秦云,赵丽娅,许峰,黄运新

(湖北大学资源环境学院,湖北 武汉 430062)

中国城市居民生活碳排放的量化
——个人碳排放计算器的设计与应用

秦云,赵丽娅,许峰,黄运新

(湖北大学资源环境学院,湖北 武汉 430062)

根据IPCC温室气体清单方法,以投入产出表为基础,测算直接和间接碳排放系数,确定我国城市居民日常生活碳排放的量化公式.使用Visual Studio软件开发工具,制作出可以独立运行于WindowsXP、Win7等操作系统的碳排放计算器.以问卷调查和计算器为基础,分析我国城市居民的消费模式,计算人均每天碳排放.针对特定案例,对个人碳排放进行动态分析,为个人减少碳排放提供简便易行的帮助指导.

碳排放;碳足迹;低碳生活;全球变暖

0 引言

全球变暖已成为世界各国关注的焦点,以IPCC为代表的国际主流观点认为人类活动所导致的地球大气系统碳循环失调是全球变暖的主要原因[1].全球人口的快速增长和高度工业化直接导致温室气体排放增加,加速全球变暖.主要的温室气体包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氯氟烃和臭氧等,其中二氧化碳是最主要的温室气体,约占总量的70%[2].数据显示[3],2013年3月大气中二氧化碳浓度已大大超出了最高安全限值(1987年:678.5 mg/m3).城市作为人类社会经济活动的中心,聚集了世界一半以上的人口,消耗了全球67%的能源并产生了75%的二氧化碳排放[4].与发达国家和欠发达国家相比,中国城市具有人口多、密度大的特点.到2012年为止,中国城镇人口占总人口的比例已超过50%[5].另外,随着经济的发展和收入的提高,中国城市人口的生活方式和消费模式也在发生变化.因此,对中国城市生活碳排放进行量化研究具有重要的实际意义.

国外提出的城市碳排放测算方法多种多样,其中比较重要的方法有基于地理范围的测算、基于基础设施服务的测算和基于消费的测算,相关研究重点放在确定城市范围内的碳排放测算体系[6],如Sovacool等[7]对全球12个大都市区的碳足迹进行了评价分析,并提出了减少碳足迹的政策建议;Kenny[8]以爱尔兰为例,对6种碳足迹计算模型的运行效果进行了对比分析.我国有关碳排放的一般研究也较多,如冯玲等[9]研究了1999—2007年生活能耗与碳排放的动态变化特征,并分析了其潜在的影响因素;孙建卫等[10]对我国国民经济最终消费品可能产生的直接或间接碳排放量进行了分析,并对碳排放足迹及各部门之间的碳关联进行了分析;朱勤等[11]测算了中国居民消费品载能碳排放量,分析了影响居民消费品载能碳排放的主要因素并量化了其贡献率.

总体看来,我国的碳排放研究重在测算碳排放总量,对个人特别是城市居民个人日常生活产生的碳排放测算研究重视不够.人类日常活动特别是城市居民的日常活动承载着大量的二氧化碳排放,控制减少城市居民个人日常活动产生的碳排放对国家整体的节能减排具有重要意义.为此,本文中从衣、食、住、行、用5个方面对城市居民个人碳排放活动进行分类,同时考虑直接和间接碳排放,确定碳排放系数,构建碳排放模型,设计碳排放计算器,对城市居民个人日常生活碳排放进行合理量化.在此基础上,结合碳排放计算器和调查问卷对城市居民个人日常生活碳排放的总量和规律进行综合分析,为个人节能减排提供参考.

1 城市生活碳排放的测算方法

城市居民生活碳排放主要表现在两个方面:一是在炊事、热水、采暖、家用电器等生活起居方面对能源的直接消费所产生的碳排放(直接碳排放);一是消费品(不包括生活用能)在其原料、生产、运输、销售及终端消费等环节中所承载的能源消耗导致的碳排放(间接碳排放)[12].

(1)

式中:Cd为直接碳排放,E1,p为居民生活中燃烧活动对一次能源的消费量,E2,p为居民生活中燃烧活动二次能源转换一次能源的消费量,kp为直接碳排放系数,下标p为一次能源种类编号.

表1 能源类别与直接碳排放系数 kg CO2

城市居民生活中燃烧的能源主要有5类(表1),根据《综合能耗计算通则》(GB/T2589-2008)[13]和《省级温室气体清单编制指南(试行)》(发改办气候[2011]1041号)[14]提供的数据,可按以下公式分别计算5类能源的直接碳排放系数kp(表1):

(2)

式中:Q为平均低位发热量,a为单位热值含碳量,K为碳氧化率.

1.2间接碳排放的测算方法间接碳排放涉及消费品的周转环节,反映的是消费品在各个环节的能源消费所产生的碳排放的总和.间接碳排放的投入产出模型公式为[12]:

Cf=X(I-A)-1Y

(3)

式中:Cf为各类居民消费品间接碳排放行向量,X为投入产出表中各部门单位产出碳排放行向量,(I-A)-1为投入产出表中完全需求系数矩阵,X(I-A)-1为各部门生产单位价值产品引起的碳排放行向量,Y为投入产出表中居民对各类消费品的最终消费量列向量转换而成的对角矩阵.

(4)

根据2007年《投入产出基本流量表》中的部门总产出数据,将第i个部门总产出碳排放(TX)i除以第i个部门总产出,得到第i个部门单位产出碳排放Xi(表2).Xi为行向量X的元素.

表2 单位产出碳排放(a)与间接碳排放(b)系数 吨CO2/万元

1.2.2 完全需求系数矩阵(I-A)-1的求解 根据2007年《投入产出基本流量表》[5]和《按行业分能源消费量》[5],先用MacrosoftExcel2003计算出直接消耗系数矩阵A,再用MatlabR2009a计算出完全需求系数矩阵(I-A)-1.

1.2.3 间接碳排放系数di的求解 由于商品的生产价格,是由部门平均生产成本和社会平均利润构成的价格,是价值的转化形式,生产价格形成后,市场价格将围绕生产价格而上下波动,因此可以近似地认为,居民购买某种商品时实际支付的价格等于这种商品的生产价格,进而可以认为,居民消费某个部门单位价值产品引起的碳排放等于这个部门生产单位价值产品引起的碳排放.间接碳排放系数di是居民消费单位价值产品引起的碳排放转移到部门中的表现形式,因此,行向量X(I-A)-1中的元素即间接碳排放系数.用MatlabR2009a计算出各部门生产单位价值产品引起的碳排放X(I-A)-1,得到间接碳排放系数di(表2).

2 个人碳排放计算器的设计

2.1个人碳排放的分类计算本研究从衣、食、住、行、用5个方面来计算碳排放,根据城市居民生活中容易产生碳排放的各种活动,分别对其进行二、三级细分,归类为15种不同的碳排放途径,找出每种途径碳排放的计算表达式(表3),根据物价局等提供的物价参数,结合能源等物质或材料物理属性参数,综合考虑直接和间接碳排放系数,确定变量单位,进行量纲换算,简化表达式(表4).

根据上述分类可以依次完成居民衣、食、住、行、用各方面的碳排放计算.例如,当居民购买一件衣服时,因为衣服是由纺织、服装及皮革产品制造业(部门4)生产出来的,不涉及燃烧活动,所以只有间接碳排放,其值为间接碳排放系数d4乘以购买衣服时实际支付的价格R11;当居民在一次做饭过程中使用天然气作为能源,则此行为碳排放既包含燃烧天然气过程中直接排放到大气的二氧化碳(直接碳排放),又包含炼焦、燃气及石油加工业(部门6)在生产这些天然气过程中所投入的能源导致的在生产车间排放的二氧化碳(间接碳排放),间接碳排放系数d6与天然气的市场价格j32之积为生产单位量的天然气在生产车间排放的二氧化碳量,加上燃烧单位量的天然气排放的二氧化碳量(直接碳排放系数k3),得到总碳排放系数(k3+d6*j32),将总碳排放系数(k3+d6*j32)乘以此次做饭过程中天然气的使用量(V32*ρ3)即为总碳排放,其中,消耗的天然气体积V32由天然气计量表读出,天然气密度ρ3为0.717 4kg/m3.

2.2碳排放计算器界面的设计内容上,按衣、食、住、行、用划分为5大区块(图1).对于使用家用电器和选择交通工具等碳排放较大的类别,则进行细分.对于汽油车和电力车等发生频率较高、个体差异较大的出行方式,则进一步细分,并且将选择的项目碳排放通过单击小加号按钮显示在下面带垂直滚动条的列表框中,增强和提高碳排放计算器的操作灵活性和指导作用.碳排放报告内容包括当天生活碳排放总量及衣、食、住、行、用5个分类的碳排放.技术上,使用VisualStudio2010软件开发工具,以Windows窗体应用程序为模板,采用VisualC++语言编程,新增两个Windows窗体类,用于显示碳排放报告和碳排放日志保存报告.

表3 碳排放计算表达式

表4 简化后的碳排放计算表达式

2.3碳排放的汇总包括二级汇总:衣、食、住、行、用每个类别碳排放的汇总;衣、食、住、行、用5个类别碳排放的汇总(表5).其中,“住”类别中家用电器碳排放为S(i),i表示家用电器序列号;“行”类别中交通工具碳排放分为汽油车碳排放和电力车碳排放,根据不同类别、类型等设定的默认值分别计算碳排放,将当天使用过的交通工具碳排放记为T(i),i表示交通工具序列号.

图1 碳排放计算器主界面

表5 碳排放汇总公式

3 实证分析

根据碳排放计算器设置的输入项目,从衣、食、住、行、用5大方面分别设置1～3个问题,在“问卷星”网站上发布调查问卷,从后台将调查结果以Excel的形式下载到本地电脑.根据问卷内容,对不同问题的不同选项分别进行碳排放的合理量化,将处理后的结果用碳排放计算器进行计算,得到单项碳排放.用Macrosoft Excel 2003对收集到的98份答卷进行分类统计,得到人均每天碳排放为18.424 82 kg,其中衣2.772 25 kg,食11.139 35 kg,住2.051 22 kg,行2.455 57 kg,用0.006 43 kg,并按5大分类碳排放所占的比例绘制饼状图(图2).

图2 碳排放所占比例饼状图

由图2可以看出,在城市居民日常生活中,由“食”引起的碳排放在五大分类中占60.46%,是日常生活碳排放的主要来源.“食”作为民生的支柱,每人每天都需要消费大量食物,而这些食物从生产到食用前,在农林牧渔业、食品加工业、餐饮业等多个部门间转移,途径加工、运输、销售等多个环节,承载着大量的间接碳排放.因此合理规划饮食、减少浪费是减少碳排放的重要途径.

图3 某人连续30天碳排放与人均每天碳排放的比较

某人在月初使用私家车上下班,经常乘坐电梯,经常使用一次性餐具,逛超市经常购买塑料袋,经常参加聚会,周末在家空调几乎全天开着,外出时经常不记得关电灯,电脑经常处于待机状态,在当月14日乘坐飞机出差,参加了一次关于碳排放的会议,回来后改用电动自行车上下班.根据此人用碳排放计算器记录的连续30天碳排放,绘制折线图(图3),计算出前半个月和后半个月的日均碳排放,分别为93.803 9 kg和30.613 2 kg.

由图3可以看出,此人后半个月的生活碳排放与前半个月的生活碳排放有明显的差别,并且月末碳排放基本上降到人均每天碳排放的水平.通过改变生活方式,此人每年可以减少23 t二氧化碳的排放,要减少到最高安全限值(1987年:678.5 mg/m3),在中国需要约2亿与此人生活方式类似的人花费1年时间来减排.

4 结语

本研究尝试开发了一个简便易行的碳排放计算器.该计算器不但能够快速地计算出个人每天的碳排放,对个人节能减排进行监督指导,而且可结合个人日常生活消费的抽样调查,对特定城市居民生活碳排放的人均量和总量进行估计.基于该碳排放计算器,还可以对城市居民生活碳排放的相关问题进行深度分析.例如,通过问卷调查和碳排放计算器的计算分析,本文发现在衣、食、住、行、用5个方面中,由“食”引起的碳排放所占的比例最高.这一结果有些出乎意料,但由于“食”尤其是“荤食”产生的间接碳排放相对较高,所以结果是合理的.

[1] 蒋洪强,周颖,师华定,等.温室气体排放统计核算技术方法[M].北京:中国环境科学出版社,2009.

[2] IPCC. 2006 IPCC Guidelines for national greenhouse gas inventories[R]. Eggleston H S, Buendia L, Miwa K, et al. Prepared by the National Greenhouse Gas Inventories Programme,2006.

[3] Hansen J, Sato M, Kharecha P, et al. Target atmospheric CO2: where should humanity aim?[EB/OL]. http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0804/0804.1126.pdf.

[4] Stern N. The economics of climate change: the stern review[M]. Cambridge, UK: Cambridge University Press,2006.

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[6] Chavez A, Ramaswami A. Progress toward low carbon cities: approaches for transboundary GHG emissions’ footprinting[J]. Carbon Management,2011,2(4):471-482.

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[8] Kenny T, Gray N F. Comparative performance of six carbon footprint models for use in ireland[J]. Environmental Impact Assessment Review,2009(29):1-6.

[9] 冯玲,吝涛,赵千钧.城镇居民生活能耗与碳排放动态特征分析[J].中国人口·资源与环境,2011,21(5):93-100.

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[11] 朱勤,彭希哲,吴开亚.基于结构分解的居民消费品载能碳排放变动分析[J].数量经济技术经济研究,2012(1):65-77.

[12] 葛全胜,方修琦.中国碳排放的历史与现状[M].北京:气象出版社,2011:93-120.

[13] GB/T 2589-2008.综合能耗计算通则[S].北京:中国标准出版社,2008.

[14] 发改办气候[2011]1041号,省级温室气体清单编制指南(试行)[R].北京:国家发展改革委应对气候变化司,2011.

(责任编辑 游俊)

Quantification of carbon emissions from the lives of urban residents in China:design and application of an individual’s carbon emissions calculator

QIN Yun,ZHAO Liya,XU Feng,HUANG Yunxin

(School of Resource and Environmental Science, Hubei University, Wuhan 430062, China)

Based on the IPCC guidelines for greenhouse gas inventories and the input-output tables, this article derived the coefficients of direct and indirect carbon emissions as well as quantitative formula by which carbon emissions from individual urban residents were computed. Using Visual Studio software development tools, a carbon calculator was developed which was independent of any specific computer operating systems such as Windows XP, Win 7. Using the calculator together with sampling survey data, the consumption pattern of urban residents was analyzed, and daily per capital carbon emissions was calculated. The calculator was applied to a case study of individual carbon emission as to illustrate how the calculator could be used for guiding individuals to reduce carbon emissions.

carbon emission; carbon footprint; low-carbon life style; global warming

2013-09-05

国家科技专项(2014ZX08012004)资助

秦云(1990-)，女，本科生；黄运新，通信作者，教授，E-mail：y.huang@hubu.edu.cn

1000-2375(2014)04-0375-06

X24

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2014.04.018