面向碳中和战略的“建筑设备”教学研究

［摘 要］ 在碳中和背景下，中国建筑发展步入了新的阶段，这对建筑行业的人才培养提出了新的要求。以面向碳中和战略的“建筑设备”课程的教学研究为主题，探讨了建筑设备在实现碳中和过程中的重要性和影响因素，并提出了一些改善措施和教学方法。通过教学研究，不仅推动技术创新和提高政策的科学性，还可以培养学生的可持续发展视野和技能，帮助学生树立建筑行业的社会责任感和历史使命任务，促进建筑行业的碳中和目标的实现。

［关键词］ 碳中和；建筑设备；教学研究；环境意识；技能培养

［基金项目］ 2021—2024年国家自然科学基金青年科学基金项目“基于建筑需求不同步性的空调系统各环节供需匹配特性与技术适宜性研究”（52078117）；2023—2024年东南大学校级教学改革研究与实践项目“面向碳中和战略的‘建筑设备’教学研究”（2023-167）；2021—2023年东南大学至善学者科研项目（2242021R41145）

［作者简介］ 周 欣（1988—），女，福建福州人，博士，东南大学建筑学院副教授（通信作者），主要从事建筑设备、建筑性能模拟相关理论教学研究。

［中图分类号］ G640 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）12-0006-06 ［收稿日期］ 2024-01-05

随着全球气候变化的加剧，环境问题日益严重，绿色低碳转型已成为全球发展主题与未来科技、产业和人才的竞争高地［1］。实现碳中和已成为全球各国共同关注的议题。我国计划在2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和。建筑行业作为全球温室气体排放的主要来源之一，亟须采取措施实现碳中和。

据统计，建筑业碳排放占我国碳排放的51.3%［2］，在建筑与城市领域推广绿色低碳发展是实现碳达峰、碳中和目标的关键环节。与此同时，以科学定量化设计技术、大数据和人工智能为代表的智能技术正在深刻改变建筑学科的知识内核，数字化设计、仿真预测、智慧监控等新技术和新方法迅猛发展。因此，碳中和相关产业已成为国家能源和社会发展的重要需求，这也使得该领域的人才需求呈现井喷式增长。

目前，碳中和相关产业已成为国家能源和社会发展的重要需求。2022年，教育部印发《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》，其中第11条明确指出，加快传统能源动力类、建筑类等重点领域专业人才培养转型升级［3］。根据国家标准，建筑行业已于2022年4月开启强制碳排放计算［4］，因此行业急需面向碳中和战略的建筑人才。为建筑行业培养碳中和相关的高素质复合型科技人才，对提升行业内核、支撑产业与企业的国际核心竞争力，有着极其重要的现实意义和长远的社会影响。

建筑行业内的节能减碳强调“被动优先，主动融合”［5］，因此与建筑设计和主动供能紧密相关。在传统的培养模式下，二者存在相对割裂、融合不足的问题，导致在建筑行业内，难以实现有效的节能减碳目标。因此，在碳中和战略背景下，以“建筑设备”课程作为载体，培养建筑专业学生对建筑设备的环境影响的认识和技能变得非常重要。

一、碳中和战略对建筑设备的要求

（一）建筑设备对碳中和的重要性

建筑设备在碳中和战略中发挥着重要的作用，以下是建筑设备对碳中和的重要性的一些方面。

首先，建筑设备，尤其是供暖、通风、空调（HVAC）系统、照明系统等，对建筑的能源效率起着关键作用。通过采用高效的设备和技术，建筑能够减少能源消耗，降低对传统能源的依赖，从而减少碳排放。除了常规能源外，建筑设备的设计和使用也影响着建筑能否有效地整合可再生能源，如太阳能和风能。通过采用可再生能源技术，建筑可以减少对化石燃料的需求，从而减缓气候变化。同时，随着科技水平的提高，智能化建筑设备可以通过优化能源使用、自适应控制和预测性维护等方式，提高系统的效率。这有助于减少能源浪费，降低运行成本，并促使碳中和目标的实现。此外，建筑设备的选择和使用也与建筑材料的生产、运输和处理等供应链环节有关。考虑碳足迹和环保性能，选择低碳建筑设备可以在整个建筑生命周期中减少碳排放。

除了硬技术外，软技术方面的内容也值得重视。越来越多的地区和国家制定了碳中和目标，并推动建筑行业采用低碳技术。建筑设备的选择和运行对于满足这些政策和标准至关重要，可以帮助建筑业实现碳减排目标。此外，建筑设备的最终使用者也扮演着关键角色。通过对用户进行能源节约和可持续行为的教育，可以促使他们更加理解和积极参与碳中和策略，如正确使用设备、定期维护等。

总体而言，建筑设备的能源效率、可再生能源整合、智能化技术应用以及对建筑使用者的认知和影响等方面，都对建筑行业实现碳中和目标产生了深远的影响。因此，将重心放在建筑设备的可持续性和低碳化上，是建筑行业向碳中和迈进的关键步骤。

（二）与碳中和相关的关键教学内容

在“建筑设备”课程中，与碳中和相关的关键教学内容主要包括以下几个方面。

1.建筑设备基础知识。具体包括：供暖、通风、空调系统（HVAC）：涉及系统原理、设计原则、节能技术和设备选择等；电力系统：介绍建筑用电系统的设计、电力分配、能源效率提升和智能化管理等内容；照明系统：涵盖照明设计原则、LED技术、光控制和节能策略等方面；水暖系统：管道设计、水资源管理、节水技术和回收利用水资源的方法等内容。

2.可持续建筑原则。“建筑设备”课程中涉及的内容包括：低碳设计——强调建筑设备与系统如何支持低碳设计，包括使用可再生能源等；设备选择与环境影响——教授建筑设备的选择对于减少碳足迹和环境影响的重要性；能源模拟和评估工具——使用能源模拟软件来评估建筑设备方案和设计的效率，如建筑能源模拟（BEM）软件等。

3.碳中和相关内容。在“建筑设备”课程中，与碳中和相关的具体内容包括：碳排放和足迹计算——教授学生如何计算建筑设备运行和使用过程中产生的碳排放，以及对环境的影响；碳中和策略与技术——探讨各种技术、策略和工具，如碳捕获技术、碳储存、碳抵消等，以实现碳中和目标；碳中和标准与政策——研究国际和地方碳中和标准、政策和法规，以及其对建筑设备设计和运营的影响。

4.智能化与未来趋势。在数据时代下，随着科技水平的发展，智能化是各行各业绕不过的一个话题，在“建筑设备”的教学中更是如此。与智能化相关的建筑设备教学内容包括：智能建筑系统——强调利用物联网（IoT）、人工智能（AI）等技术优化建筑设备的运行和管理；新兴技术与创新——探讨新兴的低碳建筑设备技术、创新方案和未来发展趋势，如可再生能源集成、碳负载材料等。

5.实践案例和项目。在建筑学院的“建筑设备”课程中，唯有落地，才能够加强学生的认知，因此在教学内容中，实践案例和项目是必不可少的环节。在案例研究中，通过分析和讨论实际建筑项目中采用先进建筑设备和碳中和策略的案例，帮助学生了解建筑设备的实际应用和效果。通过一些简单的项目设计与模拟，学生可以使用建筑模拟软件来评估和优化建筑设备以及实现碳中和目标。

通过这些教学内容，学生可以全面了解建筑设备的运行原理、节能技术、可持续设计原则以及如何实现碳中和目标，为未来的可持续建筑和能源管理做好准备。

二、面向碳中和战略的“建筑设备”教学研究

（一）教学目标

培养学生对建筑设备碳排放问题的认识，掌握相关技能，深入了解碳中和战略在建筑设备领域的应用，培养解决实际问题的能力，并为未来的建筑领域做出贡献。具体的教学目标包括：学生能够清晰地解释碳中和的定义、背景和在建筑领域的意义；具备计算建筑设备与系统碳足迹的能力，并能评估其在建筑运营中的影响；能够运用能源效率和可再生能源等低碳设计原则，优化建筑设备与系统的性能；能够了解智能化控制系统的原理，以提高建筑设备的能效和性能；了解并遵循国际和本地碳中和政策，能够将这些政策纳入建筑设备的设计和运营中；能够分析和评估已实施碳中和策略的建筑项目，从中学习成功经验和应对挑战的方法；能够参与模拟项目设计，考虑碳中和战略在实际项目中的应用，包括技术和经济层面；通过与碳中和及建筑设备领域的一线工作人员交流，深入了解行业趋势和创新技术；能够综合评估建筑设备的碳性能，并提出未来在碳中和方面的发展展望。

这些教学目标旨在培养学生在碳中和战略下设计、运营和维护建筑设备的综合能力，使他们成为具有可持续发展视野的建筑专业人才。在新形势下，“建筑设备”课程可以将“碳中和战略”作为思政环节的切入点，将课程的教学目标重新定位，挖掘碳中和背景下建筑行业应承担的责任，以及其中的德育内涵和元素，在课程中自然而然地融入思政教学方式，帮助学生树立建筑行业从业人员的社会责任感和历史使命任务。

（二）教学体系

设计面向碳中和战略的“建筑设备”课程的教学体系需要考虑全面的理论与实践内容，确保学生能够全面理解和应用碳中和理念于建筑设备领域。

以下是初步构建的教学体系框架。

1.导论与碳中和概念介绍。在这个教学环节中，我们将深入探讨碳中和的背景、概念，以及建筑设备在碳中和中所扮演的角色和产生的影响。这将为学生提供对于碳中和领域的全面了解，同时强调建筑设备在实现碳中和目标中的至关重要性。首先，我们将介绍碳中和的基本概念。旨在让学生明白碳中和的内涵，即通过减少、抵消或转化排放的碳，实现净零碳排放。通过实际案例和行业实践，学生将更好地理解碳中和是如何在实际操作中实现的，以及其在全球碳减排努力中的关键作用。其次，我们将深入探讨碳中和的背景，包括其发展历程、原因以及全球范围内碳中和的需求和趋势。学生将了解到碳中和的兴起源于对气候变化和环境可持续性的日益关注，以及全球社会对减少碳排放的紧迫需求。最后，在建筑设备与碳中和的关系方面，我们将详细描述建筑设备在碳排放中的作用和影响。学生将深刻理解建筑设备在整个建筑生命周期中的关键作用，以及如何通过创新技术和可持续实践来降低碳排放。

通过这个教学环节，学生不仅对碳中和有深入的理解，还能够将这一理论知识与建筑设备实践结合起来，为未来在建筑领域的工作中提供更加全面和可持续的解决方案。在该部分教学内容中，可设计的活动内容为研讨碳中和的定义及其对建筑设备的机遇和挑战。

2.碳足迹分析与评估。在课程中，我们将深入研究碳足迹计算方法与工具，并聚焦于建筑设备与系统的碳足迹分析。这一教学环节旨在为学生提供在建筑领域中测量和理解碳排放的关键工具和技能。我们在进行准备工作时，对碳足迹的概念进行详细解释。碳足迹是一种衡量产品、服务或组织在其整个生命周期内对温室气体排放贡献的方式。通过这个概念，学生将能够认识到建筑领域的碳排放与可持续性之间的紧密关系。

为了使学生更好地理解碳足迹的计算方法，我们将介绍常见的碳足迹评估方法，其中生命周期评估（LCA）是一个重要的焦点。LCA是一种全面的方法，它不仅关注建筑设备和系统的使用阶段，还包括从原材料提取、制造、运输、使用到废弃的整个生命周期。这种全面性有助于学生全面了解碳足迹形成的各个环节，促使他们更深刻地理解碳减排的挑战和机遇。

在实际的碳足迹分析中，我们将着重关注建筑设备与系统。学生将学会使用专业工具和软件进行碳足迹的量化计算，例如：使用建筑信息模型（BIM）和其他模拟软件。通过真实案例和模拟项目，学生将有机会运用所学的碳足迹分析方法，评估不同设计和技术方案的环境可持续性。

总体而言，这个教学环节将使学生深入了解碳足迹的概念、计算方法以及在建筑设备与系统中的应用。通过培养学生对碳排放问题的敏感性和理解，使其在未来的职业生涯中成为可持续建筑领域的重要从业者，为社会与环境可持续发展贡献自己的专业知识。可设计的活动内容为实际案例分析，请学生完成碳足迹计算。

3.低碳设计原则与能源效率。在教学环节中，首先深入介绍低碳设计原则是至关重要的。低碳设计基于减少对环境的负面影响，通过结合创新的理念和技术，致力于降低建筑物在整个生命周期中的碳排放。这包括建筑材料的选择与运用，建筑布局和设计、能源利用、供暖与通风系统等方面的优化。通过案例展示，学生可以了解不同低碳设计原则在实际项目中的应用，从而加深对其理念和实践的理解。其次是能源效率提升策略。这涉及通过技术和管理手段，最大限度地减少能源消耗，从而降低碳排放。学生将学习如何评估建筑设备的能效，采用高效设备和技术，优化能源利用，改善设备运行模式，甚至引入智能控制系统等方法。最后是讲解可再生能源在建筑设备中的应用是这个教学环节的重点之一。学生将了解太阳能、风能、地热能等可再生能源在建筑设备中的利用方式，包括光伏板、风力发电装置、地源热泵等技术的原理和应用。通过案例分析和模拟实验，学生可以深入了解可再生能源在不同建筑设备中的应用效果，以及在不同地理和气候条件下的适用性。