工程案例在專業(yè)學(xué)位研究生工程熱力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

張芳芳 ， 金聽祥 ， 張 波 ， 李國培

(鄭州輕工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 ， 河南 鄭州 450001)

能源動(dòng)力專業(yè)學(xué)位教育旨在培養(yǎng)本領(lǐng)域的高級工程師，著重培養(yǎng)學(xué)生解決工程技術(shù)問題的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。在國家“碳中和”及建設(shè)生態(tài)文明社會(huì)的政策下，能源動(dòng)力專業(yè)研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)更是至關(guān)重要。工程熱力學(xué)是能源動(dòng)力專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)過程中的核心課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生解決能源轉(zhuǎn)換及節(jié)能方面工程問題的能力，因此，通過工程案例教學(xué)，將理論知識融入工程實(shí)踐中，打造新形式下個(gè)性化、多樣化的課程教學(xué)模式，提高學(xué)生的工程實(shí)踐及創(chuàng)新精神，具有重要的意義。

1 工程案例的選擇

能源梯級利用是指對能源在運(yùn)動(dòng)中所產(chǎn)生的能量逐級地加以合理利用，提高整個(gè)系統(tǒng)的能源利用效率，是節(jié)能的重要措施。分布式能源系統(tǒng)是一種建立在“能源的梯級利用”的基礎(chǔ)上，直接面向用戶并按用戶需求將發(fā)電、制冷和供熱一體化的多聯(lián)供系統(tǒng)。分布式能源以“能源梯級利用”為核心，將發(fā)電設(shè)備與余熱利用設(shè)備靈活組合，通過余熱設(shè)備回收發(fā)電后的高溫?zé)煔饣驘崴酂嶂迫≌羝?、冷溫水等中低品位能源，能源系統(tǒng)的綜合能源利用率相對較高，整體效率可達(dá)80%～90%。分布式能源系統(tǒng)復(fù)雜，涉及燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、吸收式熱泵等諸多設(shè)備，運(yùn)行過程涉及燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)、制冷循環(huán)、熱泵循環(huán)、低品位熱能利用等諸多熱力過程。而工程熱力學(xué)課程的核心內(nèi)容是揭示熱功轉(zhuǎn)換等熱力過程，涉及制冷、熱泵、熱力等循環(huán)及汽輪機(jī)等設(shè)備，提出評價(jià)熱力系統(tǒng)的熱力性能指標(biāo)。

本案例選擇以“能源梯級利用”為核心的分布式能源系統(tǒng)作為典型案例，將該系統(tǒng)涉及的諸多熱力過程和設(shè)備進(jìn)行分析整合，設(shè)計(jì)基于能源梯級利用-分布式能源的熱力學(xué)案例，并用于能源動(dòng)力專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)過程中，為研究生工程熱力學(xué)課程及相關(guān)課程的實(shí)施和人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高提供具體實(shí)踐探索模式，促進(jìn)案例教學(xué)項(xiàng)目的廣泛實(shí)際應(yīng)用。能源梯級利用-分布式能源作為教學(xué)案例，將極大地促進(jìn)研究生建立能源環(huán)境—效率—工質(zhì)—過程—系統(tǒng)相互關(guān)系一體的觀念，建立提高能源轉(zhuǎn)換效率的思維模式和創(chuàng)新意識。

2 工程案例的內(nèi)容

案例專業(yè)負(fù)責(zé)人及相關(guān)企業(yè)人員共同參與，搭建基于能源梯級利用-分布式能源的熱力學(xué)案例合理的內(nèi)容框架。保證教學(xué)案例的順利實(shí)施和學(xué)習(xí)效果。

教學(xué)案例的主要內(nèi)容：①全球能源開發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析。特別是新能源的開發(fā)利用以及新冠疫情和極端氣候天氣對能源行業(yè)帶來的沖擊和機(jī)遇，著重分析能源政策、創(chuàng)新技術(shù)和國際合作對全球能源體系起到的積極作用，明確傳統(tǒng)的集中式大電網(wǎng)供電模式的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用舉例；闡明目前廣泛使用的以“大機(jī)組、大電網(wǎng)、超高壓”為特點(diǎn)的集中式供電模式的優(yōu)勢和不足之處，引出分布式能源系統(tǒng) DES 的定義及意義。②以天然氣為基本能源的 DES 系統(tǒng)介紹。對能量梯級利用的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的典型流程如燃?xì)廨啓C(jī)-余熱吸收式、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)-余熱吸收式、燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)-余熱吸收式等，以及常用的設(shè)備如燃?xì)廨啓C(jī)、余熱回收裝置等分析講解。③以典型設(shè)備的性能參數(shù)和正常工況為基礎(chǔ)對冷熱電三聯(lián)產(chǎn)技術(shù)模型進(jìn)行能量分析和火用分析。④從熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性的角度闡述，包括熱力系統(tǒng)、熱力學(xué)定律、氣體性質(zhì)、熱力循環(huán)、熱經(jīng)濟(jì)學(xué)思想等知識的應(yīng)用及其相互關(guān)聯(lián)耦合分析。⑤DES 應(yīng)用領(lǐng)域及典型案例分析與實(shí)踐。如清華大學(xué)超低能耗示范樓、北京蟹島園區(qū)燃?xì)饫錈犭娙?lián)供能源站工程、廣州大學(xué)城分布式能源站等。⑥D(zhuǎn)ES 發(fā)展前景、存在問題和中國國家政策導(dǎo)向。

基于DES的教學(xué)案例內(nèi)容豐富多樣，能夠進(jìn)一步完善DES各關(guān)聯(lián)核心課程的教學(xué)內(nèi)容，又能夠激發(fā)學(xué)生的興趣和積極性，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識發(fā)現(xiàn)分析解決復(fù)雜工程問題的能力，做到實(shí)踐和理論相統(tǒng)一；通過對比世界各國先進(jìn)DES技術(shù)發(fā)展最新前沿動(dòng)態(tài)，從技術(shù)上找差距，引導(dǎo)學(xué)生開拓國際視野，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感和民族自豪感；通過充分了解DES產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景和人才需求，學(xué)生能夠進(jìn)一步確定將來的研究方向和職業(yè)發(fā)展規(guī)劃。

3 教學(xué)案例的達(dá)成目標(biāo)

知識目標(biāo)包括掌握分布式能源系統(tǒng)適用的設(shè)備與系統(tǒng)及其傳熱傳質(zhì)熱力過程，能夠針對具體系統(tǒng)建立模型，揭示能量傳遞的內(nèi)在規(guī)律，提出評價(jià)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，指明能力利用的優(yōu)化方向。

能力目標(biāo)包括運(yùn)用知識的能力，從應(yīng)用的角度選擇能源轉(zhuǎn)換最合適的循環(huán)方式，能夠運(yùn)用工程熱力學(xué)知識解決能源轉(zhuǎn)換的工程問題；分析、解決和研究問題的能力，掌握最基本的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，針對具體問題提出有效的解決方案，提高開發(fā)新型循環(huán)方式與系統(tǒng)的能力。

素質(zhì)目標(biāo)包括建立能源環(huán)境—效率—工質(zhì)—過程—系統(tǒng)相互關(guān)系一體的觀念，通過課程中的分析討論辯論翻轉(zhuǎn)培養(yǎng)溝通交流素質(zhì)，建立提高能源轉(zhuǎn)換效率的思維模式和創(chuàng)新意識，提升合理用能和理解能源管理與能源經(jīng)濟(jì)決策的基本素質(zhì)。

4 工程案例教學(xué)的實(shí)施過程

①研究生已具備工程熱力學(xué)相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)，了解全球能源開發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析，特別是新能源的開發(fā)利用，著重分析能源政策、創(chuàng)新技術(shù)和國際合作對全球能源體系起到的積極作用，明確傳統(tǒng)的集中式大電網(wǎng)供電模式的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用舉例，應(yīng)闡明目前廣泛使用的以“大機(jī)組、大電網(wǎng)、超高壓”為特點(diǎn)的集中式供電模式的優(yōu)勢和不足之處，從而引出分布式能源系統(tǒng) DES 的定義及意義。②通過課堂授課形式講解以天然氣為基本能源的DES系統(tǒng)，對能量的梯級利用的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的典型流程如燃?xì)廨啓C(jī)-余熱吸收式、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)-余熱吸收式、燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)-余熱吸收式等，以及常用的設(shè)備如燃?xì)廨啓C(jī)、余熱回收裝置等分析講解，對以典型設(shè)備的性能參數(shù)和正常工況為基礎(chǔ)對冷熱電三聯(lián)產(chǎn)技術(shù)模型進(jìn)行能量分析和火用分析，從熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性的角度闡述，包括熱力系統(tǒng)、熱力學(xué)定律、氣體性質(zhì)、熱力循環(huán)、熱經(jīng)濟(jì)學(xué)思想等知識的應(yīng)用及其相互關(guān)聯(lián)耦合分析。③對DES應(yīng)用領(lǐng)域及典型案例的分析，針對企業(yè)投入生產(chǎn)或者公司投入運(yùn)營的真實(shí)工程項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)地考察，著重分析如何根據(jù)當(dāng)?shù)啬茉蠢们闆r，選擇合適的分布式能源系統(tǒng)及其技術(shù)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對能量的梯級利用，在帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)更具生態(tài)效益。在此過程中，試行融合案例教學(xué)創(chuàng)新教育模式，形成完善的案例教學(xué)創(chuàng)新教育模式。案例實(shí)施還將建設(shè)DES案例教學(xué)素材庫；形成DES技術(shù)發(fā)展調(diào)研報(bào)告和關(guān)于DES工程實(shí)際應(yīng)用具體展示。

5 結(jié)語

基于DES 的教學(xué)案例的實(shí)施，將進(jìn)一步完善 DES 各關(guān)聯(lián)核心課程的教學(xué)內(nèi)容，有效支撐其課程目標(biāo)和研究生培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成；通過對比世界各國先進(jìn) DES技術(shù)發(fā)展最新前沿動(dòng)態(tài)，從技術(shù)上找差距，引導(dǎo)學(xué)生開拓國際視野，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感和民族自豪感，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣、積極性、創(chuàng)新性，真正做到實(shí)踐和理論相統(tǒng)一。