基于知识图谱的国内外低能耗建筑研究可视化分析★

高 凤，冯 璐，刘宾灿，马小玲，王亚平

(1.陕西省建筑职工大学，陕西 西安 710043； 2.陕西建工安装集团有限公司，陕西 西安 710061)

建筑节能是我国实现碳中和碳减排的关键领域。中国建筑节能在法律法规、激励政策、技术标准等体系建设方面取得长足进展[1-3]。低能耗建筑是使建筑的结构做到高围护性、提升建筑用能系统的效率及利用可再生能源、太阳能等有效减少化石能源的消耗。知识图谱是显示某一领域知识发展趋势与构成关系的一系列不同的图形，用可视化技术显示知识信息及其载体，收集、解析、建构、绘制和显示知识及相互之间的联系，它能形象地映射某一学科领域的核心知识、发展进程、研究趋势等信息。目前，我国应用知识图谱分析的研究领域分布非常广泛，构件知识图谱的软件包括Cite Space,gephi,ucinet,pajek,vosviewe等。本研究以Web of ScienceTM(WOS)数据资源库中低能耗领域的文献为研究范畴，运用Cite Space软件构建知识图系，生成低能耗建筑领域的知识结构和时间模式以及趋势的交互式可视化。通过深入的视觉分析过程，系统地审查低能耗建筑领域，准确把握国际上低能耗建筑研究领域的研究热点、研究前沿和发展趋势，并与我国研究现状对比，找出差距与不足。

1 材料与方法

1.1 数据采集

在Web of ScienceTM(WOS)核心合集资源库中，以“passive house”或“low energy building”作为主题词进行文献检索，年份跨度为1997年—2021年，时间切片确定为“1”，文献类型为“ARTICLE”，共获取2 478条有效词条信息，并导出标准数据格式保存。每条词条中包含该文献的题名、作者、来源、发表时间、数据库等信息。

1.2 研究方法

研究采用可显化软件Cite Space软件构建知识图谱，通过分析图谱形象，得出低能耗建筑研究领域在一定时期的研究内容和发展趋势，并运用突现词技术来确定低能耗建筑领域的研究热点。根据本文研究主旨，依次设置国家(country)、第一作者(author)、研究机构(institution)、关键词(keyword)”为圆形节点，绘制国家分布、高频关键词、研究机构的知识图系。同时查阅中国核心数据库知网，导出GB/T 7714—2015格式引文文献，得到国内在低能耗建筑领域研究热点、研究主题与机构分布。

1.3 统计学分析

运用WPS2020对文献数据源进行统计分析，同时运用Cite Space(5.0.R1.SE.9.4)可视化软件对文献数据源进行图谱分析。

2 国内外发展现状对比

2.1 基于Cite Space分析的国际低能耗建筑研究现状

2.1.1 发表文献时序分布

由图1可知，1997年—2007年低能耗领域研究的文献数较少，年均40余篇。而后2007年—2015年文献数量显著增加，年均100余篇。2016年—2020年文献总量保持增加态势，年均200余篇。

2.1.2 研究国家与机构的分布

由图2可知，国际上以美国、德国、英国、瑞典为中心的低能耗建筑研究居多。从发文量来看(见表1)，美国发文数量为361篇，居世界首位；英国发文206篇，位居第2；其次是中国、加拿大、德国和日本，发文数量均在50篇以上，德国、美国在整个网络中的节点中心度最大。

表1 1997年—2020年WOS数据库中发文量排名前15的国家信息

2.1.3 关键词共现分析图谱

由关键词生成的低能耗建筑领域研究热点图谱如图3所示。表2统计了1997年—2020年WOS数据库中低能耗建筑研究文献中关键词出现次数不小于30的词汇。从图3可见，性能(performance)的节点最大。其次，被动房(passive house)、舒适(thermal comfort)、设计(design)、模拟(simulation)、能源效率(energy efficiency)、模型(model)、住宅建筑(residential building)和温度(temperature)出现的频次也较高，说明该领域的研究热点主要集中在被动房的性能及能效问题的研究，如舒适、温度、能量等。在此基础上，该领域的研究者们还开展了被动房的设计与模拟的研究，关键词如设计、模型、模拟、优化、通风等。这也与德国被动房研究所的研究方向建筑动态模拟、建筑能量平衡以及被动式建筑设计相吻合[4]。

表2 1997年—2020年WOS

2.2 基于知网查询的国内低能耗建筑发展现状

相比于国外，国内低能耗建筑起步晚，但发展快。2007年—2021年，我国低能耗建筑领域经历了从理论学习、意识转变到项目实践、标准制订的过程，实现了从国家层面的政策、标准到行业技术、产品设备、组织管理，到落地项目的全方位的发展[5-6]。

查阅中国核心数据库知网，由图4可知：我国的低能耗建筑的研究始于1992年，研究内容集中在国外节能建筑技术的综述。2000年以后，发文量增加，2012年以后发文量持续保持增加态势，与我国2012年引进被动房设计建造技术相吻合。图5为1992年—2021年中国知网低能耗建筑核心数据研究机构分布，主要有中国建筑科学研究院、清华大学、西安建筑科技大学等，代表性的作者如徐伟、刘艳峰、刘加平、冯国会等，这些作者同时是《近零能耗建筑技术标准》的主要起草人员或审查人员。

由主题词生成的中国文献低能耗建筑核心数据发文量饼状图如图6所示，以低能耗建筑为中心展开，我国开展了低能耗建筑传热系数、围护结构、热回收，气密性、优化设计等主题研究。从近几年的高频关键词可知：1)我国目前在低能耗建筑领域主要在设计层面，高频词如：建筑设计、节能设计、设计标准等。2)在设计层面，关注比较多的是技术参数，如传热系数、围护结构等；以及技术措施中的设计问题，热回收、气密性等。3)关于低能耗建筑的气候区划分，也是讨论比较多的问题。

3 低能耗建筑在我国的实践发展

3.1 工程发展

中国全面参考了德国的被动房体系、欧美的近零能耗建筑以及零能耗建筑的体系，结合中国实际情况，提出了建筑节能迈向零能耗建筑的概念体系，根据能耗目标实现的难易程度表现分为三种形式，即：超低能耗建筑及近零能耗建筑，最终目标是零能耗。其中超低/近零能耗建筑，经过多个示范项目的实践与验证，在中国已经进入规模推广和实际应用阶段。以典型案例为代表，国内的建筑发展大致可分为三阶段，分别是：第一阶段：超低能耗被动房概念尝试阶段：夏热冬冷地区——2010年世博会汉堡之家。第二阶段：超低能耗公共建筑探索实践阶段：寒冷地区——2014年中国建筑科学研究院近零能耗示范楼。第三阶段：超低能耗其他建筑在中国不同典型气候区实践阶段：严寒地区——2016年青岛中德生态园被动房技术中心；严寒地区——2017哈尔滨森鹰被动式工厂；夏热冬冷地区——2018年中建科技成都绿色建筑产业园研发中心，该项目为国内首例装配式混凝土被动式超低能耗绿色建筑。

2019年及2020年“超低能耗建筑”连续两年成为两会提案，近两年全国被动式超低能耗建筑发展形势迅猛，住建部及12个省直辖市相继推出了扶持政策，这也充分说明低能耗建筑进入全面推广阶段。以2013年—2021年被动式低能耗建筑的89个项目为基础进行统计分析，其分布如图7所示。覆盖严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖4个气候区，且90%的项目位于寒冷地区，多为居住建筑，同时涉及办公、幼儿园、学校、展馆。

从建设进度看，2013年—2018年5 a的总竣工面积为16万m2，占项目样本总量的7%。2019年竣工项目规模大幅增长。自2020年开始，竣工项目开始呈指数型增长。2021年竣工项目约为142万m2，占项目样本总量的64%。未来几年将是低能耗建筑大规模竣工交付的周期，是提高其市场认识度的机会，同时也是对其性能的一场社会性考验。

3.2 存在的问题

1)推广超低能耗建筑方面。建筑行业的新技术、新材料、新产品、新结构等，从研发到应用的周期很长，市场生命周期更长。新超低能耗建筑引入我国才短短几年，是起步的初始阶段，大多数人还不了解超低能耗建筑，已经接触超低能耗建筑的技术人员也是在边引进学习吸收，边从事设计施工生产，工作中遇到不少问题，建成的超低能耗建筑质量和性能或多或少存在问题，甚至有的质量差，性能不达标，主要体现在设计、施工、建筑材料、部品件和设备等方面。2)设计问题。被动式低能耗建筑必须精细化设计，设计计算绘图量是传统设计的数倍。建筑专业设计，所有外围护结构节点不能抄引标准图，必须根据精确计算，确定保温材料厚度，画出详尽节点图。暖通方面除了准确计算出采暖和制冷负荷、配备暖通空调系统外，还必须进行精确的室内环境分析，新风系统布局，各房间新风流量设计和控制。另外，超低能耗建筑设计标准的广泛适用性和标准通用图的缺失，严重影响着大量超低能耗建筑设计建造的质量和效率。急需制定完善设计标准和标准图集。超低能耗建筑标准需要根据不同地区不同气候条件、不同地域建筑风格深化细化标准，并依据标准，编制维护结构节点标准通用图。3)施工方面。目前，在我国能胜任超低能耗建筑施工的技术管理人员和技术工人严重短缺，已从事超低能耗建筑施工的技术人员的水平和工人技能急待提高。超低能耗建筑的施工建造，远不同于传统建筑，必须树立机器和仪器制造业管理和技术要求，首先要转变思想和认知，具备精细化、精确化、精准化、程序化、保全化思想和能力，环环相扣，节节合格。此外，施工工法有限，覆盖施工范围少，工法制定迟缓。超低能耗建筑虽然有一些重要部位的施工工法，但仍有许多部位和新材料新部品件的施工，需要技术人员和工人临时根据图纸研究施工方法和措施，不仅影响效率，也势必影响工程质量。4)建筑材料、部品件和设备。我国超低能耗建筑相关产业正经历从关键技术产品进口为主，到国际技术体系本土化的过程。也必将是从引进、消化、吸收，到提高超越的过程。在此过程中，建筑材料、部品件和设备是重中之重。

通常采用的“供冷、供暖、热回收、新风、除霾”五位一体机和管道系统，与中国住宅国情互不适应，急需研究开发改进。一是各房间温度和空气质量需通过系统大直径管道分配，遮管道顶棚压低了室内高度，用户极不满意。二是季节变换需调整房间风量，用户不能调节。需要开发适用于超低能耗建筑占用空间小、方便调节的设备。

已实现国产化、能满足超低能耗被动式建筑技术要求的建筑材料、部品件和设备的种类和系列比较少，可选择范围小，质量性能一般。如外保温材料在防火、防水、耐久性、附着力等性能方面有待进一步改善提高，门窗的框材及连接构造仍需要改进；产品的研发、标准化生产、检测、认证等提升和控制质量的行业机制不够完善。有部分产品严重依赖进口。一是门窗和外墙用防水隔汽膜和透汽膜系统和玻璃间隔条；二是预压膨胀密封带；三是防水保温系统配件等。这些都需要尽快国产化，产业化。

4 结语

通过知识可视化图系分析，可知德国、美国等发达国家在低能耗领域的文献研究贡献率较大。该研究领域的主要热点问题是舒适和能耗问题。我国对低能耗建筑的研究主要集中在设计层面，如传热系数、围护结构等。本文利用Cite Space可视化文献图谱分析低能耗建筑研究领域的研究内容及发展趋势，旨在为低能耗领域建筑的研究提供参考。