據(jù)類型的差異，對各部門設(shè)計(jì)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采取不同的計(jì)算方式．
2．2．1工業(yè)用能工業(yè)用能以規(guī)模以上企業(yè)和重點(diǎn)用能企業(yè)作為行業(yè)代表，按照如下公式進(jìn)行計(jì)算．Et=∑iAA'Ei'ftgtkit式中，Et表示t時(shí)刻，某工業(yè)部門用能;Ei'表示該行業(yè)表示重點(diǎn)用能企業(yè)的第i種能源的消費(fèi)量;A/A'表示整體行業(yè)的產(chǎn)出水平與規(guī)模以上企業(yè)和重點(diǎn)用能企業(yè)的產(chǎn)出水平的比值;ft表示該行業(yè)未來的產(chǎn)業(yè)規(guī)模增長系數(shù);gt表示該行業(yè)的節(jié)能系數(shù);kit為第i種能源的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)．ft、gt、kit在初始時(shí)刻(2007年)的值均為1．
2．2．2電力用能火電廠將一次能源轉(zhuǎn)化為二次能源———電力供其他部門使用，為避免重復(fù)計(jì)算，本文對火電廠的計(jì)算公式如下H=cf1－(e－e')f2式中，c表示火電廠燃煤量(t);e和e'表示火電廠的總發(fā)電量和火電廠的自用電量(kWh);f1、f2分別表示煤炭和電力折合成標(biāo)煤系數(shù)，f1=0．7143kgce/kg，f2=0．1229kgce/kWh(綜合能耗計(jì)算通則GB/T 2589-2008)
2．2．3交通用能景德鎮(zhèn)市不屬于江西省重要的交通樞紐，其交通用能的估算方法如下Ti'=T4if'1f1f'2f2f'3f3f'4f槡4式中，Ti'、Ti表示景德鎮(zhèn)市和江西省交通部門對第i種能源的消費(fèi)，i表示柴油、汽油、煤炭、綜合能耗等;f1'、f2'、f3'、f4'分別為景德鎮(zhèn)市客運(yùn)總量、貨運(yùn)總量、客運(yùn)周轉(zhuǎn)量、貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量;f1、f2、f3、f4分別為江西省的客運(yùn)總量、貨運(yùn)總量、客運(yùn)周轉(zhuǎn)量和貨物周轉(zhuǎn)量．
2．2．4第一產(chǎn)業(yè)和其他用能參考國家和江西省的能源消費(fèi)數(shù)據(jù)，不管是全國范圍還是江西省范圍內(nèi)，第一產(chǎn)業(yè)用能在社會總能耗中所占比例很小，大約在3%—4%，且呈逐年下降趨勢，景德鎮(zhèn)市在江西省第一產(chǎn)業(yè)用能比例相對較低，因此可取為較小值．其它行業(yè)如建筑業(yè)、服務(wù)業(yè)等在能源消費(fèi)中所占的比例大約在4．5%—5%，這些部門可以按照現(xiàn)有比例乘以其它部門用能總量的方法進(jìn)行計(jì)算，對于總量的預(yù)測影響不大．
2．3情景設(shè)計(jì)景德鎮(zhèn)市未來能源消費(fèi)及大氣污染排放情景主要基于以下基本假設(shè):
(1)隨著城市化進(jìn)程，農(nóng)村居民消費(fèi)的一些非商品能源(如薪柴、秸稈)將被其它的商品能源所替代，農(nóng)村消費(fèi)的煤炭比例降低;
(2)未來電氣化和燃?xì)饴侍岣?，電力、城市煤氣、天然氣等?yōu)質(zhì)能源比例提高，能源利用效率提高;
(3)未來加強(qiáng)對煤炭燃燒利用過程產(chǎn)生的各種污染物的防治，大氣污染物及溫室氣體排放強(qiáng)度將降低．在此基礎(chǔ)上，設(shè)立如下兩種情景．
(1)情景一:基準(zhǔn)情景基準(zhǔn)情景，又稱“零方案”，是指未采取進(jìn)一步的節(jié)能減排政策和措施．以2007年各能源需求終端消耗情況做趨勢外推，不考慮進(jìn)一步節(jié)能減排的規(guī)劃和措施．
(2)情景二:節(jié)能減排情景參考國家節(jié)能中長期規(guī)劃等節(jié)能政策，未來城市能源利用效率有很大提高，能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果明顯，落后產(chǎn)能基本淘汰，污染物排放得到一定控制．部分行業(yè)單位產(chǎn)值能耗現(xiàn)狀值和規(guī)劃值如表4所
3結(jié)果與分析3．1能源消費(fèi)與CO2排放現(xiàn)狀模擬利用景德鎮(zhèn)市LEAP模型模擬2007年能源消費(fèi)與CO2排放，結(jié)果如表6所示．根據(jù)景德鎮(zhèn)統(tǒng)計(jì)公報(bào)，景德鎮(zhèn)市2007年能源消費(fèi)總量為309×104t標(biāo)煤，單位GDP能耗為1．18萬元(略高于全國平均水平1．16萬元)，與模型模擬的結(jié)果非常接近．能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中工業(yè)的比例為83%，高于全國平均水平．居民生活用能次之．在工業(yè)能源消費(fèi)中，電力、化纖化工和建材(水泥)行業(yè)占據(jù)了主導(dǎo)地位，說明景德鎮(zhèn)市的工業(yè)發(fā)展仍以資源密集型為主(見表7
3．2未來情景預(yù)測分析
3．2．1基準(zhǔn)情景基準(zhǔn)情景下能源消費(fèi)總量和單位GDP能耗變化預(yù)測如圖1所示，CO2排放變化預(yù)測如圖2所示．由此看出，在當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和發(fā)展速度下，景德鎮(zhèn)市的能源消耗會繼續(xù)高速增長．到2015年能源消耗量將是2007年水平的1．92倍，2020年將達(dá)到2．6倍．而單位GDP能耗先經(jīng)歷短暫的下降，在2010—2011年達(dá)到最低值，之后保持平穩(wěn)．工業(yè)耗能高達(dá)84．6%，主要耗能行業(yè)包括電力、建材(水泥)、化纖和陶瓷等，詳見表7．2007—2020年能源變化的分行業(yè)貢獻(xiàn)如表8所示，可見電力、建材(水泥)業(yè)和化工行業(yè)是能源增長的主導(dǎo)行業(yè)，分別貢獻(xiàn)了30．1%、26%和13．1%，這些高能耗行業(yè)未來還將經(jīng)歷一個(gè)快速增長時(shí)期．總體上，在基準(zhǔn)情景下景德鎮(zhèn)市的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)變化不大，還是主要依靠資源密集型和高能耗的企業(yè)推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源需求和CO2排放近似平行增長．
3．2．1節(jié)能減排情景在情景二下，能源消費(fèi)總量和單位GDP能耗變化預(yù)測如圖1所示，CO2排放變化預(yù)測如圖2所示．2020年能源消耗比2007年增加281×104t標(biāo)煤，萬元GDP能耗則由1．16t下降至0．73t，下降幅度為37%．2020年CO2排放比2007年增加188×104t，萬元GDP排放強(qiáng)度由0．78t下降到0．45t，下降幅度達(dá)37%，接近國家承諾的40%—45%的指標(biāo)．相比情景一，2020年能源消費(fèi)總量減少了217×104t標(biāo)煤，CO2排放量減少了147×104t．能源結(jié)構(gòu)如表7所示，工業(yè)用能比重下降，但仍占主導(dǎo)地位．主要耗能行業(yè)為電力、化纖、陶瓷、化工及水泥，其中水泥行業(yè)耗能比例得到大幅限制，電力耗能比例則有所增加．
3．3未來對策分析顯然，情景二有利于實(shí)現(xiàn)景德鎮(zhèn)市的節(jié)能減排目標(biāo)，為此未來應(yīng)強(qiáng)調(diào):
(1)保障經(jīng)濟(jì)快速增長，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，尋找新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，重點(diǎn)發(fā)展附加值高、能耗低的高新技術(shù)行業(yè)和第三產(chǎn)業(yè);
(2)重點(diǎn)限制建材、化纖化工、冶金等高耗能行業(yè)發(fā)展，淘汰落后產(chǎn)能或上大壓小;
(3)加強(qiáng)能源供應(yīng)能力，擴(kuò)大景德鎮(zhèn)發(fā)電廠規(guī)模，鼓勵農(nóng)村水電發(fā)展;(4)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，以川氣東輸為契機(jī)，使用優(yōu)質(zhì)能源替代民用和工業(yè)用煤．
4結(jié)論
本文探討了LEAP模型應(yīng)用于城市能源需求和碳排放預(yù)測的技術(shù)過程，并以景德鎮(zhèn)市為例進(jìn)行案例研究．在基準(zhǔn)發(fā)展情景和節(jié)能低碳發(fā)展情景下，分第一產(chǎn)業(yè)、工業(yè)、交通、居民生活和其它用能5個(gè)部門進(jìn)行模擬預(yù)測，驗(yàn)證表明誤差在可允許范圍內(nèi)，城市能源LEAP模型適于推廣應(yīng)用．在基準(zhǔn)情景下，2020年景德鎮(zhèn)市綜合能耗增加1．6倍，單位GDP能耗和CO2排放水平分別為998kg/萬元和728kg/萬元．在節(jié)能低碳發(fā)展情景下，通過限制電力、陶瓷、化工行業(yè)發(fā)展規(guī)模，淘汰水泥行業(yè)落后產(chǎn)能，提高各行業(yè)能源利用效率等，2020年用能僅增加0．9倍，單位GDP能耗和CO2排放水平則同時(shí)下降37%．考慮數(shù)據(jù)的可獲得性和能源系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，城市能源LEAP模型對真實(shí)的能源情景模擬還存在不足，如何消除簡化過程對模型精確性的不利影響將是下一步研究的重點(diǎn)．
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［16］國家統(tǒng)計(jì)局能源統(tǒng)計(jì)司，國家能源局綜合司．中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒2008、2007［M］．北京:中國統(tǒng)計(jì)出版社，2007Department of Energy Statistics of National Statistics bureau，Department of General Affairs of National EnergyAdministration．China energy statistical yearbook(2008、2007)［M］．Beijing:China Statistics Press，2007
［17］國家發(fā)改委，國家節(jié)能中長期能源規(guī)劃［N/OL］．http://www．ndrc．gov．cn/xwfb/t20050628_27571．htmNational Development and Reform Commission．The National Mid-and Long-term Energy Saving Plan［N/OL］．http://www．ndrc．gov．cn/xwfb/t20050628_27571．htm
