“能源系統(tǒng)：多能互補(bǔ)與梯級(jí)利用”項(xiàng)目式課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

綦戎輝 蔡容容

摘? 要：依據(jù)當(dāng)今能源行業(yè)高效、節(jié)能、低碳的需求，構(gòu)建并開設(shè)面向新工科學(xué)科交叉復(fù)合的能源系統(tǒng)，即多能互補(bǔ)與梯級(jí)利用項(xiàng)目式課程。以“高效低碳校園能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為驅(qū)動(dòng)性總?cè)蝿?wù)，設(shè)計(jì)能耗及能源需求調(diào)研、新能源發(fā)電及多能互補(bǔ)設(shè)計(jì)，熱電冷梯級(jí)利用系統(tǒng)和節(jié)能新方法探索等4個(gè)階段性任務(wù)。課程通過分組調(diào)研、核心問題討論、組間質(zhì)詢等教學(xué)方式，注重跨專業(yè)知識(shí)掌握與實(shí)際工程能力訓(xùn)練，使得學(xué)生對(duì)能源的評(píng)估、高效利用及可持續(xù)發(fā)展等方面有系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)和掌握。

關(guān)鍵詞：分布式能源系統(tǒng)；低碳校園；項(xiàng)目式教學(xué)；項(xiàng)目式課程；教學(xué)方式

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2024）17-0046-04

Abstract： According to the needs of high efficiency， energy saving， and low carbon in today's energy development， a project-based course Energy System： Coupling and Cascade Utilization has been constructed oriented by interdisciplinary majors of Chemical Engineering and Energy System. The course takes "high-efficiency and low-carbon campus energy system design" as the driving general task. The project plan was divided into four sub-tasks： campus energy consumption and energy demand evaluation， new energy power generation and multi-energy complementation， combined heating-cooling-electricity system and energy cascade utilization， and new energy technology exploration. The course focuses on the combination of knowledge imparting and practical application ability training. Through teaching methods such as group research， discussion of core issues， and inter-group inquiry， students can systematically understand and master the knowledge of energy evaluation.

Keywords： distributed energy system; low-carbon campus; project-based teaching; project-based course; teaching method

《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》要求能源行業(yè)積極建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系[1]，為響應(yīng)國家重大需求，構(gòu)建并開設(shè)了面向新工科的能源系統(tǒng)：多能互補(bǔ)與梯級(jí)利用項(xiàng)目式課程。能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)是能源動(dòng)力、化學(xué)工程與工藝、儲(chǔ)能技術(shù)等多學(xué)科的交叉領(lǐng)域[2]，課程從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，探索能源高效利用的方法及技術(shù)，為學(xué)生將來參與能源系統(tǒng)的變革和轉(zhuǎn)型工作奠定基礎(chǔ)。

項(xiàng)目式教學(xué)法（Project-Based Learning，PBL）是近年來國際工程教育改革的研究熱點(diǎn)[3-5]。該方法通過設(shè)置一個(gè)真實(shí)情境化的任務(wù)，要求學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)合作完成成果導(dǎo)向下的綜合任務(wù)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用及遷移創(chuàng)新能力有著獨(dú)特的功能和價(jià)值[6-7]。針對(duì)專業(yè)特點(diǎn)，本項(xiàng)目式課程強(qiáng)調(diào)化工學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)獨(dú)立性與工程應(yīng)用主體性相結(jié)合，通過將知識(shí)轉(zhuǎn)化為貼近實(shí)際的若干任務(wù)，包括多種實(shí)際用能單位綜合能耗分析、可再生能源與化石能源聯(lián)動(dòng)策略、能源互補(bǔ)及梯級(jí)利用設(shè)計(jì)等。課程采用課堂討論和小組調(diào)研、匯報(bào)相結(jié)合的教學(xué)方法，使得學(xué)生對(duì)能源的綜合開發(fā)和利用、能源與環(huán)境的平衡、可再生能源利用等方面知識(shí)有系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)和掌握，成為跨學(xué)科復(fù)合型高級(jí)技術(shù)人才。

一? 教學(xué)主題分析及設(shè)計(jì)

分布式綜合能源系統(tǒng)具有高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和可靠等優(yōu)勢(shì)，是推動(dòng)能源利用技術(shù)變革和能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重點(diǎn)研究領(lǐng)域[8]。深入探究多種能源的互補(bǔ)、梯級(jí)利用的理論與方法，將為走出一條能源、資源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的新模式提供科學(xué)支撐[9]。本課程面向化工、能源等專業(yè)同學(xué)，先導(dǎo)課程為流體力學(xué)、傳熱學(xué)及工程熱力學(xué)。通過將知識(shí)轉(zhuǎn)為和工程實(shí)際相關(guān)的多個(gè)任務(wù)，使得學(xué)生對(duì)能源的評(píng)估、高效利用及可持續(xù)發(fā)展等知識(shí)有系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)和掌握，了解因能源利用產(chǎn)生的環(huán)境問題如污染和控制、全球變暖等，幫助學(xué)生樹立能源大局觀及環(huán)保意識(shí)，成為跨學(xué)科復(fù)合型高級(jí)技術(shù)人才。

本項(xiàng)目式課程以“以能源工程師的身份，分析、論證及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低碳校園所需的綜合能源系統(tǒng)”為驅(qū)動(dòng)性總?cè)蝿?wù)，宗旨在于滿足校園功能的同時(shí)節(jié)能、低碳、環(huán)保。設(shè)計(jì)要求包括校園位置自選；外界輸入1種化石能源+2種非化石能源；不計(jì)投資成本，但采用的數(shù)據(jù)和技術(shù)需有依據(jù)等。設(shè)計(jì)過程中，要求對(duì)2～3種節(jié)能技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，其余的則概略設(shè)計(jì)。

按任務(wù)邏輯學(xué)生需要解決4個(gè)階段性任務(wù)，即校園能耗及能源需求調(diào)研、新能源發(fā)電及多能互補(bǔ)（光伏發(fā)電+地源熱泵）、熱電冷梯級(jí)利用和節(jié)能新方法探索等。對(duì)于每一任務(wù)，首先引導(dǎo)學(xué)生將任務(wù)拆解，明確需要解決的關(guān)鍵問題；其次是學(xué)生分組完成任務(wù)，教師個(gè)性化指導(dǎo)；之后是集中展示，分組匯報(bào)項(xiàng)目學(xué)習(xí)成果，以及評(píng)價(jià)、討論和辯論；最后還需對(duì)項(xiàng)目整體進(jìn)行匯報(bào)、質(zhì)詢及反思整理?？己朔绞綖槠綍r(shí)成績占40%，包括小組討論及項(xiàng)目式作業(yè)，期末成績占60%，包括團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目答辯、回答質(zhì)詢及個(gè)人陳述等。為厘清綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念及流程，學(xué)生需要將工程思維和綠色能源、節(jié)能環(huán)保思想貫穿始終。經(jīng)過本輪教學(xué)實(shí)踐，積累了比較豐富的課程資源（包括配套PPT、項(xiàng)目檢測(cè)題、學(xué)生項(xiàng)目成果等，可通過郵件向作者索?。梢栽谙嚓P(guān)專業(yè)推廣。

二? 課程實(shí)施過程

（一）? 校園能耗及能源需求調(diào)研（6學(xué)時(shí)）

本階段任務(wù)主要要求學(xué)生掌握民用建筑及公共設(shè)施（以校園為主）的主要分類及能耗特征，掌握建筑空調(diào)、采暖及其他能耗（如熱水、烹飪、照明）的統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)方法；并了解交通、公共場(chǎng)所照明、垃圾處理和清潔綠化等所需能耗，見表1。綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，學(xué)生分組根據(jù)低碳校園設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行能耗及能源需求統(tǒng)計(jì)。先導(dǎo)性任務(wù)要求學(xué)生在課前了解能源種類（化石能源、可再生能源、清潔能源等）及我國能源現(xiàn)狀，調(diào)研常見能耗概念及能源評(píng)價(jià)方式，并了解目前我國建筑能耗現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

該任務(wù)執(zhí)行過程中師生間的關(guān)鍵討論點(diǎn)在于面對(duì)真實(shí)校園案例，如何區(qū)分及測(cè)算能源需求與能源消耗。分析發(fā)現(xiàn)，能源需求是指在維持校園運(yùn)行過程中，所需求的一次能源和電能。例如，用戶需要生活熱水，從能源角度而言即為水及加熱水的熱量。夏季炎熱時(shí)期需要供冷，提供冷量用于空氣降溫，為一次能源。而照明、電梯、電腦等設(shè)施運(yùn)行需要電能，為二次能源。能源消耗是針對(duì)未采用節(jié)能設(shè)施的常規(guī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，所消耗的一次能源與電能。例如，生活熱水可以采用電加熱制備，即消耗電能；或利用鍋爐加熱，即消耗化石燃料；還可以采用太陽能加熱，所消耗的主要為免費(fèi)能源及少量電能，測(cè)算時(shí)可不計(jì)入能源消耗。空調(diào)制冷可以采用壓縮式制冷機(jī)，即實(shí)際消耗電能；或采用吸收式制冷，即實(shí)際消耗熱能等。

課程實(shí)施中對(duì)真實(shí)情況進(jìn)行簡化，確定能源需求主要統(tǒng)計(jì)所設(shè)計(jì)的校園所需的化石燃料（煤、石油、天然氣）、采暖及生活熱水所需的熱負(fù)荷（或熱需求）、制冷所需的冷負(fù)荷（或冷需求），以及照明及電梯所需的電能；能源消耗主要統(tǒng)計(jì)未采用節(jié)能措施時(shí)所消耗的電、熱及化石燃料，常規(guī)系統(tǒng)選擇參數(shù)為常規(guī)壓縮式制冷機(jī)組及燃?xì)忮仩t，相關(guān)運(yùn)行參數(shù)由文獻(xiàn)調(diào)研及當(dāng)?shù)貙?shí)際情況確定。

【某小組成果展示】我組為校園擬定的選址位于云南昆明某處高地。昆明氣候適宜，冬暖夏涼，有利于減少空調(diào)采暖能耗。校園建筑總占地面積設(shè)計(jì)為15萬m2，可供約10 000名師生使用。以教學(xué)樓及宿舍樓為例，一棟教學(xué)樓全年電能需求量（照明、電梯、教學(xué)設(shè)施）為39.2萬kWh，冷負(fù)荷（所需的冷量）為45.2×108 kJ，無需采暖。教學(xué)樓如選用COP=3.5的空調(diào)機(jī)組（普通中央空調(diào)系統(tǒng)），計(jì)算得到全年用電量為75.18×104 kWh。能源需求比為1.171。

（二）? 新能源發(fā)電及多能互補(bǔ)（8學(xué)時(shí)）

本階段任務(wù)主要要求學(xué)生掌握光伏發(fā)電、地源熱泵等分布式能源技術(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算、優(yōu)化及整合方法，了解風(fēng)光、光電/光熱、熱電等典型互補(bǔ)技術(shù)及實(shí)際案例，并了解儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展歷程及基本原理，核心問題見表2。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)低碳校園設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)。先導(dǎo)性任務(wù)為課前了解能源類型、分布式能源及多能互補(bǔ)的基本概念及原理，探討多能互補(bǔ)適用情況及整合策略，并調(diào)研多能互補(bǔ)先進(jìn)技術(shù)方案及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

這一任務(wù)關(guān)鍵討論點(diǎn)為考慮到地區(qū)差異，地源熱泵系統(tǒng)是否有必要遵守對(duì)土壤側(cè)排熱（冷）需平衡的原則？分析可知，遵守冷熱原則確實(shí)會(huì)給地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來諸多限制，特別是對(duì)處于冬夏冷熱負(fù)荷與運(yùn)行時(shí)間相差太大的區(qū)域而言。此時(shí)，換熱器向土壤中吸取的熱量與釋放的熱量存在較大的差別，系統(tǒng)選型受限，節(jié)能效果不理想。但如果地源熱泵系統(tǒng)長期在冷熱不平衡下運(yùn)行，會(huì)使土壤溫度不斷變化，不僅會(huì)導(dǎo)致地源熱泵換熱效果下降，更會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成很大影響，甚至引發(fā)自然災(zāi)害。需思考如何在保證冷熱平衡的前提下，通過地源熱泵系統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)耦合使用，以實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能效果。通過課堂教學(xué)、調(diào)研及討論，了解了地源熱泵與太陽能、冷卻塔、冰蓄冷等聯(lián)動(dòng)的工程案例，以及結(jié)合PV/T、相變蓄能等最新研究成果。最終達(dá)成共識(shí)，應(yīng)從低碳、環(huán)保出發(fā)，在地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)上應(yīng)嚴(yán)格遵守冷熱原則，并通過多能互補(bǔ)及儲(chǔ)能等技術(shù)提升節(jié)能效果。

【某小組成果展示】我組為校園擬定的選址位于云南昆明某處高地。夏季校園內(nèi)所有建筑采用地源熱泵機(jī)組供冷，冬季采用該機(jī)組制備生活熱水。中央空調(diào)設(shè)計(jì)中采用溶液除濕系統(tǒng)滿足室內(nèi)除濕需求，制冷機(jī)組提供高溫冷源（12～17 °C），通過設(shè)備選型及校核計(jì)算，機(jī)組壓縮制冷COP可到達(dá)5以上。

（三）? 能源梯級(jí)利用——熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)（8學(xué)時(shí)）

本階段任務(wù)要求學(xué)生掌握熱電聯(lián)供系統(tǒng)及熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的基本形式、集成設(shè)計(jì)及設(shè)備選型方法，明確離網(wǎng)、并網(wǎng)及以熱定電、以電定熱等基本運(yùn)行方式，了解熱能梯級(jí)利用的節(jié)能及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估方法。在此基礎(chǔ)上分組進(jìn)行能源梯級(jí)利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，見表3。先導(dǎo)性任務(wù)要求課前了解能源梯級(jí)利用的概念和溫度對(duì)口的基本原理，分組討論高品位、低品位熱能的來源及用途（如化石能源、可再生能源，低品位余熱等），探討能源梯級(jí)利用互補(bǔ)適用情況及調(diào)控策略，并調(diào)研能源梯級(jí)先進(jìn)技術(shù)方案及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

這一任務(wù)關(guān)鍵討論點(diǎn)為校園建筑中應(yīng)用的熱、電、冷聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)遵循什么樣的運(yùn)行準(zhǔn)則，以熱定電、以電定熱還是確定恰當(dāng)熱電比？分析發(fā)現(xiàn)建筑中應(yīng)用的熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)與工業(yè)應(yīng)用存在較明顯的區(qū)別。工業(yè)以熱定電的聯(lián)供系統(tǒng)中，注意力主要放在熱利用上，而對(duì)電力利用關(guān)注較少。在分布式能源系統(tǒng)電力無法上網(wǎng)且電氣比價(jià)很低的現(xiàn)狀下，如果完全遵守以熱定電原則，則會(huì)出現(xiàn)能源利用率低、經(jīng)濟(jì)效益差等問題。通過討論，發(fā)現(xiàn)應(yīng)充分發(fā)揮所生產(chǎn)的高品位電力的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)較高的聯(lián)供系統(tǒng)綜合效率。例如，吸收式制冷可以利用低品位熱源，但COP不高（0.7～1.3）；電壓縮制冷機(jī)組COP較高（>3），而熱泵技術(shù)或獨(dú)立溫濕度處理系統(tǒng)則可進(jìn)一步提升制冷COP至4.5甚至5以上。因此，應(yīng)靈活綜合配置發(fā)電量、優(yōu)化制冷制熱系統(tǒng)選型，以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)綜合效率。課程實(shí)施中應(yīng)從節(jié)能、經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，不拘泥于“以熱定電”模式，尋求更優(yōu)、更靈活的能源梯級(jí)利用配置方式。

【某小組成果展示】我組為校園擬定的選址位于云南昆明某處高地。根據(jù)校園教學(xué)樓及宿舍樓中的冷、熱、電能耗需求，以盡可能的電能自給自足、多余的電不上網(wǎng)為原則，確定了聯(lián)供系統(tǒng)原型機(jī)類型及系統(tǒng)流程。為確定系統(tǒng)中各部分能源具體分配形式，以一次能源消耗量最小為目標(biāo)函數(shù)，設(shè)定線性及非線性約束條件和變量取值范圍，通過Matlab取優(yōu)程序獲得了理論上最優(yōu)的熱電冷聯(lián)供方案（表4），該能源綜合利用率可高達(dá)198%。

（四）? 節(jié)能新方法探索（補(bǔ)充性任務(wù)，4學(xué)時(shí)）

該任務(wù)主要要求學(xué)生了解吸收/吸附式除濕、空氣取水、海水淡化和二氧化碳熱泵等低溫?zé)嵩蠢眉夹g(shù)，了解建筑節(jié)能、交通節(jié)能等領(lǐng)域新型節(jié)能技術(shù)，了解可再生能源發(fā)展規(guī)劃及方向，調(diào)研及分享可能用于校園能源系統(tǒng)的節(jié)能新方法新技術(shù)。作為補(bǔ)充性任務(wù)，以分享最新科研進(jìn)展、分組調(diào)研及討論為主，探討了太陽能光熱綜合利用、天空輻射制冷、垃圾焚燒發(fā)電等最新技術(shù)。

三? 課程教學(xué)反思

經(jīng)過實(shí)踐，我們認(rèn)為該項(xiàng)目順利實(shí)施的關(guān)鍵有：①合理設(shè)計(jì)項(xiàng)目任務(wù)，根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)和學(xué)情設(shè)計(jì)總?cè)蝿?wù)和拆解子任務(wù)，并明確各子任務(wù)所承載的核心知識(shí)與問題。②提供充足的補(bǔ)充學(xué)習(xí)資料，如文獻(xiàn)節(jié)選，給學(xué)有余力的同學(xué)足夠拓展空間。③個(gè)性化的分組輔導(dǎo)，針對(duì)具體難點(diǎn)、疑點(diǎn)進(jìn)行答疑，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化方案。④對(duì)討論和匯報(bào)現(xiàn)場(chǎng)的精心組織，包括組間質(zhì)詢、核心問題辯論、針對(duì)項(xiàng)目推進(jìn)過程中學(xué)生反映出的薄弱環(huán)節(jié)針對(duì)性提問等。

后續(xù)研究將關(guān)注以下幾個(gè)方面問題。①科學(xué)量化評(píng)價(jià)每位學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。項(xiàng)目雖綜合采用了即時(shí)評(píng)價(jià)和期末評(píng)價(jià)，教師評(píng)價(jià)和組間學(xué)生互評(píng)的評(píng)價(jià)體系，但仍停留在定性評(píng)價(jià)、整體評(píng)價(jià)。需進(jìn)一步建立標(biāo)準(zhǔn)或量表，對(duì)每個(gè)小組、每位學(xué)生進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，這對(duì)激發(fā)全體同學(xué)參與項(xiàng)目學(xué)習(xí)，及時(shí)反饋學(xué)習(xí)和教學(xué)效果有重要意義。②合理利用生成性資源。經(jīng)過前期教學(xué)實(shí)踐，積累了較為豐富的課程資源，如配套PPT、項(xiàng)目設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和方案、學(xué)生反饋意見等，后續(xù)要結(jié)合學(xué)科發(fā)展特點(diǎn)，不斷豐富、改善教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要[EB/OL].（2016-03-17）.https：//www.gov.cn/xinwen/2016-03/17/content_5054992.htm.

[2] 徐建中.科學(xué)用能與分布式能源系統(tǒng)[J].中國能源，2005，27（8）：10-13.

[3] 金紅光，劉啟斌，隋軍.多能互補(bǔ)的分布式能源系統(tǒng)理論和技術(shù)的研究進(jìn)展總結(jié)及發(fā)展趨勢(shì)探討[J].中國科學(xué)基金，2020，34（3）：289-296.

[4] 李朝章，全梅山，何文慧，等.“海水提鎂”項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].化學(xué)教育（中英文），2022，43（9）：43-51.

[5] 鄭雪晶，龍正偉，孫賀江.新工科背景下智慧建筑能源與環(huán)境課程項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究[J].高教學(xué)刊，2021，7（S1）：96-98.

[6] 杜文海，李愛琴，吳波.以學(xué)生為中心、以項(xiàng)目為導(dǎo)向的教學(xué)改革與實(shí)踐——以新能源技術(shù)及應(yīng)用課程為例[J].化工高等教育，2020，37（2）：97-102.

[7] 孫志堅(jiān)，俞自濤，鄭夢(mèng)蓮，等.學(xué)科交叉復(fù)合的“智慧能源系統(tǒng)理論與應(yīng)用”課程建設(shè)研究[J].高等工程教育研究，2019（S1）：153-155.

[8] 金紅光，何雅玲，楊勇平，等.分布式能源中的基礎(chǔ)科學(xué)問題[J].中國科學(xué)基金，2020，34（3）：266-271.

[9] 楊干，翟曉強(qiáng)，鄭春元，等.國內(nèi)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].化工學(xué)報(bào)，2015，66（S2）：1-9.

基金項(xiàng)目：廣東省人社廳高層次人才項(xiàng)目（2017GC010226）；華南理工大學(xué)2021年度本科教研教改項(xiàng)目（C9213061）；華南理工大學(xué)2021年度研究生重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目（D6214680）

第一作者簡介：綦戎輝（1984-），女，漢族，山東東營人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)闅庖簩?duì)流及傳熱傳質(zhì)。