“能源系統：多能互補與梯級利用”項目式課程教學設計與實踐

綦戎輝 蔡容容

摘? 要：依據當今能源行業高效、節能、低碳的需求，構建并開設面向新工科學科交叉復合的能源系統，即多能互補與梯級利用項目式課程。以“高效低碳校園能源系統設計”為驅動性總任務，設計能耗及能源需求調研、新能源發電及多能互補設計，熱電冷梯級利用系統和節能新方法探索等4個階段性任務。課程通過分組調研、核心問題討論、組間質詢等教學方式，注重跨專業知識掌握與實際工程能力訓練，使得學生對能源的評估、高效利用及可持續發展等方面有系統性的認識和掌握。

關鍵詞：分布式能源系統；低碳校園；項目式教學；項目式課程；教學方式

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》要求能源行業積極建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系[1]，為響應國家重大需求，構建并開設了面向新工科的能源系統：多能互補與梯級利用項目式課程。能源系統設計是能源動力、化學工程與工藝、儲能技術等多學科的交叉領域[2]，課程從可持續發展的角度出發，探索能源高效利用的方法及技術，為學生將來參與能源系統的變革和轉型工作奠定基礎。

項目式教學法（Project-Based Learning，PBL）是近年來國際工程教育改革的研究熱點[3-5]。該方法通過設置一個真實情境化的任務，要求學生通過團隊合作完成成果導向下的綜合任務，對培養學生的實踐應用及遷移創新能力有著獨特的功能和價值[6-7]。針對專業特點，本項目式課程強調化工學科基礎知識獨立性與工程應用主體性相結合，通過將知識轉化為貼近實際的若干任務，包括多種實際用能單位綜合能耗分析、可再生能源與化石能源聯動策略、能源互補及梯級利用設計等。課程采用課堂討論和小組調研、匯報相結合的教學方法，使得學生對能源的綜合開發和利用、能源與環境的平衡、可再生能源利用等方面知識有系統性的認識和掌握，成為跨學科復合型高級技術人才。

一? 教學主題分析及設計

分布式綜合能源系統具有高效、環保、經濟和可靠等優勢，是推動能源利用技術變革和能源轉型發展的重點研究領域[8]。深入探究多種能源的互補、梯級利用的理論與方法，將為走出一條能源、資源與環境協調發展的新模式提供科學支撐[9]。本課程面向化工、能源等專業同學，先導課程為流體力學、傳熱學及工程熱力學。通過將知識轉為和工程實際相關的多個任務，使得學生對能源的評估、高效利用及可持續發展等知識有系統性的認識和掌握，了解因能源利用產生的環境問題如污染和控制、全球變暖等，幫助學生樹立能源大局觀及環保意識，成為跨學科復合型高級技術人才。

本項目式課程以“以能源工程師的身份，分析、論證及設計實現低碳校園所需的綜合能源系統”為驅動性總任務，宗旨在于滿足校園功能的同時節能、低碳、環保。設計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；不計投資成本，但采用的數據和技術需有依據等。設計過程中，要求對2～3種節能技術進行詳細設計，其余的則概略設計。

按任務邏輯學生需要解決4個階段性任務，即校園能耗及能源需求調研、新能源發電及多能互補（光伏發電+地源熱泵）、熱電冷梯級利用和節能新方法探索等。對于每一任務，首先引導學生將任務拆解，明確需要解決的關鍵問題；其次是學生分組完成任務，教師個性化指導；之后是集中展示，分組匯報項目學習成果，以及評價、討論和辯論；最后還需對項目整體進行匯報、質詢及反思整理。考核方式為平時成績占40%，包括小組討論及項目式作業，期末成績占60%，包括團隊項目答辯、回答質詢及個人陳述等。為厘清綜合能源系統設計的理念及流程，學生需要將工程思維和綠色能源、節能環保思想貫穿始終。經過本輪教學實踐，積累了比較豐富的課程資源（包括配套PPT、項目檢測題、學生項目成果等，可通過郵件向作者索取），可以在相關專業推廣。

二? 課程實施過程

（一）? 校園能耗及能源需求調研（6學時）

本階段任務主要要求學生掌握民用建筑及公共設施（以校園為主）的主要分類及能耗特征，掌握建筑空調、采暖及其他能耗（如熱水、烹飪、照明）的統計及預測方法；并了解交通、公共場所照明、垃圾處理和清潔綠化等所需能耗，見表1。綜合運用所學知識，學生分組根據低碳校園設計方案，進行能耗及能源需求統計。先導性任務要求學生在課前了解能源種類（化石能源、可再生能源、清潔能源等）及我國能源現狀，調研常見能耗概念及能源評價方式，并了解目前我國建筑能耗現狀及發展趨勢。

該任務執行過程中師生間的關鍵討論點在于面對真實校園案例，如何區分及測算能源需求與能源消耗。分析發現，能源需求是指在維持校園運行過程中，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、電腦等設施運行需要電能，為二次能源。能源消耗是針對未采用節能設施的常規系統運行時，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能源及少量電能，測算時可不計入能源消耗。空調制冷可以采用壓縮式制冷機，即實際消耗電能；或采用吸收式制冷，即實際消耗熱能等。

課程實施中對真實情況進行簡化，確定能源需求主要統計所設計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荷（或熱需求）、制冷所需的冷負荷（或冷需求），以及照明及電梯所需的電能；能源消耗主要統計未采用節能措施時所消耗的電、熱及化石燃料，常規系統選擇參數為常規壓縮式制冷機組及燃氣鍋爐，相關運行參數由文獻調研及當地實際情況確定。

【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，有利于減少空調采暖能耗。校園建筑總占地面積設計為15萬m2，可供約10 000名師生使用。以教學樓及宿舍樓為例，一棟教學樓全年電能需求量（照明、電梯、教學設施）為39.2萬kWh，冷負荷（所需的冷量）為45.2×108 kJ，無需采暖。教學樓如選用COP=3.5的空調機組（普通中央空調系統），計算得到全年用電量為75.18×104 kWh。能源需求比為1.171。

（二）? 新能源發電及多能互補（8學時）

本階段任務主要要求學生掌握光伏發電、地源熱泵等分布式能源技術的設計計算、優化及整合方法，了解風光、光電/光熱、熱電等典型互補技術及實際案例，并了解儲能技術的發展歷程及基本原理，核心問題見表2。在此基礎上，根據低碳校園設計方案，進行多能互補能源系統及儲能系統設計。先導性任務為課前了解能源類型、分布式能源及多能互補的基本概念及原理，探討多能互補適用情況及整合策略，并調研多能互補先進技術方案及其在實際工程中的應用。

這一任務關鍵討論點為考慮到地區差異，地源熱泵系統是否有必要遵守對土壤側排熱（冷）需平衡的原則？分析可知，遵守冷熱原則確實會給地源熱泵系統的設計帶來諸多限制，特別是對處于冬夏冷熱負荷與運行時間相差太大的區域而言。此時，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，系統選型受限，節能效果不理想。但如果地源熱泵系統長期在冷熱不平衡下運行，會使土壤溫度不斷變化，不僅會導致地源熱泵換熱效果下降，更會對生態環境造成很大影響，甚至引發自然災害。需思考如何在保證冷熱平衡的前提下，通過地源熱泵系統與其他能源系統耦合使用，以實現最佳節能效果。通過課堂教學、調研及討論，了解了地源熱泵與太陽能、冷卻塔、冰蓄冷等聯動的工程案例，以及結合PV/T、相變蓄能等最新研究成果。最終達成共識，應從低碳、環保出發，在地源熱泵系統設計上應嚴格遵守冷熱原則，并通過多能互補及儲能等技術提升節能效果。

【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。夏季校園內所有建筑采用地源熱泵機組供冷，冬季采用該機組制備生活熱水。中央空調設計中采用溶液除濕系統滿足室內除濕需求，制冷機組提供高溫冷源（12～17 °C），通過設備選型及校核計算，機組壓縮制冷COP可到達5以上。

（三）? 能源梯級利用——熱電冷聯供系統（8學時）

本階段任務要求學生掌握熱電聯供系統及熱電冷聯供系統的基本形式、集成設計及設備選型方法，明確離網、并網及以熱定電、以電定熱等基本運行方式，了解熱能梯級利用的節能及經濟性評估方法。在此基礎上分組進行能源梯級利用系統設計，見表3。先導性任務要求課前了解能源梯級利用的概念和溫度對口的基本原理，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），探討能源梯級利用互補適用情況及調控策略，并調研能源梯級先進技術方案及其在實際工程中的應用。

這一任務關鍵討論點為校園建筑中應用的熱、電、冷聯供系統應遵循什么樣的運行準則，以熱定電、以電定熱還是確定恰當熱電比？分析發現建筑中應用的熱電冷聯供系統與工業應用存在較明顯的區別。工業以熱定電的聯供系統中，注意力主要放在熱利用上，而對電力利用關注較少。在分布式能源系統電力無法上網且電氣比價很低的現狀下，如果完全遵守以熱定電原則，則會出現能源利用率低、經濟效益差等問題。通過討論，發現應充分發揮所生產的高品位電力的價值，實現較高的聯供系統綜合效率。例如，吸收式制冷可以利用低品位熱源，但COP不高（0.7～1.3）；電壓縮制冷機組COP較高（>3），而熱泵技術或獨立溫濕度處理系統則可進一步提升制冷COP至4.5甚至5以上。因此，應靈活綜合配置發電量、優化制冷制熱系統選型，以實現更高的系統綜合效率。課程實施中應從節能、經濟角度出發，不拘泥于“以熱定電”模式，尋求更優、更靈活的能源梯級利用配置方式。

【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。根據校園教學樓及宿舍樓中的冷、熱、電能耗需求，以盡可能的電能自給自足、多余的電不上網為原則，確定了聯供系統原型機類型及系統流程。為確定系統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函數，設定線性及非線性約束條件和變量取值范圍，通過Matlab取優程序獲得了理論上最優的熱電冷聯供方案（表4），該能源綜合利用率可高達198%。

（四）? 節能新方法探索（補充性任務，4學時）

該任務主要要求學生了解吸收/吸附式除濕、空氣取水、海水淡化和二氧化碳熱泵等低溫熱源利用技術，了解建筑節能、交通節能等領域新型節能技術，了解可再生能源發展規劃及方向，調研及分享可能用于校園能源系統的節能新方法新技術。作為補充性任務，以分享最新科研進展、分組調研及討論為主，探討了太陽能光熱綜合利用、天空輻射制冷、垃圾焚燒發電等最新技術。

三? 課程教學反思

經過實踐，我們認為該項目順利實施的關鍵有：①合理設計項目任務，根據學科特點和學情設計總任務和拆解子任務，并明確各子任務所承載的核心知識與問題。②提供充足的補充學習資料，如文獻節選，給學有余力的同學足夠拓展空間。③個性化的分組輔導，針對具體難點、疑點進行答疑，及時調整優化方案。④對討論和匯報現場的精心組織，包括組間質詢、核心問題辯論、針對項目推進過程中學生反映出的薄弱環節針對性提問等。

后續研究將關注以下幾個方面問題。①科學量化評價每位學生的學習效果。項目雖綜合采用了即時評價和期末評價，教師評價和組間學生互評的評價體系，但仍停留在定性評價、整體評價。需進一步建立標準或量表，對每個小組、每位學生進行科學評價，這對激發全體同學參與項目學習，及時反饋學習和教學效果有重要意義。②合理利用生成性資源。經過前期教學實踐，積累了較為豐富的課程資源，如配套PPT、項目設計數據和方案、學生反饋意見等，后續要結合學科發展特點，不斷豐富、改善教學內容和教學設計。

參考文獻：

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

第一作者簡介：綦戎輝（1984-），女，漢族，山東東營人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為氣液對流及傳熱傳質。