基于CiteSpace的国内建筑碳排放研究综述

陈怡瑾 刘杨

(云南大学 建筑与规划学院,云南 昆明 650504)

科技的快速发展,地球资源的快速消耗,大量的温室气体产生,使全球变暖情况越发严重。中国碳排放量在21世纪开始剧增,以至成为世界上温室气体排放量最大的国家。自2020年9月,习近平总书记提出我国“双碳”目标后,国内碳排放的相关研究大量涌现。

从建筑物的全生命周期来看,建筑物从材料生产到拆除回收全过程中所涵盖的行业范围广泛。依据《中国建筑节能年度发展研究报告》[1]可知,我国建筑碳排放总量整体呈现持续增长的趋势。随着我国《建筑碳排放计算标准》[2]相关规范标准的提出,有较多的学者从不同的角度对建筑碳排放减排策略进行研究。总的来说,建筑碳排放的研究对于国家实现碳达峰、碳中和的目标有着不可忽视的贡献。

鉴于此,本文借助CiteSpace软件,在中国知网(CNKI)平台搜索整理出近些年建筑碳排放领域的相关研究,对筛选出的214篇核心期刊文献数据进行分析,并对前人的研究作出总结,对未来研究进行展望,为后续研究工作提供参考与思路。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文以中国知网为数据来源,通过高级检索选取中文核心期刊、CSCD来源期刊和CSSCI来源期刊,以“建筑碳排放”为检索词进行主题检索,检索时间截止到2023年7月。通过剔除期刊会议征稿、个人学术成果介绍、卷首语及其他不相关条目等无效数据,共获得214篇文献。

1.2 研究方法

将中国知网自带的可视化分析功能与CiteSpace软件特有的可视化分析功能相结合,可以从多角度对相关文献进行挖掘分析。中国知网自带的可视化分析功能能够展现出总体趋势、研究层次分布、主要主题分布等信息,能够帮助学者对该领域研究有初步的了解。CiteSpace软件则基于文献标题、作者、国家、关键词、摘要等信息,利用可视化的方式对相关学科的结构、分布情况等进行展现,以此帮助学者了解研究热点、发现关键词的关联、挖掘出研究趋势。本文利用CiteSpace(6.2.R4)软件,挖掘建筑碳排放领域前沿热点,指出未来研究的发展趋向。

2 研究现状

通过中国知网(CNKI)自带功能对检索的文献进行计量可视化分析,得出2009—2023年建筑碳排放研究文献的发文量统计图(见图1)。由图1可以看出,国内对建筑碳排放的研究文献自2009年之后才逐渐上涨,2011—2012年发文量剧增,自2012年后文献数量居高不下,在2023年上半年已经达到20篇左右的发文量,预计2023年建筑碳排放相关发文量会达到历年最大值。

3 研究热点分析

3.1 关键词共现分析

关键词是对文献内容的高度概括,能够很大程度上体现出文献主题、热点内容。将建筑碳排放检索文献导入CiteSpace软件中,设置关键词为网络节点,得出关键词共线网络图谱(见图2),其中节点范围越大说明该关键词出现频次越高,各个节点间的连线表示共线关系。除去建筑碳排放相近的关键词可以发现,低碳建筑、零碳建筑、建筑节能、低碳经济、节能减排、绿色建筑、低碳城市等关键词分布较广。结合图2与相关政策、文献可以得出,建筑物节能减碳是建筑碳排放领域的热点话题,对于碳排放量的计算、影响因素的分析是为了达到节能减碳的目的。

图2 2009—2023年建筑碳排放研究关键词共现图谱

3.2 关键词聚类分析

依据关键词的共现情况,使用CiteSpace软件聚类分析功能下的K标签(关键词聚类),选取需要的最大标签(show the largest K clusters)对关键词进行聚类分析。关键词的聚类分析相当于将文献中具有相同特征的关键词进行分类。CtieSpace软件的聚类分析提供了Q值(Modularity Q)和S值(Weighted Mean Silhouette S),一般认为Q>0.3意味着聚类结构显著,S>0.7聚类是令人信服的。从得出的关键词聚类分析图谱(见图3)可以看出,建筑碳排放领域研究主要分为0#碳排放、1#生命周期、2#建筑业、3#低碳产业、4#水泥工业、5#低碳城市、6#住宅建筑、7#零碳建筑八类。由左上角相关信息得出Q=0.6658>0.3,S=0.9254>0.7,因此,由关键词生成的聚类分析图谱结果合理。

图3 2009—2023年建筑碳排放研究关键词聚类图谱

3.3 热点分析

在“双碳”的大背景下,各领域都更加注重节能减碳研究,从建筑物的材料生产到建筑物的拆除回收阶段所包含的行业数量庞大,建筑行业的节能减碳措施对于“双碳”目标的实现至关重要。

3.3.1 建筑行业的建筑减碳研究

建筑业作为中国重要的支柱产业,在为国家经济作贡献的同时,也存在能源消耗量大、二氧化碳排放量高的问题。从整个建筑行业角度出发,分析建筑业碳排放情况对实现节能减碳有重要意义。有学者发现中国建筑业碳排放总体呈现上升趋势,并且建筑碳排放集聚中心逐渐往中南部地区转移,建筑碳排放存在两极分化的现象[3]。想要促进建筑业绿色全要素生产率的提高可以推广二次能源、清洁能源,提高建筑业劳动力素质,降低建筑业企业国有化的比例[4]。但建筑行业占比广泛,各省之间经济水平、发展水平不一致,需要确立更为细致具体的节能减碳措施,具体问题具体分析才能提出适合于自身的减碳措施。如学者蒋博雅等[5]运用LMDI模型对江苏省建筑业碳排放影响因子进行分析并提出江苏省可大力发展以可再生能源为主的发电技术,推进节能建筑实现装配化、智能化,将能源强度、人口密度、新增建筑面积等控制在测算范围内。总体而言,对于建筑行业建筑碳排放的研究主要聚焦于能源消耗产生碳排放的研究,对于更详细的建筑行业减碳策略需要对不同省(市、区)进行具体分析。

3.3.2 建筑区域的建筑减碳研究

我国占地面积横跨五个气候带,不同区域之间的气候差异较大,由此我国建筑气候区划分为7个主气候区和20个子气候区,主要为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、温和地区、夏热冬暖地区等。不同气候区之间的能源消耗、碳排放情况存在差异。有学者认为新风热回收系统作为降低建筑能耗的手段在不同的气候区有着不同的影响效果,寒冷、夏热冬暖、夏热冬冷和较湿润的严寒地区使用全热回收系统更加经济,较干燥的严寒地区与温和地区采用显热回收系统会更经济,为我国新风热回收系统的推广提供参考[6]。也有学者提出夏热冬冷地区建筑能耗增长速度等于能源脱碳速度时可以实现碳达峰,而在未来居住建筑能耗会高速增长,由此公共建筑需要大幅度进行节能改造[7]。对于建筑区域碳排放的相关研究来说,建筑气候区是较为关键的影响因素,不同气候区建筑能耗情况对不同气候区建筑减碳策略影响深远。可以发现,对于区域建筑碳排放的研究主要从气候区的角度出发,但对于同一气候区下的建筑也存在不同的能耗来源,由此要落实到更加实际的减碳策略需要对气候区、能耗来源情况等进行分析。

3.3.3 单体建筑的建筑减碳研究

对于建筑单体的碳排放研究多数是对建筑使用材料的改进研究和建筑结构的改进研究。学者研究发现再生混凝土的碳排放量低于天然骨料混凝土[8]。学者蒋柯夫等[9]提出依据计算木材固碳率与密度来选择合适的木材作为建筑原材料、降低加工时木材的损耗、优化能源消耗结构等方式能够达到减碳目的,为轻型木结构建筑减碳方向与选材、建设等阶段提供参考依据。对于单体建筑的碳排放文献分析可以发现,多数学者建立全生命周期评价体系对建筑碳排放进行分析。如学者罗智星等[10]基于建筑全生命周期评价理论对保温结构进行研究分析,得出采用保温结构一体化系统的建筑可减少生命周期的碳排放,为绿色发展作出贡献。对单体建筑的建筑碳排放研究主要从材料、结构等角度出发,但建筑物不仅仅是单一的材料或单一的结构,若想对单体建筑减碳策略更为全面地分析需要结合结构形式、材料形式、建筑功能等方面进行。

综上所述,建筑碳排放领域研究热点主要围绕行业、区域、单体建筑节能减碳来进行,并且对于建筑碳排放领域节能减碳的研究初见成效,但对于减碳措施的落实需要更加深入的研究分析,才能达到更好的减碳效果,更快实现我国“双碳”目标。

4 研究演化及态势分析

4.1 研究演化分析

依托国家相关规范标准发展图(见图4)可以看出,2006年首次提出《绿色建筑评价标准》[11],2011年首次将“绿色建筑”纳入国家规划中,2019年提出符合中国建筑的《建筑碳排放计算标准》,2020年后主要围绕碳达峰、碳中和的目标进行规范实施。结合图4与相关重要规范标准可将建筑碳排放研究分为以下三个阶段。

图4 国家建筑碳排放相关政策发展图

4.1.1 初始探索阶段(2006—2010年)

自2006年《绿色建筑评价标准》的提出,2009年哥本哈根气候大会的召开,国内研究逐渐出现建筑碳排放领域相关的文献,主要将碳排放交易理念引入到绿色建筑的经济效益评价中,针对低碳城市规划、低碳建筑评价指标、中国低碳建筑发展探索等方面进行研究。学者叶祖达[12]将碳排放模型Kaya引入能源规划研究模型中,对建筑部门、交通部门、工业部门等进行模型分解,将能源需求模块分解为建筑部门、交通部门、工业部门,提出该模型可以作为城市空间规划的新工具。学者高泉平[13]将碳排放量与价值计算引入绿色建筑的经济效益评价中,得出绿色建筑理念下的公共建筑能够大量减少能源消耗量,该研究对低碳城市的建设发挥了积极作用。学者姜虹等[14]对房地产业、建筑业的发展过程中能源消耗导致的碳排放问题进行剖析,指出低碳建筑标准的实施能够促进建筑业产业结构的调整,从而达到建筑业的可持续发展,但低碳建筑涉及面广,其发展任重道远。在建筑碳排放初始探索阶段,学者们一致认为,绿色建筑的设计理念对建筑业整个行业起到可持续发展的作用,但对于具体的实施措施还未有学者提出。

4.1.2 快速发展阶段(2011—2018年)

自2011年“绿色建筑”首次纳入国家规划后,建筑碳排放相关文献大量涌现,在全生命周期视角下对建筑碳排放计算及影响因素、建筑业碳排放核算与能源效率分析文献占比较大。学者黄志甲等[15]从建筑全生命周期的视角,将住宅建筑的全生命周期划分为生产运输阶段、施工阶段、日常使用阶段、维护修缮阶段、拆除阶段、废弃处理阶段,并对每个阶段建立了建筑碳排放模型,依托实际案例得出,住宅建筑碳排放在日常使用阶段占比最大。学者张智慧等[16]将建筑业碳排放核算过程分为直接碳排放与间接碳排放两个部分,依托能源消耗量,对建筑业碳排放量进行核算得出建筑业直接碳排放量没有间接碳排放量大,在建材生产等方面产生的碳排放量占比较大,因此在建筑选材上可以做到有效的减碳。学者鞠颖等[17]从建筑全生命周期考虑,发现建筑运营阶段产生的碳排放量最多,占整个周期的70%左右。因此基于碳排放因子法,依托《中国统计年鉴》构建出建筑运行阶段的建筑碳排放量测算模型,并提出利用建筑信息模型(BIM)相关模拟软件能够更加容易获取能耗数据,能方便快捷地进行方案对比分析。学者李爽等[18]利用扩展Kaya恒等式分解出建筑产业规模、城市化水平、人均GDP、建筑能源强度和建筑能源消费碳强度五个指标,依据国家统计数据对建筑业碳排放量进行测算,结果发现建筑规模的扩大、建筑业市场标准降低、过剩的工程不断增加导致建筑碳排放量也不断增加,建筑能源消费碳强度下降幅度不大,说明我国节能减排技术进步缓慢。总的来说,该阶段学者们主要关注建筑碳排放量的测算与建筑行业碳排放量对国家经济政策、能源消耗的影响(如学者范正根[19]、范永法[20]、金柏辉[21]等)。并且对于建筑碳排放测算模型的研究探索,为2019年我国《建筑碳排放计算标准》的提出打下基础。在建筑碳排放研究快速发展阶段,学者们逐渐细化研究,从不同角度对建筑业、建筑区域、建筑单体进行建筑碳排放的测算、影响因素分析并提出相关减碳策略,但该阶段的减碳策略还未落到实践层面。

4.1.3 稳步奋进阶段(2019—至今)

2019年国家住建局颁布实施《建筑碳排放计算标准》后,我国学者对于建筑碳排放测算相关研究有了参照标准。依据该标准,学者们进入了更为细化的研究中,并从研究建议逐渐转向实施措施。清华大学李小冬等[22]通过分析国内外研究,对建筑碳排放测算方法进行了系统性的剖析,得出适合于一般建筑碳排放量测算的方法有IPCC排放因子清单法、物料衡算法、实测法,而IPCC排放因子清单法是实用性最高的方法;并且指出当前对于建筑碳排放影响因素的研究角度较为局限,多数研究仅针对社会经济方面与建筑运行阶段进行分析,对于物化阶段的分析还较少。基于碳达峰、碳中和的目的,学者们对于建筑碳排放的测算与影响因素的分析不是局限于计算结果与影响因素的分析,更加注重对于实施措施的研究。学者张时聪等[23]基于建筑运行阶段碳排放比重大的前提,指出建筑部门的减碳工作对双碳目标的达成至关重要。学者构建建筑运行阶段碳排放预测模型,提出建筑终端用能电气化、对可再生能源大比例应用、北方地区清洁供暖、建筑柔性用电等措施能够达到减碳目的。依据预测模型,学者提出在政策加速的情景下,建筑节能标准的提升可将峰值提前,该研究为政策制定提供了参考。此外,学者们不仅针对国家政策提出大方向的实施措施,还从建筑结构、材料等方面对减碳作出研究。如学者冯国会等[24]对严寒地区近零能耗建筑进行分析,发现采用太阳能与地源热泵的供能方式、窗墙比在0.1—0.2之间、采用低碳环保材料、厚度在160—260 mm之间的保温材料等措施能够降低建筑碳排放。学者韩志攀等[25]通过运用BIM模型提取模型工程量清单,测算出不同施工方案的墙体碳排放,对结果进行减碳优化。指出4层大跨层高弧形的建筑,运用现浇混凝土施工单位面积碳排放比AAC砌块施工少,室内隔墙施工使用ALC板施工的碳排放比AAC砌块施工少。从上述研究情况可以看出,建筑碳排放相关研究在2020年以后学者们主要关注方向在如何减碳减排的措施方法上。此外学者魏光普[26]、黄蓓佳[27]等人从不同角度进行了建筑碳排放核算的研究;赵愈等[28]从装配式角度对建筑碳排放因素进行研究;赵红岩等[29]对于建筑碳排放影响因素进行综述分析。可以看出,建筑碳排放研究在稳步奋进阶段对前人研究进行了系统性的总结与归纳,节能减碳策略的提出逐步转移到实践层面,未来研究将会更加细化实践层面的研究。

4.2 研究态势分析

在CiteSpace中,关键词的突现分析可以将频次较高的关键词依据时间顺序进行分布,通过关键词突现分析可以把握建筑碳排放领域研究最具潜力的主题,能够对将来研究方向进行预测。基于CiteSpace导出关键词突现信息图谱见图5。

图5 关键词突现信息图谱

从《绿色建筑评价标准》《建筑碳排放计算标准》等规范的提出可以看出,国家在逐步建立建筑碳排放领域的相关规范体系,并且在不断地细化建筑碳排放相关规范。结合“双碳”目标以及2023年国家住房和城乡建设部办公厅发布的关于国家标准《零碳建筑技术标准》的征求意见通知,可以看出2023年零碳建筑与建筑减碳策略结合将成为一个研究热点。

5 结论及展望

5.1 结论

本文对CNKI数据库中建筑碳排放相关期刊文献进行了检索,并利用CiteSpace可视化软件对检索文献进行计量分析。研究结果表明:

第一,从文献时间演化进程来看,将建筑碳排放相关研究分为初始探索、快速发展、稳步奋进三个阶段。根据主要的国家规范颁布时间来划分整个研究进程,从2006年《绿色建筑评价标准》的提出,多数学者对建筑业碳排放进行初步探索研究,该阶段多数处于对整个建筑行业的建筑碳排放状况进行研究,对于更加细致的范围没有具体的探索研究。在2011年“绿色建筑”被首次纳入国家规划中,建筑碳排放相关文献大量涌现,学者从建筑类型、建筑区域、建筑行业、建筑材料等各个方面对建筑碳排放进行研究,但主要聚焦在建筑碳排放量的测算,对于建筑减碳方向的挖掘还处于较为浅显的分析。在2019年住建部颁布《建筑碳排放计算标准》后,学者们对于建筑碳排放量的测算有了规范依据,将研究目光放到建筑碳排放量的分析上;随着2020年“双碳”目标的提出,低碳建筑、节能减碳、零碳建筑等主题大量涌现,学者们基于建筑碳排放量的测算对建筑碳排放的减碳策略进行深入的挖掘。据此得出,我国建筑碳排放研究时间较短,建筑碳排放领域研究主要依托国家规范,节能减碳是主要研究热点,但节能减碳缺少实践层面的研究。

第二,从研究热点来看,围绕碳达峰、碳中和目标建筑减碳策略的研究处于高热度状态。由“双碳”目标衍生出的低碳建筑、建筑节能、低碳城市、节能减排等研究角度成为建筑碳排放领域当前研究的热点。但从当前研究来看,建筑减碳策略缺少更为详细的减碳措施,对于建筑行业的减碳策略研究多数集中在能源消耗角度上,建筑区域的减碳策略研究多数集中在能源使用上,单体建筑的减碳策略研究多数集中在建筑结构与材料上,缺少更为全面、详细的减碳措施。

5.2 展望

随着建筑碳排放领域研究的迅速发展,学者们不再局限于建筑碳排放的测算、影响因素等分析,而是结合前人研究能够更加实际地将节能减碳落实到实践层面,未来的研究将会更加细致地落实到实践层面。随着各类新技术的快速发展,建筑信息模型(Building Information Modeling)、遥感数据、无人机等也被运用到建筑碳排放领域中,结合BIM模型能够对建筑材料细致分析,结合遥感数据能够对建筑区域特征进行分析,结合无人机获取建筑数据能够对建筑结构或者年代久远的建筑进行分析建模。不同领域技术在建筑碳排放领域的应用,有助于节能减碳措施的全面落实。