基于文獻(xiàn)計(jì)量的建筑碳排放評(píng)估進(jìn)展與分析

張勇 ZHANG Yong；何利 HE Li；朱光祖 ZHU Guang-zu；趙鵬 ZHAO Peng；徐二曼 XU Er-man

（①合肥工大建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，合肥 230009；②合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

建筑行業(yè)貢獻(xiàn)了全球23%的二氧化碳排放量，其中接近41%由中國(guó)排放[1]。隨著中國(guó)工業(yè)化城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，預(yù)計(jì)2035 年我國(guó)城市總建筑面積將達(dá)到370 億m2[2]。一方面是大量新建建筑和基礎(chǔ)設(shè)施的出現(xiàn)，另一方面維持建筑正常運(yùn)營(yíng)需要消耗的大量能源，導(dǎo)致建筑行業(yè)消耗大量的能源和排放大量的溫室氣體。據(jù)研究，建筑行業(yè)約占全國(guó)碳排放總量的40%，是中國(guó)碳密集度最高的行業(yè)之一[3]。因此，建筑行業(yè)具有巨大的減排潛力，也是我國(guó)未來(lái)減排任務(wù)的重點(diǎn)對(duì)象之一。

在全球減排的時(shí)代背景下，建筑低碳化已成為趨勢(shì)。然而目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的不完善，建筑碳排放統(tǒng)一評(píng)估體系的缺失，已經(jīng)不能滿足當(dāng)下的現(xiàn)實(shí)需求。因此，本文基于Citespace 軟件，利用文獻(xiàn)計(jì)量法，對(duì)關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析和共被引分析的結(jié)果進(jìn)行解釋分析，梳理建筑碳排放評(píng)估的相關(guān)研究，整理和分析生命周期碳排放計(jì)算方法，根據(jù)可視化結(jié)果對(duì)研究熱點(diǎn)和研究主題進(jìn)行整合討論，并提出未來(lái)的研究方向。為我國(guó)建筑碳排放量化提供新思路，對(duì)我國(guó)低碳建筑發(fā)展具有一定價(jià)值。

1 研究方法

本研究選擇Citespace5.8R3 軟件作為分析工具。Citespace 不僅是一個(gè)文獻(xiàn)可視化分析軟件，還可以評(píng)估研究現(xiàn)狀，揭示熱門研究主題，并通過(guò)分析相關(guān)出版物的記錄預(yù)測(cè)新興趨勢(shì)。

CiteSpace 分析時(shí)使用2011 年1 月至2022 年2 月在Web of Science 核心集合數(shù)據(jù)庫(kù)和Scopus 數(shù)據(jù)庫(kù)出版的所有期刊論文，排除書評(píng)、社論和會(huì)議論文。在“標(biāo)題/摘要/關(guān)鍵詞”或“主題”字段中檢索“carbon emission”、“carbon footprint”、“construction”、“calculation”、“evaluation”等關(guān)鍵詞，整合Web of Science 和Scopus 檢索到的文章，并消除重復(fù)文章，去除重復(fù)后的文章總數(shù)為3646 篇。

在檢索的3646 篇文章基礎(chǔ)上進(jìn)行詳細(xì)的全面審查，手動(dòng)篩選出不在研究范圍內(nèi)的文章。具體篩選標(biāo)準(zhǔn)如下：

①排除非建筑領(lǐng)域的相關(guān)文章（如農(nóng)作物碳排放、森林固碳等）；

②排除建筑行業(yè)宏觀層面碳排放評(píng)估的文章；

③排除不涉及碳排放評(píng)估的相關(guān)研究（如只研究低碳建筑材料的力學(xué)性能，未涉及環(huán)境影響）。

最終，Web of Science 核心集合數(shù)據(jù)庫(kù)篩選出182 篇文章，Scopus 數(shù)據(jù)庫(kù)篩選出379 篇文章。圖1 展示了2011-2022 年發(fā)表文章的情況，總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。其中，自2018 年建筑碳排放研究上升明顯。

圖1 2011 年-2022 年發(fā)表文章趨勢(shì)

2 結(jié)果分析

2.1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析

文章的關(guān)鍵詞提供了文章核心內(nèi)容的信息，有助于我們了解研究主題隨時(shí)間的發(fā)展。圖2 顯示了關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖，包含128 個(gè)節(jié)點(diǎn)和175 個(gè)連接。

圖2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖

圖2 所示所有關(guān)鍵詞中，“l(fā)ife cycle assessment”在網(wǎng)絡(luò)圖譜中出現(xiàn)的頻次最多（200），它和“l(fā)ife cycle analysis（91）”、“environmental impact assessment（22）”、“system（19）”、“uncertainty analysis（9）”和“input output analysis（7）”代表目前建筑碳排放量化的計(jì)算方法；關(guān)鍵詞“construction industry（58）”、“building material（42）”、“concrete（46）”、“housing（29）”、“office building（27）”、“cement（16）”和“reinforced concrete（14）”代表的是建筑碳排放評(píng)估的研究對(duì)象；關(guān)鍵詞“energy utilization（82）”、“emission control（70）”、“energy efficiency（46）”、“energy conservation（35）”則代表建筑能耗產(chǎn)生的碳排放研究?？梢钥闯觯琇CA 被廣泛地應(yīng)用于建筑項(xiàng)目碳排放的評(píng)估。許多國(guó)家、組織和研究人員也結(jié)合本國(guó)建筑行業(yè)的獨(dú)特特征開發(fā)相應(yīng)碳排放評(píng)估系統(tǒng)，以評(píng)估建筑物的生命周期碳排放量。

2.2 關(guān)鍵詞引文爆發(fā)分析

圖3 描述了關(guān)鍵詞的引文爆發(fā)現(xiàn)象，從中可以看出研究熱點(diǎn)的變化和趨勢(shì)。2012 年之前，研究熱點(diǎn)主要是“energy utilization”、“energy conservation”和“energy use”。早期碳排放量化的研究熱點(diǎn)主要集中在建筑能源消耗。建筑、建筑材料和組件在其生命周期階段每年消耗全球近40%的能源，如建筑材料的生產(chǎn)和采購(gòu)、施工、使用和拆除[4]。

圖3 關(guān)鍵詞引文爆發(fā)

2013 年到2014 年的研究熱點(diǎn)發(fā)生了轉(zhuǎn)變。雖然建筑能耗依舊是研究的重點(diǎn)，但量化建筑材料和構(gòu)件的建筑碳排放量引起了更多的興趣。目前，新興的研究熱點(diǎn)主要是預(yù)制構(gòu)件和建筑、近零碳建筑等方面。與傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工方法相比，預(yù)制技術(shù)可以有效地減少碳排放。Mao 等人選擇了深圳不同承包商建造的預(yù)制建筑和現(xiàn)澆建筑作為案例研究，結(jié)果表明預(yù)制建筑可以減少建筑碳排放約30kg/m2[5]。近零碳建筑概念是由近零能耗建筑概念轉(zhuǎn)變而來(lái)，目前具有很大的研究空間。Georges 指出包括運(yùn)營(yíng)能源和具體能源在內(nèi)的總體零碳排放很難實(shí)現(xiàn)[6]。建筑整個(gè)生命周期內(nèi)的零碳排放可以通過(guò)減少具體的能源排放和增加光伏生產(chǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)[7]。

2.3 文獻(xiàn)共被引分析

聚類分析使用系譜圖來(lái)表達(dá)相似性、差異程度和遺傳關(guān)系[8]。Citespace 軟件對(duì)篩選出的文章進(jìn)行共被引聚類分析。被引用最多的論文主要分為兩類。

第一類是生命周期評(píng)價(jià)在建筑領(lǐng)域碳排放量化的應(yīng)用。Monahan[9]使用生命周期評(píng)估對(duì)住宅采用的新型的非現(xiàn)場(chǎng)鑲板模塊化木框架系統(tǒng)和兩種傳統(tǒng)的替代方案進(jìn)行比較。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)施工方法相比，現(xiàn)代施工方法的內(nèi)含碳量減少34%。第二類注重量化建筑生命周期碳排放方法的創(chuàng)新，積極探索建筑生命周期碳排放量化在不同情境下的最佳應(yīng)用。Roh[10]考慮到現(xiàn)有建筑生命周期碳排放系統(tǒng)僅局限于項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程的某一階段，開發(fā)了一個(gè)綜合評(píng)估系統(tǒng)，可以根據(jù)項(xiàng)目流程（包括早期規(guī)劃、進(jìn)度和施工階段）定期評(píng)估和管理單個(gè)建筑的生命周期碳排放。

3 討論

3.1 不同的建筑類型、系統(tǒng)邊界和地理范圍會(huì)對(duì)建筑碳排放量化結(jié)果產(chǎn)生影響

不同的建筑類型、系統(tǒng)邊界和地理范圍都會(huì)對(duì)建筑碳排放量化結(jié)果產(chǎn)生影響。有研究成果表明，住宅和學(xué)校建筑在施工階段能耗最大，而醫(yī)院和商業(yè)在使用和維護(hù)階段能耗最高，強(qiáng)調(diào)了建筑類型在確定建筑生命周期碳排放的重要性[11]。系統(tǒng)邊界則決定了建筑生命周期評(píng)價(jià)需要包括的過(guò)程，一些模型[12，13]強(qiáng)調(diào)建筑的典型生命周期，而另一些模型[14，15]則側(cè)重于對(duì)建筑的上游和下游過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。此外，地理范圍也會(huì)影響LCA 結(jié)果[16]，一些研究[17，18]將其地理范圍限制在一個(gè)或多個(gè)建筑構(gòu)件（例如建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)），而其他研究[19，20]則涉及整個(gè)建筑。因此，目前關(guān)于建筑生命周期碳排放計(jì)算并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，仍然是未來(lái)需要進(jìn)一步明確的研究?jī)?nèi)容。

3.2 混合分析方法是碳排放評(píng)估的未來(lái)研究熱點(diǎn)

LCA 是目前量化建筑碳排放的主流方法，被廣泛地應(yīng)用于建筑整個(gè)生命周期各種過(guò)程。盡管針對(duì)建筑進(jìn)行了大量碳排放計(jì)算分析，但由于系統(tǒng)邊界和清單數(shù)據(jù)的不一致，計(jì)算結(jié)果往往不具備可比性?；谏芷诶碚摚ㄖ寂欧庞?jì)算的主要方法分為P-LCA 和IO-LCA，然而兩種方法都存在缺陷。P-LCA 由于系統(tǒng)邊界的定義，不可避免的會(huì)出現(xiàn)截?cái)嗾`差[20]。投入產(chǎn)出分析通常采用理想化假設(shè)，更適合建筑行業(yè)的宏觀分析[15]，并不適用于單體建筑物?；旌戏治鍪腔趦煞N方法的優(yōu)點(diǎn)開發(fā)的[21]，對(duì)建筑碳排放可以提供全面的分析[22]。然而，目前關(guān)于混合分析在建筑物碳排放的應(yīng)用研究較少。此外，實(shí)施混合分析的信息收集存在困難[23]。

3.3 不確定性分析是建筑碳排放評(píng)估不可缺少的環(huán)節(jié)

Williams 等人[24]指出LCA 評(píng)估中不確定性很重要，因?yàn)閷?duì)同一問(wèn)題的不同研究可能會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，從而使進(jìn)一步討論變得困難。然而，目前多數(shù)研究專注于量化各種建筑類型和構(gòu)件的生命周期碳排放，很少考慮評(píng)估過(guò)程的不確定性。此外，研究人員開發(fā)了各種不確定性分析方法，統(tǒng)計(jì)分析法[25]，半概率法[26]等。然而這些方法在提高精度上仍存在差距。針對(duì)不確定性更多的對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行研究[27]，而對(duì)于建筑排放和評(píng)估方法的相關(guān)研究存在不足。

3.4 未來(lái)研究展望

①未來(lái)研究應(yīng)該致力于構(gòu)建相對(duì)統(tǒng)一的碳排放系數(shù)庫(kù)，擴(kuò)展可再生/循環(huán)能源和綠色新材料的碳排放數(shù)據(jù)，并針對(duì)不同類型建筑制定相應(yīng)的生命周期碳排放計(jì)算體系。②未來(lái)的研究更多地應(yīng)關(guān)注于建筑生命周期碳排放評(píng)估方法的優(yōu)化，應(yīng)該加強(qiáng)混合分析量化建筑碳排放的研究，開發(fā)BIM 相關(guān)技術(shù)和混合分析方法的集成，提高建筑評(píng)估效率。③加強(qiáng)建筑生命周期碳排放不確定性分析的研究，尤其是建筑排放和評(píng)估方法選擇以及數(shù)據(jù)獲取方面的不確定性。此外，進(jìn)一步開發(fā)不確定性分析方法，提高評(píng)估結(jié)果的精度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于Citespace 軟件，利用文獻(xiàn)計(jì)量法，分析了2011 年1 月到2022 年2 月期間的建筑碳排放評(píng)估的關(guān)鍵成果，對(duì)關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析和共被引分析的結(jié)果進(jìn)行分析，分析碳排放評(píng)估的研究熱點(diǎn)，結(jié)果得出未來(lái)的研究重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注建筑碳排放評(píng)估優(yōu)化以及混合方法的研究，建立統(tǒng)一的建筑碳排放數(shù)據(jù)庫(kù)和開展碳排放不確定性分析是影響評(píng)估精度的關(guān)鍵。本研究為我國(guó)建筑碳排放量化提供新思路，對(duì)我國(guó)低碳建筑發(fā)展具有一定借鑒意義。