双碳背景下低碳建筑研究进展及前沿分析.pdf

建筑经济CONSTRUCTION ECONOMY第 44 卷第 S1 期2023 年 7 月Vol.44 No.S1Jul.2023摘要：随着全球气候变化和“双碳”目标的提出，低碳建筑成为建筑业节能减排重要发展方向。基于2010-2022年Web of Science数据库中低碳建筑相关文献，采用CiteSpace软件对主题词共现、文献共被引和研究前沿进行可视化分析。研究表明：低碳建筑文献数量与被引频次均呈增长趋势；研究热点主要集中在能源脱碳、建筑能源性能和材料性能问题上；低碳政策和低碳转型问题是未来研究前沿。关键词：低碳建筑；知识图谱；双碳政策；前沿分析；可视化；文献计量中图分类号：F426文献标识码：A文章编号：1002-851X（2023）S1-0359-05DOI：10.14181/ki.1002-851x.2023S1359Research Progress and Frontier Analysis of Low Carbon Buildings in the Context of Carbon Peaking and Carbon NeutralityTANG Xiaoxia，LEI Yang，SONG Yingxue，ZHENG Xinle，JIANG Rengui（School of Civil Engineering and Architectural，Xi an University of Technology，Xi an 710048，China）Abstract：With global warming and the introduction of carbon peaking and carbon neutrality targets，Low carbon buildings become an important part of the energy saving and emission reduction in the construction industry.Based on the low carbon building literature in the Web of Science database from 2010-2022，CiteSpace software was used to visualise and analyse the co-occurrence of subject terms，literature co-citations and research frontiers.The results show that there is a growing trend in the number of publications and citations on low carbon buildings.Research hotspots are focused on energy decarbonisation，building energy performance and material performance issues.Low-carbon policy and low-carbon transition issues may be the focus of future research.Keywords：low carbon building；knowledge mapping；carbon peaking and carbon neutrality policy；frontier analysis；visualization；bibliometric建筑业是实现“双碳”目标的关键，作为碳排放的主要贡献者，面临严峻的减排压力，亟需寻求低碳发展转型路径。低碳建筑作为节能降碳的重要组成部分，具有较大减排潜力，低碳建筑日益受到关注。通过系统梳理和分析“双碳”背景下低碳建筑的研究进展及前沿，对实现“双碳”目标、促进低碳建筑发展具有重要意义。“双碳”目标的提出对低碳建筑发展既是挑战，也是机遇。围绕低碳建筑，专家学者开展大量研究并已取得较多成果。考虑低碳建筑发展的关键因素，Xu（2023）等采用多层次视角，分析了低碳建筑的驱动因素及其内在关系，结果表明：最强的驱动因素是低碳法律监管。针对建筑全生命周期碳排放量测算，Chen（2023）等研究表明建筑活动占全球能源消耗超过1/3。从建筑隐含碳角度看，材料中的隐含能源和隐含碳约占10-20%，Chen（2023）等对低碳混凝土材料的减碳效果进行了研究，结果表明：使用低碳水泥基粘结剂，减碳达到52.6%。此外，低碳技术是低碳建筑有效措施之一。Liu（2023）等对16种低碳建筑技术的减排值和减排成*基金项目：西安市科技计划项目（2023JH-GXRC-0106）；中铁隧道局集团科技创新计划重点课题（隧研合2022-02）；国家级大学生创新创业训练计划项目（202210700048）作者简介：唐晓霞，研究生，研究方向：低碳建筑。姜仁贵（通讯作者），教授，博士生导师，研究方向：智能建造与管理决策。双碳背景下低碳建筑研究进展及前沿分析*唐晓霞，雷杨，宋映雪，郑新乐，姜仁贵（西安理工大学土木建筑工程学院，陕西 西安 710048）建 筑 经 济2023年360本进行了评估，结果表明：应用低碳技术使经济效益从42%提高到66%，环境效益从57%下降到32%。上述研究极大地促进了低碳建筑的发展，但结果较为分散，对低碳建筑领域的整体研究情况描述不够全面，“双碳”背景下的低碳建筑综述性研究相对较少。本文采用信息挖掘、文献计量与知识图谱相结合的定量分析方法，以“双碳”目标为背景，对低碳建筑研究进展及前沿进行分析，为低碳建筑发展与节能减排等提供参考。基于2010-2022年Web of Science数据库中低碳建筑相关文献，采用CiteSpace软件对文献年度出版频次、主题词共现、文献共被引、领域前沿等内容进行计量分析。通过绘制知识图谱实现抽象数据的可视化表示，揭示低碳建筑领域的研究现状和前沿趋势，对进一步开展低碳建筑研究具有重要意义。1数据来源与研究方法1.1数据来源以低碳建筑相关文献为研究对象，数据来源于Web of Science核心集数据库，检索式为TS=（“low-carbon”OR“low carbon”）AND TS=（“construction”OR“housing”OR“building”），时间设置为2010至2022年，共检索文献2423篇，去重后，得到2207篇有效文献。1.2研究方法采用文献计量学方法对低碳建筑研究进行全面回顾。文献计量学是知识领域的可视化映射，基于学术数据集绘制学科的结构演变图，通过模块化和可视化方式呈现某个研究领域的研究现状与进展。采用CiteSpace软件以可视化方式分析低碳建筑的主题领域和发展趋向。其分析流程见图1。采用文献计量学与应用统计的理论与方法，以检索筛选出的2207篇文献为数据样本，分析发文量和被引频次的分布情况，采用CiteSpace软件绘制关键词共现和文献共被引图谱，并对关键词进行突现检测，实现低碳建筑领域脉络演变、热点研究和趋势前沿的网络可视化分析，选取的评价指标如下。（1）脉络梳理。文献出版数量从某种角度代表着学术界对领域的关注和重视程度。在Web of Science核心集数据库中对已检索文献创建引文报告，利用报告中文献出版数量和被引频次数据绘制时序分布图，以此得到低碳建筑领域发展趋势。（2）研究主题、研究热点。关键词是论文信息的高度概括，反映论文的主题概念，以共词分析法计算热点研究指标，了解领域热点主题的结构分布。（3）研究前沿。将特定领域中一组突发性概念定义为“研究前沿”，用来揭示某研究领域动态的演化过程。采用CiteSpace软件中的词频探测功能对关键词进行分析，通过词频变动趋势推断低碳建筑的研究前沿领域及未来发展方向。2结果与分析2.1文献量时序分布分析文献出版数量是衡量学科发展水平和科学成果最直观的指标。基于数据样本进行文献分布和引文分布统计，形成对低碳建筑领域的初步分析。由引文报告可知：2010-2022年文献出版数量共2207篇，年均发表论文184篇，剔除自引，被引频次合计37270次，平均每篇被引17次，具体分布见图2。由图2可知：2010-2022年期间，低碳建筑有关文献的发表数量与被引频次均呈增长趋势，表明低碳建筑相关研究在全球范围内被日益重视，研究体系的构建也在持续稳步推进中。目前对于低碳建筑的研究可大致分为平稳增长和快速增长两大阶段，首先，平稳增长阶段（2010-2020年）：该阶段发表论文数量稳步上升，2016图1低碳建筑知识量化分析流程图2发文量及被引频次分布第 44 卷第 S1 期361唐晓霞，等双碳背景下低碳建筑研究进展及前沿分析年之前年文献总量变化幅度较小，2016年到2019年期间增长幅度明显增大。2016年正式实施 巴黎协定，促使碳排放相关议题成为学者的关注焦点。快速增长阶段（2021-2022）：此阶段发文量增长幅度显著高于前一阶段，2020年是两阶段的重要时间分隔点，2022年文献出版数量达到顶峰，为559篇，研究成果较为丰富。出现这一转折的重要原因是2020年9月，我国提出碳达峰、碳中和的“双碳”目标。建筑行业是碳排放大户，寻求低碳技术路径、构建与“双碳”目标要求相适应的低碳建筑能源系统等相关议题成为关注热点。2.2关键词共现分析关键词是反映论文研究热点和主题的重要信息，是论文核心内容的高度概括，基于关键词共现可推测低碳建筑领域的热门研究课题与方向。采用CiteSpace软件，设置数据阈值g-index=2，减少关键词数量，突出主要关键词，运行后得到关键词共现图谱如图3所示。由图3可知：关键词共现图谱由70个节点和515条连线组成，节点代表关键词，节点大小代表关键词频率，连线是由关键词在同一篇文章中共现所建立的，图谱密度为0.213，表明共现图谱较为紧密，研究方向较为集中。取频次排名前20的关键词进行中心度分析，结果见表1。如图3和表1所示，检索词相关术语出现频率不是最高的，说明低碳建筑研究主要集中在子主题上。有关能源（energy）、能源消耗（energy consumption）、能源效率（energy efficiency）等关键词频次达到583次，是低碳建筑领域中较为突出的研究主题。降低能源消耗及能源供应脱碳是碳减排的重要措施，一方面，利用可再生能源系统，可减少化石燃料消耗，但如何突破可再生能源技术瓶颈，充分利用可再生能源是能源问题的重要研究课题。另一方面，“双碳”目标驱动能源结构变革，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，实现电力脱碳与零碳化是能源的另一重要研究课题。第二个热门关键词是性能（Performance），共出现213次。有关性能问题主要涉及两方面内容，首先是能源性能，提高建筑能源系统性能是建筑碳减排最有效可行的措施之一，可以通过优化建筑能源系统设计及实现与能源效率有关策略来提高能源性能，其中设计（Design）是一个重要的研究主题，设计人员通过在早期设计阶段进行风险识别并优化建筑模型最大限度地利用自然能源来加热、照明和冷却建筑以提高建筑能源性能，降低能耗。其次是建筑材料性能，在碳还原过程中，减少建筑材料生产中的碳消耗是实现低碳建筑的第一步，主要方式有直接将CO2锁定在建筑材料中、提高建筑材料的回收率延长建材使用寿命、提高建材的绝缘性能减少传热，从而降低了建筑运行阶段的能耗等。此外，低碳建筑项目是否能成功推行与建筑部门的行为（Behavior）和环境绩效也有一定的相关性。由表1可知关键词全生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）有较高的频次和中心度，LCA是一种分析方法，用于系统地评估和识别贯穿建筑全生命周期中的各阶段环境影响，主要针对碳排放和能源消耗的估算。但生命周期评价在边界界定、方法框架、数据清单和实践方面都存在缺陷，这削弱了它作为可持续建筑设计决策支持工具的有效性。因此，为了确定有效的碳图3关键词共现图谱表1频次排名前20的关键词频次中心度年份主题词频次中心度年份主题词2150.362012CO2 emission1270.062015construction2130.232012performance1210.152010climate change2080.222013impact1090.132014model1950.072011energy1040.182012behavior1600.252011life cycle assessment1040.082011energy efficiency1490.052013system1030.052016China1480.152014energy consumption1000.042013city1390.12015carbon emission990.072010greenhouse gas emission1360.22010consumption900.112014low carbon1290.022016emission890.042011design建 筑 经 济2023年362减排措施，需要进一步开展LCA相关问题的研究。当前全球范围内正面临着严峻的减碳压力，建筑领域作为需求端降碳的主要领域，研究如何在“双碳”目标下推进建筑领域走向零排放成为重要研究议题。2.3文献共被引分析文献共被引频次作为衡量文献学术影响力大小的一个重要标志，通过文献共被引分析可回溯学科领域研究的演变过程。采用CiteSpace绘制文献共被引知识图谱，见图4，节点外轮廓代表节点中心度，轮廓越厚表示文献越重要，图中有较厚的轮廓且年份较近的是Zhang Y（2019）等发表在 Energy Policy 上的文章，该文基于过程生命周期评估方法对中国建筑施工模型进行了研究，结果表明：建筑规模、建筑结构类型、材料生产效率是减少建筑能源使用和碳排放的三大驱动因素。以文献共被引网络图谱为基础，通过聚类分析得出聚类结果见图5。根据聚类轮廓性指数S和聚类模块性指数Q对聚类结果进行效果评估，由图可知，Q=0.84990.3，S=0.93850.7，表明该聚类结构显著。图中共有5个聚类，聚类1轮廓值过小不作分析，由聚类结果，可将低碳建筑划分为5个研究类别：减碳（Carbon Reduction）、低碳城市试点政策（Low-carbon City Pilot Policy）、预制式建筑供应链（Prefabricated Building Supply Chain）、区域分析（Regional Analysis）和脱碳（Decarbonization）。减碳、脱碳或为该领域的主要研究方向。建筑领域减碳脱碳是实现我国“双碳”目标的重要措施之一，目前建筑领域采取的减碳脱碳措施主要有三类：需求减量，即通过被动式技术降低建筑本体用能需求；提高系统性能，即通过高效的能源系统来降低能源消耗；使用可再生能源替代，即通过建筑本体或者周边光伏、风电等可再生能源的使用减少常规能源的消耗，进而达到零碳或者近零碳。预制式建筑供应链或为该领域的重点研究内容。预制建筑被认为是减少建筑行业排放的有效解决方案，现有研究揭示了与传统施工方法相比预制的减排潜力，在预制过程中融入低碳技术可以为预制建筑提供更多绿色机会。低碳城市试点政策和区域分析或为该领域的主要研究方法和手段。低碳城市试点政策旨在找到低碳和经济的“双赢”道路，由于不同地区碳排放存在异质性，区域分析能更准确地设计各地区碳减排路径。2.4研究前沿分析采用CiteSpace对关键词进行突现分析，具有较高强度的突现关键词在一定程度上可以揭示低碳建筑领域的前沿问题和时间演变过程，高频突现关键词见表2。由表可知，低碳建筑领域的研究热点分为两个阶段：第一个阶段为2010-2016年，该阶段能源问题是重要的研究热点，包括能源效率（Energy Efficiency）、隐含能源（Embodied Energy）、可再生能源（Renewable Energy）、性能（Performance）等，表明该阶段研究重点主要集中在提高能源效率和材料性能，探索可再生能源技术及低隐含能源材料的生产开发方面；第二阶段从2016年开始突发词分别为消耗量（Consumption）、需求（Demand）、政策（Policy）、转型（Transition）、框架（Framework）等，现阶段开始对政策、低碳转型等问题进行深入研究，其中政策工具是推动建筑部门提高能源效率和减少碳排放的关键，在“双碳”的政策体系中，2030年前碳达峰行动方案 “十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划 等关键政策对建筑绿色低碳转型路径作出了明确规定，受政策驱动，低碳转型相关研究将是领域内的热点研究主题。第二阶段都是近几年新突现的关键词，代表着低碳建筑领域的前沿研究。3结论本文采用文献科学计量和Citespace软件对WOS数据库中的2207篇相关文献绘制知识网络图谱，基于“双碳”背景对低碳建筑领域研究进展及前沿进行可视化图4文献共被引网络知识图谱图5共被引文献研究主题聚类知识图谱第 44 卷第 S1 期363分析，结论如下：（1）自2010年以来，学术领域对低碳建筑的研究日益重视，预计未来的研究热度将持续增长。通过关键词共现分析，能源、性能问题研究较为突出，主要包括能源供应脱碳、建筑能源系统性能和材料性能相关问题，表明这些问题是低碳建筑领域的热点研究课题；生命周期评价中心度较高，表明该理论在低碳建筑领域运用广泛。双碳目标的提出，我国成为低碳建筑研究的热点区域。（2）通过文献共被引分析可知，减碳、脱碳是该领域的主要研究方向；预制式建筑供应链或为该领域的重点研究内容；低碳城市试点政策和区域分析或为该领域的主要研究方法和手段。通过突现分析可知，近年来，低碳建筑研究较为丰富，低碳建筑的相关政策研究和低碳转型问题将是未来的研究方向。“双碳”目标的提出，建筑行业面临着严峻的减碳压力，发展低碳建筑是最合理、最有效的解决方案之一。然而，在建筑材料方面，由于传统材料成本低、技术成熟，占据市场主导地位，开发新材料和再生材料还有很长的路要走；在低碳建筑技术方面，模块化预制、数字技术等可以在早期设计阶段优化碳排放和能源消耗，但与运营节能相关技术相比，低碳建筑研究对建筑技术和数字技术的实施不够重视；在建筑构件设计方面，关于建筑组件的研究主要集中在建筑外壳上，建筑设计还需要考虑建筑的类型和功能。参考文献1 谢空，谢伊宁.双碳目标下超低能耗建筑发展问题及对策研究J.建筑经济，2022（7）：25-31.2 Xu Pengpeng，Wang Yishan，Yao Haona，etal.An exploratory analysis of low-carbon transitions in China s construction industry based on multi-level perspectiveJ.Sustainable Cities and 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energy3.920112015renewable energy5.0420122016carbon footprint4.7320122013performance4.4420122014behavior4.2320122015low carbon10.0820142016life cycle assessment2.9220142015consumption11.3420162018greenhouse gas emission4.9820162017policy4.2720162017demand7.0420172018building4.420172018residential building11.9520182019transition5.9420182020framework5.0920202022唐晓霞，等双碳背景下低碳建筑研究进展及前沿分析