零碳排放在工程领域研究现状及发展趋势分析

韩佳洪 祝连波 方海祥 林陵娜

苏州科技大学土木工程学院

0 引言

百度百科中关于零碳排放的定义是指无限地减少污染物排放直至零的活动。就其内容而言，一是要控制生产过程中不得已产生的废弃物排放减少到零，二是将不得已排放的废弃物充分利用，最终消灭不可再生资源和能源的存在［1］。关于零碳排放的定义有学者也给出了相关的研究成果，王梓晨等［2］指出零碳的目标较为清晰，即实现净零碳排放。如，《联合国环境规划署排放差距报告2014》认为全球碳中和意味着全球范围内的人类活动产生的CO2为净零排放，净零指的是一些现有的CO2排放可以通过相同的CO2吸收量进行补偿，即负排放，只要是由进入大气的人类活动产生的净碳排放为零即可。Torcellini等［3］针对零碳建筑提出“净零碳排放”概念即建筑至少产生与其消耗的常规有碳能源同等数量的无碳能源。因此，工程领域的零碳排放定义为在工程建设或使用过程中，尽量使用无碳能源减少CO2排放，或对已经产生的CO2进行处理并二次利用以实现工程的碳排放量无限减少至趋于零的过程。

探索低碳增长路径已成为当前国际社会应对气候变化、资源短缺、环境污染等问题的主流观点，也是社会面临的重大挑战之一。目前，世界建筑物能源消耗占全社会能源消耗总量的40%,是工业能耗的1.5倍［4］。要想实现全球气候目标，减少建筑物能耗是最为关键的因素。2020 年9 月，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布，中国将采取更加有力的政策和措施，力争于2030 年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取于2060 年前实现碳中和［5］。2021 年，住房和城乡建设部《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》提出“推动零碳建筑、零碳社区建设试点”［6］。

目前，学者们对于工程领域的减碳问题研究大多为追求低碳排放、近零碳排放等问题，对零碳排放的研究较少，更缺乏对国内外工程领域碳排放研究成果的可视化研究分析，因此，为了更好地了解零碳排放在工程领域的研究热点和趋势，本文采用CiteSpace 文献计量软件及相关数据库自身网页数据分析功能，对2005-2022年发表的零碳排放文献进行可视化分析，以得到零碳排放在工程领域研究现状及发展趋势，为进一步深入研究零碳排放相关问题提供理论基础。

1 数据与方法

1.1 数据来源

中文文献采用CNKI 数据库，选择文献检索，检索词为“零碳排放”，时间跨度为2005 年1 月1 日至2022 年12 月1 日，主要选择了与工程领域相关的文献，共检索到了216 个有效文档。国外文献计量分析所用数据来源为WOS 和Scopus，以“Zero carbon emission”作为主题词，学科限定在土木工程领域，时间跨度为2005-2022 年，语言类型选择Engish，分别检索到290 篇和318 篇。三个库的文献检索量总计为824篇。

将三个数据库的发文量及发文时间信息绘制到图1中。

图1 工程领域零碳排放的文献发表趋势图

从图1 可知，国内外学者的发文时间基本是从2006 年左右开始起步，2006 年到2019 年总体呈现缓慢上升趋势，2019 年后发文量快速增长，尤其在2020年后发文量飞速上升，可见在未来零碳排放会是一个研究热点，后续可能会有更多学者加入该问题的研究。

1.2 研究方法

CiteSpace 软件是一款应用于科学文献中识别并显示科学发展新趋势和新动态的软件，以强大的文献共被引分析而被大家所知。因此，本文运用CiteSpace 软件分析近15 年主题为“零碳排放”被引文献和引文进行相应数据挖掘和计量分析，得到零碳排放在工程领域研究的现状和未来研究趋势。

2 工程领域零碳排放研究现状分析

2.1 热点关键词共现分析

2.1.1 CNKI数据库内热点关键词共现分析

通过CiteSpace 软件对文献进行“Keyword”分析，得到图2 零碳排放在工程领域研究高频关键词共现知识图谱，节点数量N为104个，关键词之间的连线数E为166，网络密度为0.031，这些关键词关联性较强。

图2 CNKI数据库零碳排放在工程领域高频关键词共现知识图谱

对关键词筛选整理后如表1 所示，可得出零碳排放在工程领域研究排名靠前高频关键词为零碳排放、零碳建筑、碳中和、零碳社区、低碳发展、低碳社区、实施路径。中心性是分析关键词重要程度的一个关键指标。由表1 可知，零碳排放的中心度超过了0.1，说明中心度高的表示有更多的文献是围绕该关键词进行拓展研究。

表1 研究热点词汇中心性汇总表

从表1可知，关于零碳排放，现有的研究热点主要分为以下两个方向：

1）与零碳排放有关的零碳社区、零碳建筑、零碳示范区建设等方面的研究

在零碳社区方面，学者们针对零碳社区的研究主要集中在实施路径和策略研究方面,如黄宁等［7］对英国第一个完全实现运营期零碳排放的社区进行路径初探，发现它选用了被动式设计、主动式提升、可再生能源、绿色建材、行为减碳等多种低碳技术与方法。裘云丹等［8］提出一套适合社区碳排放计算的准则并计算其碳排放和其达到“零碳”的可能性。关于零碳建筑研究，学者们对零碳建筑的发展、标准体系、相关技术的探索应用较为关注。如，王洋［9］提出零碳建筑市场未来在政策助推、资本加持、成本控制的情况下，有望快速发展。周杰［10］对我国建筑领域实现碳中和目标建设零碳标准体系提出建议。李建标等［11］研究了直流供电技术在建筑低压供电系统的应用模式，发现低压直流供用电技术相较交流技术为建筑利用零碳能源提供了更好的支撑作用。杨平等［12］提出建筑通过应用光伏幕墙技术，实现了自身能量供应，实现了零碳排放。

2）零碳排放技术研究，涉及光伏产业、氢气（H2）能源等减排技术应用

光伏产业技术目前是应用较多的一种节能减排技术，且光伏发电也是主要的可再生能源供给，通过分析文献发现学者们往往会将光伏产业与储能技术相结合，通过提出架构与策略等方式来进行研究。如，王斌等［13］研究提出了3种综合光伏-储能一体化的“零碳”能源系统方案。江亿［14］介绍了光储直柔概念与其配电系统的架构、调节策略、可实现的功率调节范围和与电网相互协调的方式。对于H2能源的应用，学者孟文亮等［15］提出了粉煤气化集成绿氢的近零碳排放煤制甲醇新工艺。张全斌［16］结合能量转换效率、制氢成本、H2储能技术、H2输送、盈利模式和生态影响等方面，就“零碳排放”模式的H2储能应用场景的发展趋势进行了展望。

2.1.2 WOS库内热点关键词共现分析

WOS 数据库对碳排放在工程领域的研究相比CNKI较多，通过CiteSpace 软件对文献进行“Keyword”分析，可得到国外碳排放研究关键词共现知识图谱如图3所示。

图3 WOS 数据库内零碳排放在工程领域高频关键词共现知识图谱

根据关键词共现时区图，汇总出performance、design、life cycle assessment、system、embodied energy、residential building、emission、energy efficiency、impact、building 为前十高频词（如表2所示）。

表2 WOS 研究热点词汇中心性汇总表

根据图3 关键词共现图谱及表2 可知，在WOS库内学者们关于零碳排放研究在房屋建筑等方面研究成果颇多。以零碳排放为目标，学者们围绕着房屋建筑关键词，根据侧重点不同主要可以分为零碳建筑和零能耗建筑两个方向的研究，虽然两者最终目标一致，但前者侧重减碳，后者更侧重于节能。

关于零碳建筑，主要从其建设、评估、政策等方面进行进一步研究。在零碳建筑建设方面，学者们探索了零碳住宅、零碳社区的构建，在零碳住宅方面，主要从零碳住宅的实现零碳目标的策略方法、设计等方面展开研究，如Jankovic 等［17］介绍了某住房的案例，研发了一种基于动态模拟模型实现净零运营排放的建筑物结构化方法。Whang 等［18］提出把现有可持续住房项目中的被动设计元素（PDE）作为定量评估方法。在零碳社区方面，Brozovsky J等［19］通过文献综述表明大多数研究与能源系统有关，而社会方面和小气候的研究最少。

在对零碳建筑进行研究时，有学者对其全寿命周期进行评估，也有对零碳建筑设计的可行性进行评估。如，Li B 等［20］分析了改造建筑的碳减排潜力和应用于建筑物的太阳能光伏系统，探讨了建筑生命周期每个阶段的碳排放评估方法和程序。Moraveji 等［21］开发研究了建筑物的能量模型，使用光伏板补偿排放的CO2，评估开发非住宅零碳围护结构建筑的经济可行性。

在政策方面，学者们针对零碳建筑规范及标准进行回顾研究，如Yu F等［22］基于零碳建筑的定义和边界，介绍了建筑节能、电气化、现场可再生能源部署和“购买清洁”等政策，总结了政策和标准实施方面的成功经验。

对房屋建筑领域，学者们除了研究零碳排放建筑之外，还研究了零能耗建筑，主要从生命周期评估、性能、可再生能源等方面进行研究。Hu M［23］评估改造零能耗建筑的综合能源，环境和经济性能。对生命周期能源、生命周期碳排放和生命周期成本进行了生命周期评估。Dong Z［24］将节能技术和可再生能源相结合，实现了净零能耗，分析了实现净零能源的影响因素，并探索了减少建筑生命周期碳排放的途径。

2.1.3 Scopus数据库内热点关键词分析

通过CiteSpace 软件对文献进行“Keyword”分析，得到Scopus 数据库碳排放研究关键词共现知识图谱（如图4 所示），该网络包括491 个节点和2 382 条链路，网络密度为0.019 8。节点大小表示每个主题类别中的出版物数量。从图4 中可以看出，carbon、carbon emission、energy efficiency 是近15年研究的热点。

图4 Scopus数据库内零碳排放在工程领域高频关键词共现知识图谱

根据关键词共现图可知carbon、carbon emission、emission control、energy efficiency、carbon dioxide、building、global warming、alternative energy、carbon footprint、cost reduction 等都是高频词，并对这些高频词出现的频次和中心度进行汇总（如表3所示）。

表3 Scopus研究热点词汇中心性汇总表

为控制工程领域碳排放，实现零碳目标，学者们主要从措施、技术、能源利用等角度来进行探索。

在减碳措施方面，学者们从建筑行业实现该目标过程中存在的障碍角度出发来制定措施，Ohene E等［25］确定净零碳建筑（NZCB）的障碍并采用最优最差多准则决策方法对障碍进行优先级排序，提出克服这些障碍以促进更广泛采用的措施。

在技术上，主要涉及了人工智能、建材生产、供应链技术等方面。有学者在对零碳排放研究时将其与人工智能相结合，来更好地实现零碳目标，如Moraliyage 等［26］指出测量和验证（M & V）协议用于评估和正式报告节能情况，与此同时，结合人工智能的应用可以使M & V 更加准确。Tan C 等［27］构建G-LEAP 模型，评估中国水泥行业联合减排技术的减排潜力，从而通过合适的技术组合向碳中和过渡。Vimal K 等［28］提出实施弹性网络零碳供应链的关键13个挑战。

在能源利用上，学者们目前的研究成果涉及太阳能的利用，如Kou 等［29］提出一种基于粒子群优化的建筑集成热管（BIHP）内部围护结构热性能优化方法，有效和高效地利用太阳能达到零碳供暖。

3 主题发展趋势研究

3.1 关键词演进及研究趋势分析

3.1.1 CNKI 库的工程领域零碳排放主题发展趋势分析

为了探究CNKI 库内的文献在工程领域零碳排放主题发展趋势研究的演进情况，运用CiteSpace绘制相关研究主题时区图（如图5所示）。

图5 CNKI数据库在工程领域有关零碳排放研究主题时区图

由图5 可知，近15 年来，CNKI 库工程领域零碳排放研究主题发展大体可分为初步探索阶段（2008年-2011 年）和稳定发展的阶段（2012 年至今），具体分析如下：

1)2008年到2011年的初步探索阶段

该阶段学者们对零碳排放开始逐步探索，涉及新建建筑、低碳建设等，尤其在低碳领域研究较多。如付琳等［30］提出我国低碳社区评价指标体系。吕思佳等［31］通过构建“经济-社会-创新-环境-能源”的评价体系，计算全国228 个地级市的低碳发展质量并运用障碍度模型分析主要的障碍因子。

2)2012年至今的稳定发展阶段

该阶段零碳排放的研究正式拉开序幕，学者们开始着手材料消耗、减碳节能技术研究，如林光平等［32］提出煤与可再生能源及绿氢耦合，构建煤基零碳/低碳综合能源中心。胡兵等［33］从研究现状和产业发展的角度介绍了太阳能制氢、风电制氢、可再生能源多能互补制氢的发展。OKADA Yoshimi等［34］介绍了针对大规模H2的储存和运输技术及对未来展望。叶金胜等［35］通过对国内外的CO2加氢制甲醇催化剂专利技术检索和数据分析，明晰该技术发展状况及理清催化剂各技术分支的发展脉络。Witzel B 等［36］介绍了开发燃料柔性H2天然气燃气轮机燃烧技术平台的实验结果。在2017 年后，学者们开始了近零碳排放的研究，这是向零碳排放无限逼近的一个过程，在此期间不少地区开展了零碳示范区建设。如有学者将零碳示范区与智慧技术相结合进行研究，李艳梅等［37］概括出减源、增汇、贡献零碳能源三条建设路径，提出了近零碳排放区示范区遴选、建设及推广的政策建议。周锦明［38］以4D 四维空间模式进行雄安智慧城市总体规划和能源规划，为构建“零碳智慧”现代能源体系示范区提供示范。在2021 年后，研究领域出现了关键词零碳社区，这是一个较新的探索，也是未来的研究方向。在追求“双碳”目标的社会大背景下，从人们居住的社区着手打造一个零碳区域能更好地达到碳减排、绿色环保等目的。学者们在研究零碳社区时从关键技术、试点建设、能源代替等方面进行论述，如卞世敏等［39］提出了上海某片区开展零碳社区建设的关键技术来帮助上海某片区更好地开展零碳社区建设。侯初初［40］提出在成都开展近零碳排放区试点建设，到2025 年力争建成近零碳园区、工业企业、公共机构、景区共不少于30个。赵春晴等［41］对某零碳社区海水源热泵进行改造，改造后热泵机组年耗电量全部由光伏发电承担，减碳效果显著。

3.1.2 WOS 库的工程领域零碳排放主题发展趋势分析

通过CiteSpace 对WOS 库里面零碳排放主题发展趋势进行检索分析，将限定设置在工程领域范围（如图6所示）。

图6 WOS 数据库在工程领域有关零碳排放研究主题时区图

从图6 时区图可知，关键词开始研究的时间点跟CNKI 差不多，基本从2006 年左右开始有学者进行探索，一开始研究的关键词是climate change，由于碳排放量的增加给气候变化带来了不小的影响所以需要减排。有学者通过模型评估来研究，Matthews 等［42］使用地球系统模型评估了未来几个世纪内全球温度稳定的CO2排放要求。

2008-2016 年，有关零碳排放的关键词design、optimization、buiding 等研究取得较多的成果。

关键词design 相关的研究，学者们提出了碳关键技术设计，Clarke［43］提出制定基于能源效率和低碳技术的零碳设计或碳关键设计原则。Calabro A等［44］开发出高效和零排放的燃煤电厂的优化系统。围绕着building 该关键词，学者们从建筑法规、建筑材料等方面进行零碳排放研究，Pan W 等［45］提出修订建筑法规，从2016 年开始英国实现“零碳”新房的目标。Higuchi T 等［46］研发出一种新的生态混凝土，使CO2排放水平低于零。

从2017 年至今，有关零碳排放研究集中在residential building，还有life cycle assessment 等关键词，在对住宅楼建设研究中，学者们加入了计算机技术，如Shen 等［47］将BIM 和数据技术（DT）结合起来，以支持净零碳建筑。学者们在对“生存周期评估”研究时，不同学者的研究对象不同，则侧重点也不同，可以分为隐含碳排放和运营碳排放。Maierhofer等［48］进行了某办公楼碳排放计算并测算该建筑物的最终能源需求。Khan SA 等［49］强调了在整个建筑物中隐含排放最小化的重要性，并对建筑物隐含碳的生命周期进行评估。

3.1.3 Scopus 库的工程领域零碳排放研究主题发展趋势分析

对Scupus 数据库在工程领域有关零碳排放的文献进行检索并通过CiteSpace软件进行趋势分析（如图7 所示），图谱共包含关键词节点473 个，连线2 364条，从图7可见关键词之间联系密切。

图7 Scopus数据库在工程领域零碳排放研究主题时区图

从2007 年到2012 年，建筑业为主要热点关键词，有学者对此研究了零能耗，住宅楼等。学者们在研究建筑的零能耗时，从零能耗建筑的路线图、技术框架进行研究，Park M 等［50］提出韩国政府的强制性零能耗建筑（Zero Energy Building,ZEB）的路线图，分析了住宅建筑的节能潜力。Kang Y 等［51］提出了一个框架，使用自动数据收集技术（如传感器）来情境化和比较能源消耗和CO2排放的建筑物。在住宅楼方面，从能源效率、建筑环境等角度进行研究，Wada K 等［52］通过应用节能技术提高能源效率，减少温室气体排放。Bai J等［53］以某城市为例，制定了应对建筑环境中气候变化的行动计划。

从2013 年至今，更多学者开始研究可替代能源，从太阳能电池、太阳能光伏等能源利用角度进行研究，Greene 等［54］研究使用生命周期分析方法，对屋顶太阳能阵列的能源生产进行估算。Routhier等［55］建议某大学增加太阳能光伏的使用量，使CO2排放量大幅减少。

3.2 未来研究趋势分析

在工程领域实现“零碳”排放对“双碳”目标的达成具有决定性意义，是未来的必然趋势，也是学者们未来研究的热点之一。基于上述研究现状和研究趋势分析，建议学者们未来可以从以下几个方面进行探索：

1)研究智能技术在工程领域中零碳排放的运用

在互联网大时代背景下，通过智能化技术促进工程领域零碳排放的实施和管理，例如可以借助IT技术、最新的网络技术或AI 技术，研发出智能软件或者平台进行工程碳排放量计算、直接或间接地实现工程碳排放监测和监督管理，比传统技术更加智能高效地实现零碳排放目标。

2)进一步完善工程领域内零碳建设评价指标体系

学者们对工程领域的零碳排放已经开始了初步探索，但尚不成熟，就目前来看，缺乏有关零碳建设方面的评价指标体系。为了使未来的零碳建设更加成熟且标准化，避免零碳排放建设投资失败，需要建立一个相对规范可行的、科学的、易操作的评价指标体系，为提高零碳建设质量提供评价依据。

3)研发新型节能技术并加大清洁能源的推广应用

“双碳”目标开启了低碳新时代，成为社会转型的巨大动力。为了进一步实现工程领域的零碳排放，除了继续研发新的节能技术，对原有的低效节能技术进一步改进外，还需要加大清洁能源的推广应用，向着多元化清洁方向发展，如加大建筑物对太阳能、风能、氢能的推广应用。

4 结论

零碳排放在工程领域的研究已取得较多的研究成果，为理清这些成果的研究现状和发展趋势，本文应用CiteSpace 软件对CNKI、WOS 以及Scopus数据库中工程领域零碳排放的研究成果进行可视化分析，得到以下结论：

1)从研究热点关键词分析可知，国内外学者在零碳建筑方面都进行了一定的探索，CNKI 库的研究热点主要可以包括零碳排放节能建设和零碳排放技术研究两部分，前者又可分为零碳社区、零碳建筑、零碳示范区建设等方面的研究，后者的研究集中在光伏产业、H2能源等减排技术应用。WOS库研究热点主要集中在零碳建筑和零能耗建筑两个热点。关于零碳建筑，主要从零碳建筑的建设、评估、政策等方面进行进一步研究。关于零能耗建筑，主要从生命周期评估、性能、可再生能源等方面进行研究。在Scopus 库中研究热点包括措施、技术、能源利用等方面，技术上涉及了人工智能、建材生产、供应链技术等关键词，能源利用上涉及可再生能源太阳能的应用。

2)对工程领域零碳排放主题发展趋势研究分析可知，三个数据库基本研究开始时间都在2006 年左右，都是在气候变化、温室气体加剧排放大背景下，从零碳概念分析入手而后进一步探索建筑材料和可替代能源等技术，2015年后在建筑领域开始研究零能耗建筑以及有关零碳建设未来的发展路径。总之，零碳排放在工程领域的趋势发展是一个由模糊到清晰的过程，也是一个较新的研究热点。

3)未来的研究趋势将从智能技术在工程领域中实现零碳排放运用、完善工程领域内零碳建设评价指标体系、研发新型节能技术并加大清洁能源的推广应用等方面开展进一步的研究。

综上所述，工程领域零碳排放的研究任重而道远，通过对学者们已取得的研究成果的可视化分析，为未来该领域的研究者提供相关的理论依据和参考，为全球工程领域碳减排奠定坚实的基础。