一種能量樁熱泵系統(tǒng)原理演示的科普教具設(shè)計與實踐

孔綱強 陳玉 楊慶

關(guān)鍵詞：普 能量樁 熱泵系統(tǒng) 科普教具 課程思政

引言

地表以下10～15m以內(nèi)為土壤的變溫層，10～15m以下則近似為恒溫層，溫度受大氣環(huán)境溫度影響較小[1]。在地表以下約200m范圍內(nèi)，由于土壤較好的持熱能力，儲存著大量的淺層地溫能資源，其作為一種豐富、清潔、可靠的可再生能源，可緩解當(dāng)前化石燃料過度消耗的危機[2，3]。將換熱管直接埋設(shè)于樁基礎(chǔ)中形成能量樁，通過能量樁在夏季將室內(nèi)多余的熱量通過傳遞到土壤中，達(dá)到為建筑物制冷的目的；在冬季再將土壤中的熱量進(jìn)一步提取用于建筑物的供暖[4-6]。較傳統(tǒng)的地源熱泵技術(shù)而言，能量樁具有節(jié)省額外鉆孔費用、傳熱性能好及節(jié)省地下空間資源等優(yōu)點，近年來能量樁發(fā)展規(guī)模也逐漸擴大[7，8]，在路面和橋梁的除冰融雪中也得到了逐步應(yīng)用。

當(dāng)前，同學(xué)們對能量樁熱泵系統(tǒng)知之甚少，甚至部分學(xué)生會將能量樁與電動汽車的充電樁予以混淆，一定程度上限制了能量樁熱泵系統(tǒng)的進(jìn)一步普及。此外，當(dāng)前對能量樁熱泵系統(tǒng)的科普，多以文本資料為主，缺乏相關(guān)的科普教具，將其具體連接和運行原理進(jìn)行直觀展示?；诖?，本文設(shè)計開發(fā)演示能量樁熱泵系統(tǒng)原理的科普教具，寓教于樂，在發(fā)揮學(xué)生主觀能動性的前提下，讓他們對能量樁熱泵系統(tǒng)有一個清晰直觀的認(rèn)識。

一、設(shè)計目的

（一）技術(shù)科普

能量樁作為淺層地?zé)崮芾玫拿浇椋浔旧聿荒軐崿F(xiàn)建筑物的制冷供暖，需要與熱泵機組配合使用，形成能量樁熱泵系統(tǒng)。而能量樁熱泵系統(tǒng)的技術(shù)原理，可分為地下?lián)Q熱器回路、制冷劑回路和室內(nèi)環(huán)境回路等三部分。地下?lián)Q熱器回路，主要由能量樁基礎(chǔ)中的換熱管和循環(huán)流動的換熱液實現(xiàn)，常見的換熱液為水，或者水-防凍液混合物。換熱液的循環(huán)流動則由水泵的運行實現(xiàn)。制冷劑回路和室內(nèi)環(huán)境回路，與常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)工作原理一致，均是借助于蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機和制冷劑的共同作用，實現(xiàn)建筑物的溫度調(diào)節(jié)。其中，制冷劑在常溫或較低溫度下能夠液化，在低溫下能吸取被冷卻物體的熱量，然后在較高溫度下轉(zhuǎn)移給冷卻水或空氣，以完成熱的循環(huán)過程。壓縮機則是利用電能進(jìn)行壓縮做功，實現(xiàn)制冷劑由低溫低壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為高溫高壓狀態(tài)。蒸發(fā)器是機組中輸出冷量的設(shè)備，主要是蒸發(fā)液體狀態(tài)的制冷劑，吸收被冷卻物體的熱量；與之對應(yīng)的冷凝器則是機組中輸出熱量的設(shè)備，從蒸發(fā)器中吸收的熱量及壓縮機消耗功率轉(zhuǎn)化的熱量，在冷凝器中被冷卻介質(zhì)帶走，達(dá)到制熱的目的。整個機組可以看作一個封閉式系統(tǒng)，但由于水體受熱體積膨脹，對換熱管道存在著隱形的破壞威脅，有必要在整個系統(tǒng)之外預(yù)留一定的多余空間。因此，機組還配備有膨脹閥或節(jié)流閥，同時可以對循環(huán)的制冷劑進(jìn)行節(jié)流降壓，調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量。由于制冷和供暖功能實現(xiàn)的不同，各相關(guān)構(gòu)建間的配合依賴于機組內(nèi)的轉(zhuǎn)換閥，改變制冷劑的流向?qū)崿F(xiàn)。

能量樁熱泵系統(tǒng)工作期間涉及到的復(fù)雜性能變化，本質(zhì)上還是一些基礎(chǔ)的物理反應(yīng)，只是這些變化過程缺乏直觀顯示，僅僅采用文字說明在理解起來仍存在一定的難度，這也造成了其普及的局限性。對應(yīng)于能量樁熱泵系統(tǒng)原理的三個回路，科普教具采用等效替代的手法，將機組中制冷劑的相變、循環(huán)液的流動過程，采用給學(xué)生講解結(jié)合學(xué)生自主動手拼裝的方式，用一些簡單易得的教學(xué)小組件予以直觀展示，使學(xué)生在明白其原理的基礎(chǔ)上，可以直接感受接觸，從而達(dá)到技術(shù)科普的目的。

（二）課程思政的要求

中國作為世界能源消耗大國，從1965年至2019年，能源消耗逐年增長[9]。根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計報告》，2019年中國能源消耗總量約為39，361TWh，約占世界能源消耗總量的24.27%。根據(jù)國際能源署（International Energy Agency，IEA）的核算結(jié)果可知，2018年全球建筑業(yè)建造和運行相關(guān)的能源消耗占全球能耗的35%，相應(yīng)二氧化碳排放占全球排放總量的28%。而根據(jù)清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心對我國建筑領(lǐng)域用能及排放的核算結(jié)果，我國建筑建造和運行用能占全社會總能耗的37%，二氧化碳排放總量占全國總排放量的比例約為42%。在建筑運行能耗中，為了營造舒適的室內(nèi)環(huán)境，中國城鎮(zhèn)居住建筑中制冷供暖能耗占比高達(dá)50%[10]。

在世界及自身發(fā)展的過程中，中國始終展示著“大國擔(dān)當(dāng)”的高度責(zé)任心。2020年9月22日，中國在第75屆聯(lián)合國大會上正式提出“2030年實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)。近年來，《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）和《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2019）等的相繼頒布，表明我國將逐步控制建筑物能耗，將常規(guī)建筑轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色建筑。2021年初，國家能源局發(fā)布《關(guān)于因地制宜做好可再生能源供暖工作的通知》，將地?zé)崮荛_發(fā)利用擺到了更加重要的位置?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》更是明確提到“要因地制宜開發(fā)利用地?zé)崮堋３掷m(xù)改善京津冀及周邊地區(qū)、汾渭平原、長三角地區(qū)空氣質(zhì)量，因地制宜推動北方地區(qū)清潔取暖”。隨著一系列政策措施及相關(guān)規(guī)劃的進(jìn)一步落地，地?zé)崮芤?guī)?；瘜㈤_啟黃金發(fā)展期，進(jìn)一步助力碳中和、碳達(dá)峰的早日實現(xiàn)[11，12]。

面對如此大量的碳排放及能源消耗，作為紅旗下成長的莘莘學(xué)子，更應(yīng)明白自己在國家庇佑下的美好生活來之不易，更應(yīng)用所學(xué)所得建設(shè)更為綠色的祖國。而要實現(xiàn)這一長遠(yuǎn)目標(biāo)，不僅僅要求學(xué)生們做到“節(jié)流”，在平時的生活中結(jié)合行為舉止，盡量做到“低碳化”；更重要的，是要做到“開源”，學(xué)會利用新能源，減少對傳統(tǒng)能源的消耗利用。在《地基處理技術(shù)》《基礎(chǔ)工程》等本科生課程教學(xué)中增設(shè)介紹能量樁熱泵系統(tǒng)技術(shù)，嵌入創(chuàng)新思維、人文精神等課程思政元素，服務(wù)我國“雙碳”目標(biāo)需求；既拓展學(xué)生的學(xué)術(shù)視野、又有機實現(xiàn)課程思政。一種演示能量樁熱泵系統(tǒng)原理的科普教具的設(shè)計，一定程度上能培養(yǎng)學(xué)生的國家情懷，塑造學(xué)生在新能源開發(fā)利用中的責(zé)任感，堅定學(xué)生在“雙碳”征程中使命必達(dá)的信心與決心。

二、設(shè)計思路

劉萬龍等[13]基于北戴河公園的生態(tài)現(xiàn)狀，設(shè)計一款互動式科普教具，提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。桂茂亭等[14]提出科普產(chǎn)品在設(shè)計時需要結(jié)合用戶體驗，實現(xiàn)科普產(chǎn)品外觀、信息反饋和技術(shù)科普的全面結(jié)合。殷超等[15]立足于用戶體驗感受，結(jié)合產(chǎn)品特性和科普結(jié)合，提出限定與拓展結(jié)合的設(shè)計模型。因此，在進(jìn)行演示能量樁熱泵系統(tǒng)的科普教具設(shè)計過程中，要兼具考慮外觀形態(tài)、技術(shù)科普及學(xué)生反饋。

（一）外觀形態(tài)：作為樁基工程的拓展，學(xué)生潛意識可能對能量樁產(chǎn)生預(yù)設(shè)的認(rèn)識，直接與工地現(xiàn)場的臟、亂、差環(huán)境聯(lián)系在一起。而將熱泵系統(tǒng)與空調(diào)進(jìn)行對比講解分析，學(xué)生又會預(yù)設(shè)其會向環(huán)境中排放與季節(jié)不相符的“尾氣”。因此，科普教具的設(shè)計首先就要改變學(xué)生潛意識的預(yù)設(shè)印象。將埋設(shè)于地下看不見的顆粒感十足的樁體，采用光滑感更加的模型管道代替。熱泵系統(tǒng)中其他元件，采用常見的模型代替，將工業(yè)風(fēng)十足的機組轉(zhuǎn)換為更為學(xué)院風(fēng)的教學(xué)小組件。在外觀形態(tài)設(shè)計上，更會采用一些發(fā)光物件，不同的發(fā)光色及不同的燈帶方向，用以展示流動方向，在保證原理直觀講解的基礎(chǔ)上，外觀上也要給學(xué)生以眼前一亮的感覺。

（二）技術(shù)科普：對應(yīng)于能量樁及熱泵機組，需要科普的重點除了其術(shù)語含義，更要重點演示各部分的連接，及運行過程中的回路，具體包括換熱液的循環(huán)、空氣調(diào)節(jié)的循環(huán)及制冷劑運行的循環(huán)。對應(yīng)于相對靜態(tài)的連接過程，設(shè)計的科普教具采用沙盤演示的方法進(jìn)行直觀講解；而對供暖制冷不同工況間的切換，將能量樁熱泵機組中的主要部件，等效簡化為物理課堂中常見的電子元件；將回路中制冷劑和空氣的運行回路，簡化為發(fā)光二極管的燈亮燈滅，即采用等效電路連接的方法，模擬制冷劑回路和室內(nèi)環(huán)境回路。

（三）學(xué)生反饋：科普教具設(shè)計的目的是給學(xué)生以技術(shù)科普和課程思政，學(xué)生永遠(yuǎn)是這項設(shè)計服務(wù)的主體，進(jìn)而最終落實到的具體產(chǎn)品，需要不斷更新改進(jìn)。從設(shè)計思路的呈現(xiàn)到實踐過程，采用課堂提問結(jié)合課后調(diào)查的手段，實時掌握學(xué)生是否掌握要演示的能量樁熱泵系統(tǒng)的具體連接和其原理。對科普教具的亮點環(huán)節(jié)予以保留和突出，對學(xué)生在實際接觸到科普教具后，仍然疑竇叢生的設(shè)計環(huán)節(jié)，及時予以方案調(diào)整和實時更新?？破战叹咴诰唧w展示環(huán)節(jié)，更要加大學(xué)生的參與分量，尤其是在等效電路的連接部分，各電子元件在物理課堂上較為常見，用其指代機組中不同的構(gòu)件，給學(xué)生以新鮮感，也強化了學(xué)生的動手能力，寓教于樂。

三、科普教具的實踐

（一）沙盤演示

以能量樁熱泵系統(tǒng)樣板間為例，采用分體式地源熱泵機組，熱泵系統(tǒng)內(nèi)機等效為風(fēng)機，主要負(fù)責(zé)為室內(nèi)送冷/暖風(fēng)，進(jìn)而改變室內(nèi)環(huán)境溫度；熱泵系統(tǒng)外機等效為壓縮機、冷凝器及蒸發(fā)器的封閉系統(tǒng)（圖1）。結(jié)合房間室內(nèi)面積及場地因素，布置四根能量樁及四孔鉆井，換熱管采用U形布置，即在樁體內(nèi)單根換熱管沉入，并伸出的U形結(jié)構(gòu)，共計8根換熱管按進(jìn)水管和出水管的布置，整齊排列于集分器上。串聯(lián)后由一組進(jìn)/出水管連接至機組，循環(huán)水泵和膨脹閥連接室內(nèi)和地源側(cè)回路。

用沙盤模型對該能量樁熱泵系統(tǒng)進(jìn)行等效替代模擬，為了各部件位置的固定及從模型外可以直觀地觀察，采用可拆卸的透明塑料板進(jìn)行拼裝（圖2）。對應(yīng)于房間建筑的門窗結(jié)構(gòu)，采用在透明塑料板外粘貼黑色網(wǎng)格的形式予以區(qū)分，以求不影響內(nèi)部構(gòu)造的具體展示。依據(jù)各連接部件不同的功能，展開為三個不同的分區(qū)，并按照從地下到地上不同的展示層，設(shè)計成從下至上的三層空間結(jié)構(gòu)。首先是地下埋管側(cè)，為了體現(xiàn)出能量樁是處于地下的結(jié)構(gòu)，在該層中埋入約為整層高度1/4～1/5的細(xì)沙，覆蓋大約1/2的模型能量樁。模型能量樁采用直徑10cm的塑料管進(jìn)行模擬，能量樁中埋設(shè)的換熱管采用更細(xì)的2cm的塑料軟管等效展示，換熱管中循環(huán)流動的換熱液則采用燈帶進(jìn)行替代。與所選取的示范項目一致，展示共計12組換熱管。進(jìn)一步的，由于換熱管中換熱液是循環(huán)流動的，燈帶的顏色根據(jù)進(jìn)出水口分別采用不同的顏色，而且燈帶的顏色跳動也為一上一下兩不同方向。模型的第二層為集分水器側(cè)，所有由能量樁內(nèi)部深處的換熱管分別連接到集水器和分水器兩側(cè)。具體進(jìn)行拼接時候，需要先對應(yīng)地下一層換熱管的孔位，提前對層間的隔層進(jìn)行鉆孔貫通，然后由地下一層的換熱管及燈帶進(jìn)行連接延伸。對應(yīng)于塑料軟管的拐角連接，無法直接進(jìn)行彎折，需要對兩根不同的塑料軟管尖端分別進(jìn)行45°～60°的剪切，然后對應(yīng)連接拼裝，形成直角型拐角。同時，集分水器上各有一組管道為機組的進(jìn)出水口，采用不同于其他換熱管的顏色燈帶，連接模型膨脹罐、水泵及熱泵系統(tǒng)外機，延伸至第三層的室內(nèi)房間，末端連接模型熱泵系統(tǒng)內(nèi)機，實現(xiàn)整個連接的閉合。對于地上一層、二層的層間連接，也對隔板采用同樣的鉆孔貫通連接方式。

作為演示能量樁熱泵系統(tǒng)科普教具的沙盤模型，通過燈帶的不同顏色及顏色跳動方向，模擬換熱液在系統(tǒng)中的流動，將看不見的水流等效替代并實體化；采用模型結(jié)構(gòu)模擬出系統(tǒng)的各個部件，展示出了一個小體量的能量樁熱泵系統(tǒng)房間的基本連接。同時，采用這種分區(qū)的設(shè)計方法，對整個系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)行清晰的展示，有利于學(xué)生們在腦海中有了一個基本的認(rèn)識，能達(dá)到該科普教具直觀展示的基本設(shè)計要求。

（二）等效電路連接

采用上述沙盤演示的思路，進(jìn)一步對熱泵機組的原理進(jìn)行模型構(gòu)造，可得到如圖3所示的簡易沙盤。該沙盤對各構(gòu)件的連接有一定的直觀展示，但不能詳盡地說明各級回路之間的原理，尤其是轉(zhuǎn)換閥間的配合無法進(jìn)行動態(tài)的演示。

考慮到圖3中的連接類似于物理課堂上電子元件和簡易電路的連接，因此，將冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機及膨脹罐等可采用不同顏色的發(fā)光小物件代替，水泵的循環(huán)動力采用電池（組）模擬，其他轉(zhuǎn)換閥則由開關(guān)等效作用（圖4）。下面結(jié)合熱泵機組在供熱及制冷不同的模式下的不同回路，對科普教具中的等效電路進(jìn)行說明。

對圖4中的相關(guān)零部件進(jìn)行說明如下：綠色燈泡1等效為冷凝器；橙色燈泡2等效為蒸發(fā)器；紫色燈泡3等效為膨脹閥/節(jié)流閥；黑色發(fā)光二極管4等效為壓縮機。電池A等效為室內(nèi)環(huán)境回路動力來源；電池組B等效為熱泵機組內(nèi)壓縮機動力來源；電池C等效為地下埋管側(cè)回路動力來源。發(fā)光二極管H1、H2等效指示供熱工況，發(fā)光二極管W1、W2等效指示制冷工況。開關(guān)S1～S8等效轉(zhuǎn)換閥，用以切換不同的供熱制冷工況。

（1）供熱工況

地下?lián)Q熱器回路：流經(jīng)蒸發(fā)器的液體通過循環(huán)管道被土壤具有的較高溫度較熱，吸取土壤中的熱量，并將這些熱量帶回到蒸發(fā)器，制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，吸收這部分熱量。對應(yīng)于圖4中的等效電路圖，閉合S1，S5，電池C提供電量及動力，紅色發(fā)光二極管H2和橙色燈泡2燈亮。

制冷劑回路：被蒸發(fā)的制冷劑進(jìn)入壓縮機，被壓縮為高溫高壓的蒸汽，氣態(tài)制冷劑攜帶著土壤中傳來的熱量及壓縮機消耗的熱量，一起進(jìn)入冷凝器，被室內(nèi)冷空氣吸收熱量后，冷凝為也太，然后經(jīng)過節(jié)流裝置，制冷劑壓力和溫度均降低，低壓、低溫的制冷劑液體流入蒸發(fā)器，再次被地下回路的熱量蒸發(fā)，完成吸、放熱過程的循環(huán)往復(fù)。對應(yīng)于圖4中的等效電路圖，閉合S0，電池組B提供電量及動力，黑色發(fā)光二極管4、紫色燈泡3和綠色燈泡1相繼燈亮。

室內(nèi)環(huán)境回路：室外新風(fēng)或室內(nèi)回風(fēng)進(jìn)入冷凝器，吸取高溫高壓制冷劑攜帶的熱量，通過室內(nèi)布置的通風(fēng)系統(tǒng)，對建筑物進(jìn)行供熱升溫。對應(yīng)于圖4中的等效電路圖，閉合S3，S7，電池A提供電量及動力，紅色發(fā)光二極管H1和綠色燈泡1燈亮。

（2）制冷工況

室內(nèi)環(huán)境回路：較高溫度的室外新風(fēng)或室內(nèi)回風(fēng)進(jìn)入蒸發(fā)器，被低溫低壓的制冷劑冷卻，將熱量傳遞給制冷劑后，通過室內(nèi)布置的通風(fēng)系統(tǒng)，對建筑物進(jìn)行降溫制冷。對應(yīng)于圖4中的等效電路圖，閉合S2，S4，電池A提供電量及動力，藍(lán)色發(fā)光二極管W1和橙色燈泡2燈亮。

制冷劑回路：被蒸發(fā)的制冷劑進(jìn)入壓縮機，被壓縮為高溫高壓的蒸汽，這些氣態(tài)制冷劑攜帶著從空氣室內(nèi)環(huán)境回路傳遞的熱量及壓縮機消耗的電能一起進(jìn)入冷凝器，被從地下?lián)Q熱器回路的循環(huán)水吸取熱量后，自身冷凝為液態(tài)，然后經(jīng)過節(jié)流裝置，制冷劑壓力和溫度均降低，低溫低壓的制冷劑流入蒸發(fā)器，吸收室內(nèi)空氣的熱量蒸發(fā)，完成吸、放熱過程的往復(fù)循環(huán)。對應(yīng)于圖4中的等效電路圖，先將電池組B及發(fā)光二極管4的正負(fù)極對換，閉合S0，電池組B提供電量及動力，綠色燈泡1，紫色燈泡3和黑色發(fā)光二極管4相繼燈亮。

地下?lián)Q熱器回路：從冷凝器回來的液體通過循環(huán)管道被樁周土壤進(jìn)行冷卻，二者間完成熱量交換，向土壤釋放熱量。對應(yīng)于圖4中的等效電路圖，閉合S6，S8，電池C提供電量及動力，藍(lán)色發(fā)光二極管W2和綠色燈泡1燈亮。

通過上述等效電路的簡單模擬，可以直觀地將熱泵機組的原理，通過不同顏色的燈相繼燈亮燈滅進(jìn)行等效替代的展示，達(dá)到科普教具的設(shè)計目的。

結(jié)語

演示能量樁熱泵系統(tǒng)的科普教具的設(shè)計，是為了向?qū)W生進(jìn)行技術(shù)科普，并強化他們?yōu)椤半p碳”政策添磚加瓦的決心和信心?？破赵O(shè)計采用沙盤演示的方法展示了能量樁熱泵系統(tǒng)的基本連接，用電子元件和電路連接等效替代熱泵機組中各元件的運行原理，寓教于樂，將抽象的知識具體形象化，一定程度上能達(dá)到技術(shù)科普和課程思政的目的。后續(xù)將結(jié)合其他廣泛使用的新型能源，如太陽能、風(fēng)能等，對科普教具的設(shè)計進(jìn)行進(jìn)一步的發(fā)展及更新。