国内建筑碳排放研究可视化分析*

司 琪,徐非凡,马瑞江,刘 石,常 影,赵延军,银克俭

(1.中建工程产业技术研究院有限公司,北京 101300; 2. 山东大学土建与水利学院,山东 济南 250061; 3.中国建筑第四工程局有限公司,广东 广州 510665 )

0 引言

随着全球气候变化形势日益严峻,世界各国和不同地区逐渐重视碳排放问题。碳达峰、碳中和目标的实施作为我国“十四五”时期的重要任务之一,已被纳入生态文明建设整体布局中。欧洲建筑师协会指出,建筑业及相关行业消耗了地球50%的能源,造成了50%的空气污染,排放了42%的温室气体[1]。在中国,建筑全过程碳排放总量为49.97亿t CO2,占全国碳排放的50.6%[2]。因此,建筑业应成为实现低碳发展的重点研究领域,实现建筑业的低碳减排对全球减排工作具有现实意义。

本文主要借助文献计量方法定量分析国内建筑碳排放的研究现状、研究热点和发展趋势及存在的问题,旨在为后续其他学者研究建筑碳排放提供一定的参考,助力早日实现“双碳”目标。

1 数据来源与方法

基于中国知网数据库(以下简称CNKI),以“建筑碳排放”为主题词进行检索,检索时间为2000年1月1日—2022年4月30日,选择了三类文献进行分析,文献数量如表1所示。

表1 检索文献数量统计Table 1 Statistics of the number of retrieved literatures

统计总发文量954篇,其中学术期刊660篇,学位论文252篇,会议论文42篇。剔除53篇作者、刊名、发表时间等信息不全及科普宣传和会议通知等文章,对901篇文章进行可视化分析。

本研究采用以数量统计为基础的文献计量学分析方法,对国内建筑碳排放的相关研究文献进行分析。CiteSpace是基于Java语言开发的一个信息可视化文献计量分析工具,主要通过寻径网络算法和共引分析理论对文献进行计量,并通过可视化图谱对学科发展状况、研究热点和发展趋势进行预测。本文应用CiteSpace 5.8.3R生成不同的可视化图谱,分别对作者、机构、关键词进行共现、聚类、突现分析。

2 建筑碳排放研究时空分布

发文量的变化能反映一个领域的发展状况以及未来的研究趋势[3],近20年CNKI中“建筑碳排放”相关研究领域文献数量虽有波动,但整体呈上升趋势,如图1所示。文献发文数量可分为4个阶段,2001—2008年,发文数量较少,只在2001年、2005年、2008年零星出现;2009—2012年,发文数量有较大波动,会议论文以及学术论文整体上升,期刊论文出现了先快速上升后下降的情况;2013—2020年,文献数量整体增长缓慢,个别年份出现了数量下降的情况;2021年以后,期刊论文数量呈现爆发式增长。

图1 文献发表数量Fig.1 Number of published literatures

2021年发文量最多,这表明相关学者对“建筑碳排放”的关注度逐渐增强,主要和国内外对“温室气体”和“二氧化碳”的关注度有关,尤其是国家“双碳”目标出台后,关注度空前高涨。

对901篇文章进行作者共现图谱分析,如图2所示,纳入的文献共涉及作者428人,连接数为246,密度为0.002 7,合作关系整体比较松散。发文最早的作者为中国建筑标准设计研究院的张跃峰,在2001年全国建筑钢结构行业大会上发表。期刊论文发文年份最早的作者为高运周,在2005年发表。从图2可以看出,华侨大学土木工程学院的祁神军、张云波、温日琨、佘洁卿、刘兵、王易波、陈刚等形成研究团队,其他团队虽然发文数量不高,但也呈现出团队研究的趋势,如以清华大学建设管理系的张智慧、东南大学的张宏、清华大学建筑学院的林波荣等为代表的团队。

图2 作者共现图谱Fig.2 Author co-occurrence map

计算该领域的核心作者人数,核心作者最低发文量Q=0.749×C1/2(Q为核心作者最少发文数,C为发文数量最多作者发文数),发文量最多的作者为祁神军,发文数量为16篇,即C=16,Q≈3,得出核心作者共35人,如表2所示,可以看出,建筑碳排放领域研究发文的作者主要来自经济较发达的北京、上海、福建等地区的高校,如清华大学、同济大学、华侨大学等,以及传统的建筑类学校,如天津大学、西安建筑科技大学、沈阳建筑大学等。

表2 发文数量≥3的作者Table 2 Authors whose number of publications ≥3

3 建筑碳排放研究热点

关键词是对研究内容的高度概括和凝练,当关键词出现的频率越高,表明该关键词所代表的研究内容得到的关注越多。节点随词频的增大而增大,同时,每2个关键词共同出现的次数可根据连接关键词线条的粗细来判定,从而测得其间的亲疏关系。通过颜色衡量词频出现的时间,暖色调的颜色表示关键词近期出现过。建筑碳排放相关研究的关键词共现图谱如图3所示,包含439个关键词和1 187条连线,密度为0.012 3。统计频次≥5的关键词如表3所示。研究热点除了碳排放和建筑业外,还有低碳建筑、绿色建筑、影响因素、碳中和、公共建筑、节能减排、生命周期等。

图3 关键词共现图谱(频率≥10)Fig.3 Keyword co-occurrence map (frequency≥10)

表3 关键词分布情况(频率≥5)Table 3 Distribution of keywords (Frequency ≥5)

在关键词共现分析基础上进行聚类分析。CiteSpace根据网络结构和聚类的清晰度提供了表示网络模块度的模块值(Q值)和用于衡量网络同质性的轮廓值(S值)。Q值>0.3表明聚类结构显著;S值>0.5表明聚类结果合理,S值>0.7表明聚类是高效且令人信服的。经计算,Q=0.547 9,S=0.859 4,图谱能较好地反应该领域的研究热点,聚类结果如图4所示。

图4 关键词聚类图谱Fig.4 Keyword clustering map

每个聚类由多个紧密相关的词组成,聚类标签数字越小,表明聚类中包含的关键词越多。通过聚类分析,选取了11个有意义的聚类,如表4所示。关键词数量>40个以上的聚类有碳排放、碳中和、建筑业。关键词聚类图谱中有多个聚类重叠,表明该部分聚类间联系紧密,即“建筑碳排放”研究虽各有差异,但主题集中。

表4 聚类结果Table 4 Clustering results

将关键词共现图谱转换为时区图,如图5所示。时区图是将相同时间内的节点集中在同一时区内,按照从远及近的顺序排列,从时间维度上表示某一领域的演进过程,从而清晰地展现关键词的更新,对预测未来几年主题的发展趋势有很大价值。需要说明的是关键词展现的时间为第一次出现的年份,后续出现的次数累计在第一次出现的年份,并以节点大小展现出频次的高低。

图5 关键词时区图谱(频率≥15)Fig.5 Keyword time zone map (frequency ≥15)

从时区图中可以看出,国内“建筑碳排放”可追溯到2008年,出现了高频关键词“零碳排放”,2009年为一个拐点,出现了大量高频关键词,2021年为另一个拐点,出现了“碳达峰”“碳中和”等高频关键词。

根据关键词时区图谱和发文量,可以将研究趋势分为4个阶段。

1)探索阶段(2001—2008年)

这一阶段研究热点为能源消耗、生命周期方法、水泥工业等。

2)爆发阶段(2009—2012年)

研究热点较多,主要有:低碳经济、低碳技术、低碳建筑、绿色建筑、节能减排、碳交易、减排策略等。

3)稳定阶段(2013—2020年)

研究热点主要为评价体系、计算模型、光伏发电、核算方法、发展路径、脱钩等、全产业链、低碳转型。

4)新发展阶段(2021—至今)

研究热点主要为碳达峰、碳中和、绿色建材、绿色转型、在未来一段时间内,会继续开展碳达峰、碳中和、绿色转型等相关研究。

将关键词进行突现性分析,可以清晰地发现近年来建筑碳排放相关研究领域的前沿及其迭代情况,共得到25个突现词,如图6所示。突现词的突现条中,红色代表该突现词在这一时间段内研究活跃。突现强度最大的关键词是“碳中和”(16.22),其次为“低碳建筑”(8.37)、“低碳经济”(6.95),“建筑业”(6.36)、“碳达峰”(6.29)。突现时间较近的关键词有“核算”“影响因素”“减碳策略”“碳中和”“碳减排”“碳达峰”建材生产。

图6 国内建筑碳排放研究关键词突发性检测图谱Fig.6 Research keywords of carbon emission of domestic building

突现词可以较准确地反映某一时段影响较大的研究方向,研究方向的变化往往与国内外相关政策环境变化有强关联。例如2009年国务院提出发展“低碳经济”,2020年中国对“碳达峰”和“碳中和”的承诺,在当期及之后时间段引起相关文献的爆发式增长,从而带动相关文献的关键词展现出突现性。

综上所述,总结研究热点如下。

1)建筑碳排放相关计算方法

相关方法主要涉及不同建筑类型的不同阶段的碳排放计算。有关绿色建筑的碳排放计算方法[4];关于不同建筑类型(公共建筑、民用建筑、工业会展建筑)的碳排放研究方法[5];关于现浇建筑及装配式建筑的计算方法[6];关于不同阶段的计算方法,如全生命周期[7]、物化阶段[8](建材生产及运输,建筑施工)、运营阶段[9]、施工阶段[10];关于新建建筑和既有建筑的碳排放计算方法[11]。

2)实现“碳中和”的有效路径

“双碳目标”推动建筑行业低碳转型,林波荣[12]探讨了建筑行业实现碳中和的挑战与实现路径,李丛笑等[13]分析了开展绿色建造的必要性,高红等[14]提到以绿色建材为抓手推动建筑业全面绿色转型。此外应加强国际交流合作,携手推进建筑材料行业“碳减排”,水泥行业“碳减排”对整个建材行业至关重要。

3)建筑业碳排放影响因素

宋金昭等[15]研究了中国建筑业碳排放影响因素,杜强等[16]进行了中国各省建筑业碳排放特征及影响因素研究以及建筑业碳排放与经济增长脱钩的研究,冯博等[17]研究了中国各省建筑业碳排放脱钩及影响因素,安璐[18]基于LMDI研究了辽宁省建筑业碳排放的影响因素。

4 结语

建筑碳排放相关研究的发文量整体呈逐年上升趋势,但该领域的核心研究力量不足,在学术领域内缺乏较强的影响力;各研究机构间合作不足,整体分布较分散,缺乏跨地域、跨学科的合作,存在一定的学术壁垒。具体内容方面,主要存在以下问题。

1)计算方法 国内建筑碳排放研究着重于“碳排放”量化的研究,研究方法虽不断创新,但现有研究还存在一定的局限性。①在建筑碳排放计算方法上,出现了针对不同建筑类型和建筑结构形式的计算方法,但其核算边界和方法学不统一;②针对运营阶段的碳排放方法较成熟,针对物化阶段及拆除阶段的碳排放计算方法不成熟。

2)影响因素分析 影响因素指标的筛选不够合理,对真实建筑业碳排放关键因素的反应不够准确,对支撑碳减排政策的科学性不足。

3)信息化手段应用 当前建筑业和信息化手段的联系较少,缺乏“互联网”“区块链”“大数据”“人工智能”等在建筑碳排放领域的应用。

“双碳”目标是我国的重大战略,建筑碳排放相关研究处于良好的发展环境中,建筑绿色低碳转型进入了一个新的阶段,建筑碳排放计算方法、碳排放影响因素等传统研究方向仍具有延续性,“碳达峰”预测和“碳中和”实现路径的研究将呈现爆发式增长,同时推动相关节能减排、能源转型与替代、建材工业等领域的开创性研发。