零碳排放在工程領域研究現狀及發展趨勢分析

韓佳洪 祝連波 方海祥 林陵娜

蘇州科技大學土木工程學院

0 引言

百度百科中關于零碳排放的定義是指無限地減少污染物排放直至零的活動。就其內容而言，一是要控制生產過程中不得已產生的廢棄物排放減少到零，二是將不得已排放的廢棄物充分利用，最終消滅不可再生資源和能源的存在［1］。關于零碳排放的定義有學者也給出了相關的研究成果，王梓晨等［2］指出零碳的目標較為清晰，即實現凈零碳排放。如，《聯合國環境規劃署排放差距報告2014》認為全球碳中和意味著全球范圍內的人類活動產生的CO2為凈零排放，凈零指的是一些現有的CO2排放可以通過相同的CO2吸收量進行補償，即負排放，只要是由進入大氣的人類活動產生的凈碳排放為零即可。Torcellini等［3］針對零碳建筑提出“凈零碳排放”概念即建筑至少產生與其消耗的常規有碳能源同等數量的無碳能源。因此，工程領域的零碳排放定義為在工程建設或使用過程中，盡量使用無碳能源減少CO2排放，或對已經產生的CO2進行處理并二次利用以實現工程的碳排放量無限減少至趨于零的過程。

探索低碳增長路徑已成為當前國際社會應對氣候變化、資源短缺、環境污染等問題的主流觀點，也是社會面臨的重大挑戰之一。目前，世界建筑物能源消耗占全社會能源消耗總量的40%,是工業能耗的1.5倍［4］。要想實現全球氣候目標，減少建筑物能耗是最為關鍵的因素。2020 年9 月，習近平主席在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布，中國將采取更加有力的政策和措施，力爭于2030 年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取于2060 年前實現碳中和［5］。2021 年，住房和城鄉建設部《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》提出“推動零碳建筑、零碳社區建設試點”［6］。

目前，學者們對于工程領域的減碳問題研究大多為追求低碳排放、近零碳排放等問題，對零碳排放的研究較少，更缺乏對國內外工程領域碳排放研究成果的可視化研究分析，因此，為了更好地了解零碳排放在工程領域的研究熱點和趨勢，本文采用CiteSpace 文獻計量軟件及相關數據庫自身網頁數據分析功能，對2005-2022年發表的零碳排放文獻進行可視化分析，以得到零碳排放在工程領域研究現狀及發展趨勢，為進一步深入研究零碳排放相關問題提供理論基礎。

1 數據與方法

1.1 數據來源

中文文獻采用CNKI 數據庫，選擇文獻檢索，檢索詞為“零碳排放”，時間跨度為2005 年1 月1 日至2022 年12 月1 日，主要選擇了與工程領域相關的文獻，共檢索到了216 個有效文檔。國外文獻計量分析所用數據來源為WOS 和Scopus，以“Zero carbon emission”作為主題詞，學科限定在土木工程領域，時間跨度為2005-2022 年，語言類型選擇Engish，分別檢索到290 篇和318 篇。三個庫的文獻檢索量總計為824篇。

將三個數據庫的發文量及發文時間信息繪制到圖1中。

圖1 工程領域零碳排放的文獻發表趨勢圖

從圖1 可知，國內外學者的發文時間基本是從2006 年左右開始起步，2006 年到2019 年總體呈現緩慢上升趨勢，2019 年后發文量快速增長，尤其在2020年后發文量飛速上升，可見在未來零碳排放會是一個研究熱點，后續可能會有更多學者加入該問題的研究。

1.2 研究方法

CiteSpace 軟件是一款應用于科學文獻中識別并顯示科學發展新趨勢和新動態的軟件，以強大的文獻共被引分析而被大家所知。因此，本文運用CiteSpace 軟件分析近15 年主題為“零碳排放”被引文獻和引文進行相應數據挖掘和計量分析，得到零碳排放在工程領域研究的現狀和未來研究趨勢。

2 工程領域零碳排放研究現狀分析

2.1 熱點關鍵詞共現分析

2.1.1 CNKI數據庫內熱點關鍵詞共現分析

通過CiteSpace 軟件對文獻進行“Keyword”分析，得到圖2 零碳排放在工程領域研究高頻關鍵詞共現知識圖譜，節點數量N為104個，關鍵詞之間的連線數E為166，網絡密度為0.031，這些關鍵詞關聯性較強。

圖2 CNKI數據庫零碳排放在工程領域高頻關鍵詞共現知識圖譜

對關鍵詞篩選整理后如表1 所示，可得出零碳排放在工程領域研究排名靠前高頻關鍵詞為零碳排放、零碳建筑、碳中和、零碳社區、低碳發展、低碳社區、實施路徑。中心性是分析關鍵詞重要程度的一個關鍵指標。由表1 可知，零碳排放的中心度超過了0.1，說明中心度高的表示有更多的文獻是圍繞該關鍵詞進行拓展研究。

表1 研究熱點詞匯中心性匯總表

從表1可知，關于零碳排放，現有的研究熱點主要分為以下兩個方向：

1）與零碳排放有關的零碳社區、零碳建筑、零碳示范區建設等方面的研究

在零碳社區方面，學者們針對零碳社區的研究主要集中在實施路徑和策略研究方面,如黃寧等［7］對英國第一個完全實現運營期零碳排放的社區進行路徑初探，發現它選用了被動式設計、主動式提升、可再生能源、綠色建材、行為減碳等多種低碳技術與方法。裘云丹等［8］提出一套適合社區碳排放計算的準則并計算其碳排放和其達到“零碳”的可能性。關于零碳建筑研究，學者們對零碳建筑的發展、標準體系、相關技術的探索應用較為關注。如，王洋［9］提出零碳建筑市場未來在政策助推、資本加持、成本控制的情況下，有望快速發展。周杰［10］對我國建筑領域實現碳中和目標建設零碳標準體系提出建議。李建標等［11］研究了直流供電技術在建筑低壓供電系統的應用模式，發現低壓直流供用電技術相較交流技術為建筑利用零碳能源提供了更好的支撐作用。楊平等［12］提出建筑通過應用光伏幕墻技術，實現了自身能量供應，實現了零碳排放。

2）零碳排放技術研究，涉及光伏產業、氫氣（H2）能源等減排技術應用

光伏產業技術目前是應用較多的一種節能減排技術，且光伏發電也是主要的可再生能源供給，通過分析文獻發現學者們往往會將光伏產業與儲能技術相結合，通過提出架構與策略等方式來進行研究。如，王斌等［13］研究提出了3種綜合光伏-儲能一體化的“零碳”能源系統方案。江億［14］介紹了光儲直柔概念與其配電系統的架構、調節策略、可實現的功率調節范圍和與電網相互協調的方式。對于H2能源的應用，學者孟文亮等［15］提出了粉煤氣化集成綠氫的近零碳排放煤制甲醇新工藝。張全斌［16］結合能量轉換效率、制氫成本、H2儲能技術、H2輸送、盈利模式和生態影響等方面，就“零碳排放”模式的H2儲能應用場景的發展趨勢進行了展望。

2.1.2 WOS庫內熱點關鍵詞共現分析

WOS 數據庫對碳排放在工程領域的研究相比CNKI較多，通過CiteSpace 軟件對文獻進行“Keyword”分析，可得到國外碳排放研究關鍵詞共現知識圖譜如圖3所示。

圖3 WOS 數據庫內零碳排放在工程領域高頻關鍵詞共現知識圖譜

根據關鍵詞共現時區圖，匯總出performance、design、life cycle assessment、system、embodied energy、residential building、emission、energy efficiency、impact、building 為前十高頻詞（如表2所示）。

表2 WOS 研究熱點詞匯中心性匯總表

根據圖3 關鍵詞共現圖譜及表2 可知，在WOS庫內學者們關于零碳排放研究在房屋建筑等方面研究成果頗多。以零碳排放為目標，學者們圍繞著房屋建筑關鍵詞，根據側重點不同主要可以分為零碳建筑和零能耗建筑兩個方向的研究，雖然兩者最終目標一致，但前者側重減碳，后者更側重于節能。

關于零碳建筑，主要從其建設、評估、政策等方面進行進一步研究。在零碳建筑建設方面，學者們探索了零碳住宅、零碳社區的構建，在零碳住宅方面，主要從零碳住宅的實現零碳目標的策略方法、設計等方面展開研究，如Jankovic 等［17］介紹了某住房的案例，研發了一種基于動態模擬模型實現凈零運營排放的建筑物結構化方法。Whang 等［18］提出把現有可持續住房項目中的被動設計元素（PDE）作為定量評估方法。在零碳社區方面，Brozovsky J等［19］通過文獻綜述表明大多數研究與能源系統有關，而社會方面和小氣候的研究最少。

在對零碳建筑進行研究時，有學者對其全壽命周期進行評估，也有對零碳建筑設計的可行性進行評估。如，Li B 等［20］分析了改造建筑的碳減排潛力和應用于建筑物的太陽能光伏系統，探討了建筑生命周期每個階段的碳排放評估方法和程序。Moraveji 等［21］開發研究了建筑物的能量模型，使用光伏板補償排放的CO2，評估開發非住宅零碳圍護結構建筑的經濟可行性。

在政策方面，學者們針對零碳建筑規范及標準進行回顧研究，如Yu F等［22］基于零碳建筑的定義和邊界，介紹了建筑節能、電氣化、現場可再生能源部署和“購買清潔”等政策，總結了政策和標準實施方面的成功經驗。

對房屋建筑領域，學者們除了研究零碳排放建筑之外，還研究了零能耗建筑，主要從生命周期評估、性能、可再生能源等方面進行研究。Hu M［23］評估改造零能耗建筑的綜合能源，環境和經濟性能。對生命周期能源、生命周期碳排放和生命周期成本進行了生命周期評估。Dong Z［24］將節能技術和可再生能源相結合，實現了凈零能耗，分析了實現凈零能源的影響因素，并探索了減少建筑生命周期碳排放的途徑。

2.1.3 Scopus數據庫內熱點關鍵詞分析

通過CiteSpace 軟件對文獻進行“Keyword”分析，得到Scopus 數據庫碳排放研究關鍵詞共現知識圖譜（如圖4 所示），該網絡包括491 個節點和2 382 條鏈路，網絡密度為0.019 8。節點大小表示每個主題類別中的出版物數量。從圖4 中可以看出，carbon、carbon emission、energy efficiency 是近15年研究的熱點。

圖4 Scopus數據庫內零碳排放在工程領域高頻關鍵詞共現知識圖譜

根據關鍵詞共現圖可知carbon、carbon emission、emission control、energy efficiency、carbon dioxide、building、global warming、alternative energy、carbon footprint、cost reduction 等都是高頻詞，并對這些高頻詞出現的頻次和中心度進行匯總（如表3所示）。

表3 Scopus研究熱點詞匯中心性匯總表

為控制工程領域碳排放，實現零碳目標，學者們主要從措施、技術、能源利用等角度來進行探索。

在減碳措施方面，學者們從建筑行業實現該目標過程中存在的障礙角度出發來制定措施，Ohene E等［25］確定凈零碳建筑（NZCB）的障礙并采用最優最差多準則決策方法對障礙進行優先級排序，提出克服這些障礙以促進更廣泛采用的措施。

在技術上，主要涉及了人工智能、建材生產、供應鏈技術等方面。有學者在對零碳排放研究時將其與人工智能相結合，來更好地實現零碳目標，如Moraliyage 等［26］指出測量和驗證（M & V）協議用于評估和正式報告節能情況，與此同時，結合人工智能的應用可以使M & V 更加準確。Tan C 等［27］構建G-LEAP 模型，評估中國水泥行業聯合減排技術的減排潛力，從而通過合適的技術組合向碳中和過渡。Vimal K 等［28］提出實施彈性網絡零碳供應鏈的關鍵13個挑戰。

在能源利用上，學者們目前的研究成果涉及太陽能的利用，如Kou 等［29］提出一種基于粒子群優化的建筑集成熱管（BIHP）內部圍護結構熱性能優化方法，有效和高效地利用太陽能達到零碳供暖。

3 主題發展趨勢研究

3.1 關鍵詞演進及研究趨勢分析

3.1.1 CNKI 庫的工程領域零碳排放主題發展趨勢分析

為了探究CNKI 庫內的文獻在工程領域零碳排放主題發展趨勢研究的演進情況，運用CiteSpace繪制相關研究主題時區圖（如圖5所示）。

圖5 CNKI數據庫在工程領域有關零碳排放研究主題時區圖

由圖5 可知，近15 年來，CNKI 庫工程領域零碳排放研究主題發展大體可分為初步探索階段（2008年-2011 年）和穩定發展的階段（2012 年至今），具體分析如下：

1)2008年到2011年的初步探索階段

該階段學者們對零碳排放開始逐步探索，涉及新建建筑、低碳建設等，尤其在低碳領域研究較多。如付琳等［30］提出我國低碳社區評價指標體系。呂思佳等［31］通過構建“經濟-社會-創新-環境-能源”的評價體系，計算全國228 個地級市的低碳發展質量并運用障礙度模型分析主要的障礙因子。

2)2012年至今的穩定發展階段

該階段零碳排放的研究正式拉開序幕，學者們開始著手材料消耗、減碳節能技術研究，如林光平等［32］提出煤與可再生能源及綠氫耦合，構建煤基零碳/低碳綜合能源中心。胡兵等［33］從研究現狀和產業發展的角度介紹了太陽能制氫、風電制氫、可再生能源多能互補制氫的發展。OKADA Yoshimi等［34］介紹了針對大規模H2的儲存和運輸技術及對未來展望。葉金勝等［35］通過對國內外的CO2加氫制甲醇催化劑專利技術檢索和數據分析，明晰該技術發展狀況及理清催化劑各技術分支的發展脈絡。Witzel B 等［36］介紹了開發燃料柔性H2天然氣燃氣輪機燃燒技術平臺的實驗結果。在2017 年后，學者們開始了近零碳排放的研究，這是向零碳排放無限逼近的一個過程，在此期間不少地區開展了零碳示范區建設。如有學者將零碳示范區與智慧技術相結合進行研究，李艷梅等［37］概括出減源、增匯、貢獻零碳能源三條建設路徑，提出了近零碳排放區示范區遴選、建設及推廣的政策建議。周錦明［38］以4D 四維空間模式進行雄安智慧城市總體規劃和能源規劃，為構建“零碳智慧”現代能源體系示范區提供示范。在2021 年后，研究領域出現了關鍵詞零碳社區，這是一個較新的探索，也是未來的研究方向。在追求“雙碳”目標的社會大背景下，從人們居住的社區著手打造一個零碳區域能更好地達到碳減排、綠色環保等目的。學者們在研究零碳社區時從關鍵技術、試點建設、能源代替等方面進行論述，如卞世敏等［39］提出了上海某片區開展零碳社區建設的關鍵技術來幫助上海某片區更好地開展零碳社區建設。侯初初［40］提出在成都開展近零碳排放區試點建設，到2025 年力爭建成近零碳園區、工業企業、公共機構、景區共不少于30個。趙春晴等［41］對某零碳社區海水源熱泵進行改造，改造后熱泵機組年耗電量全部由光伏發電承擔，減碳效果顯著。

3.1.2 WOS 庫的工程領域零碳排放主題發展趨勢分析

通過CiteSpace 對WOS 庫里面零碳排放主題發展趨勢進行檢索分析，將限定設置在工程領域范圍（如圖6所示）。

圖6 WOS 數據庫在工程領域有關零碳排放研究主題時區圖

從圖6 時區圖可知，關鍵詞開始研究的時間點跟CNKI 差不多，基本從2006 年左右開始有學者進行探索，一開始研究的關鍵詞是climate change，由于碳排放量的增加給氣候變化帶來了不小的影響所以需要減排。有學者通過模型評估來研究，Matthews 等［42］使用地球系統模型評估了未來幾個世紀內全球溫度穩定的CO2排放要求。

2008-2016 年，有關零碳排放的關鍵詞design、optimization、buiding 等研究取得較多的成果。

關鍵詞design 相關的研究，學者們提出了碳關鍵技術設計，Clarke［43］提出制定基于能源效率和低碳技術的零碳設計或碳關鍵設計原則。Calabro A等［44］開發出高效和零排放的燃煤電廠的優化系統。圍繞著building 該關鍵詞，學者們從建筑法規、建筑材料等方面進行零碳排放研究，Pan W 等［45］提出修訂建筑法規，從2016 年開始英國實現“零碳”新房的目標。Higuchi T 等［46］研發出一種新的生態混凝土，使CO2排放水平低于零。

從2017 年至今，有關零碳排放研究集中在residential building，還有life cycle assessment 等關鍵詞，在對住宅樓建設研究中，學者們加入了計算機技術，如Shen 等［47］將BIM 和數據技術（DT）結合起來，以支持凈零碳建筑。學者們在對“生存周期評估”研究時，不同學者的研究對象不同，則側重點也不同，可以分為隱含碳排放和運營碳排放。Maierhofer等［48］進行了某辦公樓碳排放計算并測算該建筑物的最終能源需求。Khan SA 等［49］強調了在整個建筑物中隱含排放最小化的重要性，并對建筑物隱含碳的生命周期進行評估。

3.1.3 Scopus 庫的工程領域零碳排放研究主題發展趨勢分析

對Scupus 數據庫在工程領域有關零碳排放的文獻進行檢索并通過CiteSpace軟件進行趨勢分析（如圖7 所示），圖譜共包含關鍵詞節點473 個，連線2 364條，從圖7可見關鍵詞之間聯系密切。

圖7 Scopus數據庫在工程領域零碳排放研究主題時區圖

從2007 年到2012 年，建筑業為主要熱點關鍵詞，有學者對此研究了零能耗，住宅樓等。學者們在研究建筑的零能耗時，從零能耗建筑的路線圖、技術框架進行研究，Park M 等［50］提出韓國政府的強制性零能耗建筑（Zero Energy Building,ZEB）的路線圖，分析了住宅建筑的節能潛力。Kang Y 等［51］提出了一個框架，使用自動數據收集技術（如傳感器）來情境化和比較能源消耗和CO2排放的建筑物。在住宅樓方面，從能源效率、建筑環境等角度進行研究，Wada K 等［52］通過應用節能技術提高能源效率，減少溫室氣體排放。Bai J等［53］以某城市為例，制定了應對建筑環境中氣候變化的行動計劃。

從2013 年至今，更多學者開始研究可替代能源，從太陽能電池、太陽能光伏等能源利用角度進行研究，Greene 等［54］研究使用生命周期分析方法，對屋頂太陽能陣列的能源生產進行估算。Routhier等［55］建議某大學增加太陽能光伏的使用量，使CO2排放量大幅減少。

3.2 未來研究趨勢分析

在工程領域實現“零碳”排放對“雙碳”目標的達成具有決定性意義，是未來的必然趨勢，也是學者們未來研究的熱點之一?；谏鲜鲅芯楷F狀和研究趨勢分析，建議學者們未來可以從以下幾個方面進行探索：

1)研究智能技術在工程領域中零碳排放的運用

在互聯網大時代背景下，通過智能化技術促進工程領域零碳排放的實施和管理，例如可以借助IT技術、最新的網絡技術或AI 技術，研發出智能軟件或者平臺進行工程碳排放量計算、直接或間接地實現工程碳排放監測和監督管理，比傳統技術更加智能高效地實現零碳排放目標。

2)進一步完善工程領域內零碳建設評價指標體系

學者們對工程領域的零碳排放已經開始了初步探索，但尚不成熟，就目前來看，缺乏有關零碳建設方面的評價指標體系。為了使未來的零碳建設更加成熟且標準化，避免零碳排放建設投資失敗，需要建立一個相對規范可行的、科學的、易操作的評價指標體系，為提高零碳建設質量提供評價依據。

3)研發新型節能技術并加大清潔能源的推廣應用

“雙碳”目標開啟了低碳新時代，成為社會轉型的巨大動力。為了進一步實現工程領域的零碳排放，除了繼續研發新的節能技術，對原有的低效節能技術進一步改進外，還需要加大清潔能源的推廣應用，向著多元化清潔方向發展，如加大建筑物對太陽能、風能、氫能的推廣應用。

4 結論

零碳排放在工程領域的研究已取得較多的研究成果，為理清這些成果的研究現狀和發展趨勢，本文應用CiteSpace 軟件對CNKI、WOS 以及Scopus數據庫中工程領域零碳排放的研究成果進行可視化分析，得到以下結論：

1)從研究熱點關鍵詞分析可知，國內外學者在零碳建筑方面都進行了一定的探索，CNKI 庫的研究熱點主要可以包括零碳排放節能建設和零碳排放技術研究兩部分，前者又可分為零碳社區、零碳建筑、零碳示范區建設等方面的研究，后者的研究集中在光伏產業、H2能源等減排技術應用。WOS庫研究熱點主要集中在零碳建筑和零能耗建筑兩個熱點。關于零碳建筑，主要從零碳建筑的建設、評估、政策等方面進行進一步研究。關于零能耗建筑，主要從生命周期評估、性能、可再生能源等方面進行研究。在Scopus 庫中研究熱點包括措施、技術、能源利用等方面，技術上涉及了人工智能、建材生產、供應鏈技術等關鍵詞，能源利用上涉及可再生能源太陽能的應用。

2)對工程領域零碳排放主題發展趨勢研究分析可知，三個數據庫基本研究開始時間都在2006 年左右，都是在氣候變化、溫室氣體加劇排放大背景下，從零碳概念分析入手而后進一步探索建筑材料和可替代能源等技術，2015年后在建筑領域開始研究零能耗建筑以及有關零碳建設未來的發展路徑?？傊?，零碳排放在工程領域的趨勢發展是一個由模糊到清晰的過程，也是一個較新的研究熱點。

3)未來的研究趨勢將從智能技術在工程領域中實現零碳排放運用、完善工程領域內零碳建設評價指標體系、研發新型節能技術并加大清潔能源的推廣應用等方面開展進一步的研究。

綜上所述，工程領域零碳排放的研究任重而道遠，通過對學者們已取得的研究成果的可視化分析，為未來該領域的研究者提供相關的理論依據和參考，為全球工程領域碳減排奠定堅實的基礎。