建筑環境與能源應用工程專業面臨的新形勢及課程體系改革建議*

于國清 呂靜 劉洪芝 （上海理工大學）

一 建筑環境與能源應用工程發展歷史與概況

在我國建筑環境與能源應用工程從創辦到發展有幾個重要階段，專業名稱也經歷過幾次重要的改變：

（1）供熱、供煤氣及通風。早在1950年前后，哈爾濱工業大學、東北工學院、清華大學、同濟大學陸續開始創辦本專業，當時專業名稱為“供熱、供煤氣及通風”，此后幾年里，天津大學、太原工學院、重慶建筑工程學院、湖南大學也先后正式設立了本專業[1]。本專業的主體內容是采暖與通風，簡稱“暖通”，這個簡稱一致沿用到現在。

（2）供熱通風與空調工程。隨著專業的發展，逐漸增加了一些空氣調節方面的內容。在1980年前后，專業名稱改為“供熱通風與空調工程”，空調成為這個專業最重要的內容之一。

（3）建筑環境與設備工程。1998年專業名稱調整為“建筑環境與設備工程”，簡稱“建環”，其初衷是將專業范圍從暖通空調拓展到建筑電氣、建筑給水排水、消防等機電設備領域。但實際上由于從教的師資仍是原來的供熱通風空調工程人員，而電氣、給排水、消防這些領域也早已有其他專業的人從事，這次拓展實際上并沒有達到預期的效果，本專業的核心業務仍然是原來的暖通空調內容。

（4）建筑環境與能源應用工程。本專業的基本任務是營造一個合適的熱濕和潔凈環境，滿足人們生活或者工藝生產的需要，而為了營造這樣一個環境，往往要消耗大量的能源。現已知建筑能耗為全國總能耗的30%，而在建筑能耗中，供暖通風空調方面的能耗又占主要比例，為50%左右。因此本專業的另一項重要任務是提高建筑能源利用效率，降低建筑能耗，因此2012年，專業名稱調整為現在的“建筑環境與能源應用工程”，仍簡稱“建環”。如今，全國近200 所學校開設了此專業，在教學及人才培養方面已形成較大的規模[1]。

二 建筑用能面臨的新形勢

1 低碳的可再生能源應用大幅增加

隨著中國經濟的高速發展和工業化、城鎮化進程的加快，各行各業對于能源的需求快速增長。中國擁有比較豐富的煤炭能源資源，石油和天然氣的資源都相對有限。在利用煤炭能源發電和供熱時，能源資源枯竭、環境污染等問題日漸突出，因此必須尋找既供應充足又減少環境污染的清潔能源，實現能源轉型。在2015年巴黎氣候變化大會上通過的《巴黎協定》，針對2020年后的氣候變化行動作出應對安排，中國參與其中并積極推動《巴黎協定》的通過，能源消耗必須轉型為低碳的可再生能源來應對全球氣候變化，中國可再生能源使用比例必須大幅提升，太陽能、風能、生物質能、地熱能等可再生能源得到更大規模的開發和利用，減少對煤炭、石油和天然氣的依賴[2]。

2 電力與建筑的聯系更加緊密

（1）供熱熱源越來越依靠熱泵。在中國北方城市，原本寒冷的冬季主要采用燃煤鍋爐進行供熱，然而大量燃煤伴隨產生霧霾等環境污染問題，為了減少燃煤產生的污染、改善空氣質量，必須大力發展清潔供暖，供暖是建環專業的核心任務之一。國家提出并大力倡導煤改電，也就是利用電動熱泵供熱取代燃煤鍋爐過熱，建筑供暖能耗由燃煤轉變為耗電。對建環專業來說，不但制冷機、風機、水泵需要用電，建筑供暖也用電，建筑與電的使用越發密不可分。

（2）熱和電的聯系更加密切。在以往許多火力發電廠的生產過程中，總有一部分廢熱被丟棄，這是一種極大的能源消耗。熱電聯產則是熱能和電能聯合生產的一種高效能源生產方式，發展熱電聯產可高效利用這些廢熱。原來熱電聯產電廠冬季采用“以熱定電”，機組發電負荷無法進行調節，無法進行調峰。吸收式換熱技術在熱網上的應用，使得原來熱電廠的熱能得到更充分的利用。“熱電協同”模式——增設大型蓄熱裝置及熱泵的提出可以在不減少供熱量的前提下，大幅提高了發電調節范圍[3]。因此供熱與發電的關系更加密切。

（3）汽車用電進入建筑。中國為實現能源可持續發展，近年來積極推動新能源汽車的發展，新能源汽車不同于以往汽車耗油，其能耗形式一般為電能。以往汽車加油時需要前往當地的加油站，而電動汽車大多通過小區或公共建筑停車庫設置的充電樁進行充電，因此汽車用能也成為建筑用電中重要的一部分，這對建筑用能將產生深刻影響。

（4）分布式能源與建筑一體化。分布式能源主要以天然氣或可再生能源如太陽能和風能為一次能源，進行發電或者熱電聯產，在中國現處于發展階段。可再生能源促進了分布式能源的發展，分布式能源是建立在用戶端的能源供應的方式，比較典型的是太陽能利用與建筑一體化。這樣建筑既消耗能源，也可生產能源，與原來的單純消耗能源發生了巨大花邊，發展分布式能源技術在中國是必然的能源發展方向。

（5）建筑用電直流化與柔性用電。目前建筑的用電器具越來越多的使用直流電。光伏發電、蓄熱電池也是直流，以及目前的直流特高壓輸電技術，因此從電力的生產、輸配和終端用電，直流技術應用越來越多，從直流到直流可以減少直流到交流的變換環節，效率更高，使用更方便。因此直流建筑的概念呼之欲出。隨著電動汽車使用比例的逐漸增大，大量的充電樁使得配電容量加大，城市配電系統變得極不穩定，大比例采用柔性用電模式成為解決問題的核心。柔性用電不同于以往的供需強耦合的剛性用電，能夠使得建筑供電更具有可靠性，主要解決辦法是考慮到建筑自身負荷可調節，在建筑中布置安裝蓄電池系統從而實現建筑用電直流化，用電模式變為柔性用電模式。大力發展柔性用電模式能夠改變城市配電結構，實現電的穩定性需求，是中國現階段的能源改革目標。

3 能源的儲存越來越重要

在經濟和社會的發展過程中，人類在不同時期對于能源的需求是不同的，即使是在一天里面，夜晚和白天所需的能源也有不同，此時能源若是保持相同供應量，則會和需求不一致，產生供需矛盾，導致能源在一定程度上的浪費，為了節約能源、平衡供需，能源的儲存顯得越發重要。能源的儲存主要包括冷、熱、電的蓄存，蓄冷的主要形式有冰蓄冷、水蓄冷等，其原理是利用峰谷電價差來實現節約電費；較成熟的蓄熱設備有電蓄熱鍋爐、蒸汽蓄熱器等，蓄熱材料如相變蓄熱、吸附蓄熱材料也在多個領域得到使用；而電是無法以電能的形式保存的，可轉換為更便利經濟且可存儲的其他能進行儲存。

4 能源的綜合與能源互聯網

美國學者杰里米·里夫金在2011年首次提出了一種新的能源體系—能源互聯網；我國也在積極倡議探討構建全球能源互聯網，推動以清潔和綠色方式滿足全球電力需求。能源互聯網可理解為以智能電網為基礎，運用電子互聯網的技術將分布式能源、天然氣網絡、石油網絡等互相連接起來，形成一個龐大的互聯網系統。中國大力發展能源綜合利用，并推動能源互聯網的形成以面對能源轉型的新形勢。

三 課程體系改革建議

1 增加電能的相關課程

制冷機、風機、水泵需要用電，熱能來源也由鍋爐為主變為電動熱泵為主，電熱供暖，太陽能光伏發電，甚至汽車充電也進入建筑用能之中，電力在建筑中將發揮更大的作用，建環專業與電的關系會更加緊密。除了已有的電工學基礎課程外，應大力增強對電能的學習，從電能的產生、輸配、儲存到應用，掌握電能在整個系統調控運行過程中的特性，學習發電廠、變電所相關知識，了解微型電網、智能電網、柔性用電系統等熱門內容。制冷機、熱泵、風機、水泵等設備的用電特性。

2 增加可再生能源的相關課程

中國的可再生能源資源豐富，可再生能源的發展是節約能源、減少環境污染的基本途徑，相關知識應納入建環課程體系之中。可再生能源的課程應包括：

（1）太陽能。太陽能課程包括：太陽能的相關基礎知識；太陽能的收集方式和設備原理、儲存形式；太陽能應用于制冷和供熱的原理和技術特點；太陽能光伏、光熱發電技術原理及其發電系統特性；主動式和被動式太陽能技術。

（2）風能。風能課程包括：風能的形成、特性及資源分布；風力發電的工作原理和設備形式；風力發電特性。

（3）生物質能。生物質能課程包括：生物質能的種類、特性及資源的產生過程；生物質能的應用途徑；生物質能發電流程和特點；生物質能使用經濟性分析。

3 儲能的相關課程

能源變得逐漸緊缺，能量的儲存也變得至關重要，儲能主要有蓄冷、蓄熱和蓄電等方式。

（1）蓄熱蓄冷技術。常見的蓄熱方式、蓄熱材料的性能要求及分類（顯熱蓄熱、相變蓄熱技術、化學蓄熱技術）、典型的蓄熱材料及應用、蓄熱裝置的特性，蓄熱系統的流程、設備選擇與運行控制、技術經濟性分析。

（2）蓄電技術。常見的電能儲存方式、蓄電池裝置的特性，蓄電系統的流程、設備選擇與運行控制、技術經濟性分析。

4 能源綜合利用與能源互聯網的相關課程

能源互聯網是一個龐大的系統，這方面的知識是對發電、蓄能、輸配、用能等方面的融會貫通，因此除了學習電能、可再生能源、儲能的相關課程外，還應增加能源互聯的基本概念及其原理和方法，增加分布式能源、熱電聯產、熱電協同的相關知識。了解能源互聯網的發展背景、定義、功能、特征和架構；建設能源互聯網需要的關鍵技術，包括能源基礎設施關鍵技術、信息通信關鍵技術、電力電子技術和平臺技術。智慧能源的定義、功能、特征和體系結構；能源總量控制、能源生產和消費的智能配置的原則和方法。