國內外城市交通能耗系統能源模型比較研究

張雅京 中日友好環境保護中心

一、研究目的與意義

（一）研究目的

本文以城市交通系統的能耗特征為基礎，探討有關交通政策碳減排潛力評價與城市交通系統能源消耗模型，通過比較分析國內外能源與交通系統能耗模型，為建設城市交通系統能源消耗與有關能源政策評價模型提供基礎理論依據，旨在分析當前城市交通系統的能源消耗和今后城市交通發展過程中所需能源需求，以及相關能源政策碳減排潛力內因。探索更有效和更具針對性的現代城市交通清潔能源發展對策，為政府及相關決策制定機構設計與實施合理的城市交通發展規劃及發展“綠色生態城市”提供有價值的建議與參考，以及科學有效的決策依據。

目前我國關于計算城市交通系統能源消耗方面的理論文章與系統分析方法相對較少，且現階段經濟發達地區城市頒布實施的大部分交通政策基本為定性描述，關于定量的分析較少。本文旨在探索解決城市內部交通系統能源消耗較為全面的科學計算方法，從節能潛力、碳減排的角度來定量分析、評價各政策的實施效果，為政府科學、合理制定城市交通系統有關能源政策提供決策參考。

（二）研究意義

現階段國內大多數地區對節能、低碳清潔交通的發展正處于摸索階段，對于推動綠色交通體系建設，發展綠色交通的側重點及能耗、控制二氧化碳、氮氧化物等溫室氣體的排放指標并沒有一套全面、科學地標準可以參考，且有關交通政策對社會、經濟、環境的影響難以定量化預測。本文通過城市交通能源結構、能源消耗及需求定量分析預測，且這種預測而不僅僅限于單一交通方式，目前只是針對公路部分進行分析和預測，沒有將城市交通作為一個有機統一的整體進行科學合理的預測分析，并不足以應對當前的嚴峻形勢，進行城市交通政策的能源消耗與碳減排潛力的評價研究工作，為綠色交通、生態環保與可持續發展城市建設提供科學有效的技術支持和科學決策幫助。

二、我國交通部門能源消耗現狀

雖然我國當前能源消費量連續五年減緩增長，但仍然占比全球能源消費增長量的四分之三。我國在2008年全年能源消費總量共計28.5億噸標準煤，同比比2007年能源消費總量增長了4%。單從行業消費的角度來看，所占比重較大的為交通運輸。高速經濟增長隨之而來的是城市交通及相關領域的高能源消耗，而高能源消耗恰恰對有限的資源是一個嚴峻地挑戰，與此同時，交通系統溫室氣體的高排放量對生態環境也是一項嚴峻的挑戰。預計到2020年，全國用油量的50%將被城市交通運輸業耗油量占據，屆時我國石油對外依存度將達 60%。因此，作為石油能源消耗的主要需求大國，降低城市交通運輸系統的能源消耗，對于減少全社會能耗，提高資源使用效率，保護生態環境，將產生積極而深遠的影響。

20世紀60年代中期，隨著對石油進口的依賴度越來越高，各國政府高度重視能源供應安全的問題，與此同時，能源使用帶來的環境問題越來越嚴重，全球對能源的關注重點逐漸從如何推動經濟發展領域轉向可持續發展領域，基于此各國開發了一系列有關能源規劃和預測能源供給、需求的能源消耗預測模型。根據模型的特點和建模方法基本可以分為三種類型：

（一）宏觀經濟型模型——自上而下能源模型

自上向下能源模型(Top-down Model)。該模型是在經濟學模型基礎上，通過能源價值、經濟彈性為主要經濟指數，集中表現其與生產能源和消費能源之間的關系，主要適用于宏觀經濟和能源政策及相關規劃分析方面的研究。該模型較為典型代表是CGE模型，該模型是基在一般均衡理論的模型（Ceomputational General EquilibriumMode）的基礎上進行研發。20世紀年代末，瑞典經濟學院于研發了一般均衡能源CGE模型，該模型于 20世紀80年代末發展完善并建立了能源境-經濟CGE模型，作為自上而下模型的代表，該模型主要分析預測和模擬經濟發展與能源、環境之間的相互內在關聯。CGE模型的適用研究對象為能源環境、能源相關經濟貿易以及規劃政策等方面的分析評價，在分析各項經濟政策與能源政策、環境政策的實施效果方面具有優勢。

計量經濟模型是由日本于同時代中期研發，該模型主要從自上而下尺度設計，主要評估分析國家和地區能源消費、國內生產總值等國家宏觀經濟尺度的參數，在此基礎上分析能源政策以及能源相應的價格，對能源消費和使用的影響。除此之外，較為典型其它該類別典型模型還有于1993開研究發的一般均衡環境Green模型、OECD模型，德國斯圖加特大學能源經濟與能源效率研究所于1996年研發的區域乃至整體的一般均衡系統應用模型（NEWAGE），歐盟在1993年開發的Global2100模型，本世紀初日本研發的3ES模型，以及20世紀80年代歐盟聯合開發的宏觀部門投入產出HERMES模型、溫室氣體排放預測與政策分析模型EPPA、GLOBAL、溫室氣體減排政策地區與全球影響評價MERGE模型等等。這一類別的模型能夠很好地反映宏觀經濟部門之間的內在關聯，但與技術相關的環境和資源約束成本等無法在模型中得到有效反饋。綜觀自上而下這類模型，總體來看其在對市場體系比較完善的宏觀經濟體進行模擬則更有優勢。

（二）能源工程型模型——自下而上能源模型

自下而上模型(Bottom-up Model)。主要在工程技術模型的基礎上，對以能源生產和能源消費過程中所使用的技術作為基礎，進行仿真和詳細描述，且對生產方式、能源消費為主進行供需預測和生態環境影響分析的模型。主要包括仿真和優化模型，優化模型最具代表性的包括以國際能源組織（IEA）為核心開發的模型MARKAL、歐盟研發的模型EFOM、日本國立研究所（NIES）研發的技術模型AIM、國際應用系統分析研究所（IIASA）研發的模型MESSAGE等；仿真模型的典型代表，是由瑞典斯德哥爾摩環境研究所研發的LEAP政策模擬仿真模型，該模型是基于情景分析的能源-環境模型，目前得到廣泛應用。自下向上模型當前主要有兩大開發方向：一是以消費、能源需求為分析作為對象，詳細分析計算各部門能源消耗；二是以能源轉換、供應為中心，以分析高效能源技術引入和其實施效果為目標的模型，此類模型典型代表為EFOM模型和MARKAL模型。

“終端能源消費模型”是因人類活動變化所引起的能耗強度和能耗水平變化的模型。法國的LEAP模型和MEDEE模型是這類模型的典型代表。除此之外，其它具有代表性的自下而上模型還有：1996年由美國馬薩諸塞技術研究所研發的氣體污染物排放預測與政策分析EPPA Model模型等。

LEAP（Long-range Energy Alternatives Planning system）模型以能源消費、能源需求和環境影響為研究對象，通過數學模型來預測各部門的能源消費、能源需求及環境影響的靜態能源經濟環境模型。該模型作為“終端能源消費模型”的典型代表，可成功的對能源消費系統進行仿真。總體來看，LEAP已有研究目前已相對較多，但現階段研究尺度一般都較大，且研究多數集中于一個或某幾個能源部門，而從整個城市交通系統角度出發對城市交通系統內部各個組成部門進行能源消耗和節能減排潛力的分析研究相對較少。

日本國立環境研究所（MES）于1994年研究開發AIM模型是能源終端消費模型。該模型主要對人類活動引起的溫室氣體排放，大氣中溫室氣體增加引起的氣候變化，以及氣候變化對生態環境、社會經濟的影響進行全面綜合分析。因此，該模型也通常用來評價應對地球變暖各種對策的實施效果。

創立于 20世紀 70年代末的MARKAL模型，是以技術為支撐的能源分配長期動態線性規劃模型。該模型被廣泛應用于37個國家的77個研究機構中。MARKAL模型作為能源系統模型主要用于研究國家層級或地區層級的能源政策和規劃分析。

此類模型的優勢在于將能源的技術的經濟性、利用效率、及環境排放水平等一系列信息納入至模型中，值得注意的是該類模型忽略了和缺乏經濟系統內部的反饋關系。此外，低碳經濟的研究中也是借鑒了系統動力學模型的強大系統仿真能力應用于模型的研究中，可持續發展類研究經常使用該類模型，現階段成功應用到能源政策、能源規劃和低碳城市相關政策中去。

（三）混合模型

混合模型是指從能源開采到能源最終使用全生命周期過程中對整體能源系統的預測和情景模擬的模型。此類模型囊括了自上而下的宏觀經濟模型和自下而的能源供應及需求模型兩種模型。它整合了以上兩種模型的優點，具體而言，混合模型主要通過自上而下的方式作為數據獲取的主要方式，同時，輔以自下而上模型作為補充，分析內部要素。這兩種方法互相協調，補充完善。最終對碳排放及能源消耗的計算結果更趨向客觀準確，所分析數據的來源更加全面廣泛。混合模型國際上最具有代表性的是美國NASA和WEC開發的動態線性規劃能源-經濟-環境模型 (NASA- WECE3模型)，EIA/DOE研發的能源經濟區域模型(NEMS模型)，以及歐盟TEEM計劃JOULE研究組開發的研究能源預測和規劃的能源經濟模型(MIDAS模型)。

截止目前，國外對于城市交通領域能源消耗和碳減排的研究，各類模型已運用成熟，城市交通系統領域的能源消耗和碳減排模型我國目前仍處于探索階段，案例較少，且主要采用MAKLE、AIM模型等，除此之外大都采用MAKLE、AIM、因素分解等模型。國內學者碳排放分析研究主要集中在碳排放與能源結構演進、碳排放與經濟增長演進等方面的關系，而對于城市交通產生碳排放基礎的內部各要素之間相互影響和相互作用的研究尚未取得突破性進展。

三、國內外交通能源消耗與碳減排研究特點和存在問題

綜上，國內外城市交通系統能源消耗與碳減排研究領域存在以下的特點和問題：

1.CGE模型、LEAP模型和MARKAL模型等以大量數據為基礎的綜合模型，在能源規劃和低碳能源相關對策研究中的應用愈來愈廣泛，最近投入產出模型、系統動力學模型也被引入到能源政策和低碳對策研究中，是對能源規劃、能源消耗和溫室氣體減排模型分析新方向的有意義的探索。

2.現階段城市交通系統領域碳減排研究大部分采用AIM模型分析法、相關性分析法，交通系統能耗主流研究方法多采用指數分析法，但在產生碳排放內部關鍵要素之間的相互作用與關聯，以及未來需求預測和潛在影響分析研方面的究尚未取得令人滿意的成果；當前，基于 Leap模型的能源消耗、碳減排潛力、遠期能源替代相關政策的研究已成為目前國內外研究的熱點。