“工程熱力學(xué)”教學(xué)中加強節(jié)能減排意識培養(yǎng)的若干思考和實踐

屈健　吉恒松　王謙

摘 要：為適應(yīng)我國能源發(fā)展戰(zhàn)略，在“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)中加強節(jié)能減排意識培養(yǎng)是課程教革的重要方向之一。本文從 “工程熱力學(xué)”課程的內(nèi)容角度出發(fā)，分析了其與節(jié)能減排及相關(guān)經(jīng)濟社會發(fā)展的密切關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上提出該課程為促進相關(guān)專業(yè)學(xué)生節(jié)能減排意識培養(yǎng)應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任，同時從不同角度闡述了若干可以采取的教學(xué)措施和實踐方法，強調(diào)在工程熱力學(xué)教學(xué)中應(yīng)增大相關(guān)內(nèi)容教學(xué)的比重。

關(guān)鍵詞：工程熱力學(xué) 節(jié)能減排 教學(xué)措施

中圖分類號：G642.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（b）-0187-02

無論是中國制造2025還是互聯(lián)網(wǎng)+時代，都將節(jié)能和減排（特別是碳排放）視為產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中必須高度重視的約束條件。以互聯(lián)網(wǎng)+為例，IT產(chǎn)業(yè)已成為化工、鋼鐵之后第五大能耗產(chǎn)業(yè)，對溫室氣體排放具有重要影響。目前，全球所有數(shù)據(jù)中心每年的耗電量相當(dāng)于60座核電站的發(fā)電量；而2015年中國數(shù)據(jù)中心的耗電量已占到約3座三峽大壩的全年發(fā)電量。當(dāng)前我國在實施新能源戰(zhàn)略過程中面臨核心技術(shù)儲備不足和內(nèi)需市場啟動困難等問題，節(jié)能減排問題應(yīng)被放在更為重要的高度上去思考，建設(shè)與之相適應(yīng)的節(jié)能和低碳社會也是我國的發(fā)展戰(zhàn)略重點和全民教育的重要方向[1]。

工程熱力學(xué)作為能源動力工程、建筑環(huán)境與設(shè)備工程、新能源科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的理論基礎(chǔ)課，其研究內(nèi)容與目前全球廣泛關(guān)注的能源高效利用、節(jié)能減排和新能源開發(fā)等問題密切相關(guān)[2]。該課程中所包含的能量守恒、能質(zhì)貶值理論和各種熱力循環(huán)，對我國節(jié)能減排工作具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 增強節(jié)能減排意識的重要性和緊迫性

當(dāng)前，我國已成為世界第二能源消費國和第一溫室氣體排放國，其中約90%的CO2排放來自于能源消耗，而作為“高碳”能源的燃煤/燃氣火力發(fā)電又是溫室氣體排放的主體。由我國能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀可以預(yù)見，在今后一定的時間內(nèi)該種電力結(jié)構(gòu)仍將居于主導(dǎo)地位，CO2排放量不可避免地仍會繼續(xù)增加，因此如何最大限度降低碳排放、實現(xiàn)高碳產(chǎn)業(yè)低碳化，是關(guān)系到國計民生和國家經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大問題。特別是隨著美國宣布退出《巴黎協(xié)定》，我國已成為全球CO2減排的領(lǐng)導(dǎo)者，我國政府將堅定不移地推進2030年目標(biāo)，即CO2排放量在2030年左右達到峰值，較2005年降低60%～65%，由此也受到國際輿論的廣泛好評。但在上述時間跨度內(nèi)實現(xiàn)如此大規(guī)模的減排目標(biāo)，需要付出艱苦卓絕的努力，任重道遠。同時，減排項目也必須加強節(jié)能技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，避免因片面追求減排而造成的能耗激增，注重社會效益和環(huán)境效益均衡。因此，我國需要加快經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式，實現(xiàn)有效減排和節(jié)能的協(xié)調(diào)發(fā)展，這也是擺在我國政府面前一項緊迫的戰(zhàn)略任務(wù)。

2 “工程熱力學(xué)”教學(xué)中加強節(jié)能減排意識培養(yǎng)

工程熱力學(xué)是研究熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換規(guī)律及熱能有效利用的學(xué)科，其核心內(nèi)容是研究如何提高能源轉(zhuǎn)換的效率。熱力學(xué)第一定律從數(shù)量角度解決能源節(jié)約問題；而熱力學(xué)第二定律則是從能源品質(zhì)角度為節(jié)能提供理論基礎(chǔ)，即在熱現(xiàn)象的轉(zhuǎn)化中如何通過各種因素提高能量的品質(zhì)。在相同的能源使用前提下，實現(xiàn)能源的梯級利用和提高對低品質(zhì)能源的利用效率，是節(jié)能減排的重要方面[3]。

經(jīng)典熱力學(xué)的理論框架所對應(yīng)的經(jīng)濟社會發(fā)展模式，實際上是以化石燃料為基礎(chǔ)，而化石能源生產(chǎn)和消費排放的大量溫室氣體導(dǎo)致全球氣候變化。作為世界范圍內(nèi)工程熱力學(xué)領(lǐng)域最暢銷的教科書，由美國內(nèi)華達大學(xué)Cengel教授北卡羅來納州立大學(xué)Boles教授合著的《Thermodynamics： An Engineering Approach》[4]（已更新至第7版）一書中所涉及能源和環(huán)境、氣候變化、可再生能源開發(fā)與利用等非傳統(tǒng)經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容在教材中所占的比重越來越大，重視節(jié)能減排教學(xué)及相關(guān)意識培養(yǎng)已成為工程熱力學(xué)課程教育發(fā)展的重要趨勢。

但是，國內(nèi)現(xiàn)有的教材和課堂教學(xué)中，與節(jié)能減排、低碳技術(shù)和應(yīng)對全球氣候變化等相關(guān)的內(nèi)容尚未占據(jù)相應(yīng)的重要地位，因此如何在現(xiàn)有的教學(xué)體系中整合這部分內(nèi)容正成為能源工程教育者共同關(guān)心的問題[5]。

3 教學(xué)措施和實踐方法

在工程熱力學(xué)課程的緒論部分，可以充分利用多媒體教學(xué)優(yōu)點，圖文并茂、聲像結(jié)合的給學(xué)生系統(tǒng)講解我國的能源現(xiàn)狀、存在的問題和面臨的形勢，力求介紹的內(nèi)容與時代發(fā)展同步，使其了解現(xiàn)有能源消費結(jié)構(gòu)存在的弊端和為緩解能源壓力而加強節(jié)能工作的緊迫性，以及溫室氣體排放失控所帶來的全球性氣候災(zāi)難。在此過程中，可通過一些具體的例子來說明我國利用能源的技術(shù)現(xiàn)狀——能源消耗多、利用率低，比如2012年我國單位GDP所消耗的能源是世界平均水平的2倍，是發(fā)達國家的4倍，目前我國能源效率與世界先進水平相比仍有較大差距，這也成為制約我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素之一。

在后續(xù)的學(xué)習(xí)過程中，通過講授使學(xué)生在深入理解熱力學(xué)第一/第二定律的內(nèi)涵和特點的基礎(chǔ)上，學(xué)會使用熵分析及?分析法對具體熱力設(shè)備或系統(tǒng)進行分析，了解各部件或單元的能耗及節(jié)能潛力，最大限度降低系統(tǒng)能耗并提高熱能轉(zhuǎn)換利用效率，為節(jié)能和減少碳排放創(chuàng)造條件。為此可從工程熱力學(xué)的視角給出提高熱力設(shè)備系統(tǒng)能源效率的方案，使學(xué)生了解在工程中能量如何轉(zhuǎn)化利用并進一步熟悉節(jié)能減排的途徑、成效等。

因能源利用效率低，直接導(dǎo)致我國的節(jié)能減排面臨嚴峻形勢，與之密切相關(guān)的內(nèi)容是工程熱力學(xué)中所涉及的一個重要循環(huán)——朗肯循環(huán)。作為蒸汽動力循環(huán)，朗肯循環(huán)是目前各類火力發(fā)電廠運行發(fā)電的理論基礎(chǔ)，集中反映了熱能利用并將其大規(guī)模轉(zhuǎn)化為機械能及電能的特點，以朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)的火力蒸汽電站也是工程熱力學(xué)在工業(yè)應(yīng)用中的一個典范。本部分內(nèi)容的導(dǎo)入可從溫室氣體排放著手，然后進入與溫室氣體排放息息相關(guān)的火電領(lǐng)域，并由此引出朗肯循環(huán)的內(nèi)容。在以燃煤為主的火電領(lǐng)域，目前我國火電廠每年消耗的原煤約25億噸，而燃燒1噸煤就產(chǎn)生約2.6噸二氧化碳，致使我國近年來的CO2排放超過美國成為世界上排放量最大的國家。為減少CO2排放，必須提高發(fā)電效率，由此需要采取回?zé)帷⒃贌帷犭娐?lián)產(chǎn)和冷熱電聯(lián)產(chǎn)等措施。采用這些節(jié)能措施對減少溫室氣體排放的幫助很大，例如每提高1%的發(fā)電效率就可減少上億噸的CO2排放。此外，也可以從工程熱力學(xué)的角度對傳統(tǒng)的燃煤電廠進行更大的技術(shù)改進，比如使用聯(lián)合循環(huán)蒸汽-燃氣輪機，可使發(fā)電效率大幅提高，從蒸汽循環(huán)的40%多提高到接近60%。endprint