我國建筑節能研究熱點可視化分析

劉曉燕，孫睿憶，王忠華，崔 雪，趙雨新，宮克勤

(東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318)

隨著生活水平的提高，人們對建筑內舒適需求不斷增長，隨之而來的是建筑能耗大幅增長及污染問題的日趨嚴重，至2016年，我國建筑能耗約占總能耗的21%[1]，因此建筑節能成為各國科研人員研究的熱點問題。我國自1986年發布首個建筑節能相關規范《北方地區居住建筑節能設計標準》，正式啟動國內建筑節能設計標準》，正式啟動國內建筑節能戰略。同年發布《民用建筑節能設計標準》，正式將建筑節能提上日程。1997年，我國頒布《中華人民共和國節約能源法》，明確了“節能是國家發展經濟的一項長遠戰略方針”，首次給節能賦予法律地位。至此，我國順應發展需求，相繼修訂并制定建筑節能相關標準與規范幾十種，并出臺相關政策，為節能減排、可持續發展奠定良好基礎。

為推行節能減排政策，改變建筑結構、改進現有建筑供暖模式、提高建筑材料熱性能、優化設計建筑圍護結構、開發新能源等策略成為我國學者們降低建筑能耗的出發點。薛鵬等[2]在滿足采光和節能的條件下對低緯度地區建筑進行了窗墻比的優化設計。劉娟田等[3]對位于西北寒冷地區的農宅提出了多能源互補方式，可大量節約煤炭耗量。夏蕊芳等[4]發現添加較高比例的木質纖維及適量的乙二醛交聯劑可提高生物復合材料的傳熱能力和保溫性能。任剛等[5]提出模塊化太陽能建筑圍護結構并發現該結構可有效降低20.33%的制冷能耗。陳孚江等[6]設計一種基于太陽高度角的被動式遮陽墻體，可降低18.82%的建筑冷負荷。

分析國內學者研究文獻可發現，關于建筑節能研究結果頗豐，其研究趨勢與研究熱點也在不斷變化，但并沒有對于我國建筑節能領域未來研究前沿的研究。為了得到我國建筑節能的研究前沿方向，本文采用陳超美博士開發的科學文獻分析工具CiteSpace5.5.R2軟件進行文獻檢索分析，以探索該領域的研究熱點與發展方向。

1 研究準備

1.1 研究方法

CiteSpace軟件著眼于科學分析中蘊含的潛在知識，是在科學計量學、數據可視化背景下逐漸發展起來的一款基于Java平臺的引文可視化分析軟件。由于是通過可視化的手段來呈現科學知識的結構、規律和分布情況，因此也將通過此類方法分析得到的可視化圖形稱為“科學知識圖譜”。該軟件主要基于共引分析理論和尋徑網絡算法等，對特定領域文獻進行計量，以探尋出學科領域演化的關鍵路徑及其知識拐點，并通過一系列可視化圖譜的繪制來形成對學科演化潛在動力機制的分析和學科發展前沿的探測[7]。

1.2 數據來源

本文選擇CNKI數據庫進行相關主題的檢索，采用高級檢索功能對“建筑節能”主題進行檢索，時間限定為2008～2019年，期刊范圍選擇核心期刊、CSSCI及CSCD以上類型的所有期刊，手動剔除其中會議通知、新聞稿件、卷首語及與主題含義偏離較遠的文章，共檢索得到2 315篇文獻。為得到我國建筑節能的研究前沿，本文主要從關鍵詞聚類和突現詞進行分析。

2 建筑節能研究熱點分析

關鍵詞可反映出某一領域的主要研究方向和研究熱點[8]。在CiteSpace中的功能模板選擇“Keyword”，時間切片設置為1年，設置每個時間切片內排名前50的數據來生成網絡。考慮到文獻中的關鍵詞較多，會混亂分析的可視化過程，故以“尋徑(PathFinder)”剪枝方式來進行關鍵詞可視化網絡構建，該種剪枝方式可以最大限度的簡化可視化網絡并突出其重要結構。運行完成后對關鍵詞進行聚類分析，由圖1，對于目標文獻，2008～2019年研究內容共生成節點413個，連線數量983條，網絡密度0.011 6，歸劃14類。按聚類是否合理指標看，其中模塊值Q值(ModularityQ)0.510 7，平均輪廓值S值(Mean Silhouette)0.597 5，按CiteSpace可視化網格劃分標準看，Q>0.3劃分社團結構顯著，S>0.5聚類合理，綜上可判定所繪的可視化網絡有一定參考價值。可看出，對于建筑節能，國內學者主要通過構建綠色建筑體系、強化外圍護結構熱工性能、改造空調系統、降低建筑能耗策略、調整外圍護結構顏色、探討建筑節能影響因素等方向進行研究。

圖1中節點大小表示該聚類中發表文獻總數，圓環厚度代表每年該聚類文獻發表數，顏色代表發表年份，連接線顏色代表關鍵詞間第一次共現年份。由此可知，近十年，我國建筑節能研究熱點主要集中于2008～2011年，雖然各領域都在不斷發展，但發表文獻數明顯減少，且關鍵詞間共現性也不斷減弱，一定程度上說明我國建筑節能研究進展順利。對于節能措施和節水節能聚類，自2008年該聚類與其它聚類相比對應文獻較少，說明該聚類研究較少，聚類分析不甚合理，且聚類名稱有明顯概括性，故可推測其主要研究內容已向其他聚類轉移。至2019年，我國綠色建筑、熱工性能和影響因素具有較好的發展前景，是目前我國建筑節能的研究熱點。

為了更加直觀的得到建筑節能領域的研究熱點，選擇頻率前20的關鍵詞進行匯總，見表1。其中，建筑能耗、節能改造和綠色建筑的出現頻次達到100以上，說明這3個領域得到了我國學者的廣泛關注。但也可以看出，這三個詞與其他關鍵詞形成包含關系，其內涵和外延都在我國學者研究過程中得到了充分的發展。

圖1 關鍵詞聚類分析時間域圖譜

表1 我國建筑節能高頻關鍵詞

2.1 建筑能耗

建筑能耗是檢測我國既有或在建建筑是否符合我國節能標準的重要指標，同時也是推進我國節能減排政策的重要參數，一直是我國學者研究的重點領域，影響我國建筑能耗的因素，主要包括采暖、空調、炊事、照明、用電等方面。隨著時代的不斷發展，建筑能耗預測分析方法與運營控制技術也在不斷發展和完善。劉佳靜等[9]采用BIM模型和Agent技術建立用戶移動行為模型，通過模擬室內環境、人員和設備三者之間的交互作用，獲取室內人員和設備運行工況的時間序列信息。游又能等[10]提出了被動式超低能耗裝配式建筑在發展過程中存在的問題以及未來的發展方向。Li[11]等研究了城市熱島(UHI)對建筑制冷和采暖能耗的影響，發現UHI可能導致制冷能耗中位數增加19.0%，采暖能耗中位數減少18.7%，其能耗也顯示出強烈的城際差異和明顯的城市內部差異。

2.2 節能改造

節能改造是使既有建筑達到節能標準要求，推進我國節能減排戰略的有效措施，我國學者目前對節能改造的研究主要集中在傳統建筑圍護結構保溫性能的提升與新型圍護結構的開發、空調功能暖系統的熱性能優化及冷熱源處降耗等方面。劉永剛等[12]開發了集保溫、隔聲與裝飾功能于一體的新型模塊化保溫墻板，傳熱系數為0.36 W/(m2·K)，計權隔聲量為35 dB。郭吉偉等[13]對公共浴池的熱泵余熱回收系統進行運行模式的優化,系統的日平均能效比達到4.8，余熱回收量大于80%。Zhou等[14]研究了建筑圍護結構設計和實際運行優化中研究了節能潛力，發現天津最新的能效標準中規定的采暖能耗目標比德國建筑節能標準EnEv'2009高出30.9%，比德國使用的Passivhaus標準高出49.7%。

2.3 綠色建筑

綠色建筑是指在全壽命周期內，節約資源、保護環境、減少污染、為人們提供健康、適用、高效的使用空間，最大限度地實現人與自然和諧共生的高質量建筑，可以說是建筑發展的終極目標。我國自1992年便大力推動綠色建筑的發展與實施，現已落成的綠色建筑眾多，如上海世博會世博中心、華僑城體育中心、杭州低碳科技館等。對于綠色建筑，其研究熱點囊括了建材、標準、施工、建筑生態等多方面。石磊等[15]構建了基于地域文化傳承的綠色建筑評價體系,進而提出體系構建八大要素。Cao等[16]通過測量室內CO2濃度變化研究了室內溫度調節對室內空氣質量和能源消耗的影響，發現送風溫度和ACH均會對CO2分散產生較大影響。Zhang等[17]采用多層次灰色評價法，在對英國BREEAM、美國LEED、跨國GBTOOL、中國生態住宅等國外生態住宅評價方法基礎上，在生態觀下建立綠色建筑評價體系。

此外，公共建筑、圍護結構、居住建筑等領域關鍵詞頻次較高，也是現如今我國建筑節能的研究熱點，其研究內容多與其它關鍵詞形成包含或交叉關系，形成各方向協同發展的態勢。

3 突現詞分析

突現詞代表了某領域的研究前沿及發展動向。采用CiteSpace中“突現詞(Burst Terms)”功能，選擇Keyword圖譜并設定每時段前50的關鍵詞進行突現詞分析，分析結果見圖2。

圖2 我國建筑節能突現詞

由圖2可讀出我國建筑節能的研究發展趨勢。2008年隨著我國政府監管力度的不斷增大和可持續發展戰略的不斷推進，節能措施、外墻、可持續發展、環保等方向受到國內學者的關注，持續時間為3～4年。隨著研究的不斷深入，針對我國建筑節能的一系列設想和研究方向不斷細化，提出節能建筑、低碳城市、大型公共建筑、農村住宅等研究對象及分項計量、低碳經濟和評價指標等節能方式與政策，但對于節能方式來說持續時間不長。此后，節能建筑對象研究告一段落，學者將研究熱情投入到具體提高節能效率的方法上，從而衍生出室內熱環境、熱回收、節能率、供暖、保溫方式等突現詞，其中影響因素、相變材料自2014年開始出現，至2019年仍保持著旺盛的生命力。研究至2016年，學者提出了近零能耗建筑的概念，說明我國建筑節能領域研究成果在前人的基礎上實現了質的飛躍，可以實現近零能耗建筑的設計與研究，至2019年，該方向仍是我國的研究前沿。

3.1 影響因素

建筑節能的影響因素眾多，對于建筑本身大致可分為外界氣候條件、建筑圍護結構的熱工性能及建筑形體因素和建筑周邊環境因素，此外還包括建筑節能政策、市場供需變動、經濟效益等方面，我國學者對此展開了細致的研究。李柏桐等[18]通過問卷調查和Ucinet6軟件分析并探索了節能服務企業動力的影響因素。吳思材等[19]研究發現業主行為是影響既有建筑節能改造項目收益分配的關鍵因素，而主體關系與綜合效益在項目收益分配過程中發揮部分中介作用。Liu等[20]強調對于減少各氣候區域內的建筑節能，有必要強化各圍護結構的傳熱系數值。

3.2 相變材料

相變材料是通過自身達到一定溫度時能夠釋放和吸收大量潛熱的物質，其巨大的潛熱存儲能力受到建筑節能領域專家的青睞，特別是固-固及固-液相變材料以其儲能大、體積小的優勢廣泛用于我國建筑領域，常以相變材料板、相變微膠囊及混合砂漿等形式應用于建筑圍護結構。由于我國建筑節能的要求不斷提高，研究開發新型相變材料也逐漸成為我國學者的研究熱點。邵必林等[21]采用LBM方法對夏熱冬冷地區綠色建筑相變屋面的節能效益進行研究，發現開發成本低的相變材料是當務之急。Chen等[22]研究可儲熱的通風系統在夏季空調建筑中制冷應用，發現使用TES系統的節電率(ESR)為16.9%～50.8%，與傳統NV系統相比，ESR為9.2%～33.6%。Li等[23]提出包含PCM的多孔儲熱層太陽能復合墻，該墻體在加熱室中可在夜間平均溫度條件下實現約20.2%熱增量，PCM儲熱壁的熱效率為76.2%。

3.3 近零能耗建筑

零能耗建筑是不消耗常規能源的建筑，完全依靠太陽能或者其它可再生能源，許多歐美國家如瑞士、加拿大及德國都已發展零能源建筑。一些區域國家如日本、泰國和馬來西亞也開始建筑工程。隨著我國建筑節能的不斷發展，我國住房和城鄉建設部發布公告指出，《近零能耗建筑技術標準》于2019年9月1日正式開始實施，標志著我國建筑節能標準對標國際，是我國加強節能減排和提升節能標準要求的具體體現。吳會來等[24]對上海低密度住宅建筑進行實例研究，通過改造圍護結構，空調節能46%。葉曉莉等[25]分析了零能耗建筑中太陽能的應用，指出在該建筑中廣泛使用太陽能的必要性。Huang等[26]提出了生命周期性能分析方法，以研究降解對近零能耗建筑(nZEBs)縱向性能的影響，提出的兩階段設計方法緩解nZEB幾年后無法滿足近零能耗的問題。

4 結論

建筑節能是推動我國節能減排戰略的重要一環，是支持我國可持續發展的重要舉措，在此條件下，我國學者進行了多方位的研究。本文采用CiteSpace 5.5.R2軟件，基于CNKI 2008～2019的核心期刊以上2 315篇文獻數據，對我國建筑節能進行了研究熱點的可視化分析，主要結論如下：

(1)近10年來我國建筑節能的研究熱點主要集中在建筑能耗、節能改造和綠色建筑中，而公共建筑、圍護結構和居住建筑等也受到了我國學者的廣泛關注。

(2)近10年我國建筑節能的研究前沿變化深刻反映了我國建筑節能的發展歷程，以政策開始為我國建筑節能提供保障，從節能建筑等建筑整體研究細化到了墻體保溫、室內供暖及熱環境等細節研究，在前人研究成果的基礎上提出了近零能耗建筑，使建筑零能耗成為可能。

本文的局限性在于數據來源主要來自CNKI數據庫，研究范圍沒有囊括我國所有學者的研究成果，以后的研究將進一步將文獻來源進行擴展，以期更全面的了解我國建筑節能的全貌。