基于知識圖譜的國內外低能耗建筑研究可視化分析★

高 鳳，馮 璐，劉賓燦，馬小玲，王亞平

(1.陜西省建筑職工大學，陜西 西安 710043； 2.陜西建工安裝集團有限公司，陜西 西安 710061)

建筑節(jié)能是我國實現(xiàn)碳中和碳減排的關鍵領域。中國建筑節(jié)能在法律法規(guī)、激勵政策、技術標準等體系建設方面取得長足進展[1-3]。低能耗建筑是使建筑的結構做到高圍護性、提升建筑用能系統(tǒng)的效率及利用可再生能源、太陽能等有效減少化石能源的消耗。知識圖譜是顯示某一領域知識發(fā)展趨勢與構成關系的一系列不同的圖形，用可視化技術顯示知識信息及其載體，收集、解析、建構、繪制和顯示知識及相互之間的聯(lián)系，它能形象地映射某一學科領域的核心知識、發(fā)展進程、研究趨勢等信息。目前，我國應用知識圖譜分析的研究領域分布非常廣泛，構件知識圖譜的軟件包括Cite Space,gephi,ucinet,pajek,vosviewe等。本研究以Web of ScienceTM(WOS)數(shù)據(jù)資源庫中低能耗領域的文獻為研究范疇，運用Cite Space軟件構建知識圖系，生成低能耗建筑領域的知識結構和時間模式以及趨勢的交互式可視化。通過深入的視覺分析過程，系統(tǒng)地審查低能耗建筑領域，準確把握國際上低能耗建筑研究領域的研究熱點、研究前沿和發(fā)展趨勢，并與我國研究現(xiàn)狀對比，找出差距與不足。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

在Web of ScienceTM(WOS)核心合集資源庫中，以“passive house”或“l(fā)ow energy building”作為主題詞進行文獻檢索，年份跨度為1997年—2021年，時間切片確定為“1”，文獻類型為“ARTICLE”，共獲取2 478條有效詞條信息，并導出標準數(shù)據(jù)格式保存。每條詞條中包含該文獻的題名、作者、來源、發(fā)表時間、數(shù)據(jù)庫等信息。

1.2 研究方法

研究采用可顯化軟件Cite Space軟件構建知識圖譜，通過分析圖譜形象，得出低能耗建筑研究領域在一定時期的研究內容和發(fā)展趨勢，并運用突現(xiàn)詞技術來確定低能耗建筑領域的研究熱點。根據(jù)本文研究主旨，依次設置國家(country)、第一作者(author)、研究機構(institution)、關鍵詞(keyword)”為圓形節(jié)點，繪制國家分布、高頻關鍵詞、研究機構的知識圖系。同時查閱中國核心數(shù)據(jù)庫知網，導出GB/T 7714—2015格式引文文獻，得到國內在低能耗建筑領域研究熱點、研究主題與機構分布。

1.3 統(tǒng)計學分析

運用WPS2020對文獻數(shù)據(jù)源進行統(tǒng)計分析，同時運用Cite Space(5.0.R1.SE.9.4)可視化軟件對文獻數(shù)據(jù)源進行圖譜分析。

2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀對比

2.1 基于Cite Space分析的國際低能耗建筑研究現(xiàn)狀

2.1.1 發(fā)表文獻時序分布

由圖1可知，1997年—2007年低能耗領域研究的文獻數(shù)較少，年均40余篇。而后2007年—2015年文獻數(shù)量顯著增加，年均100余篇。2016年—2020年文獻總量保持增加態(tài)勢，年均200余篇。

2.1.2 研究國家與機構的分布

由圖2可知，國際上以美國、德國、英國、瑞典為中心的低能耗建筑研究居多。從發(fā)文量來看(見表1)，美國發(fā)文數(shù)量為361篇，居世界首位；英國發(fā)文206篇，位居第2；其次是中國、加拿大、德國和日本，發(fā)文數(shù)量均在50篇以上，德國、美國在整個網絡中的節(jié)點中心度最大。

表1 1997年—2020年WOS數(shù)據(jù)庫中發(fā)文量排名前15的國家信息

2.1.3 關鍵詞共現(xiàn)分析圖譜

由關鍵詞生成的低能耗建筑領域研究熱點圖譜如圖3所示。表2統(tǒng)計了1997年—2020年WOS數(shù)據(jù)庫中低能耗建筑研究文獻中關鍵詞出現(xiàn)次數(shù)不小于30的詞匯。從圖3可見，性能(performance)的節(jié)點最大。其次，被動房(passive house)、舒適(thermal comfort)、設計(design)、模擬(simulation)、能源效率(energy efficiency)、模型(model)、住宅建筑(residential building)和溫度(temperature)出現(xiàn)的頻次也較高，說明該領域的研究熱點主要集中在被動房的性能及能效問題的研究，如舒適、溫度、能量等。在此基礎上，該領域的研究者們還開展了被動房的設計與模擬的研究，關鍵詞如設計、模型、模擬、優(yōu)化、通風等。這也與德國被動房研究所的研究方向建筑動態(tài)模擬、建筑能量平衡以及被動式建筑設計相吻合[4]。

表2 1997年—2020年WOS

2.2 基于知網查詢的國內低能耗建筑發(fā)展現(xiàn)狀

相比于國外，國內低能耗建筑起步晚，但發(fā)展快。2007年—2021年，我國低能耗建筑領域經歷了從理論學習、意識轉變到項目實踐、標準制訂的過程，實現(xiàn)了從國家層面的政策、標準到行業(yè)技術、產品設備、組織管理，到落地項目的全方位的發(fā)展[5-6]。

查閱中國核心數(shù)據(jù)庫知網，由圖4可知：我國的低能耗建筑的研究始于1992年，研究內容集中在國外節(jié)能建筑技術的綜述。2000年以后，發(fā)文量增加，2012年以后發(fā)文量持續(xù)保持增加態(tài)勢，與我國2012年引進被動房設計建造技術相吻合。圖5為1992年—2021年中國知網低能耗建筑核心數(shù)據(jù)研究機構分布，主要有中國建筑科學研究院、清華大學、西安建筑科技大學等，代表性的作者如徐偉、劉艷峰、劉加平、馮國會等，這些作者同時是《近零能耗建筑技術標準》的主要起草人員或審查人員。

由主題詞生成的中國文獻低能耗建筑核心數(shù)據(jù)發(fā)文量餅狀圖如圖6所示，以低能耗建筑為中心展開，我國開展了低能耗建筑傳熱系數(shù)、圍護結構、熱回收，氣密性、優(yōu)化設計等主題研究。從近幾年的高頻關鍵詞可知：1)我國目前在低能耗建筑領域主要在設計層面，高頻詞如：建筑設計、節(jié)能設計、設計標準等。2)在設計層面，關注比較多的是技術參數(shù)，如傳熱系數(shù)、圍護結構等；以及技術措施中的設計問題，熱回收、氣密性等。3)關于低能耗建筑的氣候區(qū)劃分，也是討論比較多的問題。

3 低能耗建筑在我國的實踐發(fā)展

3.1 工程發(fā)展

中國全面參考了德國的被動房體系、歐美的近零能耗建筑以及零能耗建筑的體系，結合中國實際情況，提出了建筑節(jié)能邁向零能耗建筑的概念體系，根據(jù)能耗目標實現(xiàn)的難易程度表現(xiàn)分為三種形式，即：超低能耗建筑及近零能耗建筑，最終目標是零能耗。其中超低/近零能耗建筑，經過多個示范項目的實踐與驗證，在中國已經進入規(guī)模推廣和實際應用階段。以典型案例為代表，國內的建筑發(fā)展大致可分為三階段，分別是：第一階段：超低能耗被動房概念嘗試階段：夏熱冬冷地區(qū)——2010年世博會漢堡之家。第二階段：超低能耗公共建筑探索實踐階段：寒冷地區(qū)——2014年中國建筑科學研究院近零能耗示范樓。第三階段：超低能耗其他建筑在中國不同典型氣候區(qū)實踐階段：嚴寒地區(qū)——2016年青島中德生態(tài)園被動房技術中心；嚴寒地區(qū)——2017哈爾濱森鷹被動式工廠；夏熱冬冷地區(qū)——2018年中建科技成都綠色建筑產業(yè)園研發(fā)中心，該項目為國內首例裝配式混凝土被動式超低能耗綠色建筑。

2019年及2020年“超低能耗建筑”連續(xù)兩年成為兩會提案，近兩年全國被動式超低能耗建筑發(fā)展形勢迅猛，住建部及12個省直轄市相繼推出了扶持政策，這也充分說明低能耗建筑進入全面推廣階段。以2013年—2021年被動式低能耗建筑的89個項目為基礎進行統(tǒng)計分析，其分布如圖7所示。覆蓋嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖4個氣候區(qū)，且90%的項目位于寒冷地區(qū)，多為居住建筑，同時涉及辦公、幼兒園、學校、展館。

從建設進度看，2013年—2018年5 a的總竣工面積為16萬m2，占項目樣本總量的7%。2019年竣工項目規(guī)模大幅增長。自2020年開始，竣工項目開始呈指數(shù)型增長。2021年竣工項目約為142萬m2，占項目樣本總量的64%。未來幾年將是低能耗建筑大規(guī)模竣工交付的周期，是提高其市場認識度的機會，同時也是對其性能的一場社會性考驗。

3.2 存在的問題

1)推廣超低能耗建筑方面。建筑行業(yè)的新技術、新材料、新產品、新結構等，從研發(fā)到應用的周期很長，市場生命周期更長。新超低能耗建筑引入我國才短短幾年，是起步的初始階段，大多數(shù)人還不了解超低能耗建筑，已經接觸超低能耗建筑的技術人員也是在邊引進學習吸收，邊從事設計施工生產，工作中遇到不少問題，建成的超低能耗建筑質量和性能或多或少存在問題，甚至有的質量差，性能不達標，主要體現(xiàn)在設計、施工、建筑材料、部品件和設備等方面。2)設計問題。被動式低能耗建筑必須精細化設計，設計計算繪圖量是傳統(tǒng)設計的數(shù)倍。建筑專業(yè)設計，所有外圍護結構節(jié)點不能抄引標準圖，必須根據(jù)精確計算，確定保溫材料厚度，畫出詳盡節(jié)點圖。暖通方面除了準確計算出采暖和制冷負荷、配備暖通空調系統(tǒng)外，還必須進行精確的室內環(huán)境分析，新風系統(tǒng)布局，各房間新風流量設計和控制。另外，超低能耗建筑設計標準的廣泛適用性和標準通用圖的缺失，嚴重影響著大量超低能耗建筑設計建造的質量和效率。急需制定完善設計標準和標準圖集。超低能耗建筑標準需要根據(jù)不同地區(qū)不同氣候條件、不同地域建筑風格深化細化標準，并依據(jù)標準，編制維護結構節(jié)點標準通用圖。3)施工方面。目前，在我國能勝任超低能耗建筑施工的技術管理人員和技術工人嚴重短缺，已從事超低能耗建筑施工的技術人員的水平和工人技能急待提高。超低能耗建筑的施工建造，遠不同于傳統(tǒng)建筑，必須樹立機器和儀器制造業(yè)管理和技術要求，首先要轉變思想和認知，具備精細化、精確化、精準化、程序化、保全化思想和能力，環(huán)環(huán)相扣，節(jié)節(jié)合格。此外，施工工法有限，覆蓋施工范圍少，工法制定遲緩。超低能耗建筑雖然有一些重要部位的施工工法，但仍有許多部位和新材料新部品件的施工，需要技術人員和工人臨時根據(jù)圖紙研究施工方法和措施，不僅影響效率，也勢必影響工程質量。4)建筑材料、部品件和設備。我國超低能耗建筑相關產業(yè)正經歷從關鍵技術產品進口為主，到國際技術體系本土化的過程。也必將是從引進、消化、吸收，到提高超越的過程。在此過程中，建筑材料、部品件和設備是重中之重。

通常采用的“供冷、供暖、熱回收、新風、除霾”五位一體機和管道系統(tǒng)，與中國住宅國情互不適應，急需研究開發(fā)改進。一是各房間溫度和空氣質量需通過系統(tǒng)大直徑管道分配，遮管道頂棚壓低了室內高度，用戶極不滿意。二是季節(jié)變換需調整房間風量，用戶不能調節(jié)。需要開發(fā)適用于超低能耗建筑占用空間小、方便調節(jié)的設備。

已實現(xiàn)國產化、能滿足超低能耗被動式建筑技術要求的建筑材料、部品件和設備的種類和系列比較少，可選擇范圍小，質量性能一般。如外保溫材料在防火、防水、耐久性、附著力等性能方面有待進一步改善提高，門窗的框材及連接構造仍需要改進；產品的研發(fā)、標準化生產、檢測、認證等提升和控制質量的行業(yè)機制不夠完善。有部分產品嚴重依賴進口。一是門窗和外墻用防水隔汽膜和透汽膜系統(tǒng)和玻璃間隔條；二是預壓膨脹密封帶；三是防水保溫系統(tǒng)配件等。這些都需要盡快國產化，產業(yè)化。

4 結語

通過知識可視化圖系分析，可知德國、美國等發(fā)達國家在低能耗領域的文獻研究貢獻率較大。該研究領域的主要熱點問題是舒適和能耗問題。我國對低能耗建筑的研究主要集中在設計層面，如傳熱系數(shù)、圍護結構等。本文利用Cite Space可視化文獻圖譜分析低能耗建筑研究領域的研究內容及發(fā)展趨勢，旨在為低能耗領域建筑的研究提供參考。