建筑科技创新与节能减排系统的协同演化研究.pdf

建筑经济CONSTRUCTION ECONOMY第 44 卷第 S1 期2023 年 7 月Vol.44 No.S1Jul.2023摘要：基于协同学理论，识别子系统序参量构建建筑科技创新与节能减排复合系统协同度测度模型，对我国建筑业2010-2019年数据进行实证分析。研究结果发现，复合系统协同度呈上升趋势但仍属于轻度失调，主要是建筑业科技创新子系统的协同度不高所致。科技创新子系统中R&D人员、技术装备率投入与节能减排子系统能源效率、能源消费结构序参量有序度变化影响复合系统协同度。关键词：科技创新；序参量；节能减排；协同演化中图分类号：F426.21；F273.1文献标识码：A文章编号：1002-851X（2023）S1-0491-05DOI：10.14181/ki.1002-851x.2023S1491Research on the Co-Evolution of Building Technology Innovation and Energy Conservation and Emission Reduction SystemLANG Siqi1，LIU Haifang1，CHEN Jie1，LI Lihong2（1.City Institute of Dalian University of Technology，Dalian 116000，China；2.Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110000，China）Abstract：Based on the concordance theory，the subsystem order covariates were identified to construct a composite system synergy measurement model of construction science and technology innovation and energy saving and emission reduction，and the data of Chinas construction industry from 2010-2019 were empirically analyzed.The results of the study found that the synergy of the composite system was on the rise but still belonged to a mild disorder，mainly due to the low synergy of the science and technology innovation subsystem in the construction industry.Changes in the orderliness of R&D personnel and technical equipment rate inputs in the science and technology innovation subsystem and energy efficiency and energy consumption structure sequence parameters in the energy conservation and emission reduction subsystem affect the degree of composite system synergy.Keywords：science and technology innovation；order parameter；energy-conservation and emission-reduction；co-evolution随着全球气候变暖，生态环境不断恶化是亟需全人类共同解决的问题。国内外关注气候变化与减排策略的研究已经认识到建筑作为主要耗能产业，其技术变化及产品全生命周期变化对碳排放存在重要影响。中国建筑能耗与碳排放研究报告（2021）统计2019年全国建筑全过程能耗中建材生产、建筑运维阶段能耗碳排放均占全国总量的20%以上。单一的扩张规模与粗犷的管理模式成为建筑高能耗、高排放的主因，制约建筑业发展。我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，支柱型建筑业的高质量发展内核也必将是符合“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念，向集约型转变。1建筑科技创新与节能减排内在机制1.1建筑科技创新与节能减排研究现状从创新角度出发，可将其分为技术创新、制度创*基金项目：大连社科联2022年课题“建筑科技创新节能减碳协同演化机制”（2022dlskzd409）作者简介：郎思琦，工程师，主要研究方向：建筑节能、建筑能耗分析。刘海芳，副教授，主要研究方向：建筑工程造价。建筑科技创新与节能减排系统的协同演化研究*郎思琦1，刘海芳1，陈洁1，李丽红2（1.大连理工大学城市学院，辽宁 大连 116000；2.沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110000）建 筑 经 济2023年492新、主体创新等。国内外学者对建筑业科技创新的研究成果颇丰，研究发现科技创新对行业经济高质量发展、产业结构优化升级有着驱动式的内在影响。研究一方面集中在确定指标量化评价建筑业科技创新程度，基于投入产出理论发现R&D投入、科技人员投入、技术装备率投入三要素中技术装备率与建筑业经济增长的关联度最高。陈珂通过构建评价体系发现2018年较2009年建筑业技术率反而有所减少，纯技术效率是制约我国建筑业创新效率的主因。柯燕燕利用数学模型量化分析科技投入对建筑经济增长影响也佐证了这一点。另一方面是关于推动科技创新特征表现在于知识外溢资源共享，在建筑业体现为智能化大数据AI等新技术互惠共生的协同进化、产学研多创新主体合作模式驱动。但现阶段抑制创新发展可能是保守的风险规避态度和对行业当前利益的追求。管理层风险偏好保守或过激，合作模式下利益分配矛盾都桎梏建筑业科技创新尤其是技术创新的发展。诺斯认为，制度能够以一定的规则对人们的互动关系予以约束，减少交易的不确定性，抑制交易主体的机会主义行为，提升交易行为规范性。因此，技术创新是建筑业经济发展、产业优化升级的内在驱动，而制度创新则是外部环境 诱因。有研究表明建筑产业经济的快速增长在很大程度上依赖于消耗能源和材料，也就是说建筑业仍以现有方式发展，建筑能耗以及碳排放也会呈线性增长趋势，这与双碳目标、产业高质量发展是相悖的。当资源与环境成为建筑业经济发展的刚性约束条件时，节能减排越来越引起人们高度重视。众多学者开始着手研究高能耗高排放产业集群的影响因素，利用结构分解（SDA）、Kaya恒等式等模型分析建筑业能源效率、全要素碳生产率指标变化的驱动因素，并以地域区分建筑能耗和排放的异质性。结果发现，纯技术效率、区域技术差距和规模效率是造成建筑业能源效率低下、碳排放量巨大的主要原因。从现有研究看，国内外学者对建筑业科技创新与节能减排的影响因素、实施框架等有了丰富研究基础，但尚未有研究将建筑科技创新与节能减排看作一个开放复杂系统，探究科技创新与节能减排子系统协同发展的内在机理，以协调建筑业高质量发展。1.2科技创新促进建筑业节能减排科技创新推动建筑业高质量发展，关键路径之一在于技术创新深度融合，随着人工智能、大数据、云计算、BIM等快速发展，新技术大量应用在建筑建造运维过程中；其二是提高全要素生产率，产业生产效率在于资源合理分配下，最优投入资本、技术及劳动转化为产业产品能力。“十四五”规划强调智能建造与新型建筑工业化协同发展，大力发展装配式建筑。有研究证明，装配式建筑在建造过程中能源消耗与折算碳排放均小于传统现浇混凝土建筑，施工现场作业活动减少，建筑垃圾、临时水电消耗、粉尘排放等均有所降低，有利于节能减排。在装配式建筑中融入智能建造，打造设计加工施工运维信息交互共享平台，依托大数据优化资源分配，技术创新与提高生产效率并行，拓展装配式建筑市场形成集聚效应，引导上下游产业链协同发展促进产业结构升级。从发展规律看，技术创新研发到外溢离不开外部环境的创新，通过税收补贴绿色金融政策调动行为主体积极性，降低创新投入风险。成熟完善的招投标制度、快速绿色审批流程均有助于技术创新利好发展并起到监管作用。可见，技术与制度协同创新双轮驱动才能真正实现建筑业高质量 发展。1.3节能减排促进建筑业科技创新面对双碳目标，建筑业绿色低碳转型势在必行。目前建筑业能耗与排放定义边界不同，节能减排的测算结果稍有区别，本文以既有建筑与新建建筑的存量增量视角加以分析。维持建筑环境舒适度方式包括围护结构保温、空调通风系统、供热系统等，在资源环境约束下，存量的既有建筑若想实现节能减排，途径：使用高性能保温材料、储能蓄热材料改造围护结构，更换高性能门窗提高节能性能；不同气候区因地制宜，利用物联网大数据运维平台改善冷热负荷冗余现象；调整室内系统热源能源消费结构，从传统的化石能源向清洁能源、可再生能源转变。增量的新建建筑更多是通过被动式技术+主动式技术建造近零能耗建筑，以能源管理为抓手达到节能减排目的。我国近零能耗建筑仍处于起步阶段，存在以下问题：低传热无热桥的高性能围护结构、高效余热回收新风设备等主被动技术尚不成熟；现有近零能耗建筑示范项目缺少长期精准的实测数据，难以探究规律实现优化创新；缺少自主研发的建筑能耗分析软件；节能服务产业制度市场环境等不完善。综上，建筑实现节能减排的实施路径仍需科技创新的技术与制度推动，倒逼建筑行业激发科技创新潜能，加快研发速度并带动相关服务产业 发展。第 44 卷第 S1 期493郎思琦，等建筑科技创新与节能减排系统的协同演化研究科技创新与节能减排协同演化是建筑业“创新、协调、绿色、开放、共享”发展必然趋势，其中科技创新带动高端人才、尖端技术、保障制度匹配等聚集外溢特征的产业结构升级，直接将建筑业从要素投入转向效率驱动发展，间接产生建筑全生命周期节能减排的环境效益。而以节能减排为导向的建筑业则需要能源效率提高、能源供需结构静态调整，同时全产业链行为主体环保意识倒逼建筑业科技创新。以此看来，科技创新与节能减排二者有机融合互为导向，协同演化必定迎来建筑业经济环境社会效益多赢的新局面。2建筑科技创新与节能减排协同度模型构建2.1序参量指标识别建筑科技创新与节能减排协同度是指科技创新与节能减排复合系统从无序走向有序的趋势及其子系统和谐的程度，这里复合系统分为两大类，即科技创新子系统和节能减排子系统。目前学者们主要从创新投入和创新产出两个维度测度技术创新水平，本文选择建筑业投入要素R&D经费内部支出、科研人员数、技术装备率投入作为创新投入评价指标，结合建筑物化形成产品的行业特点，以专利申请数、建筑业缴纳所得税额指标评价创新产出。本文节能减排子系统中排放物主要研究二氧化碳排放，碳排放分解分析通常是基于能源恒等式，Kaya恒等式又具有较好的延伸性，因此Kaya恒等式在碳排放分解问题中的应用也较为广泛。国内外学者将建筑业碳排放分解为与经济、人口、能源相关因素，这里采用建筑业GDP、单位能耗建筑GDP产出、人均建筑面积、电力能源占建筑总能耗比例、单位GDP碳排放量来描述建筑碳排放影响因素经济效应、能源效率、规模结构、能源消费结构及碳排放强度，其中关于能源消费结构有研究表示相对于煤炭，电力属于高效能源，电力的消费比重上升，有助于提高能源整体使用效率，因此采用电力能耗与建筑总能耗之比表示能源消费结构。利用SPSS21.0，采用指数变换法对原始数据进行标准化处理，用熵值法计算指标权重（表1）。2.2子系统有序度分析假设建筑科技创新节能减排协同发展的子系统为Ti，i1，2，子系统的序参量指标为ei=（ei1，ei2ein），其中ijeijij，j1，n。ij、ij为系统稳定临界点上指标的上下限，分别为评价指标的目标值和最低值。由协同理论可知不失一般性，序参量对系统有序度有两种功效：一种是正功效，快驰序参量的增大，系统有序趋势增加；另一种是负功效，慢驰序参量增大，系统有序度降低。因此，可以定义序参量eij对其子系统Ti有序的贡 献度：uj（eij）=eij-ijij-ijj1，m正功效ij-eijij-ijj1+m，n负功效?（1）由式（1）中，uj（eij）0，1，表示序参量对子系统有序的贡献，uj（eij）越大，序参量分量eij对系统有序度的贡献越大。用线性加权法进行集成，模型如下：ui（ei）=nj=1iui（eij）（2）2.3建筑科技创新节能减排系统的协同度模型复合系统协同度判定过程为基于时间序列的动态分析过程。初始时刻子系统序参量的有序度为u0i（ei），i=1，2，当整个建筑科技创新节能减排系统发展到某一时刻t1，子系统有序度为u1i（ei），复合系统的协同 度为：W（t）=2i=1|u1i（e）-u0i（e）|（3）其中，i表示复合子系统，t表示时间序列。=1，u1i（e）-u0i（e）0-1，其他?3实证分析3.1数据来源与处理本文选择我国2010-2019年的建筑业数据进行实证表1特征建筑科技创新与节能减排协同发展评价指标体系及权重指标子系统状态层指标层权重科技创新子系统u1创新投入R&D经费内部支出（x1）0.232科研人员数（x2）0.241技术装备率（x3）0.158创新产出专利申请数（x4）0.181建筑业缴纳所得税额（x5）0.188节能减排子系统u2经济效应建筑业GDP产值（y1）0.275能源效率单位能耗建筑GDP产值（y2）0.194规模结构人均占建筑面积（y3）0.267能源消费结构电力能源比建筑总能耗（y4）0.149碳排放强度单位GDP碳排放量（y5）0.115建 筑 经 济2023年494分析，以历年 中国科技统计年鉴 中国建筑业统计年鉴 中国能源统计年鉴 以及万方数据发表的相关数据为基础。其中建筑业GDP产值以2010年产值为基数、建筑安装工程价格指数考虑时间价值；建筑总能耗是以蔡伟光提出的建筑全寿命周期能耗测算方法为基础，分解能源数据统计历年建筑总能耗；建筑碳排放量采用冯博研究方法，以12种能源所形成的碳排放与5种建筑材料而形成的碳排放作为直接碳排放，运维能耗形成的碳排放作为间接碳排放，两者之和视为建筑全寿命周期碳排放总和，按IPCC碳排放核算方法统计碳排放量。3.2建筑科技创新节能减排复合系统协同度测算利用式（1）对建筑产业科技创新、节能减排各子系统序参量数据进行标准化处理见表2，得到各子系统序参量有序度uj（eij），各子系统序参量有序度代入式（2）可计算出各子系统有序度和建筑科技创新节能减排复合系统协同度计算结果见表3。3.3测度结果分析从图1建筑科技创新节能减排有序度与协同变化趋势可见，建筑科技创新子系统有序度由中度失调上升至基本协调，2010-2013年处于中度失调，2014-2015年轻度失调，2016-2019年指标呈上升趋势达到向基本协调；建筑节能减排子系统有序度上升幅度较科技创新子系统更为明显，由中度失调越至良好协同，有序度在0.2127-0.8654之间波动，除2013年有序度下降外一直保持上升趋势；复合系统从10年数据看，协同度较低，到2019年仍在轻度失调阶段，阻碍建筑行业创新，影响产业绿色低碳的高质量发展。复合系统协同度受建筑科技创新、节能减排子系统有序度影响，其协同度角度的主要原因：建筑科技创新子系统有序度不高导致复合系统协同度较低；2013表22010-2019年建筑业子系统序参量有序度年份2010201120122013201420152016201720182019x10.22110.02230.09540.19780.23700.29020.50170.7246 0.6099 0.9321 x20.51380.20180.24580.30980.37580.66770.86560.77370.53770.0959x30.09430.34290.40430.68150.86710.40430.34290.16680.53430.3360 x40.0103 0.0648 0.1492 0.2443 0.2936 0.4009 0.4844 0.5236 0.9415 0.9431 x50.0255 0.1143 0.3174 0.5112 0.7455 0.9107 0.9293 0.6708 0.8148 0.9040 y10.0469 0.0428 0.1755 0.3332 0.6007 0.6732 0.7881 0.8256 0.8666 0.9137 y20.3004 0.1034 0.3656 0.2517 0.7309 0.7939 0.9814 0.9064 0.8767 0.8588 y30.0456 0.2254 0.3915 0.5700 0.7112 0.6907 0.7122 0.7710 0.8311 0.9112 y40.2694 0.3788 0.5029 0.1510 0.2474 0.2151 0.4124 0.5069 0.7090 0.8158 y50.7762 0.5078 0.4798 0.1337 0.8087 0.7132 0.9048 0.8646 0.7764 0.7196 表3子系统协同度及复合系统协同度变动趋势年份2010201120122013201420152016201720182019u10.1967 0.1412 0.2319 0.3686 0.4758 0.5359 0.6416 0.6018 0.6791 0.6331 u20.2127 0.2069 0.3538 0.3305 0.6267 0.6376 0.7628 0.7837 0.8252 0.8654 W0.0181 0.0705 0.1423 0.3399 0.3797 0.4947 0.4947 0.5436 0.5337 图1建筑科技创新节能减排子系统有序度及复合系统协同度变化趋势第 44 卷第 S1 期495年节能减排子系统有序度呈下降趋势；2017年科技创新与节能减排子系统有序度均有所下降，使得复合系统协同度小幅下降。由表3数据可见，建筑科技创新子系统有序度不高主要受R&D人员与技术装备率投入强度弱影响，2011年-2014年R&D人员投入人数均小于2010年，数量下降，2015-2018年R&D人员投入有所提高，2019年出现10年来R&D人员数量低谷，使得2019年R&D人员投入序参量有序度为0.0959，也是10年内R&D人员投入有序度最低值。其次是建筑业技术装配率呈倒U型变化，这与陈珂的结论相同，在2014年达到了峰值，随后开始逐步下滑，2018年有所回升2019年又小幅下降，总体来讲，建筑业在2014年后并没有继续扩大施工机械设备的投入。最后建筑企业缴纳所得税额指标在2017年出现拐点，有一定程度下降，这与政府补贴政策、企业财务状况、固定资产投资等因素相关。建筑节能减排子系统在2013年出现较大波动，从表3可知，2013年建筑能源效率与能源消费结构有序度明显下降导致节能减排子系统跌落。能源效率2010-2016年折线式上升，2016年出现峰值，随后2017年起逐年下降，能源投入没有正向推动建筑GDP产出，究其原因，主要是建筑工业化水平不高、粗犷的管理模式以及多层分包下，会造成建筑物化过程的能源过度消耗；建筑业仍处于劳动密集型发展阶段，随着人口红利逐渐消失可能造成建筑生产率降低，整体产业资源要素错配现象显现；以能源为主的服务产业发展较慢，使得运维阶段建筑能源监控不得当；多重因素导致了建筑能源效率出现走下坡势态。还有作为负功效的碳排放强度指标，2010-2013年呈下降趋势，2013年出现最低值，随后一直保持上升态势，直至2016年出现峰值后缓慢 下降。4结论研究结果表明，R&D人员与技术装备率投入强度低是导致建筑科技创新子系统协同度不高的主要原因。从R&D人员角度，应提高R&D人员投入强度，建立建筑科技创新人才的培养机制，推动企业与高校、科研院所的产学研深入合作，有益于智能建造创新型人才的培养与输出，并带来知识、技术创新外溢扩散，促进建筑科技创新发展；其次，政府应促进高新区和科技园区建设，营造建筑产业科技创新发展的良好环境，政策补贴与制度制定上调动企业科技创新积极性；最后，通过区域经济发展带动科技人才流动，优化产业结构，以创新驱动提高建筑业生产 效率。从技术装备率投入角度，一方面提高在建项目中施工机械设备的自动化水平，引进建筑机器人、物联网等新兴技术，促进建筑业向工业化、智能化发展；另一方面建筑业技术进步创新更需要效率提升，有研究发展制约建筑业要素生产率的主要是投入要素生产效率低，在现有投入要素基础上，优化资源配置，消除产能过剩、要素错配等，共同创新推进建筑业向技术密集型发展。建筑节能减排子系统中，提高能源效率与优化能源结构是降低建筑业碳排放的关键因素。通过提高材料性能等技术手段建造适合不同环境下近零能耗建筑，大力推进新建项目装配率，以智能建造与装配式建筑、近零能耗建筑协同发展，从而提高建筑业能源效率；通过能源合同管理手段从建筑业供需两侧监管能源投入使用，政府适时推出能源税、碳税征收政策调节能源市场。优化能源结构，加快发展太阳能、风能、地热、工业余热等清洁能源技术发展与推广，降低煤炭传统低效能源的使用比重，针对不同地域能源消费结构的差异性，有的放矢，以科技创新驱动建筑业绿色低碳 发展。参考文献1 赵建安，钟帅，沈镭.中国主要耗能行业技术进步对节能减排的影响与展望J.资源科学，2017（12）：2211-2222.2 宋刚，唐蔷，陈锐，等.复杂性科学视野下的科技创新J.科学对社会的影响，2008（2）：28-33.3 孙洁，龚晓南，张宏，等.数字化驱动的建筑业高质量发展战略路径研究J.中国工程科学，2021（4）：56-63.4 孙祁祥，周新发.科技创新与经济高质量发展J.北京大学学报（哲学社会科学版），2020（3）：140-149.5 任晓燕，杨水利.技术创新、产业结构升级与经济高质量发展基于独立效应和协同效应的测度分析J.华东经济管理，2020（11）：72-80.6 柳卸林，王倩.创新管理研究的新范式：创新生态系统管 理J.科学学与科学技术管理，2021（10）：20-33.7 李展，崔雪.我国建筑业全要素生产率及其对产出的影响研究J.建筑经济，2021（8）：15-18.8 柯燕燕，颜旭.建筑业科技投入对行业经济增长的影响分 析J.建筑经济，2019（4）：33-37.郎思琦，等建筑科技创新与节能减排系统的协同演化研究