我国建筑节能研究热点可视化分析

2021-03-11刘晓燕孙睿忆王忠华赵雨新宫克勤

节能技术 2021年1期

刘晓燕，孙睿忆，王忠华，崔雪，赵雨新，宫克勤

(东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江大庆 163318)

随着生活水平的提高，人们对建筑内舒适需求不断增长，随之而来的是建筑能耗大幅增长及污染问题的日趋严重，至2016年，我国建筑能耗约占总能耗的21%[1]，因此建筑节能成为各国科研人员研究的热点问题。我国自1986年发布首个建筑节能相关规范《北方地区居住建筑节能设计标准》，正式启动国内建筑节能设计标准》，正式启动国内建筑节能战略。同年发布《民用建筑节能设计标准》，正式将建筑节能提上日程。1997年，我国颁布《中华人民共和国节约能源法》，明确了“节能是国家发展经济的一项长远战略方针”，首次给节能赋予法律地位。至此，我国顺应发展需求，相继修订并制定建筑节能相关标准与规范几十种，并出台相关政策，为节能减排、可持续发展奠定良好基础。

为推行节能减排政策，改变建筑结构、改进现有建筑供暖模式、提高建筑材料热性能、优化设计建筑围护结构、开发新能源等策略成为我国学者们降低建筑能耗的出发点。薛鹏等[2]在满足采光和节能的条件下对低纬度地区建筑进行了窗墙比的优化设计。刘娟田等[3]对位于西北寒冷地区的农宅提出了多能源互补方式，可大量节约煤炭耗量。夏蕊芳等[4]发现添加较高比例的木质纤维及适量的乙二醛交联剂可提高生物复合材料的传热能力和保温性能。任刚等[5]提出模块化太阳能建筑围护结构并发现该结构可有效降低20.33%的制冷能耗。陈孚江等[6]设计一种基于太阳高度角的被动式遮阳墙体，可降低18.82%的建筑冷负荷。

分析国内学者研究文献可发现，关于建筑节能研究结果颇丰，其研究趋势与研究热点也在不断变化，但并没有对于我国建筑节能领域未来研究前沿的研究。为了得到我国建筑节能的研究前沿方向，本文采用陈超美博士开发的科学文献分析工具CiteSpace5.5.R2软件进行文献检索分析，以探索该领域的研究热点与发展方向。

1 研究准备

1.1 研究方法

CiteSpace软件着眼于科学分析中蕴含的潜在知识，是在科学计量学、数据可视化背景下逐渐发展起来的一款基于Java平台的引文可视化分析软件。由于是通过可视化的手段来呈现科学知识的结构、规律和分布情况，因此也将通过此类方法分析得到的可视化图形称为“科学知识图谱”。该软件主要基于共引分析理论和寻径网络算法等，对特定领域文献进行计量，以探寻出学科领域演化的关键路径及其知识拐点，并通过一系列可视化图谱的绘制来形成对学科演化潜在动力机制的分析和学科发展前沿的探测[7]。

1.2 数据来源

本文选择CNKI数据库进行相关主题的检索，采用高级检索功能对“建筑节能”主题进行检索，时间限定为2008～2019年，期刊范围选择核心期刊、CSSCI及CSCD以上类型的所有期刊，手动剔除其中会议通知、新闻稿件、卷首语及与主题含义偏离较远的文章，共检索得到2 315篇文献。为得到我国建筑节能的研究前沿，本文主要从关键词聚类和突现词进行分析。

2 建筑节能研究热点分析

关键词可反映出某一领域的主要研究方向和研究热点[8]。在CiteSpace中的功能模板选择“Keyword”，时间切片设置为1年，设置每个时间切片内排名前50的数据来生成网络。考虑到文献中的关键词较多，会混乱分析的可视化过程，故以“寻径(PathFinder)”剪枝方式来进行关键词可视化网络构建，该种剪枝方式可以最大限度的简化可视化网络并突出其重要结构。运行完成后对关键词进行聚类分析，由图1，对于目标文献，2008～2019年研究内容共生成节点413个，连线数量983条，网络密度0.011 6，归划14类。按聚类是否合理指标看，其中模块值Q值(ModularityQ)0.510 7，平均轮廓值S值(Mean Silhouette)0.597 5，按CiteSpace可视化网格划分标准看，Q>0.3划分社团结构显著，S>0.5聚类合理，综上可判定所绘的可视化网络有一定参考价值。可看出，对于建筑节能，国内学者主要通过构建绿色建筑体系、强化外围护结构热工性能、改造空调系统、降低建筑能耗策略、调整外围护结构颜色、探讨建筑节能影响因素等方向进行研究。

图1中节点大小表示该聚类中发表文献总数，圆环厚度代表每年该聚类文献发表数，颜色代表发表年份，连接线颜色代表关键词间第一次共现年份。由此可知，近十年，我国建筑节能研究热点主要集中于2008～2011年，虽然各领域都在不断发展，但发表文献数明显减少，且关键词间共现性也不断减弱，一定程度上说明我国建筑节能研究进展顺利。对于节能措施和节水节能聚类，自2008年该聚类与其它聚类相比对应文献较少，说明该聚类研究较少，聚类分析不甚合理，且聚类名称有明显概括性，故可推测其主要研究内容已向其他聚类转移。至2019年，我国绿色建筑、热工性能和影响因素具有较好的发展前景，是目前我国建筑节能的研究热点。

为了更加直观的得到建筑节能领域的研究热点，选择频率前20的关键词进行汇总，见表1。其中，建筑能耗、节能改造和绿色建筑的出现频次达到100以上，说明这3个领域得到了我国学者的广泛关注。但也可以看出，这三个词与其他关键词形成包含关系，其内涵和外延都在我国学者研究过程中得到了充分的发展。

图1 关键词聚类分析时间域图谱

表1 我国建筑节能高频关键词

2.1 建筑能耗

建筑能耗是检测我国既有或在建建筑是否符合我国节能标准的重要指标，同时也是推进我国节能减排政策的重要参数，一直是我国学者研究的重点领域，影响我国建筑能耗的因素，主要包括采暖、空调、炊事、照明、用电等方面。随着时代的不断发展，建筑能耗预测分析方法与运营控制技术也在不断发展和完善。刘佳静等[9]采用BIM模型和Agent技术建立用户移动行为模型，通过模拟室内环境、人员和设备三者之间的交互作用，获取室内人员和设备运行工况的时间序列信息。游又能等[10]提出了被动式超低能耗装配式建筑在发展过程中存在的问题以及未来的发展方向。Li[11]等研究了城市热岛(UHI)对建筑制冷和采暖能耗的影响，发现UHI可能导致制冷能耗中位数增加19.0%，采暖能耗中位数减少18.7%，其能耗也显示出强烈的城际差异和明显的城市内部差异。

2.2 节能改造

节能改造是使既有建筑达到节能标准要求，推进我国节能减排战略的有效措施，我国学者目前对节能改造的研究主要集中在传统建筑围护结构保温性能的提升与新型围护结构的开发、空调功能暖系统的热性能优化及冷热源处降耗等方面。刘永刚等[12]开发了集保温、隔声与装饰功能于一体的新型模块化保温墙板，传热系数为0.36 W/(m2·K)，计权隔声量为35 dB。郭吉伟等[13]对公共浴池的热泵余热回收系统进行运行模式的优化,系统的日平均能效比达到4.8，余热回收量大于80%。Zhou等[14]研究了建筑围护结构设计和实际运行优化中研究了节能潜力，发现天津最新的能效标准中规定的采暖能耗目标比德国建筑节能标准EnEv'2009高出30.9%，比德国使用的Passivhaus标准高出49.7%。

2.3 绿色建筑

绿色建筑是指在全寿命周期内，节约资源、保护环境、减少污染、为人们提供健康、适用、高效的使用空间，最大限度地实现人与自然和谐共生的高质量建筑，可以说是建筑发展的终极目标。我国自1992年便大力推动绿色建筑的发展与实施，现已落成的绿色建筑众多，如上海世博会世博中心、华侨城体育中心、杭州低碳科技馆等。对于绿色建筑，其研究热点囊括了建材、标准、施工、建筑生态等多方面。石磊等[15]构建了基于地域文化传承的绿色建筑评价体系,进而提出体系构建八大要素。Cao等[16]通过测量室内CO2浓度变化研究了室内温度调节对室内空气质量和能源消耗的影响，发现送风温度和ACH均会对CO2分散产生较大影响。Zhang等[17]采用多层次灰色评价法，在对英国BREEAM、美国LEED、跨国GBTOOL、中国生态住宅等国外生态住宅评价方法基础上，在生态观下建立绿色建筑评价体系。

此外，公共建筑、围护结构、居住建筑等领域关键词频次较高，也是现如今我国建筑节能的研究热点，其研究内容多与其它关键词形成包含或交叉关系，形成各方向协同发展的态势。

3 突现词分析

突现词代表了某领域的研究前沿及发展动向。采用CiteSpace中“突现词(Burst Terms)”功能，选择Keyword图谱并设定每时段前50的关键词进行突现词分析，分析结果见图2。

图2 我国建筑节能突现词

由图2可读出我国建筑节能的研究发展趋势。2008年随着我国政府监管力度的不断增大和可持续发展战略的不断推进，节能措施、外墙、可持续发展、环保等方向受到国内学者的关注，持续时间为3～4年。随着研究的不断深入，针对我国建筑节能的一系列设想和研究方向不断细化，提出节能建筑、低碳城市、大型公共建筑、农村住宅等研究对象及分项计量、低碳经济和评价指标等节能方式与政策，但对于节能方式来说持续时间不长。此后，节能建筑对象研究告一段落，学者将研究热情投入到具体提高节能效率的方法上，从而衍生出室内热环境、热回收、节能率、供暖、保温方式等突现词，其中影响因素、相变材料自2014年开始出现，至2019年仍保持着旺盛的生命力。研究至2016年，学者提出了近零能耗建筑的概念，说明我国建筑节能领域研究成果在前人的基础上实现了质的飞跃，可以实现近零能耗建筑的设计与研究，至2019年，该方向仍是我国的研究前沿。

3.1 影响因素

建筑节能的影响因素众多，对于建筑本身大致可分为外界气候条件、建筑围护结构的热工性能及建筑形体因素和建筑周边环境因素，此外还包括建筑节能政策、市场供需变动、经济效益等方面，我国学者对此展开了细致的研究。李柏桐等[18]通过问卷调查和Ucinet6软件分析并探索了节能服务企业动力的影响因素。吴思材等[19]研究发现业主行为是影响既有建筑节能改造项目收益分配的关键因素，而主体关系与综合效益在项目收益分配过程中发挥部分中介作用。Liu等[20]强调对于减少各气候区域内的建筑节能，有必要强化各围护结构的传热系数值。

3.2 相变材料

相变材料是通过自身达到一定温度时能够释放和吸收大量潜热的物质，其巨大的潜热存储能力受到建筑节能领域专家的青睐，特别是固-固及固-液相变材料以其储能大、体积小的优势广泛用于我国建筑领域，常以相变材料板、相变微胶囊及混合砂浆等形式应用于建筑围护结构。由于我国建筑节能的要求不断提高，研究开发新型相变材料也逐渐成为我国学者的研究热点。邵必林等[21]采用LBM方法对夏热冬冷地区绿色建筑相变屋面的节能效益进行研究，发现开发成本低的相变材料是当务之急。Chen等[22]研究可储热的通风系统在夏季空调建筑中制冷应用，发现使用TES系统的节电率(ESR)为16.9%～50.8%，与传统NV系统相比，ESR为9.2%～33.6%。Li等[23]提出包含PCM的多孔储热层太阳能复合墙，该墙体在加热室中可在夜间平均温度条件下实现约20.2%热增量，PCM储热壁的热效率为76.2%。

3.3 近零能耗建筑

零能耗建筑是不消耗常规能源的建筑，完全依靠太阳能或者其它可再生能源，许多欧美国家如瑞士、加拿大及德国都已发展零能源建筑。一些区域国家如日本、泰国和马来西亚也开始建筑工程。随着我国建筑节能的不断发展，我国住房和城乡建设部发布公告指出，《近零能耗建筑技术标准》于2019年9月1日正式开始实施，标志着我国建筑节能标准对标国际，是我国加强节能减排和提升节能标准要求的具体体现。吴会来等[24]对上海低密度住宅建筑进行实例研究，通过改造围护结构，空调节能46%。叶晓莉等[25]分析了零能耗建筑中太阳能的应用，指出在该建筑中广泛使用太阳能的必要性。Huang等[26]提出了生命周期性能分析方法，以研究降解对近零能耗建筑(nZEBs)纵向性能的影响，提出的两阶段设计方法缓解nZEB几年后无法满足近零能耗的问题。