“双碳”目标下建筑能源系统教学案例库建设与实践

2022-02-18曲明璐严旭峰

科教导刊·电子版 2022年35期

曲明璐，严旭峰，李钊

（上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093）

2020年我国正式提出“双碳”目标，自此“双碳”目标上升为国家战略和行动方案，展现出我国追求净零排放与碳排放脱钩的决心，让环境污染和资源耗损不再成为经济增长的负效应[1]。在此背景下，加强对研究生的专业能力培养，为实现这一目标起到了至关重要的作用。此外，随着社会对专业学位研究生教育质量要求的不断提高，教学案例建设作为其重要的实践路径，已成为高校人才培养模式改革的关注重点[2]。

教学应该是多动态因素之间的多边互动的统一体，而不仅是师生之间的双边活动[3]。案例教学法，主要指的是一种以案例为基础的教学方式，其从根本上来讲与传统教学模式不同，是一种两难的教育情境，没有标准、唯一或者特定的解决办法。教师在案例教学中处于激励者、设计者以及引导者的角色，能够更好地将知识传播给学生[4]。

实现教学方法的转变，在当前的教育背景下，最直接的解决办法是改变案例教学的评分标准，降低理论知识分数的占比，让学生从自我意识层面上发生转变，提高对案例讨论的重视程度，转变以理论记忆为主的学习方式。进而通过案例素材的收集、交流，使学生掌握独立解决该专业问题的能力[5]。现有教学实践证明，案例教学法实施后学生的各项指标均有较大的提高，有效地调动了学生的学习兴趣，教学质量显著提高[6-9]。

本文将科研成果转化为教学内容，引入综合性工程案例，通过知识点案例让学生更深层次理解所传授的知识点，在教师的引导下思考如何解决问题。把理论与实际应用相结合，作为实例教学和学生研究性学习的课题或项目，使学生更明确学习目的，加深对基础知识的理解，避免单纯课本知识的枯燥无味。我国建筑节能发展至今各项技术已趋成熟，进一步的节能减排需要在建筑可再生能源系统方面探寻新的路径。通过案例库的理论分析、系统仿真、实例分析、交流讨论等手段，锻炼和提高暖通研究生发现问题、分析问题、解决问题等工程实践能力。

1 总体思路

对标国家建设重大需求和学科内涵，创新教学模式，在理论教学中融入案例教学，渗透实践能力培养；将科研成果转化为教学内容，在理论教学中开展分组创新活动培养创新意识和能力，激发学生专业学习兴趣；通过专业实验平台及虚拟平台，加深学生对专业知识的理解，增强动手能力；通过专业硕士实践基地，开阔学生视野，增强团队合作意识。

建筑环境与能源应用工程以建筑为对象，用人工环境与能源应用工程技术，创造适合人类生活与工作环境以及满足生产与科学实验要求的环境。为新工科模式“环境与建筑平台”重要学科，培养工程型和创新性专业人才。

本案例依托的两门课程《空调用热泵技术及应用》与《现代空调技术与运维》均属于学术型硕士生与专业学位硕士生专业课程模块，课程内容归属建筑新能源与设备环保节能技术方向，是暖通工程师培养的主要环节。其中，《空调用热泵技术及应用》课程建设的目的是使研究生了解热泵在空调应用方面的新技术、新工艺和新设备和应用前景，节约能源，使基础理论与专业新技术的有机结合。《现代空调技术与运维》课程主要以当前空调系统技术最新发展为主要内容，针对不同类型建筑，从空调系统的基本概况、空调系统冷热源设备及空气处理设备、空调系统设计、建筑室内环境参数测试与控制、空调系统调试运行与节能的角度进行授课，从空调系统相关知识的广度与深度对学生进行培养。这两门课程旨在提高学生对本专业的学科发展的了解，使其获得对该领域问题进行分析和解决的基本能力，提升学生的基本科研能力与工程专业素养。

2 具体举措

（1）将科研成果转化为教学内容，在理论教学中开展分组创新活动培养创新意识和能力，激发学生专业学习兴趣。通过知识点案例让学生更深层次理解所传授的知识点，在教师的引导下思考如何解决问题。让学生认识到在双碳目标的时代背景下，作为暖通工程师更要始终牢记肩上的绿色使命，树立专业荣誉感与社会责任感，在建筑中大力推广使用可再生能源以及节能环保的暖通空调新技术，走可持续的建筑能源之路，助推“双碳”目标。

（2）引入综合性工程案例，把可再生能源理论、建筑能源系统、建筑冷热源知识与实际应用相结合，作为实例教学和学生研究性学习的课题或项目，使学生更明确学习目的，加深对基础知识的理解，避免单纯课本知识的枯燥无味。

以地源热泵工程教学为例，首先通过与学生交流互动的形式，回忆所学知识。在此基础上掌握巩固地源热泵的概念与理论基础，土壤换热器的传热分析，以及地源热泵系统设计要点与步骤等理论性知识，组织学生分组讨论，互动再进一步讲解地源热泵系统的应用场合与运行特性，最后介绍地源热泵工程实例并通过虚拟平台进行运行展示。

图1 虚拟平台：在地源热泵机房场景中进行制冷机组的启动、数据记录等相关操作

智慧建筑集中空调系统运行调节虚拟仿真实验平台可以为学生提供近似实际工程项目运行调节的实践训练，而与线下的模块化缩尺集中空调系统实体实验结合则可以有效形成线上线下混合式教学。学生通过线上虚拟仿真，实践不同工况下的系统运行调节方法，并在线下实体实验进行印证，从而可以加深对运行调节知识点的掌握[10]。图2展示了在地源热泵机房场景中进行制冷机组的启动、数据记录等相关操作。

图2 光伏光热联合双源热泵系统实验台布置图

（3）依据太阳能光热光电利用、热泵等技术在建筑中的应用实际，2～3位学生组成一个团队，根据教材、文献、相关网站等课业资料进行团队讨论，利用2～4学时的时间，按团队进行PPT汇报。在先掌握了太阳能热泵工作原理和太阳能光伏建筑一体化的基础上，通过综合案例的学习，加强学生对知识体系的理解，提高学生的知识运用能力与团队合作精神。教学中从理论层面解释降低能源消耗和二氧化碳排放的原因和方法，提高学生节能和环保的相关意识及对专业知识的渴求，培养学生用科学的思想方法观察、思考、分析问题的能力，勇于实践、不断创新、进取，为我国节能减排的发展注入新的活力。

在此案例中，依托上海理工大学环境与建筑学院光伏光热联合双源热泵系统实验台，如图2所示，学生有机会在学习理论知识的同时，提出一些假设和猜想，最后通过该实验台实测验证，通过理论加以实践的方式进行学习，加强学生对知识的运用能力，加深学生对理论知识的认知。

此外，学生还可以借助TRNSYS模拟软件进一步学习。TRNSYS软件大部分是用在主动或被动利用太阳能的新能源工程领域，由美国威斯康星大学开发，是基于图形界面的极其灵活的软件环境，用于模拟系统瞬时的性能。光伏光热联合双源热泵系统TRNSYS模型如图3所示。通过输入的参数，学生可以对系统进行仿真模拟，获得运行参数。通过软件仿真模拟的形式学习，既培养了学生软件操作能力，也巩固了所学知识。