文献阅读 | 碳交易与碳税下的建筑部门生命周期碳成本分析

题目

Life cycle carbon cost of buildings under carbon trading and carbon tax system in China

作者

Luo Wei, Zhang Yurong, Gao Yuanlin, Liu Yinshan, Shi Chengcheng, Wang Yuanfeng

期刊

Sustainable Cities and Society

时间

2021年3月

一作

单位

School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, PR China

链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2210670720307277?via%3Dihub

研究背景

建筑部门对全球二氧化碳排放的贡献占23％，其中中国的建筑部门碳排放占比41%（每年，中国建筑行业排放的二氧化碳占中国总排放量的约40％）。从1978年到2016年，中国城市人口占比从17.9％增加到57.35％。如果照当前趋势持续下去，中国的城市人口将在未来二十年达到10亿人，这将导致建筑物的资源和能源消耗增加。此外，建筑部门的生命周期较长，生产链条复杂，长生命周期内碳排放相关的成本和效益经常被低估。因此，很有必要建立一种有效的方法来确定中国建筑物的生命周期碳成本。

目前，中国主要依靠命令-控制政策实现减排，相对而言缺乏灵活性。值得注意的是，虽然中国在2017年建立了全国性的碳排放交易系统，但建筑行业尚未包括在内。将碳交易应用于建筑行业可以帮助中国实现减排目标。此外，如果能够建立碳税机制，这将允许建筑公司的外部环境成本转化为内部成本（碳成本），这对于促进中国建筑行业的碳减排也具有重要意义。

为了从政策驱动转向市场导向，量化碳成本至关重要，这可以为企业决策者提供信息。现有的大部分研究仅考虑了固有的碳排放和建造或运营相关的成本，而未考虑排放导致的直接经济损失。测量土木工程结构的碳成本研究仍非常有限。

本文的主要目标是基于中国的碳排放交易体系和一个假想的碳税体系提出一个建筑物的生命周期碳成本计算模型，该模型可以量化碳排放直接产生的成本。此外，本文还详细阐述了这两种体系下的不同碳成本计算方法。比较了碳成本模型与基于end-point建模的LIME（Life-cycle Impact Assessment Method）模型（见图1）之间的碳排放环境损害的差异，以测试建筑物生命周期碳成本会计模型的有效性和可靠性。本文建立的模型还将为在中国的建筑行业实施碳交易和碳税提供基本参考。

研究方法

本文提出了基于碳交易系统和碳税系统的两种不同的碳成本模型。这些模型计算的碳成本是由碳排放引起的直接实际利息损失，这是内部化外部成本。但由于缺乏基准，难以验证这些模型计算而得的结果。引入了LIME方法来计算碳排放环境损害成本，即碳排放引起的环境损害的外部社会成本。通过比较这两种成本，可以得到碳排放实际经济损失与理论货币化的碳排放环境损害之间的差异，以测试这两种模型的准确性。

碳排放计算公式

本研究对于建筑部门全生命周期的碳排放计算基于建筑部门的以下几个建造阶段中产生碳排放的加总：设计（design stage）、原材料生产（materials production）、运输（transportation stage）、建造（construction stage）、运行（operation stage）、退役拆除（demolition）。本文对每一个环节所可能产生碳排放的过程都进行了比较仔细的定义，其基本的逻辑就是消耗×碳排放因子。举例而言，建筑部门设计阶段所产生的碳排放主要来源于办公室，比如空调与取暖。建筑物运行所包括的碳排放主要来源有二：能源消耗与建筑运维中的碳排放。

碳成本与碳损害成本计算

碳成本在不同的会计系统中可能会有很大差异。主流研究中存在两种碳成本会计工具。其中一种是从环境成本会计中找到一个合理的会计方法，将二氧化碳排放相关成本与直接材料成本、直接人工成本、制造成本、管理成本、废弃物成本和回收成本分离，以得出碳成本。另一种碳成本会计方法基于产品的生命周期。美国社会碳成本联合工作组（Interagency Working Group on Social Cost of Carbon）使用PAGE的2002年、2009年模型和DICE模型来估算社会碳成本，并获得恶劣气候条件产生的社会边际成本。在本文中，建筑碳成本指的是建筑物生命周期中碳排放所导致的直接经济损失，主要包括环境损害成本和碳排放导致的外部损害成本。这些经济损失可以在碳交易或碳税制度中反映。在建筑物生命周期碳排放计算的基础上，本文将建立在中国碳交易系统和假设的碳税制度下的建筑物生命周期碳成本计算模型。

（1）碳排放权交易与碳税下的建筑部门碳成本计算

在碳排放交易制度下，碳成本的计算同样从建筑部门全生命周期出发，对每一个环节所可能产生的碳排放，承担这些碳排放配额的主体进行评估，并对超过碳市场配额的部分进行排放权购买，然后计算成本。由于建筑物的使用寿命可能长达几十年，未来产生的碳成本需要使用社会折现率进行校准。通常美国政府用于政策分析的折现率为3％。在中国，通常认为三个月的美国债券利率和三个月的银行存款利率是无风险利率，或者七天回购利率的30天或90天平均值。因此，基于2015年的银行存款利率，本文确定了一个1.85％的无风险利率。此外，根据2015年国际能源署发布的一份报告内容，全球经济增长率超过3％，与2014年相比，与能源相关的全球碳排放量减少了0.2亿吨。因此很多文献在计算中国建筑物的社会碳成本时，将气候变化的风险设置为1.5％。因此，中国的气候变化风险率应在0％至1.5％之间。为了便于计算，本文将中国气候变化风险率定义为1.15％，从而使社会综合折现率为3％。

碳税制度下的碳成本计算也遵循建筑部门全生命周期分析，在每一个阶段计算其碳排放，然后乘以碳税的税率。在本文中，研究者认为中国应该在不同的子行业采用不同的固定税率。采用不同的税率鼓励企业减轻污染，提高能源效率。此外，固定税率相对容易操作，因为中国目前缺乏相应的支持机制来统计各种能源碳排放。翁（2016）使用GCE模型分析了不同行业在不同碳税税率下的碳排放减少效果。如果建筑行业的税率低于40元/吨，则碳排放减少的贡献率太低，无法控制减排；如果税率高于80元/吨，则该行业的产出将会下降太多。经一定的计算和分析后，翁（2016）建议采用60元/吨的税率。本文将采纳这一税率。

（2）基于LIME框架的碳环境损害成本

碳排放环境损害成本指由碳排放导致的环境损害所增加的社会成本或减少的社会效益。与上文提到的碳成本不同，外部损害成本具有无形、不确定和难以预测的特点，很难量化。目前，评估碳排放所造成的环境损害成本的常用方法包括日本的LIME和日本环境政策优先指数（JEPIX）方法、美国的Exmod方法、荷兰的生态指标方法、瑞典的环境优先策略（EPS）方法以及欧盟的Extern E方法。由于中国的地理、环境和经济条件与日本最为相似，本文采用LIME方法计算建筑生命周期碳排放的外部环境损害成本。

LIME模型是由日本生命周期评价研究中心和LCA计划联合开发的损害因子定性环境影响评估方法，已经应用于评估食品产品（Ozawa，Tahara和Inaba，2007）、废水处理管理（Limphitakphong，Pharino和Kanchanapiya，2016）和氢能源（Shimizu，Hasegawa和Ihara，2020）的环境影响。如图1所示，它基于环境排放评估环境影响，涵盖11个不同的环境范围和1000多种环境影响，以货币价值评估。

图1. LIME（Life-cycle Impact Assessment Method）模型框架

案例分析

本文用一个简单的案例研究以更好地了解并比较这两个计算模型。案例项目是位于北京的一座住宅楼，本文从其建筑承包与建造的账单中获取资源和能源消耗数据。该项目涉及12名设计师，每人每天工作8小时。在这个案例项目中，主要的建筑材料按照80%的原则包括砖、混凝土、热轧钢筋、大型钢材、中小型型材、灰泥、铝和玻璃。可以从建筑清单中获取不同材料的运输距离和方式。在运营阶段，考虑了通过使用电力和天然气产生的碳排放。由于该项目是北京的住宅项目，故本文从《北京统计年鉴：2014》获取普通居民的年平均用电和用能数据。运营期为50年，时间系数为0.75。由于拆除阶段发生在建设期结束后，目前没有精确的数据可用。我们只能使用估计值和回收系数来计算碳排放。

研究结果

碳交易与碳税制度下的碳成本计算

该项目在建筑设计阶段的碳排放量为652.32千克，远低于碳交易配额标准，因此在这一部分中碳成本可以忽略不计。对于材料生产和运输阶段，大部分材料来自辽宁和河北省。由于这两个省份没有碳交易市场，所有与建筑材料相关的碳成本都是根据北京市场的交易价格计算的，碳配额则参考自《北京市碳排放交易试点配额的方法（试行）》。由于涉及大量企业，碳排放总量将计算为一个整体。根据计算，一个典型的建筑材料环节工厂在2015年的碳配额为727,600吨。2015年6月1日，北京碳排放交易所的碳平均价格为46.76元/吨，故这个阶段的碳成本为47,094.49元。建筑企业的年碳配额为31,960吨，施工阶段的碳成本为9,539元。运营阶段首年的碳成本为4,132.31元，50年的运营期碳成本为480,100元。50年运营期结束后的拆除阶段的碳成本为13,600元。

由于设计阶段的低碳排放量，碳税为0元。物料生产和运输阶段的碳成本为1,010,000元，其中建筑材料生产产生的碳成本为1,000,000元。施工阶段、运营阶段和拆除阶段的碳成本分别为294,300元、3,300,000元和22,100元。

图2. 碳交易与碳税下的碳成本占总碳排放成本比例的比较

图2显示了碳交易和碳税下的碳成本占比比较。可以看到，在碳交易系统中，设计阶段、材料生产和运输阶段、施工阶段和拆除阶段的碳成本分别占总碳成本的0％、8.56％、1.73％和2.47％。运营阶段的比例最高，达87.24％，这是因为建筑物将运营50年。因此，在设计阶段考虑节能措施以控制运营碳成本是必要的。材料生产和运输阶段的碳成本为47,100元，拆除阶段的碳成本为13,600元。考虑到这两个阶段的持续时间少于一年，年度成本实际上比运营阶段更高，因此这两个阶段也具有巨大的减少碳成本的潜力。另一方面，由于其低碳成本，建设阶段的减排潜力相对较低。

在碳税制度下，设计、材料生产和运输、建设、运营和拆除阶段的碳成本比例分别为0％、22.32％、4.51％、72.68％和0.49％。可以看出，与碳交易系统相比，碳税制度下的碳成本发生了显著变化。材料生产和运输阶段和建设阶段的比例显著增加。这是因为碳税直接从总碳排放中收取，没有像碳交易那样的免费配额。尽管运营阶段的碳成本增加了，但其比例下降了。在碳税制度下，每个阶段的碳成本比例类似于总碳排放的比例。因此，可以认为在碳税制度下，每个阶段的相关企业因其碳排放造成的负面影响已经受到了“惩罚”。

图3展示了加总之后碳交易（红色）与碳税（蓝色）下各阶段碳成本与碳排放的情况。可以见得碳排放与碳成本正相关，碳税所带来的成本更高，但两种制度下碳排放成本占建筑总成本的比例都不算高，但碳税情况下占比与负担显然更重些。所以碳税框架下，企业更倾向于减排而非缴纳税收，而在碳交易环节下，企业则有一定空间来更加优化其生产模式，并在碳配额的情况下做出最优选择。

图3. 建筑全生命周期中的碳成本与碳排放

建筑碳排放外部损害成本的计算

本文将每个建筑生命周期阶段产生的直接和间接碳排放收集并标准化为千克。直接和间接碳排放的环境损害因子分别为0.23和3.35。日元汇率的中间价是：1人民币兑18.5529日元。最后，可以通过将每个阶段的CO₂排放量乘以环境损害因子来计算相应的碳排放外部环境损害成本。结果显示在图4中。

图4.  基于LIME方法的碳排放外部环境损害成本

图5对比了碳成本与碳外部损害成本的结果。在碳交易体系下，物资生产和运输阶段的碳成本和环境损害成本之所以不同，是因为企业获得的碳排放许可证将避免部分成本。建筑阶段的差异是因为石灰价值相对较大，因为建筑碳排放主要是间接碳排放，但实际上这一阶段的碳排放相对较低。在其他阶段，碳排放的碳成本和环境损害成本的差异并不明显。因此，企业碳排放造成的直接经济损失与破坏环境的碳排放的社会成本是一致的。这表明碳交易政策是减少碳排放的好方法。

在碳税体系下，物资生产和运输、建筑和运营阶段的碳成本和环境损害成本之间的差异较大，特别是在运营阶段，差异约为200％。这是因为碳税政策实际上是碳排放减少成本和社会边际成本之间的博弈。当这两个成本相等时，碳税达到最优值。碳税比碳交易更严格地控制碳排放，是对碳排放者的经济惩罚，可以鼓励相关企业减少碳排放。

图5. 碳排放成本与碳排放外部损害成本的比较

讨论与结论

本文旨在通过量化建筑物碳成本提供减排战略解决方案，填补目前中国缺乏基于碳交易和碳税制度的建筑物生命周期碳成本模型的空白。提出了一个建筑物的生命周期碳排放模型和碳成本模型，包括设计阶段、材料生产和运输阶段、建设阶段、运营阶段和拆除阶段。进行了案例研究来测试这些模型，采用社会折现率和项目分配方法来校准建筑物长期运营中产生的碳成本。碳成本和环境损害成本之间的差异的比较分析显示，两者的趋势一般是一致的。由于碳成本是公司的直接经济损失，碳排放减少措施对于成本控制至关重要。另一方面，碳成本也可以被看作是经济刺激，鼓励碳排放减少从政策驱动措施转变为市场导向手段，对建筑业的可持续发展和中国未来的减排目标具有重要意义。

虽然本文提出了一个生命周期建筑碳成本核算系统并分析其对建筑行业的影响，但仍有许多工作需要进一步完成。首先，有必要加强碳排放监测，提供准确的数据以进行碳排放控制和碳成本核算。其次，碳成本的改进在很大程度上取决于碳核算。目前，在中国尚没有成熟的碳核算会计准则，因此我们必须推动碳核算的发展。本文未考虑碳核算的地理边界，这应在后续研究中进行调查。此外，碳税已被许多国家采用，它在计算碳成本时简单易行，对碳排放者的惩罚也相对有效。然而，中国目前还没有相应的碳税方案。在成本开发和减排政策制定中，碳税也将是关注的焦点。在本文中，我们采用了不同地区的固定税率，未考虑区域差异。但中国不同地区的气候、资源和发展状况差异很大，未来的研究应考虑不同地区的税率。

编辑&排版：郭超艺

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