“30·60”双碳目标下建环专业的教学改革与思考

吕石磊，王冉

摘  要：我国作出承诺，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。双碳目标对建筑行业发展提出了新的要求和挑战。建筑环境与能源应用工程专业作为建筑节能领域的关键专业之一，应调整和完善专业教学体系，以适应于碳中和目标下新型建筑能源系统对人才培养的要求。本研究基于以上背景，从多学科交叉融合视角对建筑环境与能源应用工程专业的教学体系进行了探索。

关键词：建环专业;碳中和;学科融合;课程体系改革

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：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户，暖通空调系统运行能耗通常约占到建筑能耗的60%以上，降低暖通空调能耗是建筑节能的关键所在[1]。因此建筑环境与能源应用工程专业（以下简称建环专业）对建筑节能目标的实现起到至关重要的作用。建环专业属于土木工程的二级学科，主要培养从事供暖、通风、空调、冷热源、净化、燃气等方面的规划设计、施工安装，以及运行管理方面的人才。建环专业的发展存在两次变革。1998年，为拓宽专业口径，实现“专才”向“通才”教育的转变，教育部将“供热通风与空调工程”和“城市燃气工程”两个专业合并为了“建筑环境与设备工程”专业。2012年，为响应节能减排以及可持续发展的国家发展战略需要，由“建筑环境与设备工程”专业调整为了“建筑环境与能源应用工程”专业。专业名称的调整进一步拓宽了建环专业的内涵，在原有的基础上纳入了“建筑设施智能技术（部分）”和“建筑节能技术与工程”两个专业。随着专业的发展，建环专业呈现出多学科性、交叉性、综合性的特点。

当前，新一轮的能源革命正在加速推进。气候变化已经成为当今社会的共识，对人类生活和生产力造成了极大的危害。根据世界气象组织（WMO）的数据，2015-2019年是有史以来世界上最热的五年，全球气温比前五年上升了0.2摄氏度。二氧化碳是导致气候变暖的主要温室气体。与2011-2015年相比，2015-2019年二氧化碳排放浓度增加近20%[2]。因此，减少二氧化碳排放是国际社会应对气候变化的主流问题，各国政府已经达成共识，宣布了国家层面的减排承诺。根据《巴黎协定》，到2100年，全球平均气温升幅将控制在比工业化前水平高出2摄氏度的水平。为应对气候变化，推动绿色低碳发展，我国作出了“碳中和、碳达峰”重大战略决策。2020年9月以来，习近平总书记多次在国际和国内重要会议上提及“双碳”目标，即“中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”这预示着我国将从“相对减排”进入“绝对减排”时代。根据由清华大学建筑节能研究中心发布的《中国建筑节能年度发展研究报告2020》[3]，我国建筑碳排放总量整体呈现出持续增长趋势，2019年达到约21亿吨，占总碳排放的21%（其中直接碳排放约占总排放的13%）， 较2000年6.68亿吨增长了约3.14倍，年均增长6.96%。因此，实现建筑行业的碳排放碳达峰是我国应对气候变化目标的重要议题。作为建筑节能领域所涉及的关键专业，建环专业的发展也面临着新的挑战。因此，建环专业进行课程体系改革和升级，是顺应国家发展战略的要求。

一、“碳中和”引领清洁能源革命

以能源生产清洁化、能源消费电气化为方向，着力优化能源结构、提高能源效率，构建以清洁为主导、以电力为中心的现代能源体系是实现“双碳”目标的根本出路。

（一）清洁化推动能源生产碳减排

能源生产碳排放占能源活动碳排放的47%，而清洁能源具有低碳排放的特征，其广泛利用是我国实现“能源结构调整”的必经之路。清洁能源也被称为绿色能源，传统意义上指的是不排放污染物、能够直接用于生产和生活的能源，主要包括核能和可再生能源[4]。根据美国能源部的最新分类，清洁能源包括太阳能、风能、水能、地热能、生物质能和核能等。要实现能源生产碳减排，必须加快清洁化能源替代化石能源的步伐。

根据国家能源局发布的《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》，国家将可再生能源列为能源发展的优先领域。为推动可再生能源的发展，国家采取了一系列措施，包括能源战略，平价上网，可再生能源补贴，运行消纳，规划建设和上网电价等。例如，习近平总书记2020年12月在气候雄心峰会宣布：到2030年……非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右……风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。根据国家能源局发布的《关于2021年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知（征求意见稿）》，2021年全国风电、光伏发电发电量占全社会用电量的比重达到11%左右，后续逐年提高，到2025年达到16.5%左右。为加快风电、光伏发电平价上网进程，国家发展改革委、国家能源局联合印发了《关于公布2020年风电、光伏发电平价上网项目的通知》。

（二）电气化加速能源消费碳减排

2019年我国终端能源消费中化石能源仍旧占据绝对主导，占比高达68%，终端化石能源燃烧产生的二氧化碳排放约占能源活动碳排放的53%。因此，能源消费减碳必须加快以电力替代化石能源，大力提升工业、交通、建筑领域的电气化水平。此外，可再生能源推动了电气化发展。风能、光能、水能、核能等清洁能源均转化为电力才能被加以利用，随着清洁能源应用比例的不断攀升，未来终端能源消费中电力所占比重将持续攀升。全球能源互联网发展合作组织预计，2030年，2050年和2060年我国的电气化率将分别达到约33%，57%和66%。

（三）建筑行业实现碳中和的关键路径

在不影响人居环境品质的改善和人民群众的幸福感和获得感的前提下，建筑行业如何快速实现碳排放达峰并实现深度减排，是建筑领域应对气候变化目标中的重要议题。建筑行业碳排放主要可以分为隐含碳排放和运行碳排放（图1）[5]。隐含碳排放主要包括建筑材料和构件在开采、制造、运输全过程中的碳排放，建筑施工、装修、改造中的碳排放，以及初期土地利用和最后建筑拆除过程中的碳排放。建筑运行碳排放可以分为直接碳排放和间接碳排放。直接碳排放主要涉及到建筑内发生的化石燃料在燃烧过程中导致的碳排放，主要包括直接供暖、炊事和生活热水等;间接碳排放主要涉及到外界输入建筑的电力和热力等包含的碳排放。建筑节能减少运行碳是碳中和的基础但不是全部，必须考虑建筑全生命周期内的碳排放，即综合考虑隐含碳排放以及运行碳排放。

图1 建筑碳排放核算范围

1. 建筑电气化及能效提升

我国建筑运行碳减排的难点在于能源结构是以煤为主的高碳结构，实现建筑碳中和目标取决于能否实现建筑用能的全面电气化，其中随着电力系统的零碳化，间接碳排放随之也将减为零[6]。供暖碳排放约占运行碳排放的70%（居住建筑）和43%（公共建筑），是建筑碳中和需要解决的最大问题。因此，提高建筑全面电气化进而降低直接碳排放最关键的问题是解决供暖，炊事和生活热水的全面电气化。

美国电力研究协会（EPRI）定义了“建筑电气化的技术潜力”，即利用目前市场上现有的技术所能实现的以燃料为动力的终端消耗的电气化总和。建筑内主要的终端能源需求几乎都可以用电力替代，简而言之，住宅和商业建筑的电气化技术潜力几乎为100%[7]。与建环专业相关的电气化技术主要是热泵。根据传热介质的不同，热泵可分为空气源热泵、地源热泵和水源热泵三种，目前空气源热泵是最常见的热泵类型。地源热泵系统的浅层地下温度几乎恒定，并且地质材料比气候条件具有更加良好的热物性，因此地源热泵系统比空气源热泵具有更高的热效率[8]。在我国，70%的地源热泵系统应用于寒冷气候区，并且以城市中的大型公共建筑与居住建筑为主[9]。与其他非电热泵技术相比，电热泵技术目前已经具有一定的经济竞争力。特别是在以下四种地区电热泵更具有成本竞争力：（1）冬季温暖;（2）现有技术更昂贵;（3）电价较低;（4）建筑物是新建住宅建筑。热泵在住宅供暖领域的经济潜力已经相当可观，用于暖通空调的电动热泵近几年在美国的市场份额不断增加。

2. 可再生能源利用

提高现场可再生能源，即分布式可再生能源利用是降低建筑运行碳排放的关键。根据应用目的，建筑分布式可再生能源利用主要有以下两种方式：可再生能源发电（太阳能光伏，小型风电，生物质发电）和供暖供冷（太阳能、地热能、生物质能）。

3. 综合能源系统弹性用能

随着分布式可再生能源的渗透，建筑用能系统面临着更大的不确定性。因此需要平衡供需、平准负荷、移峰填谷、稳定电网，即协调“源网荷储用”。国务院新闻办公室发布的《新时代的中国能源发展》白皮书、发改委和能源局发布的《关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》中多次提及综合能源，强调合理配置储能、积极培育综合能源服务等新兴市场主体。终端用能将由之前的被動提供弹性转变为主动和被动相结合。储能技术的双向功率特性和灵活调节能力是解决新能源消纳问题、匹配能源品位的关键。蓄冷、蓄热技术可提升暖通空调供能运行系统的灵活性及经济性，是实现建筑用能与建筑供热/冷之间在时间尺度同步性的关键环节，在实现建筑碳中和目标中扮演着不可或缺的角色。如高效储热技术，可与电供暖结合，蓄存夜间低谷电产生的热来满足全天供暖需求，不仅能降低供暖成本，还能调节电网峰谷差;而其与太阳能等间歇不稳定的清洁能源的耦合，可实现该类清洁能源的稳定输出和高效利用。国际可再生能源署（IRENA）于2020年发布的储热专项报告《创新展望：热能存储》指出，到2030年，全球储热市场规模将增加三倍，在未来10年，储热装机容量将增长到 800GWh以上。美国能源部（DOE）2020年12月发布首个全面储能战略《储能大挑战路线图》，计划到2030年，开发能满足美国所有市场需求的储能技术，达到“本地创新，本地制造，全球部署”的战略目标。相变储热、高温显热储热技术、低温储热技术、热化学储热等储热技术的相关内容赫然在列。瑞典、丹麦等一些欧洲国家已具备了储热技术应用的成熟经验，德国、美国、西班牙、比利时、挪威等众多国家正在积极研发新型热储能技术并开展示范。“30·60”双碳目标给储热技术发展带来新机遇，储热技术在解决弃风弃光、促进可再生能源消纳，参与电网调峰、负荷侧调节等电力辅助服务市场，以及综合能源服务市场，均有应用价值和市场空间。

總之，“双碳”目标下建筑业在碳减排过程中的关键路径包括，提高建筑领域的电气化水平，发展清洁低碳能源替代;发展储能技术及柔性建筑用能系统。

二、建环专业现有的教学课程体系

理论课程教学体系和实践课教学体系构成了完整的人才培养方案，其中理论课程教学体系奠定了教育工作开展的理论基础，实践课教学体系主要包括专业实习教学、课程设计教学和专业实验课程，巩固了课堂理论课的学习内容，培养了学生解决实际问题的能力。

根据清华大学、重庆大学、同济大学、哈尔滨工业大学、湖南大学、天津大学、大连理工大学和中国矿业大学八所高校建环专业的本科培养方案可知，各大高校的课程设置基本是一致的，都符合《高等学校建筑环境与能源应用工程本科指导性专业规范》的要求，一般按照与本专业内涵的紧密程度分为专业基础课程、专业核心课程和专业拓展类课程。图2展示了八所高校主要课程的设置情况。通过学习这些课程，学生可以掌握建环专业的理论知识、设计方法和基本技能，并把握本专业领域的研究方向。专业基础课是高等学校和中等专业学校中设置的一种为专业课学习奠定必要基础的课程，是学生掌握专业知识技能必修的重要课程。不同学校间的专业基础课程的名称大同小异，主要包括流体力学、工程热力学、传热学、建筑环境学、流体输配管网、建筑环境测试技术、工程传热传质学、热质交换原理与设备等。专业核心课程的目的是培养学生的专业素养，加深学生对专业类知识的认知。专业核心课程一般围绕着供热、燃气、通风和空调为核心开设。不同高校之间在具体的课程设置上有所差异，例如有些高校将供热工程、空调工程和通风工程分别授课，也有些高校将三门课程合并为暖通空调一门集中授课。有些高校将燃气供应和燃气输配分开授课，而有些高校则合并为燃气供应与输配。专业基础课程和专业核心课程主要关注学生基本的科学文化素质，追求知识与技能的基础性、全面性、系统性、完整性，为学生的一般发展奠定基础。而专业拓展类课程则在必修课程的内容基础上结合专业的发展趋势以及与其他学科之间的交叉性进行拓展和深化。根据方向差异性，高校中开设的专业拓展类课程主要可以划分为五类：自动控制类、室内环境类、工程管理类、节能类和先进技术类。自动控制类主要包括楼宇自动化控制等智能控制课程。室内环境类主要包括室内热环境模拟以及应用、室内空气品质检测、室内环境健康等课程。工程管理类主要涉及到土木工程材料、施工组织与管理，工程经济管理等课程。先进技术类包括冷热电三联供应用、洁净技术和热泵及其应用技术等。

总之，现有建环专业的课程体系主要基于传统的专业内涵，偏重于基础知识学习，着重开设供热、供燃气、通风及空调系统等相关课程，缺乏对可再生能源、储能等新能源和新技术的重视，导致建环专业与双碳目标下新的建筑节能路径脱节，难以培养学生的创新能力。

三、碳中和目标下建环专业教学体系的发展方向

“30·60”双碳发展目标对建筑提出了供能清洁化和用能电气化的要求，建环专业围绕这两个方向，在课程教学体系上应作如下完善和补充：

供能清洁化指的是关注清洁低碳能源的替代，如提高分布式可再生能源渗透，其改变了传统的建筑用能结构，未来的建筑能源将以非化石能源为主，未来的供暖方式将趋向于热泵空调等电力驱动方式。而现有的建环专业的教学体系中侧重于燃气、燃煤锅炉等常规化石燃料驱动课程，缺少新能源知识体系的教学。因此需要补充热泵等电力驱动供暖方式相关课程。另外，分布式可再生能源将从两个层面对建环专业产生影响。太阳能光热和光电将通过改变供给侧进而间接影响暖通空调运行能耗。另外，光伏建筑一体化（BIPV）的应用将会通过改变围护结构原有的传热结构进而影响到建筑的暖通空调负荷。因此未来建环专业应重视建筑被动设计、暖通空调能耗和可再生能源产出之间的耦合机理和集成技术研究，因此在未来的教学体系中应增设分布式可再生能源相关课程。

对于建筑行业而言，用能全面电气化是降低直接碳排放的关键，实现双碳目标要发展应用全面电气化的柔性建筑用能系统。因此，未来建筑的减排方向将从虚拟边界的总量控制转向同时关注时间尺度的柔性控制，减排维度将从能效单一目标拓展为能效、电网互动性双重目标。为了实现冷、热、电的柔性协同发展，不同专业之间的耦合性将逐渐加深，在未来的教学体系中应加强对储能技术以及电气专业基础知识的普及，另外还可增设综合性强的课程等。

四、结束语

现代科技和产业发展呈现高度综合的态势，学科之间的交叉融合日渐增强，人类社会进入了多科学交叉融合时代。在助力实现建筑行业双碳目标的背景下，建环专业应以新型建筑能源系统新需求为导向，从多学科交叉融合视角对现有的课程体系进行改革，适当弱化传统化石能源相关课程，并增设可再生能源、电气控制、储能技术等方面课程。

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