一種能量樁熱泵系統原理演示的科普教具設計與實踐

孔綱強 陳玉 楊慶

關鍵詞：普 能量樁 熱泵系統 科普教具 課程思政

引言

地表以下10～15m以內為土壤的變溫層，10～15m以下則近似為恒溫層，溫度受大氣環境溫度影響較小[1]。在地表以下約200m范圍內，由于土壤較好的持熱能力，儲存著大量的淺層地溫能資源，其作為一種豐富、清潔、可靠的可再生能源，可緩解當前化石燃料過度消耗的危機[2，3]。將換熱管直接埋設于樁基礎中形成能量樁，通過能量樁在夏季將室內多余的熱量通過傳遞到土壤中，達到為建筑物制冷的目的；在冬季再將土壤中的熱量進一步提取用于建筑物的供暖[4-6]。較傳統的地源熱泵技術而言，能量樁具有節省額外鉆孔費用、傳熱性能好及節省地下空間資源等優點，近年來能量樁發展規模也逐漸擴大[7，8]，在路面和橋梁的除冰融雪中也得到了逐步應用。

當前，同學們對能量樁熱泵系統知之甚少，甚至部分學生會將能量樁與電動汽車的充電樁予以混淆，一定程度上限制了能量樁熱泵系統的進一步普及。此外，當前對能量樁熱泵系統的科普，多以文本資料為主，缺乏相關的科普教具，將其具體連接和運行原理進行直觀展示?；诖?，本文設計開發演示能量樁熱泵系統原理的科普教具，寓教于樂，在發揮學生主觀能動性的前提下，讓他們對能量樁熱泵系統有一個清晰直觀的認識。

一、設計目的

（一）技術科普

能量樁作為淺層地熱能利用的媒介，其本身不能實現建筑物的制冷供暖，需要與熱泵機組配合使用，形成能量樁熱泵系統。而能量樁熱泵系統的技術原理，可分為地下換熱器回路、制冷劑回路和室內環境回路等三部分。地下換熱器回路，主要由能量樁基礎中的換熱管和循環流動的換熱液實現，常見的換熱液為水，或者水-防凍液混合物。換熱液的循環流動則由水泵的運行實現。制冷劑回路和室內環境回路，與常規的空調系統工作原理一致，均是借助于蒸發器、冷凝器、壓縮機和制冷劑的共同作用，實現建筑物的溫度調節。其中，制冷劑在常溫或較低溫度下能夠液化，在低溫下能吸取被冷卻物體的熱量，然后在較高溫度下轉移給冷卻水或空氣，以完成熱的循環過程。壓縮機則是利用電能進行壓縮做功，實現制冷劑由低溫低壓狀態轉為高溫高壓狀態。蒸發器是機組中輸出冷量的設備，主要是蒸發液體狀態的制冷劑，吸收被冷卻物體的熱量；與之對應的冷凝器則是機組中輸出熱量的設備，從蒸發器中吸收的熱量及壓縮機消耗功率轉化的熱量，在冷凝器中被冷卻介質帶走，達到制熱的目的。整個機組可以看作一個封閉式系統，但由于水體受熱體積膨脹，對換熱管道存在著隱形的破壞威脅，有必要在整個系統之外預留一定的多余空間。因此，機組還配備有膨脹閥或節流閥，同時可以對循環的制冷劑進行節流降壓，調節進入蒸發器的制冷劑流量。由于制冷和供暖功能實現的不同，各相關構建間的配合依賴于機組內的轉換閥，改變制冷劑的流向實現。

能量樁熱泵系統工作期間涉及到的復雜性能變化，本質上還是一些基礎的物理反應，只是這些變化過程缺乏直觀顯示，僅僅采用文字說明在理解起來仍存在一定的難度，這也造成了其普及的局限性。對應于能量樁熱泵系統原理的三個回路，科普教具采用等效替代的手法，將機組中制冷劑的相變、循環液的流動過程，采用給學生講解結合學生自主動手拼裝的方式，用一些簡單易得的教學小組件予以直觀展示，使學生在明白其原理的基礎上，可以直接感受接觸，從而達到技術科普的目的。

（二）課程思政的要求

中國作為世界能源消耗大國，從1965年至2019年，能源消耗逐年增長[9]。根據《BP世界能源統計報告》，2019年中國能源消耗總量約為39，361TWh，約占世界能源消耗總量的24.27%。根據國際能源署（International Energy Agency，IEA）的核算結果可知，2018年全球建筑業建造和運行相關的能源消耗占全球能耗的35%，相應二氧化碳排放占全球排放總量的28%。而根據清華大學建筑節能研究中心對我國建筑領域用能及排放的核算結果，我國建筑建造和運行用能占全社會總能耗的37%，二氧化碳排放總量占全國總排放量的比例約為42%。在建筑運行能耗中，為了營造舒適的室內環境，中國城鎮居住建筑中制冷供暖能耗占比高達50%[10]。

在世界及自身發展的過程中，中國始終展示著“大國擔當”的高度責任心。2020年9月22日，中國在第75屆聯合國大會上正式提出“2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和”的目標。近年來，《近零能耗建筑技術標準》（GB/T 50123-2019）和《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378-2019）等的相繼頒布，表明我國將逐步控制建筑物能耗，將常規建筑轉變為綠色建筑。2021年初，國家能源局發布《關于因地制宜做好可再生能源供暖工作的通知》，將地熱能開發利用擺到了更加重要的位置。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》更是明確提到“要因地制宜開發利用地熱能。持續改善京津冀及周邊地區、汾渭平原、長三角地區空氣質量，因地制宜推動北方地區清潔取暖”。隨著一系列政策措施及相關規劃的進一步落地，地熱能規模化將開啟黃金發展期，進一步助力碳中和、碳達峰的早日實現[11，12]。

面對如此大量的碳排放及能源消耗，作為紅旗下成長的莘莘學子，更應明白自己在國家庇佑下的美好生活來之不易，更應用所學所得建設更為綠色的祖國。而要實現這一長遠目標，不僅僅要求學生們做到“節流”，在平時的生活中結合行為舉止，盡量做到“低碳化”；更重要的，是要做到“開源”，學會利用新能源，減少對傳統能源的消耗利用。在《地基處理技術》《基礎工程》等本科生課程教學中增設介紹能量樁熱泵系統技術，嵌入創新思維、人文精神等課程思政元素，服務我國“雙碳”目標需求；既拓展學生的學術視野、又有機實現課程思政。一種演示能量樁熱泵系統原理的科普教具的設計，一定程度上能培養學生的國家情懷，塑造學生在新能源開發利用中的責任感，堅定學生在“雙碳”征程中使命必達的信心與決心。

二、設計思路

劉萬龍等[13]基于北戴河公園的生態現狀，設計一款互動式科普教具，提高學生的動手能力和創新能力。桂茂亭等[14]提出科普產品在設計時需要結合用戶體驗，實現科普產品外觀、信息反饋和技術科普的全面結合。殷超等[15]立足于用戶體驗感受，結合產品特性和科普結合，提出限定與拓展結合的設計模型。因此，在進行演示能量樁熱泵系統的科普教具設計過程中，要兼具考慮外觀形態、技術科普及學生反饋。

（一）外觀形態：作為樁基工程的拓展，學生潛意識可能對能量樁產生預設的認識，直接與工地現場的臟、亂、差環境聯系在一起。而將熱泵系統與空調進行對比講解分析，學生又會預設其會向環境中排放與季節不相符的“尾氣”。因此，科普教具的設計首先就要改變學生潛意識的預設印象。將埋設于地下看不見的顆粒感十足的樁體，采用光滑感更加的模型管道代替。熱泵系統中其他元件，采用常見的模型代替，將工業風十足的機組轉換為更為學院風的教學小組件。在外觀形態設計上，更會采用一些發光物件，不同的發光色及不同的燈帶方向，用以展示流動方向，在保證原理直觀講解的基礎上，外觀上也要給學生以眼前一亮的感覺。

（二）技術科普：對應于能量樁及熱泵機組，需要科普的重點除了其術語含義，更要重點演示各部分的連接，及運行過程中的回路，具體包括換熱液的循環、空氣調節的循環及制冷劑運行的循環。對應于相對靜態的連接過程，設計的科普教具采用沙盤演示的方法進行直觀講解；而對供暖制冷不同工況間的切換，將能量樁熱泵機組中的主要部件，等效簡化為物理課堂中常見的電子元件；將回路中制冷劑和空氣的運行回路，簡化為發光二極管的燈亮燈滅，即采用等效電路連接的方法，模擬制冷劑回路和室內環境回路。

（三）學生反饋：科普教具設計的目的是給學生以技術科普和課程思政，學生永遠是這項設計服務的主體，進而最終落實到的具體產品，需要不斷更新改進。從設計思路的呈現到實踐過程，采用課堂提問結合課后調查的手段，實時掌握學生是否掌握要演示的能量樁熱泵系統的具體連接和其原理。對科普教具的亮點環節予以保留和突出，對學生在實際接觸到科普教具后，仍然疑竇叢生的設計環節，及時予以方案調整和實時更新?？破战叹咴诰唧w展示環節，更要加大學生的參與分量，尤其是在等效電路的連接部分，各電子元件在物理課堂上較為常見，用其指代機組中不同的構件，給學生以新鮮感，也強化了學生的動手能力，寓教于樂。

三、科普教具的實踐

（一）沙盤演示

以能量樁熱泵系統樣板間為例，采用分體式地源熱泵機組，熱泵系統內機等效為風機，主要負責為室內送冷/暖風，進而改變室內環境溫度；熱泵系統外機等效為壓縮機、冷凝器及蒸發器的封閉系統（圖1）。結合房間室內面積及場地因素，布置四根能量樁及四孔鉆井，換熱管采用U形布置，即在樁體內單根換熱管沉入，并伸出的U形結構，共計8根換熱管按進水管和出水管的布置，整齊排列于集分器上。串聯后由一組進/出水管連接至機組，循環水泵和膨脹閥連接室內和地源側回路。

用沙盤模型對該能量樁熱泵系統進行等效替代模擬，為了各部件位置的固定及從模型外可以直觀地觀察，采用可拆卸的透明塑料板進行拼裝（圖2）。對應于房間建筑的門窗結構，采用在透明塑料板外粘貼黑色網格的形式予以區分，以求不影響內部構造的具體展示。依據各連接部件不同的功能，展開為三個不同的分區，并按照從地下到地上不同的展示層，設計成從下至上的三層空間結構。首先是地下埋管側，為了體現出能量樁是處于地下的結構，在該層中埋入約為整層高度1/4～1/5的細沙，覆蓋大約1/2的模型能量樁。模型能量樁采用直徑10cm的塑料管進行模擬，能量樁中埋設的換熱管采用更細的2cm的塑料軟管等效展示，換熱管中循環流動的換熱液則采用燈帶進行替代。與所選取的示范項目一致，展示共計12組換熱管。進一步的，由于換熱管中換熱液是循環流動的，燈帶的顏色根據進出水口分別采用不同的顏色，而且燈帶的顏色跳動也為一上一下兩不同方向。模型的第二層為集分水器側，所有由能量樁內部深處的換熱管分別連接到集水器和分水器兩側。具體進行拼接時候，需要先對應地下一層換熱管的孔位，提前對層間的隔層進行鉆孔貫通，然后由地下一層的換熱管及燈帶進行連接延伸。對應于塑料軟管的拐角連接，無法直接進行彎折，需要對兩根不同的塑料軟管尖端分別進行45°～60°的剪切，然后對應連接拼裝，形成直角型拐角。同時，集分水器上各有一組管道為機組的進出水口，采用不同于其他換熱管的顏色燈帶，連接模型膨脹罐、水泵及熱泵系統外機，延伸至第三層的室內房間，末端連接模型熱泵系統內機，實現整個連接的閉合。對于地上一層、二層的層間連接，也對隔板采用同樣的鉆孔貫通連接方式。

作為演示能量樁熱泵系統科普教具的沙盤模型，通過燈帶的不同顏色及顏色跳動方向，模擬換熱液在系統中的流動，將看不見的水流等效替代并實體化；采用模型結構模擬出系統的各個部件，展示出了一個小體量的能量樁熱泵系統房間的基本連接。同時，采用這種分區的設計方法，對整個系統進行了進行清晰的展示，有利于學生們在腦海中有了一個基本的認識，能達到該科普教具直觀展示的基本設計要求。

（二）等效電路連接

采用上述沙盤演示的思路，進一步對熱泵機組的原理進行模型構造，可得到如圖3所示的簡易沙盤。該沙盤對各構件的連接有一定的直觀展示，但不能詳盡地說明各級回路之間的原理，尤其是轉換閥間的配合無法進行動態的演示。

考慮到圖3中的連接類似于物理課堂上電子元件和簡易電路的連接，因此，將冷凝器、蒸發器、壓縮機及膨脹罐等可采用不同顏色的發光小物件代替，水泵的循環動力采用電池（組）模擬，其他轉換閥則由開關等效作用（圖4）。下面結合熱泵機組在供熱及制冷不同的模式下的不同回路，對科普教具中的等效電路進行說明。

對圖4中的相關零部件進行說明如下：綠色燈泡1等效為冷凝器；橙色燈泡2等效為蒸發器；紫色燈泡3等效為膨脹閥/節流閥；黑色發光二極管4等效為壓縮機。電池A等效為室內環境回路動力來源；電池組B等效為熱泵機組內壓縮機動力來源；電池C等效為地下埋管側回路動力來源。發光二極管H1、H2等效指示供熱工況，發光二極管W1、W2等效指示制冷工況。開關S1～S8等效轉換閥，用以切換不同的供熱制冷工況。

（1）供熱工況

地下換熱器回路：流經蒸發器的液體通過循環管道被土壤具有的較高溫度較熱，吸取土壤中的熱量，并將這些熱量帶回到蒸發器，制冷劑在蒸發器中蒸發，吸收這部分熱量。對應于圖4中的等效電路圖，閉合S1，S5，電池C提供電量及動力，紅色發光二極管H2和橙色燈泡2燈亮。

制冷劑回路：被蒸發的制冷劑進入壓縮機，被壓縮為高溫高壓的蒸汽，氣態制冷劑攜帶著土壤中傳來的熱量及壓縮機消耗的熱量，一起進入冷凝器，被室內冷空氣吸收熱量后，冷凝為也太，然后經過節流裝置，制冷劑壓力和溫度均降低，低壓、低溫的制冷劑液體流入蒸發器，再次被地下回路的熱量蒸發，完成吸、放熱過程的循環往復。對應于圖4中的等效電路圖，閉合S0，電池組B提供電量及動力，黑色發光二極管4、紫色燈泡3和綠色燈泡1相繼燈亮。

室內環境回路：室外新風或室內回風進入冷凝器，吸取高溫高壓制冷劑攜帶的熱量，通過室內布置的通風系統，對建筑物進行供熱升溫。對應于圖4中的等效電路圖，閉合S3，S7，電池A提供電量及動力，紅色發光二極管H1和綠色燈泡1燈亮。

（2）制冷工況

室內環境回路：較高溫度的室外新風或室內回風進入蒸發器，被低溫低壓的制冷劑冷卻，將熱量傳遞給制冷劑后，通過室內布置的通風系統，對建筑物進行降溫制冷。對應于圖4中的等效電路圖，閉合S2，S4，電池A提供電量及動力，藍色發光二極管W1和橙色燈泡2燈亮。

制冷劑回路：被蒸發的制冷劑進入壓縮機，被壓縮為高溫高壓的蒸汽，這些氣態制冷劑攜帶著從空氣室內環境回路傳遞的熱量及壓縮機消耗的電能一起進入冷凝器，被從地下換熱器回路的循環水吸取熱量后，自身冷凝為液態，然后經過節流裝置，制冷劑壓力和溫度均降低，低溫低壓的制冷劑流入蒸發器，吸收室內空氣的熱量蒸發，完成吸、放熱過程的往復循環。對應于圖4中的等效電路圖，先將電池組B及發光二極管4的正負極對換，閉合S0，電池組B提供電量及動力，綠色燈泡1，紫色燈泡3和黑色發光二極管4相繼燈亮。

地下換熱器回路：從冷凝器回來的液體通過循環管道被樁周土壤進行冷卻，二者間完成熱量交換，向土壤釋放熱量。對應于圖4中的等效電路圖，閉合S6，S8，電池C提供電量及動力，藍色發光二極管W2和綠色燈泡1燈亮。

通過上述等效電路的簡單模擬，可以直觀地將熱泵機組的原理，通過不同顏色的燈相繼燈亮燈滅進行等效替代的展示，達到科普教具的設計目的。

結語

演示能量樁熱泵系統的科普教具的設計，是為了向學生進行技術科普，并強化他們為“雙碳”政策添磚加瓦的決心和信心?？破赵O計采用沙盤演示的方法展示了能量樁熱泵系統的基本連接，用電子元件和電路連接等效替代熱泵機組中各元件的運行原理，寓教于樂，將抽象的知識具體形象化，一定程度上能達到技術科普和課程思政的目的。后續將結合其他廣泛使用的新型能源，如太陽能、風能等，對科普教具的設計進行進一步的發展及更新。