孔纲强 陈玉 杨庆

关键词：普 能量桩 热泵系统 科普教具 课程思政

引言

地表以下10～15m以内为土壤的变温层，10～15m以下则近似为恒温层，温度受大气环境温度影响较小[1]。在地表以下约200m范围内，由于土壤较好的持热能力，储存着大量的浅层地温能资源，其作为一种丰富、清洁、可靠的可再生能源，可缓解当前化石燃料过度消耗的危机[2，3]。将换热管直接埋设于桩基础中形成能量桩，通过能量桩在夏季将室内多余的热量通过传递到土壤中，达到为建筑物制冷的目的；在冬季再将土壤中的热量进一步提取用于建筑物的供暖[4-6]。较传统的地源热泵技术而言，能量桩具有节省额外钻孔费用、传热性能好及节省地下空间资源等优点，近年来能量桩发展规模也逐渐扩大[7，8]，在路面和桥梁的除冰融雪中也得到了逐步应用。

当前，同学们对能量桩热泵系统知之甚少，甚至部分学生会将能量桩与电动汽车的充电桩予以混淆，一定程度上限制了能量桩热泵系统的进一步普及。此外，当前对能量桩热泵系统的科普，多以文本资料为主，缺乏相关的科普教具，将其具体连接和运行原理进行直观展示。基于此，本文设计开发演示能量桩热泵系统原理的科普教具，寓教于乐，在发挥学生主观能动性的前提下，让他们对能量桩热泵系统有一个清晰直观的认识。

一、设计目的

（一）技术科普

能量桩作为浅层地热能利用的媒介，其本身不能实现建筑物的制冷供暖，需要与热泵机组配合使用，形成能量桩热泵系统。而能量桩热泵系统的技术原理，可分为地下换热器回路、制冷剂回路和室内环境回路等三部分。地下换热器回路，主要由能量桩基础中的换热管和循环流动的换热液实现，常见的换热液为水，或者水-防冻液混合物。换热液的循环流动则由水泵的运行实现。制冷剂回路和室内环境回路，与常规的空调系统工作原理一致，均是借助于蒸发器、冷凝器、压缩机和制冷剂的共同作用，实现建筑物的温度调节。其中，制冷剂在常温或较低温度下能够液化，在低温下能吸取被冷却物体的热量，然后在较高温度下转移给冷却水或空气，以完成热的循环过程。压缩机则是利用电能进行压缩做功，实现制冷剂由低温低压状态转为高温高压状态。蒸发器是机组中输出冷量的设备，主要是蒸发液体状态的制冷剂，吸收被冷却物体的热量；与之对应的冷凝器则是机组中输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量及压缩机消耗功率转化的热量，在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的。整个机组可以看作一个封闭式系统，但由于水体受热体积膨胀，对换热管道存在着隐形的破坏威胁，有必要在整个系统之外预留一定的多余空间。因此，机组还配备有膨胀阀或节流阀，同时可以对循环的制冷剂进行节流降压，调节进入蒸发器的制冷剂流量。由于制冷和供暖功能实现的不同，各相关构建间的配合依赖于机组内的转换阀，改变制冷剂的流向实现。

能量桩热泵系统工作期间涉及到的复杂性能变化，本质上还是一些基础的物理反应，只是这些变化过程缺乏直观显示，仅仅采用文字说明在理解起来仍存在一定的难度，这也造成了其普及的局限性。对应于能量桩热泵系统原理的三个回路，科普教具采用等效替代的手法，将机组中制冷剂的相变、循环液的流动过程，采用给学生讲解结合学生自主动手拼装的方式，用一些简单易得的教学小组件予以直观展示，使学生在明白其原理的基础上，可以直接感受接触，从而达到技术科普的目的。

（二）课程思政的要求

中国作为世界能源消耗大国，从1965年至2019年，能源消耗逐年增长[9]。根据《BP世界能源统计报告》，2019年中国能源消耗总量约为39，361TWh，約占世界能源消耗总量的24.27%。根据国际能源署（International Energy Agency，IEA）的核算结果可知，2018年全球建筑业建造和运行相关的能源消耗占全球能耗的35%，相应二氧化碳排放占全球排放总量的28%。而根据清华大学建筑节能研究中心对我国建筑领域用能及排放的核算结果，我国建筑建造和运行用能占全社会总能耗的37%，二氧化碳排放总量占全国总排放量的比例约为42%。在建筑运行能耗中，为了营造舒适的室内环境，中国城镇居住建筑中制冷供暖能耗占比高达50%[10]。

在世界及自身发展的过程中，中国始终展示着“大国担当”的高度责任心。2020年9月22日，中国在第75届联合国大会上正式提出“2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和”的目标。近年来，《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 50123-2019）和《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019）等的相继颁布，表明我国将逐步控制建筑物能耗，将常规建筑转变为绿色建筑。2021年初，国家能源局发布《关于因地制宜做好可再生能源供暖工作的通知》，将地热能开发利用摆到了更加重要的位置。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》更是明确提到“要因地制宜开发利用地热能。持续改善京津冀及周边地区、汾渭平原、长三角地区空气质量，因地制宜推动北方地区清洁取暖”。随着一系列政策措施及相关规划的进一步落地，地热能规模化将开启黄金发展期，进一步助力碳中和、碳达峰的早日实现[11，12]。

面对如此大量的碳排放及能源消耗，作为红旗下成长的莘莘学子，更应明白自己在国家庇佑下的美好生活来之不易，更应用所学所得建设更为绿色的祖国。而要实现这一长远目标，不仅仅要求学生们做到“节流”，在平时的生活中结合行为举止，尽量做到“低碳化”；更重要的，是要做到“开源”，学会利用新能源，减少对传统能源的消耗利用。在《地基处理技术》《基础工程》等本科生课程教学中增设介绍能量桩热泵系统技术，嵌入创新思维、人文精神等课程思政元素，服务我国“双碳”目标需求；既拓展学生的学术视野、又有机实现课程思政。一种演示能量桩热泵系统原理的科普教具的设计，一定程度上能培养学生的国家情怀，塑造学生在新能源开发利用中的责任感，坚定学生在“双碳”征程中使命必达的信心与决心。

二、设计思路

刘万龙等[13]基于北戴河公园的生态现状，设计一款互动式科普教具，提高学生的动手能力和创新能力。桂茂亭等[14]提出科普产品在设计时需要结合用户体验，实现科普产品外观、信息反馈和技术科普的全面结合。殷超等[15]立足于用户体验感受，结合产品特性和科普结合，提出限定与拓展结合的设计模型。因此，在进行演示能量桩热泵系统的科普教具设计过程中，要兼具考虑外观形态、技术科普及学生反馈。

（一）外观形态：作为桩基工程的拓展，学生潜意识可能对能量桩产生预设的认识，直接与工地现场的脏、乱、差环境联系在一起。而将热泵系统与空调进行对比讲解分析，学生又会预设其会向环境中排放与季节不相符的“尾气”。因此，科普教具的设计首先就要改变学生潜意识的预设印象。将埋设于地下看不见的颗粒感十足的桩体，采用光滑感更加的模型管道代替。热泵系统中其他元件，采用常见的模型代替，将工业风十足的机组转换为更为学院风的教学小组件。在外观形态设计上，更会采用一些发光物件，不同的发光色及不同的灯带方向，用以展示流动方向，在保证原理直观讲解的基础上，外观上也要给学生以眼前一亮的感觉。

（二）技术科普：对应于能量桩及热泵机组，需要科普的重点除了其术语含义，更要重点演示各部分的连接，及运行过程中的回路，具体包括换热液的循环、空气调节的循环及制冷剂运行的循环。对应于相对静态的连接过程，设计的科普教具采用沙盘演示的方法进行直观讲解；而对供暖制冷不同工况间的切换，将能量桩热泵机组中的主要部件，等效简化为物理课堂中常见的电子元件；将回路中制冷剂和空气的运行回路，简化为发光二极管的灯亮灯灭，即采用等效电路连接的方法，模拟制冷剂回路和室内环境回路。

（三）学生反馈：科普教具设计的目的是给学生以技术科普和课程思政，学生永远是这项设计服务的主体，进而最终落实到的具体产品，需要不断更新改进。从设计思路的呈现到实践过程，采用课堂提问结合课后调查的手段，实时掌握学生是否掌握要演示的能量桩热泵系统的具体连接和其原理。对科普教具的亮点环节予以保留和突出，对学生在实际接触到科普教具后，仍然疑窦丛生的设计环节，及时予以方案调整和实时更新。科普教具在具体展示环节，更要加大学生的参与分量，尤其是在等效电路的连接部分，各电子元件在物理课堂上较为常见，用其指代机组中不同的构件，给学生以新鲜感，也强化了学生的动手能力，寓教于乐。

三、科普教具的实践

（一）沙盘演示

以能量桩热泵系统样板间为例，采用分体式地源热泵机组，热泵系统内机等效为风机，主要负责为室内送冷/暖风，进而改变室内环境温度；热泵系统外机等效为压缩机、冷凝器及蒸发器的封闭系统（图1）。结合房间室內面积及场地因素，布置四根能量桩及四孔钻井，换热管采用U形布置，即在桩体内单根换热管沉入，并伸出的U形结构，共计8根换热管按进水管和出水管的布置，整齐排列于集分器上。串联后由一组进/出水管连接至机组，循环水泵和膨胀阀连接室内和地源侧回路。

用沙盘模型对该能量桩热泵系统进行等效替代模拟，为了各部件位置的固定及从模型外可以直观地观察，采用可拆卸的透明塑料板进行拼装（图2）。对应于房间建筑的门窗结构，采用在透明塑料板外粘贴黑色网格的形式予以区分，以求不影响内部构造的具体展示。依据各连接部件不同的功能，展开为三个不同的分区，并按照从地下到地上不同的展示层，设计成从下至上的三层空间结构。首先是地下埋管侧，为了体现出能量桩是处于地下的结构，在该层中埋入约为整层高度1/4～1/5的细沙，覆盖大约1/2的模型能量桩。模型能量桩采用直径10cm的塑料管进行模拟，能量桩中埋设的换热管采用更细的2cm的塑料软管等效展示，换热管中循环流动的换热液则采用灯带进行替代。与所选取的示范项目一致，展示共计12组换热管。进一步的，由于换热管中换热液是循环流动的，灯带的颜色根据进出水口分别采用不同的颜色，而且灯带的颜色跳动也为一上一下两不同方向。模型的第二层为集分水器侧，所有由能量桩内部深处的换热管分别连接到集水器和分水器两侧。具体进行拼接时候，需要先对应地下一层换热管的孔位，提前对层间的隔层进行钻孔贯通，然后由地下一层的换热管及灯带进行连接延伸。对应于塑料软管的拐角连接，无法直接进行弯折，需要对两根不同的塑料软管尖端分别进行45°～60°的剪切，然后对应连接拼装，形成直角型拐角。同时，集分水器上各有一组管道为机组的进出水口，采用不同于其他换热管的颜色灯带，连接模型膨胀罐、水泵及热泵系统外机，延伸至第三层的室内房间，末端连接模型热泵系统内机，实现整个连接的闭合。对于地上一层、二层的层间连接，也对隔板采用同样的钻孔贯通连接方式。

作为演示能量桩热泵系统科普教具的沙盘模型，通过灯带的不同颜色及颜色跳动方向，模拟换热液在系统中的流动，将看不见的水流等效替代并实体化；采用模型结构模拟出系统的各个部件，展示出了一个小体量的能量桩热泵系统房间的基本连接。同时，采用这种分区的设计方法，对整个系统进行了进行清晰的展示，有利于学生们在脑海中有了一个基本的认识，能达到该科普教具直观展示的基本设计要求。

（二）等效电路连接

采用上述沙盘演示的思路，进一步对热泵机组的原理进行模型构造，可得到如图3所示的简易沙盘。该沙盘对各构件的连接有一定的直观展示，但不能详尽地说明各级回路之间的原理，尤其是转换阀间的配合无法进行动态的演示。

考虑到图3中的连接类似于物理课堂上电子元件和简易电路的连接，因此，将冷凝器、蒸发器、压缩机及膨胀罐等可采用不同颜色的发光小物件代替，水泵的循环动力采用电池（组）模拟，其他转换阀则由开关等效作用（图4）。下面结合热泵机组在供热及制冷不同的模式下的不同回路，对科普教具中的等效电路进行说明。

对图4中的相关零部件进行说明如下：绿色灯泡1等效为冷凝器；橙色灯泡2等效为蒸发器；紫色灯泡3等效为膨胀阀/节流阀；黑色发光二极管4等效为压缩机。电池A等效为室内环境回路动力来源；电池组B等效为热泵机组内压缩机动力来源；电池C等效为地下埋管侧回路动力来源。发光二极管H1、H2等效指示供热工况，发光二极管W1、W2等效指示制冷工况。开关S1～S8等效转换阀，用以切换不同的供热制冷工况。

（1）供热工况

地下换热器回路：流经蒸发器的液体通过循环管道被土壤具有的较高温度较热，吸取土壤中的热量，并将这些热量带回到蒸发器，制冷剂在蒸发器中蒸发，吸收这部分热量。对应于图4中的等效电路图，闭合S1，S5，电池C提供电量及动力，红色发光二极管H2和橙色灯泡2灯亮。

制冷剂回路：被蒸发的制冷剂进入压缩机，被压缩为高温高压的蒸汽，气态制冷剂携带着土壤中传来的热量及压缩机消耗的热量，一起进入冷凝器，被室内冷空气吸收热量后，冷凝为也太，然后经过节流装置，制冷剂压力和温度均降低，低压、低温的制冷剂液体流入蒸发器，再次被地下回路的热量蒸发，完成吸、放热过程的循环往复。对应于图4中的等效电路图，闭合S0，电池组B提供电量及动力，黑色发光二极管4、紫色灯泡3和绿色灯泡1相继灯亮。

室内环境回路：室外新风或室内回风进入冷凝器，吸取高温高压制冷剂携带的热量，通过室内布置的通风系统，对建筑物进行供热升温。对应于图4中的等效电路图，闭合S3，S7，电池A提供电量及动力，红色发光二极管H1和绿色灯泡1灯亮。

（2）制冷工况

室内环境回路：较高温度的室外新风或室内回风进入蒸发器，被低温低压的制冷剂冷却，将热量传递给制冷剂后，通过室内布置的通风系统，对建筑物进行降温制冷。对应于图4中的等效电路图，闭合S2，S4，电池A提供电量及动力，蓝色发光二极管W1和橙色灯泡2灯亮。

制冷剂回路：被蒸发的制冷剂进入压缩机，被压缩为高温高压的蒸汽，这些气态制冷剂携带着从空气室内环境回路传递的热量及压缩机消耗的电能一起进入冷凝器，被从地下换热器回路的循环水吸取热量后，自身冷凝为液态，然后经过节流装置，制冷剂压力和温度均降低，低温低压的制冷剂流入蒸发器，吸收室内空气的热量蒸发，完成吸、放热过程的往复循环。对应于图4中的等效电路图，先将电池组B及发光二极管4的正负极对换，闭合S0，电池组B提供电量及动力，绿色灯泡1，紫色灯泡3和黑色发光二极管4相继灯亮。

地下换热器回路：从冷凝器回来的液体通过循环管道被桩周土壤进行冷却，二者间完成热量交换，向土壤释放热量。对应于图4中的等效电路图，闭合S6，S8，电池C提供电量及动力，蓝色发光二极管W2和绿色灯泡1灯亮。

通过上述等效电路的简单模拟，可以直观地将热泵机组的原理，通過不同颜色的灯相继灯亮灯灭进行等效替代的展示，达到科普教具的设计目的。

结语

演示能量桩热泵系统的科普教具的设计，是为了向学生进行技术科普，并强化他们为“双碳”政策添砖加瓦的决心和信心。科普设计采用沙盘演示的方法展示了能量桩热泵系统的基本连接，用电子元件和电路连接等效替代热泵机组中各元件的运行原理，寓教于乐，将抽象的知识具体形象化，一定程度上能达到技术科普和课程思政的目的。后续将结合其他广泛使用的新型能源，如太阳能、风能等，对科普教具的设计进行进一步的发展及更新。