本文作者：夏鹏 姜小敏 蔡颖玲 单位：上海工程技术大学机械工程学院
能源环境学是讲述能源与环境关系的一门新兴学科。课程内容包括几个方面:首先是能源的转换、利用;其次是由于能源利用过程当中引起的环境问题,以及如何协调能源利用、经济发展与环境保护之间的辩证关系[1]。本文针对能源环境学中的能源部分教学,进行了一些思考。能源是比较集中的含能体或能量过程。我国是煤能源占主导地位,油气资源不够丰富的国家。我国能源消耗总量居世界前列,但人均能源消耗量很低,加之经济发展水平低,单位GDP能耗较高,因此节能减排的形式严峻。
一、能源转换利用的教学
机械能、热能、化学能、电能、核能、太阳能、风能、潮汐能这些能源的形式,相互之间是可以转换的。其中,将热能转换为机械能是目前获得机械能的最主要的方式。将热能转换成机械能的装置称为热机。因为热机可以为各种机械提供动力,故通常又将其称为动力机械。蒸汽轮机,简称汽轮机,是将蒸汽的热能转换为机械功的热机。对于汽轮机的讲解,我们一般采用“模型教学”的方法,结合汽轮机模型,加深同学对汽轮机的直观了解。在此基础上,再对汽轮机的工作原理进行讲解。另外,通过对燃煤电厂的讲解,让学生了解从煤的化学能通过燃烧转换成热能,以蒸汽的形式进行流动,再将蒸汽通过汽轮机转换成动能,带动发电机发电。整个过程通过丰富的图片和真实的现场将全过程展示给学生,一方面传授专业知识,另一方面也激发学生的学习热情,让他们感觉到能源工程的魅力。
二、能源系统工程教育
首先,能源与环境系统工程专业教育在于培养学生的能源利用视野,突出能源与环境,发展与节能等的辨证关系,着力拓宽学生的能源利用全球视野,使其关注新能源的利用。现在比较有前景的新能源有风能、太阳能、核能和生物质能。其中,太阳能是一种优质的新能源,太阳辐射到地球表面的能量远大于人类所需,而且太阳能清洁,无污染,对环境友好。但是从能源的转换、利用的角度看,太阳能的能流密度比较低。跟常规能源,如煤、石油、天然气等相比,太阳能的利用还有待进一步研究开发。风能同样是清洁能源,但是风能受气候的影响比较大,不能够提供稳定、有效的高品质能量;核能是一种快速发展的战略性新能源,通过核裂变,核反应堆可以提供巨量能量,但是,核材料特别是核废料对环境的影响却有待进一步评估,而且核能装备投资大,技术要求特别高。因此,在常规能源日益枯竭的情况下,我们需要拓宽视野,紧跟新能源技术的研究。
其次,需要培养学生综合利用能源的意识和节约能源的观念。近年来,随着新能源技术的发展,生物质能源技术有了很大提高,而其中沼气的综合利用是能源技术的一个重要方向,特别是随着生态农业的发展,集约化农业养殖的形成,大量的沼气发酵而成。而养殖场,比如养猪场,在饲养种猪时,猪圈需要维持一定的温度,如果通过其它的能源方式,比如燃烧液化石油气来为猪圈取暖,则需耗费大量液化石油气,而同时,猪场发酵而成的沼气则白白浪费。这正需要我们进行综合处理,以达到综合利用的目的。当然,沼气的着火点、火焰传播速度等与液化石油气不同,如果需要利用原有的加热设备,则需要进行改造。而沼气的产生,也具有季节性,春、夏季节的沼气产生量要比秋、冬季节要大;沼气的产生量也同时受猪场在圈生猪头数的影响。而秋冬的采暖负荷又较春夏要大,所以,在采用燃烧沼气的方法进行猪圈采暖时,需要综合考虑如何设计采暖设备,有两种方式:一、燃烧沼气,产生热风,同时辅以LPG(液化石油气)空气加热器;二、用沼气锅炉,产生热水,将热水通过风机盘管,产生热风,同时辅以小型LPG锅炉,进行容量调节。在综合利用能源的技术选择中,应培养学生对于能源利用与环境保护的综合考虑。近年来,随着我国对能源立法的重视,多部能源相关法律产生,其中《能源法》,《节能环保法》等对我们专业的指导性明显。《能源法》和《节能环保法》当中,都对大型工矿企业的节电、节水、节汽提出了明确的要求。因而,我们对一些大型的企业进行了水平衡、热平衡测试,通过对设备、流程等的改造,以找出节约能源的途径。水平衡就是通过对企业进水、出水计量,水管道、用水设备进行相应水平衡计算。对工业水、纯水、自来水、蒸汽等分别进行水平衡计算,找出漏水点以及耗水量异常的设备,进行相应改造。同时,对于污水的排放量以及污水的排放去向进行测量和查找。同时,根据《能源法》和《节能环保法》的要求,对企业进行相应的热平衡,对于用热设备进行衡算,找出漏热点以及耗热量异常或者不符合国家法律法规的高耗能设备进行改造。而各地方法规同样也是需要对学生进行宣讲,让他们牢固树立节约能源的意识,这不仅是专业的素养,同时,也是国家、地方法律、法规对我们的要求。具体到我们能源行业,就是,在法律的框架下,综合利用能源,节约能源。我们要以法制的观念去看待节能的事业,培养学生懂“能源法”,利用“能源法”,来为我们的可持续发展服务。
再次,需培养学生能源利用的伦理道德观念[2]。值得注意的是,随着经济的发展,对能源资源的需求量越来越大。但是,按照目前的开采速度,全球的煤的剩余可开采储量只能维持240多年,石油和天然气可供开采的年限仅分别为40年和50年[3]。而随着大量的矿物燃料的使用,我国的大气环境受到了严重的污染,空气中的CO,NO,NO2,SO2等在很多城市严重超标。而空调、冰箱等制冷设备中大量使用对臭氧层有害的氟里昂工质,使得臭氧层空洞越来越大。
三、结语
是不是一如既往地片面追求经济发展,而忽视对能源的节约利用?是不是只追求眼前利益,而放弃对能源利用过程进行环境的处理和保护?是不是只追求自身的发展,而忽视“地球村”的观念?这些都是我们在能源利用过程中,需要考虑的问题,因为,能源利用关系到我们的子孙后代的生存和发展。当意识到无休止的采掘,会导致能源的日益枯竭,这时我们会担心子孙后代的生存和发展。当环境受到了肆无忌惮的破坏,各种疾病频发,受害的不仅是我们自己,也会祸及我们的子孙;当我们只追求自身的发展,而忽视“地球村”的观念,去破坏我们赖以生存的地球的资源和环境,那么,我们必然会受到相应的惩罚。因而,在学习能源利用的时候,需要时刻警醒自己要时刻注意资源的有效利用和对环境的保护,唯有如此,才能够可持续地利用能源,才能利及千秋。
