“30·60”雙碳目標下建環專業的教學改革與思考

呂石磊，王冉

摘? 要：我國作出承諾，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。雙碳目標對建筑行業發展提出了新的要求和挑戰。建筑環境與能源應用工程專業作為建筑節能領域的關鍵專業之一，應調整和完善專業教學體系，以適應于碳中和目標下新型建筑能源系統對人才培養的要求。本研究基于以上背景，從多學科交叉融合視角對建筑環境與能源應用工程專業的教學體系進行了探索。

關鍵詞：建環專業;碳中和;學科融合;課程體系改革

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）30-0062-05

Abstract： China has committed to strive to peak carbon dioxide emissions by 2030 and strive to achieve carbon neutrality by 2060. The double carbon development goal puts forward new requirements and challenges to the development of the construction industry. As one of the key majors in the field of building energy conservation， the teaching system of building environment and energy application engineering should be adjusted and improved to meet the requirements of carbon neutrality on personnel training. Based on the above background， this study explores the teaching system of major of building environment and energy application engineering from the perspective of interdisciplinary integration.

Keywords： architectural environment and energy application engineering; carbon neutral; discipline integration; curriculum system reform

暖通空調能耗是建筑能耗中的大戶，暖通空調系統運行能耗通常約占到建筑能耗的60%以上，降低暖通空調能耗是建筑節能的關鍵所在[1]。因此建筑環境與能源應用工程專業（以下簡稱建環專業）對建筑節能目標的實現起到至關重要的作用。建環專業屬于土木工程的二級學科，主要培養從事供暖、通風、空調、冷熱源、凈化、燃氣等方面的規劃設計、施工安裝，以及運行管理方面的人才。建環專業的發展存在兩次變革。1998年，為拓寬專業口徑，實現“專才”向“通才”教育的轉變，教育部將“供熱通風與空調工程”和“城市燃氣工程”兩個專業合并為了“建筑環境與設備工程”專業。2012年，為響應節能減排以及可持續發展的國家發展戰略需要，由“建筑環境與設備工程”專業調整為了“建筑環境與能源應用工程”專業。專業名稱的調整進一步拓寬了建環專業的內涵，在原有的基礎上納入了“建筑設施智能技術（部分）”和“建筑節能技術與工程”兩個專業。隨著專業的發展，建環專業呈現出多學科性、交叉性、綜合性的特點。

當前，新一輪的能源革命正在加速推進。氣候變化已經成為當今社會的共識，對人類生活和生產力造成了極大的危害。根據世界氣象組織（WMO）的數據，2015-2019年是有史以來世界上最熱的五年，全球氣溫比前五年上升了0.2攝氏度。二氧化碳是導致氣候變暖的主要溫室氣體。與2011-2015年相比，2015-2019年二氧化碳排放濃度增加近20%[2]。因此，減少二氧化碳排放是國際社會應對氣候變化的主流問題，各國政府已經達成共識，宣布了國家層面的減排承諾。根據《巴黎協定》，到2100年，全球平均氣溫升幅將控制在比工業化前水平高出2攝氏度的水平。為應對氣候變化，推動綠色低碳發展，我國作出了“碳中和、碳達峰”重大戰略決策。2020年9月以來，習近平總書記多次在國際和國內重要會議上提及“雙碳”目標，即“中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。”這預示著我國將從“相對減排”進入“絕對減排”時代。根據由清華大學建筑節能研究中心發布的《中國建筑節能年度發展研究報告2020》[3]，我國建筑碳排放總量整體呈現出持續增長趨勢，2019年達到約21億噸，占總碳排放的21%（其中直接碳排放約占總排放的13%）， 較2000年6.68億噸增長了約3.14倍，年均增長6.96%。因此，實現建筑行業的碳排放碳達峰是我國應對氣候變化目標的重要議題。作為建筑節能領域所涉及的關鍵專業，建環專業的發展也面臨著新的挑戰。因此，建環專業進行課程體系改革和升級，是順應國家發展戰略的要求。

一、“碳中和”引領清潔能源革命

以能源生產清潔化、能源消費電氣化為方向，著力優化能源結構、提高能源效率，構建以清潔為主導、以電力為中心的現代能源體系是實現“雙碳”目標的根本出路。

（一）清潔化推動能源生產碳減排

能源生產碳排放占能源活動碳排放的47%，而清潔能源具有低碳排放的特征，其廣泛利用是我國實現“能源結構調整”的必經之路。清潔能源也被稱為綠色能源，傳統意義上指的是不排放污染物、能夠直接用于生產和生活的能源，主要包括核能和可再生能源[4]。根據美國能源部的最新分類，清潔能源包括太陽能、風能、水能、地熱能、生物質能和核能等。要實現能源生產碳減排，必須加快清潔化能源替代化石能源的步伐。

根據國家能源局發布的《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》，國家將可再生能源列為能源發展的優先領域。為推動可再生能源的發展，國家采取了一系列措施，包括能源戰略，平價上網，可再生能源補貼，運行消納，規劃建設和上網電價等。例如，習近平總書記2020年12月在氣候雄心峰會宣布：到2030年……非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右……風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億千瓦以上。根據國家能源局發布的《關于2021年風電、光伏發電開發建設有關事項的通知（征求意見稿）》，2021年全國風電、光伏發電發電量占全社會用電量的比重達到11%左右，后續逐年提高，到2025年達到16.5%左右。為加快風電、光伏發電平價上網進程，國家發展改革委、國家能源局聯合印發了《關于公布2020年風電、光伏發電平價上網項目的通知》。

（二）電氣化加速能源消費碳減排

2019年我國終端能源消費中化石能源仍舊占據絕對主導，占比高達68%，終端化石能源燃燒產生的二氧化碳排放約占能源活動碳排放的53%。因此，能源消費減碳必須加快以電力替代化石能源，大力提升工業、交通、建筑領域的電氣化水平。此外，可再生能源推動了電氣化發展。風能、光能、水能、核能等清潔能源均轉化為電力才能被加以利用，隨著清潔能源應用比例的不斷攀升，未來終端能源消費中電力所占比重將持續攀升。全球能源互聯網發展合作組織預計，2030年，2050年和2060年我國的電氣化率將分別達到約33%，57%和66%。

（三）建筑行業實現碳中和的關鍵路徑

在不影響人居環境品質的改善和人民群眾的幸福感和獲得感的前提下，建筑行業如何快速實現碳排放達峰并實現深度減排，是建筑領域應對氣候變化目標中的重要議題。建筑行業碳排放主要可以分為隱含碳排放和運行碳排放（圖1）[5]。隱含碳排放主要包括建筑材料和構件在開采、制造、運輸全過程中的碳排放，建筑施工、裝修、改造中的碳排放，以及初期土地利用和最后建筑拆除過程中的碳排放。建筑運行碳排放可以分為直接碳排放和間接碳排放。直接碳排放主要涉及到建筑內發生的化石燃料在燃燒過程中導致的碳排放，主要包括直接供暖、炊事和生活熱水等;間接碳排放主要涉及到外界輸入建筑的電力和熱力等包含的碳排放。建筑節能減少運行碳是碳中和的基礎但不是全部，必須考慮建筑全生命周期內的碳排放，即綜合考慮隱含碳排放以及運行碳排放。

圖1 建筑碳排放核算范圍

1. 建筑電氣化及能效提升

我國建筑運行碳減排的難點在于能源結構是以煤為主的高碳結構，實現建筑碳中和目標取決于能否實現建筑用能的全面電氣化，其中隨著電力系統的零碳化，間接碳排放隨之也將減為零[6]。供暖碳排放約占運行碳排放的70%（居住建筑）和43%（公共建筑），是建筑碳中和需要解決的最大問題。因此，提高建筑全面電氣化進而降低直接碳排放最關鍵的問題是解決供暖，炊事和生活熱水的全面電氣化。

美國電力研究協會（EPRI）定義了“建筑電氣化的技術潛力”，即利用目前市場上現有的技術所能實現的以燃料為動力的終端消耗的電氣化總和。建筑內主要的終端能源需求幾乎都可以用電力替代，簡而言之，住宅和商業建筑的電氣化技術潛力幾乎為100%[7]。與建環專業相關的電氣化技術主要是熱泵。根據傳熱介質的不同，熱泵可分為空氣源熱泵、地源熱泵和水源熱泵三種，目前空氣源熱泵是最常見的熱泵類型。地源熱泵系統的淺層地下溫度幾乎恒定，并且地質材料比氣候條件具有更加良好的熱物性，因此地源熱泵系統比空氣源熱泵具有更高的熱效率[8]。在我國，70%的地源熱泵系統應用于寒冷氣候區，并且以城市中的大型公共建筑與居住建筑為主[9]。與其他非電熱泵技術相比，電熱泵技術目前已經具有一定的經濟競爭力。特別是在以下四種地區電熱泵更具有成本競爭力：（1）冬季溫暖;（2）現有技術更昂貴;（3）電價較低;（4）建筑物是新建住宅建筑。熱泵在住宅供暖領域的經濟潛力已經相當可觀，用于暖通空調的電動熱泵近幾年在美國的市場份額不斷增加。

2. 可再生能源利用

提高現場可再生能源，即分布式可再生能源利用是降低建筑運行碳排放的關鍵。根據應用目的，建筑分布式可再生能源利用主要有以下兩種方式：可再生能源發電（太陽能光伏，小型風電，生物質發電）和供暖供冷（太陽能、地熱能、生物質能）。

3. 綜合能源系統彈性用能

隨著分布式可再生能源的滲透，建筑用能系統面臨著更大的不確定性。因此需要平衡供需、平準負荷、移峰填谷、穩定電網，即協調“源網荷儲用”。國務院新聞辦公室發布的《新時代的中國能源發展》白皮書、發改委和能源局發布的《關于推進電力源網荷儲一體化和多能互補發展的指導意見》中多次提及綜合能源，強調合理配置儲能、積極培育綜合能源服務等新興市場主體。終端用能將由之前的被動提供彈性轉變為主動和被動相結合。儲能技術的雙向功率特性和靈活調節能力是解決新能源消納問題、匹配能源品位的關鍵。蓄冷、蓄熱技術可提升暖通空調供能運行系統的靈活性及經濟性，是實現建筑用能與建筑供熱/冷之間在時間尺度同步性的關鍵環節，在實現建筑碳中和目標中扮演著不可或缺的角色。如高效儲熱技術，可與電供暖結合，蓄存夜間低谷電產生的熱來滿足全天供暖需求，不僅能降低供暖成本，還能調節電網峰谷差;而其與太陽能等間歇不穩定的清潔能源的耦合，可實現該類清潔能源的穩定輸出和高效利用。國際可再生能源署（IRENA）于2020年發布的儲熱專項報告《創新展望：熱能存儲》指出，到2030年，全球儲熱市場規模將增加三倍，在未來10年，儲熱裝機容量將增長到 800GWh以上。美國能源部（DOE）2020年12月發布首個全面儲能戰略《儲能大挑戰路線圖》，計劃到2030年，開發能滿足美國所有市場需求的儲能技術，達到“本地創新，本地制造，全球部署”的戰略目標。相變儲熱、高溫顯熱儲熱技術、低溫儲熱技術、熱化學儲熱等儲熱技術的相關內容赫然在列。瑞典、丹麥等一些歐洲國家已具備了儲熱技術應用的成熟經驗，德國、美國、西班牙、比利時、挪威等眾多國家正在積極研發新型熱儲能技術并開展示范。“30·60”雙碳目標給儲熱技術發展帶來新機遇，儲熱技術在解決棄風棄光、促進可再生能源消納，參與電網調峰、負荷側調節等電力輔助服務市場，以及綜合能源服務市場，均有應用價值和市場空間。

總之，“雙碳”目標下建筑業在碳減排過程中的關鍵路徑包括，提高建筑領域的電氣化水平，發展清潔低碳能源替代;發展儲能技術及柔性建筑用能系統。

二、建環專業現有的教學課程體系

理論課程教學體系和實踐課教學體系構成了完整的人才培養方案，其中理論課程教學體系奠定了教育工作開展的理論基礎，實踐課教學體系主要包括專業實習教學、課程設計教學和專業實驗課程，鞏固了課堂理論課的學習內容，培養了學生解決實際問題的能力。

根據清華大學、重慶大學、同濟大學、哈爾濱工業大學、湖南大學、天津大學、大連理工大學和中國礦業大學八所高校建環專業的本科培養方案可知，各大高校的課程設置基本是一致的，都符合《高等學校建筑環境與能源應用工程本科指導性專業規范》的要求，一般按照與本專業內涵的緊密程度分為專業基礎課程、專業核心課程和專業拓展類課程。圖2展示了八所高校主要課程的設置情況。通過學習這些課程，學生可以掌握建環專業的理論知識、設計方法和基本技能，并把握本專業領域的研究方向。專業基礎課是高等學校和中等專業學校中設置的一種為專業課學習奠定必要基礎的課程，是學生掌握專業知識技能必修的重要課程。不同學校間的專業基礎課程的名稱大同小異，主要包括流體力學、工程熱力學、傳熱學、建筑環境學、流體輸配管網、建筑環境測試技術、工程傳熱傳質學、熱質交換原理與設備等。專業核心課程的目的是培養學生的專業素養，加深學生對專業類知識的認知。專業核心課程一般圍繞著供熱、燃氣、通風和空調為核心開設。不同高校之間在具體的課程設置上有所差異，例如有些高校將供熱工程、空調工程和通風工程分別授課，也有些高校將三門課程合并為暖通空調一門集中授課。有些高校將燃氣供應和燃氣輸配分開授課，而有些高校則合并為燃氣供應與輸配。專業基礎課程和專業核心課程主要關注學生基本的科學文化素質，追求知識與技能的基礎性、全面性、系統性、完整性，為學生的一般發展奠定基礎。而專業拓展類課程則在必修課程的內容基礎上結合專業的發展趨勢以及與其他學科之間的交叉性進行拓展和深化。根據方向差異性，高校中開設的專業拓展類課程主要可以劃分為五類：自動控制類、室內環境類、工程管理類、節能類和先進技術類。自動控制類主要包括樓宇自動化控制等智能控制課程。室內環境類主要包括室內熱環境模擬以及應用、室內空氣品質檢測、室內環境健康等課程。工程管理類主要涉及到土木工程材料、施工組織與管理，工程經濟管理等課程。先進技術類包括冷熱電三聯供應用、潔凈技術和熱泵及其應用技術等。

總之，現有建環專業的課程體系主要基于傳統的專業內涵，偏重于基礎知識學習，著重開設供熱、供燃氣、通風及空調系統等相關課程，缺乏對可再生能源、儲能等新能源和新技術的重視，導致建環專業與雙碳目標下新的建筑節能路徑脫節，難以培養學生的創新能力。

三、碳中和目標下建環專業教學體系的發展方向

“30·60”雙碳發展目標對建筑提出了供能清潔化和用能電氣化的要求，建環專業圍繞這兩個方向，在課程教學體系上應作如下完善和補充：

供能清潔化指的是關注清潔低碳能源的替代，如提高分布式可再生能源滲透，其改變了傳統的建筑用能結構，未來的建筑能源將以非化石能源為主，未來的供暖方式將趨向于熱泵空調等電力驅動方式。而現有的建環專業的教學體系中側重于燃氣、燃煤鍋爐等常規化石燃料驅動課程，缺少新能源知識體系的教學。因此需要補充熱泵等電力驅動供暖方式相關課程。另外，分布式可再生能源將從兩個層面對建環專業產生影響。太陽能光熱和光電將通過改變供給側進而間接影響暖通空調運行能耗。另外，光伏建筑一體化（BIPV）的應用將會通過改變圍護結構原有的傳熱結構進而影響到建筑的暖通空調負荷。因此未來建環專業應重視建筑被動設計、暖通空調能耗和可再生能源產出之間的耦合機理和集成技術研究，因此在未來的教學體系中應增設分布式可再生能源相關課程。

對于建筑行業而言，用能全面電氣化是降低直接碳排放的關鍵，實現雙碳目標要發展應用全面電氣化的柔性建筑用能系統。因此，未來建筑的減排方向將從虛擬邊界的總量控制轉向同時關注時間尺度的柔性控制，減排維度將從能效單一目標拓展為能效、電網互動性雙重目標。為了實現冷、熱、電的柔性協同發展，不同專業之間的耦合性將逐漸加深，在未來的教學體系中應加強對儲能技術以及電氣專業基礎知識的普及，另外還可增設綜合性強的課程等。

四、結束語

現代科技和產業發展呈現高度綜合的態勢，學科之間的交叉融合日漸增強，人類社會進入了多科學交叉融合時代。在助力實現建筑行業雙碳目標的背景下，建環專業應以新型建筑能源系統新需求為導向，從多學科交叉融合視角對現有的課程體系進行改革，適當弱化傳統化石能源相關課程，并增設可再生能源、電氣控制、儲能技術等方面課程。

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