建筑环境与能源应用工程专业面临的新形势及课程体系改革建议

于国清 吕静 刘洪芝

[摘 要] 建筑环境与能源应用工程专业的基本任务是营造人或者工艺生产所需的室内热湿环境，在建筑热湿环境的营造中要消耗大量的能源，对于建筑能耗影响巨大。随着中国巨大的能源消耗和逐渐严重的环境问题，中国面临的能源形势已经发生深刻变化。本文分析了中国当前建筑用能面临的新形势与新问题，并结合此形势，对本专业的课程体系改革提出了建议。

[关键词] 建筑环境与能源应用工程;能源形势;课程体系;改革

[中图分类号]G642   [文献标志码] A [文章编号] 1008-2549（2020） 05-0068-02

一 建筑环境与能源应用工程发展历史与概况

在我国建筑环境与能源应用工程从创办到发展有几个重要阶段，专业名称也经历过几次重要的改变：

（1）供热、供煤气及通风。早在1950年前后，哈尔滨工业大学、东北工学院、清华大学、同济大学陆续开始创办本专业，当时专业名称为“供热、供煤气及通风”，此后几年里，天津大学、太原工学院、重庆建筑工程学院、湖南大学也先后正式设立了本专业[1]。本专业的主体内容是采暖与通风，简称“暖通”，这个简称一致沿用到现在。

（2）供热通风与空调工程。随着专业的发展，逐渐增加了一些空气调节方面的内容。在1980年前后，专业名称改为“供热通风与空调工程”，空调成为这个专业最重要的内容之一。

（3）建筑环境与设备工程。1998年专业名称调整为“建筑环境与设备工程”，简称“建环”，其初衷是将专业范围从暖通空调拓展到建筑电气、建筑给水排水、消防等机电设备领域。但实际上由于从教的师资仍是原来的供热通风空调工程人员，而电气、给排水、消防这些领域也早已有其他专业的人从事，这次拓展实际上并没有达到预期的效果，本专业的核心业务仍然是原来的暖通空调内容。

（4）建筑环境与能源应用工程。本专业的基本任务是营造一个合适的热湿和洁净环境，满足人们生活或者工艺生产的需要，而为了营造这样一个环境，往往要消耗大量的能源。现已知建筑能耗为全国总能耗的30%，而在建筑能耗中，供暖通风空调方面的能耗又占主要比例，为50%左右。因此本专业的另一项重要任务是提高建筑能源利用效率，降低建筑能耗，因此2012年，专业名称调整为现在的“建筑环境与能源应用工程”，仍简称“建环”。如今，全国近200所学校开设了此专业，在教学及人才培养方面已形成较大的规模[1]。

二 建筑用能面临的新形势

1 低碳的可再生能源应用大幅增加

随着中国经济的高速发展和工业化、城镇化进程的加快，各行各业对于能源的需求快速增长。中国拥有比较丰富的煤炭能源资源，石油和天然气的资源都相对有限。在利用煤炭能源发电和供热时，能源资源枯竭、环境污染等问题日渐突出，因此必须寻找既供应充足又减少环境污染的清洁能源，实现能源转型。在2015年巴黎气候变化大会上通过的《巴黎协定》，针对2020年后的气候变化行动作出应对安排，中国参与其中并积极推动《巴黎协定》的通过，能源消耗必须转型为低碳的可再生能源来应对全球气候变化，中国可再生能源使用比例必须大幅提升，太阳能、风能、生物质能、地热能等可再生能源得到更大规模的开发和利用，减少对煤炭、石油和天然气的依赖[2]。

2 电力与建筑的联系更加紧密

（1）供热热源越来越依靠热泵。在中国北方城市，原本寒冷的冬季主要采用燃煤锅炉进行供热，然而大量燃煤伴随产生雾霾等环境污染问题，为了减少燃煤产生的污染、改善空气质量，必须大力发展清洁供暖，供暖是建环专业的核心任务之一。国家提出并大力倡导煤改电，也就是利用电动热泵供热取代燃煤锅炉过热，建筑供暖能耗由燃煤转变为耗电。对建环专业来说，不但制冷机、风机、水泵需要用电，建筑供暖也用电，建筑与电的使用越发密不可分。

（2）热和电的联系更加密切。在以往许多火力发电厂的生产过程中，总有一部分废热被丢弃，这是一种极大的能源消耗。热电联产则是热能和电能联合生产的一种高效能源生产方式，发展热电联产可高效利用这些废热。原来热电联产电厂冬季采用“以热定电”，机组发电负荷无法进行调节，无法进行调峰。吸收式换热技术在热网上的应用，使得原来热电厂的热能得到更充分的利用。“热电协同”模式——增设大型蓄热装置及热泵的提出可以在不减少供热量的前提下，大幅提高了发电调节范围[3]。因此供热与发电的关系更加密切。

（3）汽车用电进入建筑。中国为实现能源可持续发展，近年来积极推动新能源汽车的发展，新能源汽车不同于以往汽车耗油，其能耗形式一般为电能。以往汽车加油时需要前往当地的加油站，而电动汽车大多通过小区或公共建筑停车库设置的充电桩进行充电，因此汽车用能也成为建筑用电中重要的一部分，这对建筑用能将产生深刻影响。

（4）分布式能源与建筑一体化。分布式能源主要以天然气或可再生能源如太阳能和风能为一次能源，进行发电或者热电联产，在中国现处于发展阶段。可再生能源促进了分布式能源的发展，分布式能源是建立在用户端的能源供应的方式，比较典型的是太阳能利用与建筑一体化。这样建筑既消耗能源，也可生产能源，与原来的单纯消耗能源发生了巨大花边，发展分布式能源技术在中国是必然的能源发展方向。

（5）建筑用电直流化与柔性用电。目前建筑的用电器具越来越多的使用直流电。光伏發电、蓄热电池也是直流，以及目前的直流特高压输电技术，因此从电力的生产、输配和终端用电，直流技术应用越来越多，从直流到直流可以减少直流到交流的变换环节，效率更高，使用更方便。因此直流建筑的概念呼之欲出。随着电动汽车使用比例的逐渐增大，大量的充电桩使得配电容量加大，城市配电系统变得极不稳定，大比例采用柔性用电模式成为解决问题的核心。柔性用电不同于以往的供需强耦合的刚性用电，能够使得建筑供电更具有可靠性，主要解决办法是考虑到建筑自身负荷可调节，在建筑中布置安装蓄电池系统从而实现建筑用电直流化，用电模式变为柔性用电模式。大力发展柔性用电模式能够改变城市配电结构，实现电的稳定性需求，是中国现阶段的能源改革目标。

3 能源的储存越来越重要

在经济和社会的发展过程中，人类在不同时期对于能源的需求是不同的，即使是在一天里面，夜晚和白天所需的能源也有不同，此时能源若是保持相同供应量，则会和需求不一致，产生供需矛盾，导致能源在一定程度上的浪费，为了节约能源、平衡供需，能源的储存显得越发重要。能源的储存主要包括冷、热、电的蓄存，蓄冷的主要形式有冰蓄冷、水蓄冷等，其原理是利用峰谷电价差来实现节约电费;较成熟的蓄热设备有电蓄热锅炉、蒸汽蓄热器等，蓄热材料如相变蓄热、吸附蓄热材料也在多个领域得到使用;而电是无法以电能的形式保存的，可转换为更便利经济且可存储的其他能进行储存。

4能源的综合与能源互联网

美国学者杰里米·里夫金在2011年首次提出了一种新的能源体系—能源互联网;我国也在积极倡议探讨构建全球能源互联网，推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求。能源互联网可理解为以智能电网为基础，运用电子互联网的技术将分布式能源、天然气网络、石油网络等互相连接起来，形成一个庞大的互联网系统。中国大力发展能源综合利用，并推动能源互联网的形成以面对能源转型的新形势。

三 课程体系改革建议

1 增加电能的相关课程

制冷机、风机、水泵需要用电，热能来源也由锅炉为主变为电动热泵为主，电热供暖，太阳能光伏发电，甚至汽车充电也进入建筑用能之中，电力在建筑中将发挥更大的作用，建环专业与电的关系会更加紧密。除了已有的电工学基础课程外，应大力增强对电能的学习，从电能的产生、输配、储存到应用，掌握电能在整个系统调控运行过程中的特性，学习发电厂、变电所相关知识，了解微型电网、智能电网、柔性用电系统等热门内容。制冷机、热泵、风机、水泵等设备的用电特性。

2 增加可再生能源的相关课程

中国的可再生能源资源丰富，可再生能源的发展是节约能源、减少环境污染的基本途径，相关知识应纳入建环课程体系之中。可再生能源的课程应包括：

（1）太阳能。太阳能课程包括：太阳能的相关基础知识;太阳能的收集方式和设备原理、储存形式;太阳能应用于制冷和供热的原理和技术特点;太阳能光伏、光热发电技术原理及其发电系统特性;主动式和被动式太阳能技术。

（2）风能。风能课程包括：风能的形成、特性及資源分布;风力发电的工作原理和设备形式;风力发电特性。

（3）生物质能。生物质能课程包括：生物质能的种类、特性及资源的产生过程;生物质能的应用途径;生物质能发电流程和特点;生物质能使用经济性分析。

3 储能的相关课程

能源变得逐渐紧缺，能量的储存也变得至关重要，储能主要有蓄冷、蓄热和蓄电等方式。

（1）蓄热蓄冷技术。常见的蓄热方式、蓄热材料的性能要求及分类（显热蓄热、相变蓄热技术、化学蓄热技术）、典型的蓄热材料及应用、蓄热装置的特性，蓄热系统的流程、设备选择与运行控制、技术经济性分析。

（2）蓄电技术。常见的电能储存方式、蓄电池装置的特性，蓄电系统的流程、设备选择与运行控制、技术经济性分析。

4 能源综合利用与能源互联网的相关课程

能源互联网是一个庞大的系统，这方面的知识是对发电、蓄能、输配、用能等方面的融会贯通，因此除了学习电能、可再生能源、储能的相关课程外，还应增加能源互联的基本概念及其原理和方法，增加分布式能源、热电联产、热电协同的相关知识。了解能源互联网的发展背景、定义、功能、特征和架构;建设能源互联网需要的关键技术，包括能源基础设施关键技术、信息通信关键技术、电力电子技术和平台技术。智慧能源的定义、功能、特征和体系结构;能源总量控制、能源生产和消费的智能配置的原则和方法。

参考文献：

[1] 龚宝钐.建筑环境与能源应用工程专业当下的发展前景[J].科技展望，2016，26（34）：340.

[2] 张所续，马伯永.世界能源发展趋势与中国能源未来发展方向[J].中国国土资源经济，2019（10）：20-27+33.

[3] 吴彦廷，尹顺永，付林，江亿.“热电协同”提升热电联产灵活性[J].区域供热，2018（01）：32-38.

[4]向楠，李鹏，张雪芹，许凯.国内分布式能源发展现状与应用前景[J].科技资讯，2019，17（18）：38-44.

（责任编辑：张宏玉）