基于CiteSpace的國內建筑碳排放研究綜述

陳怡瑾 劉楊

(云南大學 建筑與規劃學院,云南 昆明 650504)

科技的快速發展,地球資源的快速消耗,大量的溫室氣體產生,使全球變暖情況越發嚴重。中國碳排放量在21世紀開始劇增,以至成為世界上溫室氣體排放量最大的國家。自2020年9月,習近平總書記提出我國“雙碳”目標后,國內碳排放的相關研究大量涌現。

從建筑物的全生命周期來看,建筑物從材料生產到拆除回收全過程中所涵蓋的行業范圍廣泛。依據《中國建筑節能年度發展研究報告》[1]可知,我國建筑碳排放總量整體呈現持續增長的趨勢。隨著我國《建筑碳排放計算標準》[2]相關規范標準的提出,有較多的學者從不同的角度對建筑碳排放減排策略進行研究?？偟膩碚f,建筑碳排放的研究對于國家實現碳達峰、碳中和的目標有著不可忽視的貢獻。

鑒于此,本文借助CiteSpace軟件,在中國知網(CNKI)平臺搜索整理出近些年建筑碳排放領域的相關研究,對篩選出的214篇核心期刊文獻數據進行分析,并對前人的研究作出總結,對未來研究進行展望,為后續研究工作提供參考與思路。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文以中國知網為數據來源,通過高級檢索選取中文核心期刊、CSCD來源期刊和CSSCI來源期刊,以“建筑碳排放”為檢索詞進行主題檢索,檢索時間截止到2023年7月。通過剔除期刊會議征稿、個人學術成果介紹、卷首語及其他不相關條目等無效數據,共獲得214篇文獻。

1.2 研究方法

將中國知網自帶的可視化分析功能與CiteSpace軟件特有的可視化分析功能相結合,可以從多角度對相關文獻進行挖掘分析。中國知網自帶的可視化分析功能能夠展現出總體趨勢、研究層次分布、主要主題分布等信息,能夠幫助學者對該領域研究有初步的了解。CiteSpace軟件則基于文獻標題、作者、國家、關鍵詞、摘要等信息,利用可視化的方式對相關學科的結構、分布情況等進行展現,以此幫助學者了解研究熱點、發現關鍵詞的關聯、挖掘出研究趨勢。本文利用CiteSpace(6.2.R4)軟件,挖掘建筑碳排放領域前沿熱點,指出未來研究的發展趨向。

2 研究現狀

通過中國知網(CNKI)自帶功能對檢索的文獻進行計量可視化分析,得出2009—2023年建筑碳排放研究文獻的發文量統計圖(見圖1)。由圖1可以看出,國內對建筑碳排放的研究文獻自2009年之后才逐漸上漲,2011—2012年發文量劇增,自2012年后文獻數量居高不下,在2023年上半年已經達到20篇左右的發文量,預計2023年建筑碳排放相關發文量會達到歷年最大值。

3 研究熱點分析

3.1 關鍵詞共現分析

關鍵詞是對文獻內容的高度概括,能夠很大程度上體現出文獻主題、熱點內容。將建筑碳排放檢索文獻導入CiteSpace軟件中,設置關鍵詞為網絡節點,得出關鍵詞共線網絡圖譜(見圖2),其中節點范圍越大說明該關鍵詞出現頻次越高,各個節點間的連線表示共線關系。除去建筑碳排放相近的關鍵詞可以發現,低碳建筑、零碳建筑、建筑節能、低碳經濟、節能減排、綠色建筑、低碳城市等關鍵詞分布較廣。結合圖2與相關政策、文獻可以得出,建筑物節能減碳是建筑碳排放領域的熱點話題,對于碳排放量的計算、影響因素的分析是為了達到節能減碳的目的。

圖2 2009—2023年建筑碳排放研究關鍵詞共現圖譜

3.2 關鍵詞聚類分析

依據關鍵詞的共現情況,使用CiteSpace軟件聚類分析功能下的K標簽(關鍵詞聚類),選取需要的最大標簽(show the largest K clusters)對關鍵詞進行聚類分析。關鍵詞的聚類分析相當于將文獻中具有相同特征的關鍵詞進行分類。CtieSpace軟件的聚類分析提供了Q值(Modularity Q)和S值(Weighted Mean Silhouette S),一般認為Q>0.3意味著聚類結構顯著,S>0.7聚類是令人信服的。從得出的關鍵詞聚類分析圖譜(見圖3)可以看出,建筑碳排放領域研究主要分為0#碳排放、1#生命周期、2#建筑業、3#低碳產業、4#水泥工業、5#低碳城市、6#住宅建筑、7#零碳建筑八類。由左上角相關信息得出Q=0.6658>0.3,S=0.9254>0.7,因此,由關鍵詞生成的聚類分析圖譜結果合理。

圖3 2009—2023年建筑碳排放研究關鍵詞聚類圖譜

3.3 熱點分析

在“雙碳”的大背景下,各領域都更加注重節能減碳研究,從建筑物的材料生產到建筑物的拆除回收階段所包含的行業數量龐大,建筑行業的節能減碳措施對于“雙碳”目標的實現至關重要。

3.3.1 建筑行業的建筑減碳研究

建筑業作為中國重要的支柱產業,在為國家經濟作貢獻的同時,也存在能源消耗量大、二氧化碳排放量高的問題。從整個建筑行業角度出發,分析建筑業碳排放情況對實現節能減碳有重要意義。有學者發現中國建筑業碳排放總體呈現上升趨勢,并且建筑碳排放集聚中心逐漸往中南部地區轉移,建筑碳排放存在兩極分化的現象[3]。想要促進建筑業綠色全要素生產率的提高可以推廣二次能源、清潔能源,提高建筑業勞動力素質,降低建筑業企業國有化的比例[4]。但建筑行業占比廣泛,各省之間經濟水平、發展水平不一致,需要確立更為細致具體的節能減碳措施,具體問題具體分析才能提出適合于自身的減碳措施。如學者蔣博雅等[5]運用LMDI模型對江蘇省建筑業碳排放影響因子進行分析并提出江蘇省可大力發展以可再生能源為主的發電技術,推進節能建筑實現裝配化、智能化,將能源強度、人口密度、新增建筑面積等控制在測算范圍內?？傮w而言,對于建筑行業建筑碳排放的研究主要聚焦于能源消耗產生碳排放的研究,對于更詳細的建筑行業減碳策略需要對不同省(市、區)進行具體分析。

3.3.2 建筑區域的建筑減碳研究

我國占地面積橫跨五個氣候帶,不同區域之間的氣候差異較大,由此我國建筑氣候區劃分為7個主氣候區和20個子氣候區,主要為嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、溫和地區、夏熱冬暖地區等。不同氣候區之間的能源消耗、碳排放情況存在差異。有學者認為新風熱回收系統作為降低建筑能耗的手段在不同的氣候區有著不同的影響效果,寒冷、夏熱冬暖、夏熱冬冷和較濕潤的嚴寒地區使用全熱回收系統更加經濟,較干燥的嚴寒地區與溫和地區采用顯熱回收系統會更經濟,為我國新風熱回收系統的推廣提供參考[6]。也有學者提出夏熱冬冷地區建筑能耗增長速度等于能源脫碳速度時可以實現碳達峰,而在未來居住建筑能耗會高速增長,由此公共建筑需要大幅度進行節能改造[7]。對于建筑區域碳排放的相關研究來說,建筑氣候區是較為關鍵的影響因素,不同氣候區建筑能耗情況對不同氣候區建筑減碳策略影響深遠?？梢园l現,對于區域建筑碳排放的研究主要從氣候區的角度出發,但對于同一氣候區下的建筑也存在不同的能耗來源,由此要落實到更加實際的減碳策略需要對氣候區、能耗來源情況等進行分析。

3.3.3 單體建筑的建筑減碳研究

對于建筑單體的碳排放研究多數是對建筑使用材料的改進研究和建筑結構的改進研究。學者研究發現再生混凝土的碳排放量低于天然骨料混凝土[8]。學者蔣柯夫等[9]提出依據計算木材固碳率與密度來選擇合適的木材作為建筑原材料、降低加工時木材的損耗、優化能源消耗結構等方式能夠達到減碳目的,為輕型木結構建筑減碳方向與選材、建設等階段提供參考依據。對于單體建筑的碳排放文獻分析可以發現,多數學者建立全生命周期評價體系對建筑碳排放進行分析。如學者羅智星等[10]基于建筑全生命周期評價理論對保溫結構進行研究分析,得出采用保溫結構一體化系統的建筑可減少生命周期的碳排放,為綠色發展作出貢獻。對單體建筑的建筑碳排放研究主要從材料、結構等角度出發,但建筑物不僅僅是單一的材料或單一的結構,若想對單體建筑減碳策略更為全面地分析需要結合結構形式、材料形式、建筑功能等方面進行。

綜上所述,建筑碳排放領域研究熱點主要圍繞行業、區域、單體建筑節能減碳來進行,并且對于建筑碳排放領域節能減碳的研究初見成效,但對于減碳措施的落實需要更加深入的研究分析,才能達到更好的減碳效果,更快實現我國“雙碳”目標。

4 研究演化及態勢分析

4.1 研究演化分析

依托國家相關規范標準發展圖(見圖4)可以看出,2006年首次提出《綠色建筑評價標準》[11],2011年首次將“綠色建筑”納入國家規劃中,2019年提出符合中國建筑的《建筑碳排放計算標準》,2020年后主要圍繞碳達峰、碳中和的目標進行規范實施。結合圖4與相關重要規范標準可將建筑碳排放研究分為以下三個階段。

圖4 國家建筑碳排放相關政策發展圖

4.1.1 初始探索階段(2006—2010年)

自2006年《綠色建筑評價標準》的提出,2009年哥本哈根氣候大會的召開,國內研究逐漸出現建筑碳排放領域相關的文獻,主要將碳排放交易理念引入到綠色建筑的經濟效益評價中,針對低碳城市規劃、低碳建筑評價指標、中國低碳建筑發展探索等方面進行研究。學者葉祖達[12]將碳排放模型Kaya引入能源規劃研究模型中,對建筑部門、交通部門、工業部門等進行模型分解,將能源需求模塊分解為建筑部門、交通部門、工業部門,提出該模型可以作為城市空間規劃的新工具。學者高泉平[13]將碳排放量與價值計算引入綠色建筑的經濟效益評價中,得出綠色建筑理念下的公共建筑能夠大量減少能源消耗量,該研究對低碳城市的建設發揮了積極作用。學者姜虹等[14]對房地產業、建筑業的發展過程中能源消耗導致的碳排放問題進行剖析,指出低碳建筑標準的實施能夠促進建筑業產業結構的調整,從而達到建筑業的可持續發展,但低碳建筑涉及面廣,其發展任重道遠。在建筑碳排放初始探索階段,學者們一致認為,綠色建筑的設計理念對建筑業整個行業起到可持續發展的作用,但對于具體的實施措施還未有學者提出。

4.1.2 快速發展階段(2011—2018年)

自2011年“綠色建筑”首次納入國家規劃后,建筑碳排放相關文獻大量涌現,在全生命周期視角下對建筑碳排放計算及影響因素、建筑業碳排放核算與能源效率分析文獻占比較大。學者黃志甲等[15]從建筑全生命周期的視角,將住宅建筑的全生命周期劃分為生產運輸階段、施工階段、日常使用階段、維護修繕階段、拆除階段、廢棄處理階段,并對每個階段建立了建筑碳排放模型,依托實際案例得出,住宅建筑碳排放在日常使用階段占比最大。學者張智慧等[16]將建筑業碳排放核算過程分為直接碳排放與間接碳排放兩個部分,依托能源消耗量,對建筑業碳排放量進行核算得出建筑業直接碳排放量沒有間接碳排放量大,在建材生產等方面產生的碳排放量占比較大,因此在建筑選材上可以做到有效的減碳。學者鞠穎等[17]從建筑全生命周期考慮,發現建筑運營階段產生的碳排放量最多,占整個周期的70%左右。因此基于碳排放因子法,依托《中國統計年鑒》構建出建筑運行階段的建筑碳排放量測算模型,并提出利用建筑信息模型(BIM)相關模擬軟件能夠更加容易獲取能耗數據,能方便快捷地進行方案對比分析。學者李爽等[18]利用擴展Kaya恒等式分解出建筑產業規模、城市化水平、人均GDP、建筑能源強度和建筑能源消費碳強度五個指標,依據國家統計數據對建筑業碳排放量進行測算,結果發現建筑規模的擴大、建筑業市場標準降低、過剩的工程不斷增加導致建筑碳排放量也不斷增加,建筑能源消費碳強度下降幅度不大,說明我國節能減排技術進步緩慢?？偟膩碚f,該階段學者們主要關注建筑碳排放量的測算與建筑行業碳排放量對國家經濟政策、能源消耗的影響(如學者范正根[19]、范永法[20]、金柏輝[21]等)。并且對于建筑碳排放測算模型的研究探索,為2019年我國《建筑碳排放計算標準》的提出打下基礎。在建筑碳排放研究快速發展階段,學者們逐漸細化研究,從不同角度對建筑業、建筑區域、建筑單體進行建筑碳排放的測算、影響因素分析并提出相關減碳策略,但該階段的減碳策略還未落到實踐層面。

4.1.3 穩步奮進階段(2019—至今)

2019年國家住建局頒布實施《建筑碳排放計算標準》后,我國學者對于建筑碳排放測算相關研究有了參照標準。依據該標準,學者們進入了更為細化的研究中,并從研究建議逐漸轉向實施措施。清華大學李小冬等[22]通過分析國內外研究,對建筑碳排放測算方法進行了系統性的剖析,得出適合于一般建筑碳排放量測算的方法有IPCC排放因子清單法、物料衡算法、實測法,而IPCC排放因子清單法是實用性最高的方法;并且指出當前對于建筑碳排放影響因素的研究角度較為局限,多數研究僅針對社會經濟方面與建筑運行階段進行分析,對于物化階段的分析還較少?；谔歼_峰、碳中和的目的,學者們對于建筑碳排放的測算與影響因素的分析不是局限于計算結果與影響因素的分析,更加注重對于實施措施的研究。學者張時聰等[23]基于建筑運行階段碳排放比重大的前提,指出建筑部門的減碳工作對雙碳目標的達成至關重要。學者構建建筑運行階段碳排放預測模型,提出建筑終端用能電氣化、對可再生能源大比例應用、北方地區清潔供暖、建筑柔性用電等措施能夠達到減碳目的。依據預測模型,學者提出在政策加速的情景下,建筑節能標準的提升可將峰值提前,該研究為政策制定提供了參考。此外,學者們不僅針對國家政策提出大方向的實施措施,還從建筑結構、材料等方面對減碳作出研究。如學者馮國會等[24]對嚴寒地區近零能耗建筑進行分析,發現采用太陽能與地源熱泵的供能方式、窗墻比在0.1—0.2之間、采用低碳環保材料、厚度在160—260 mm之間的保溫材料等措施能夠降低建筑碳排放。學者韓志攀等[25]通過運用BIM模型提取模型工程量清單,測算出不同施工方案的墻體碳排放,對結果進行減碳優化。指出4層大跨層高弧形的建筑,運用現澆混凝土施工單位面積碳排放比AAC砌塊施工少,室內隔墻施工使用ALC板施工的碳排放比AAC砌塊施工少。從上述研究情況可以看出,建筑碳排放相關研究在2020年以后學者們主要關注方向在如何減碳減排的措施方法上。此外學者魏光普[26]、黃蓓佳[27]等人從不同角度進行了建筑碳排放核算的研究;趙愈等[28]從裝配式角度對建筑碳排放因素進行研究;趙紅巖等[29]對于建筑碳排放影響因素進行綜述分析?？梢钥闯?建筑碳排放研究在穩步奮進階段對前人研究進行了系統性的總結與歸納,節能減碳策略的提出逐步轉移到實踐層面,未來研究將會更加細化實踐層面的研究。

4.2 研究態勢分析

在CiteSpace中,關鍵詞的突現分析可以將頻次較高的關鍵詞依據時間順序進行分布,通過關鍵詞突現分析可以把握建筑碳排放領域研究最具潛力的主題,能夠對將來研究方向進行預測?；贑iteSpace導出關鍵詞突現信息圖譜見圖5。

圖5 關鍵詞突現信息圖譜

從《綠色建筑評價標準》《建筑碳排放計算標準》等規范的提出可以看出,國家在逐步建立建筑碳排放領域的相關規范體系,并且在不斷地細化建筑碳排放相關規范。結合“雙碳”目標以及2023年國家住房和城鄉建設部辦公廳發布的關于國家標準《零碳建筑技術標準》的征求意見通知,可以看出2023年零碳建筑與建筑減碳策略結合將成為一個研究熱點。

5 結論及展望

5.1 結論

本文對CNKI數據庫中建筑碳排放相關期刊文獻進行了檢索,并利用CiteSpace可視化軟件對檢索文獻進行計量分析。研究結果表明:

第一,從文獻時間演化進程來看,將建筑碳排放相關研究分為初始探索、快速發展、穩步奮進三個階段。根據主要的國家規范頒布時間來劃分整個研究進程,從2006年《綠色建筑評價標準》的提出,多數學者對建筑業碳排放進行初步探索研究,該階段多數處于對整個建筑行業的建筑碳排放狀況進行研究,對于更加細致的范圍沒有具體的探索研究。在2011年“綠色建筑”被首次納入國家規劃中,建筑碳排放相關文獻大量涌現,學者從建筑類型、建筑區域、建筑行業、建筑材料等各個方面對建筑碳排放進行研究,但主要聚焦在建筑碳排放量的測算,對于建筑減碳方向的挖掘還處于較為淺顯的分析。在2019年住建部頒布《建筑碳排放計算標準》后,學者們對于建筑碳排放量的測算有了規范依據,將研究目光放到建筑碳排放量的分析上;隨著2020年“雙碳”目標的提出,低碳建筑、節能減碳、零碳建筑等主題大量涌現,學者們基于建筑碳排放量的測算對建筑碳排放的減碳策略進行深入的挖掘。據此得出,我國建筑碳排放研究時間較短,建筑碳排放領域研究主要依托國家規范,節能減碳是主要研究熱點,但節能減碳缺少實踐層面的研究。

第二,從研究熱點來看,圍繞碳達峰、碳中和目標建筑減碳策略的研究處于高熱度狀態。由“雙碳”目標衍生出的低碳建筑、建筑節能、低碳城市、節能減排等研究角度成為建筑碳排放領域當前研究的熱點。但從當前研究來看,建筑減碳策略缺少更為詳細的減碳措施,對于建筑行業的減碳策略研究多數集中在能源消耗角度上,建筑區域的減碳策略研究多數集中在能源使用上,單體建筑的減碳策略研究多數集中在建筑結構與材料上,缺少更為全面、詳細的減碳措施。

5.2 展望

隨著建筑碳排放領域研究的迅速發展,學者們不再局限于建筑碳排放的測算、影響因素等分析,而是結合前人研究能夠更加實際地將節能減碳落實到實踐層面,未來的研究將會更加細致地落實到實踐層面。隨著各類新技術的快速發展,建筑信息模型(Building Information Modeling)、遙感數據、無人機等也被運用到建筑碳排放領域中,結合BIM模型能夠對建筑材料細致分析,結合遙感數據能夠對建筑區域特征進行分析,結合無人機獲取建筑數據能夠對建筑結構或者年代久遠的建筑進行分析建模。不同領域技術在建筑碳排放領域的應用,有助于節能減碳措施的全面落實。