“雙碳”目標下建筑能源系統教學案例庫建設與實踐

曲明璐，嚴旭峰，李 釗

（上海理工大學 環境與建筑學院，上海 200093）

2020年我國正式提出“雙碳”目標，自此“雙碳”目標上升為國家戰略和行動方案，展現出我國追求凈零排放與碳排放脫鉤的決心，讓環境污染和資源耗損不再成為經濟增長的負效應[1]。在此背景下，加強對研究生的專業能力培養，為實現這一目標起到了至關重要的作用。此外，隨著社會對專業學位研究生教育質量要求的不斷提高，教學案例建設作為其重要的實踐路徑，已成為高校人才培養模式改革的關注重點[2]。

教學應該是多動態因素之間的多邊互動的統一體，而不僅是師生之間的雙邊活動[3]。案例教學法，主要指的是一種以案例為基礎的教學方式，其從根本上來講與傳統教學模式不同，是一種兩難的教育情境，沒有標準、唯一或者特定的解決辦法。教師在案例教學中處于激勵者、設計者以及引導者的角色，能夠更好地將知識傳播給學生[4]。

實現教學方法的轉變，在當前的教育背景下，最直接的解決辦法是改變案例教學的評分標準，降低理論知識分數的占比，讓學生從自我意識層面上發生轉變，提高對案例討論的重視程度，轉變以理論記憶為主的學習方式。進而通過案例素材的收集、交流，使學生掌握獨立解決該專業問題的能力[5]。現有教學實踐證明，案例教學法實施后學生的各項指標均有較大的提高，有效地調動了學生的學習興趣，教學質量顯著提高[6-9]。

本文將科研成果轉化為教學內容，引入綜合性工程案例，通過知識點案例讓學生更深層次理解所傳授的知識點，在教師的引導下思考如何解決問題。把理論與實際應用相結合，作為實例教學和學生研究性學習的課題或項目，使學生更明確學習目的，加深對基礎知識的理解，避免單純課本知識的枯燥無味。我國建筑節能發展至今各項技術已趨成熟，進一步的節能減排需要在建筑可再生能源系統方面探尋新的路徑。通過案例庫的理論分析、系統仿真、實例分析、交流討論等手段，鍛煉和提高暖通研究生發現問題、分析問題、解決問題等工程實踐能力。

1 總體思路

對標國家建設重大需求和學科內涵，創新教學模式，在理論教學中融入案例教學，滲透實踐能力培養；將科研成果轉化為教學內容，在理論教學中開展分組創新活動培養創新意識和能力，激發學生專業學習興趣；通過專業實驗平臺及虛擬平臺，加深學生對專業知識的理解，增強動手能力；通過專業碩士實踐基地，開闊學生視野，增強團隊合作意識。

建筑環境與能源應用工程以建筑為對象，用人工環境與能源應用工程技術，創造適合人類生活與工作環境以及滿足生產與科學實驗要求的環境。為新工科模式“環境與建筑平臺”重要學科，培養工程型和創新性專業人才。

本案例依托的兩門課程《空調用熱泵技術及應用》與《現代空調技術與運維》均屬于學術型碩士生與專業學位碩士生專業課程模塊，課程內容歸屬建筑新能源與設備環保節能技術方向，是暖通工程師培養的主要環節。其中，《空調用熱泵技術及應用》課程建設的目的是使研究生了解熱泵在空調應用方面的新技術、新工藝和新設備和應用前景，節約能源，使基礎理論與專業新技術的有機結合。《現代空調技術與運維》課程主要以當前空調系統技術最新發展為主要內容，針對不同類型建筑，從空調系統的基本概況、空調系統冷熱源設備及空氣處理設備、空調系統設計、建筑室內環境參數測試與控制、空調系統調試運行與節能的角度進行授課，從空調系統相關知識的廣度與深度對學生進行培養。這兩門課程旨在提高學生對本專業的學科發展的了解，使其獲得對該領域問題進行分析和解決的基本能力，提升學生的基本科研能力與工程專業素養。

2 具體舉措

（1）將科研成果轉化為教學內容，在理論教學中開展分組創新活動培養創新意識和能力，激發學生專業學習興趣。通過知識點案例讓學生更深層次理解所傳授的知識點，在教師的引導下思考如何解決問題。讓學生認識到在雙碳目標的時代背景下，作為暖通工程師更要始終牢記肩上的綠色使命，樹立專業榮譽感與社會責任感，在建筑中大力推廣使用可再生能源以及節能環保的暖通空調新技術，走可持續的建筑能源之路，助推“雙碳”目標。

（2）引入綜合性工程案例，把可再生能源理論、建筑能源系統、建筑冷熱源知識與實際應用相結合，作為實例教學和學生研究性學習的課題或項目，使學生更明確學習目的，加深對基礎知識的理解，避免單純課本知識的枯燥無味。

以地源熱泵工程教學為例，首先通過與學生交流互動的形式，回憶所學知識。在此基礎上掌握鞏固地源熱泵的概念與理論基礎，土壤換熱器的傳熱分析，以及地源熱泵系統設計要點與步驟等理論性知識，組織學生分組討論，互動再進一步講解地源熱泵系統的應用場合與運行特性，最后介紹地源熱泵工程實例并通過虛擬平臺進行運行展示。

圖1 虛擬平臺：在地源熱泵機房場景中進行制冷機組的啟動、數據記錄等相關操作

智慧建筑集中空調系統運行調節虛擬仿真實驗平臺可以為學生提供近似實際工程項目運行調節的實踐訓練，而與線下的模塊化縮尺集中空調系統實體實驗結合則可以有效形成線上線下混合式教學。學生通過線上虛擬仿真，實踐不同工況下的系統運行調節方法，并在線下實體實驗進行印證，從而可以加深對運行調節知識點的掌握[10]。圖2展示了在地源熱泵機房場景中進行制冷機組的啟動、數據記錄等相關操作。

圖2 光伏光熱聯合雙源熱泵系統實驗臺布置圖

（3）依據太陽能光熱光電利用、熱泵等技術在建筑中的應用實際，2～3位學生組成一個團隊，根據教材、文獻、相關網站等課業資料進行團隊討論，利用2～4學時的時間，按團隊進行PPT匯報。在先掌握了太陽能熱泵工作原理和太陽能光伏建筑一體化的基礎上，通過綜合案例的學習，加強學生對知識體系的理解，提高學生的知識運用能力與團隊合作精神。教學中從理論層面解釋降低能源消耗和二氧化碳排放的原因和方法，提高學生節能和環保的相關意識及對專業知識的渴求，培養學生用科學的思想方法觀察、思考、分析問題的能力，勇于實踐、不斷創新、進取，為我國節能減排的發展注入新的活力。

在此案例中，依托上海理工大學環境與建筑學院光伏光熱聯合雙源熱泵系統實驗臺，如圖2所示，學生有機會在學習理論知識的同時，提出一些假設和猜想，最后通過該實驗臺實測驗證，通過理論加以實踐的方式進行學習，加強學生對知識的運用能力，加深學生對理論知識的認知。

此外，學生還可以借助TRNSYS模擬軟件進一步學習。TRNSYS軟件大部分是用在主動或被動利用太陽能的新能源工程領域，由美國威斯康星大學開發，是基于圖形界面的極其靈活的軟件環境，用于模擬系統瞬時的性能。光伏光熱聯合雙源熱泵系統TRNSYS模型如圖3所示。通過輸入的參數，學生可以對系統進行仿真模擬，獲得運行參數。通過軟件仿真模擬的形式學習，既培養了學生軟件操作能力，也鞏固了所學知識。

圖3 光伏光熱聯合雙源熱泵系統TRNSYS模型圖

3 結論

（1）本案例教學內容結合產業和技術的最新發展、行業對人才培養的最新要求、領域內重點問題、實踐中代表性問題，更新教育觀念、轉變教學理念和教學方法。

（2）利用產學研合作擴充案例教學資源。通過校企合作，收集建筑能源系統領域有價值的案例，歸納總結，收集入庫。

（3）充分發揮“線上”和“線下”兩種教學的優勢改造傳統教學，并從課程組織形式上有的放矢地進行創新改善，尤其對如虛擬實驗、翻轉課堂、電子移動設備應用等新型教學方式，提高學生學習主動性、參與度。