“工程热力学”教学中加强节能减排意识培养的若干思考和实践

摘 要：为适应我国能源发展战略，在“工程热力学”课程教学中加强节能减排意识培养是课程教革的重要方向之一。本文从 “工程热力学”课程的内容角度出发，分析了其与节能减排及相关经济社会发展的密切关系，并在此基础上提出该课程为促进相关专业学生节能减排意识培养应承担的责任，同时从不同角度阐述了若干可以采取的教学措施和实践方法，强调在工程热力学教学中应增大相关内容教学的比重。

关键词：工程热力学 节能减排 教学措施

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（b）-0187-02

无论是中国制造2025还是互联网+时代，都将节能和减排（特别是碳排放）视为产业发展过程中必须高度重视的约束条件。以互联网+为例，IT产业已成为化工、钢铁之后第五大能耗产业，对温室气体排放具有重要影响。目前，全球所有数据中心每年的耗电量相当于60座核电站的发电量；而2015年中国数据中心的耗电量已占到约3座三峡大坝的全年发电量。当前我国在实施新能源战略过程中面临核心技术储备不足和内需市场启动困难等问题，节能减排问题应被放在更为重要的高度上去思考，建设与之相适应的节能和低碳社会也是我国的发展战略重点和全民教育的重要方向[1]。

工程热力学作为能源动力工程、建筑环境与设备工程、新能源科学与技术等专业的理论基础课，其研究内容与目前全球广泛关注的能源高效利用、节能减排和新能源开发等问题密切相关[2]。该课程中所包含的能量守恒、能质贬值理论和各种热力循环，对我国节能减排工作具有重要的理论指导意义。

1 增强节能减排意识的重要性和紧迫性

当前，我国已成为世界第二能源消费国和第一温室气体排放国，其中约90%的CO2排放来自于能源消耗，而作为“高碳”能源的燃煤/燃气火力发电又是温室气体排放的主体。由我国能源结构现状可以预见，在今后一定的时间内该种电力结构仍将居于主导地位，CO2排放量不可避免地仍会继续增加，因此如何最大限度降低碳排放、实现高碳产业低碳化，是关系到国计民生和国家经济可持续发展的重大问题。特别是随着美国宣布退出《巴黎协定》，我国已成为全球CO2减排的领导者，我国政府将坚定不移地推进2030年目标，即CO2排放量在2030年左右达到峰值，较2005年降低60%～65%，由此也受到国际舆论的广泛好评。但在上述时间跨度内实现如此大规模的减排目标，需要付出艱苦卓绝的努力，任重道远。同时，减排项目也必须加强节能技术的工业应用，避免因片面追求减排而造成的能耗激增，注重社会效益和环境效益均衡。因此，我国需要加快经济结构调整、转变经济增长方式，实现有效减排和节能的协调发展，这也是摆在我国政府面前一项紧迫的战略任务。

2 “工程热力学”教学中加强节能减排意识培养

工程热力学是研究热能和机械能相互转换规律及热能有效利用的学科，其核心内容是研究如何提高能源转换的效率。热力学第一定律从数量角度解决能源节约问题；而热力学第二定律则是从能源品质角度为节能提供理论基础，即在热现象的转化中如何通过各种因素提高能量的品质。在相同的能源使用前提下，实现能源的梯级利用和提高对低品质能源的利用效率，是节能减排的重要方面[3]。

经典热力学的理论框架所对应的经济社会发展模式，实际上是以化石燃料为基础，而化石能源生产和消费排放的大量温室气体导致全球气候变化。作为世界范围内工程热力学领域最畅销的教科书，由美国内华达大学Cengel教授北卡罗来纳州立大学Boles教授合著的《Thermodynamics： An Engineering Approach》[4]（已更新至第7版）一书中所涉及能源和环境、气候变化、可再生能源开发与利用等非传统经典教学内容在教材中所占的比重越来越大，重视节能减排教学及相关意识培养已成为工程热力学课程教育发展的重要趋势。

但是，国内现有的教材和课堂教学中，与节能减排、低碳技术和应对全球气候变化等相关的内容尚未占据相应的重要地位，因此如何在现有的教学体系中整合这部分内容正成为能源工程教育者共同关心的问题[5]。

3 教学措施和实践方法

在工程热力学课程的绪论部分，可以充分利用多媒体教学优点，图文并茂、声像结合的给学生系统讲解我国的能源现状、存在的问题和面临的形势，力求介绍的内容与时代发展同步，使其了解现有能源消费结构存在的弊端和为缓解能源压力而加强节能工作的紧迫性，以及温室气体排放失控所带来的全球性气候灾难。在此过程中，可通过一些具体的例子来说明我国利用能源的技术现状——能源消耗多、利用率低，比如2012年我国单位GDP所消耗的能源是世界平均水平的2倍，是发达国家的4倍，目前我国能源效率与世界先进水平相比仍有较大差距，这也成为制约我国经济社会发展的重要因素之一。

在后续的学习过程中，通过讲授使学生在深入理解热力学第一/第二定律的内涵和特点的基础上，学会使用熵分析及㶲分析法对具体热力设备或系统进行分析，了解各部件或单元的能耗及节能潜力，最大限度降低系统能耗并提高热能转换利用效率，为节能和减少碳排放创造条件。为此可从工程热力学的视角给出提高热力设备系统能源效率的方案，使学生了解在工程中能量如何转化利用并进一步熟悉节能减排的途径、成效等。

因能源利用效率低，直接导致我国的节能减排面临严峻形势，与之密切相关的内容是工程热力学中所涉及的一个重要循环——朗肯循环。作为蒸汽动力循环，朗肯循环是目前各类火力发电厂运行发电的理论基础，集中反映了热能利用并将其大规模转化为机械能及电能的特点，以朗肯循环为基础的火力蒸汽电站也是工程热力学在工业应用中的一个典范。本部分内容的导入可从温室气体排放着手，然后进入与温室气体排放息息相关的火电领域，并由此引出朗肯循环的内容。在以燃煤为主的火电领域，目前我国火电厂每年消耗的原煤约25亿吨，而燃烧1吨煤就产生约2.6吨二氧化碳，致使我国近年来的CO2排放超过美国成为世界上排放量最大的国家。为减少CO2排放，必须提高发电效率，由此需要采取回热、再热、热电联产和冷热电联产等措施。采用这些节能措施对减少温室气体排放的帮助很大，例如每提高1%的发电效率就可减少上亿吨的CO2排放。此外，也可以从工程热力学的角度对传统的燃煤电厂进行更大的技术改进，比如使用联合循环蒸汽-燃气轮机，可使发电效率大幅提高，从蒸汽循环的40%多提高到接近60%。

与传统朗肯循环面向高温热源不同，有机朗肯循环则是近年来提出的一种针对中低品位能源利用的技术。所谓有机朗肯循环，即在传统朗肯循环中采用有机工质（如R245fa）代替水蒸气推动膨胀机做功，由于其具有高效利用低温热源的特点，在地热能、太阳能、生物质能、工业余热、发动机余热等回收利用方面具有广阔的应用前景[6]。在介绍传统朗肯循环过程中适当引入有机朗肯循环的内容，可以加强学生对能源梯级利用达到节能目的的认识，从而真正实现大材大用、小材小用，力求最大限度地提高能量利用率。

除了正常的课堂教学外，工程热力学教学过程中还可适当增大实验教学的内容，这也是与国外先进教学理念相符的。结合与节能减排有关的工程实际，在实验环节中通过引入包含可再生能源等在内的新内容，了解和掌握热能转化过程中提高转化效率的途径和方法，并将其应用于实际装置和设备的分析操作中，這在增强学生节能减排意识的同时，还能够更好地培养其综合素养和解决实际问题的能力。

以地源热泵为例，作为一种利用浅层地热资源（包括地下水、土壤或地表水等）既可供热又可制冷的高效节能空调系统，近年来受到国家有关部门的高度重视，并在全国许多地方（主要是北方地区）得到大力推广，在节能环保领域发挥着重要作用。我们学院下属汽车空调实验室的相关技术人员自主开发设计了地源热泵系统，通过对该系统工作原理及应用的介绍，使学生了解到地源热泵能够通过输入少量的高品位能源（如电能），即可实现由低温热能向高温热能转移的目的，具有高度的节能效果。联系工程热力学中有关热泵知识的介绍，可结合实际操作过程中对地热端温度工况变化的模拟调节，获得相应供热系数（对应冬季）和制冷系数（对应夏季）的变化情况，并在此基础上总结归纳提高工作效率的节能措施。通过操作，使学生系统了解和掌握热能转化过程中提高转化效率的途径和方法，并将其应用于实际装置和设备的分析中，为节能减排寻找思路和解决方法。通过相关实验的演示、观摩和操作，使学生对采取节能减排措施所达到的效果有了更形象深入的认识，并能更深入地理解教材中所涉及的一些相关内容。

在工程热力学的教学过程中，通过以上例子的引入，使学生在学习和掌握知识的同时，能够更多地思考我国的能源现状和经济发展前景等问题，加强节能减排和环保意识。同时，通过合理正确的引导和启发，激发学生对改进动力系统装置设计及提高能源转化利用效率的兴趣和热情，以更好地培养其节能减排意识和创新能力。

4 结语

针对中国的能源战略体系框架而言，无论是到2050的能源发展长期规划还是“十三五”的近期规划，均将节能减排视为我国能源利用和社会发展的重要方向，将该意识培养贯穿于社会的各个方面才能达到更好的效果。为配合我国的能源发展战略，在工程热力学教学中增强节能减排意识培养将是教改的一个重要方向，无论是课堂教育还是实践环节，如何将工程热力学的传统教学内容和节能减排进行合理科学的整合，是教学过程中需要深入探索和研究的内容。

参考文献

[1]高凤香.基于思想政治教育视角的大学生低碳经济教育略论[J].价值工程，2011（2）：228-229.

[2]刘清欣.节能意识在“工程热力学”教学中的渗透[J].教育教学研究，2011（12）：187-188.

[3]周娟，郭棣彬，王舫，等.基于节能减排的“工程热力学与传热学”教学方法探析[J].教育现代化，2016（25）：137-138.

[4]Y.Gengel，M.Boles.Thermodynamics：An Engineering Approach（7th edition）[M].New York，McGraw-Hill Higher Education，2010.

[5]张昊春，王洪杰.“工程热力学”教学中经典内容与新兴低碳技术的整合[J].中国电力教育，2012（5）：52-53.

[6]邓立生，黄宏宇，何兆红，等.有机朗肯循环的研究进展[J].新能源进展，2014，2（3）：180-189.

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