建筑环境与能源应用工程专业本科三年级《分布式能源系统：燃气冷热电联供系统经济性分析》教学设计

建筑环境与能源应用工程专业本科三年级《分布式能源系统：燃气冷热电联供系统经济性分析》教学设计

  一、课程基本信息

  课程名称：分布式能源系统

  教学专题：燃气冷热电联供（CCHP）系统经济性分析

  授课对象：建筑环境与能源应用工程专业本科三年级学生

  授课学时：4学时（连续，含20分钟休息）

  先修课程：工程热力学、传热学、流体力学、建筑环境学、暖通空调、工程经济学基础

  使用教材：自编讲义《分布式能源与微网技术》（第四章），主要参考书为《燃气冷热电联供系统设计及应用》、《能源工程经济学》。

  教学环境：智慧教室（配备多屏互动系统、无线投屏、分组讨论设施）、工程软件机房（预装EnergyPlus、HOMERPro教学版、MATLAB/Simulink）。

  学情分析：学生已掌握建筑冷热负荷计算、常规空调系统原理、以及工程经济学中的现值、年值、投资回收期等基本概念。具备初步的数学建模和软件仿真能力，但对复杂能源系统的综合评价，特别是多目标、多约束下的经济性建模与分析，缺乏系统性训练。学生思维活跃，乐于接受挑战性任务，但对理论与工程实践的结合深度有待加强，亟需通过综合性、项目化的教学设计，提升其解决复杂工程问题的能力。

  二、教学设计理念与思路

  本设计秉承“学生中心、产出导向、持续改进”的工程教育理念，深度融合“新工科”建设要求。设计核心在于打破传统《暖通空调》课程中对CCHP系统仅作原理性介绍的局限，构建一个以“经济性分析”为驱动、跨学科知识融合的深度学习场景。设计思路遵循“宏观政策与市场需求导入→核心经济性评价模型解构→多因素耦合影响仿真探究→典型工程案例综合决策”的逻辑链条。通过引入真实的工程数据和前沿的模拟软件，将抽象的经济性指标转化为可视、可操作、可迭代的分析过程。强调从“计算”到“决策”的思维跃迁，培养学生综合考虑技术可行性、经济效益、环境效益与社会效益的系统思维和工程决策能力，同时将“双碳”目标、能源安全等国家战略有机融入教学过程，实现价值塑造、能力培养与知识传授的有机统一。

  三、教学目标

  （一）知识与技能目标

  1.学生能够准确阐述燃气CCHP系统相比传统分供系统的技术经济特点，以及其在能源梯级利用和减排方面的优势。

  2.学生能够系统复述并应用CCHP系统经济性评价的核心静态与动态指标，包括：简单投资回收期、动态投资回收期、净现值、内部收益率、费用年值、增量投资回收期、节能收益与成本分析等。

  3.学生能够基于给定建筑的全年逐时冷、热、电负荷数据，运用HOMERPro或MATLAB工具，完成CCHP系统初步配置（设备选型、容量匹配）及基础经济性建模。

  4.学生能够分析天然气价格、上网电价、设备初投资、系统运行策略（以热定电、以电定热）、负荷特性等关键参数对系统经济性的敏感性，并绘制敏感性分析蜘蛛图。

  （二）过程与方法目标

  1.通过“案例预习-课堂研讨-软件验证”的探究流程，学生掌握从实际工程问题中抽象数学模型，并利用数字化工具进行仿真验证与优化的科学方法。

  2.通过小组协作完成“不同边界条件下CCHP系统经济性对比”项目，学生体验完整的工程经济分析流程，包括：数据收集与处理、假设条件设定、模型构建、仿真计算、结果分析与可视化呈现、报告撰写与口头答辩。

  3.通过针对经济性评价结果的多维度讨论（技术、政策、市场），学生学会运用批判性思维，评估分析模型的局限性，并提出改进设想。

  （三）情感、态度与价值观目标（课程思政融入）

  1.通过剖析CCHP系统在提高能源效率、促进可再生能源消纳方面的作用，引导学生深刻理解国家“能源革命”与“双碳”战略的重大意义，树立绿色低碳、可持续发展的工程伦理观。

  2.通过对比国内外CCHP发展现状与政策支持，增强学生的专业自信与使命感，激发其投身清洁能源技术研发与应用的热情。

  3.在小组项目协作中，培养学生严谨求实、团队协作、沟通表达的工程素养与职业精神。

  四、教学重点与难点

  （一）教学重点

  1.燃气CCHP系统全生命周期成本与收益的构成分析。这是经济性评价的基石，需要清晰界定初投资、运行维护成本、燃料成本、售电收入、节省的购电与购热费用等现金流项目。

  2.动态经济评价指标（净现值、内部收益率、动态投资回收期）的原理、计算方法及其在CCHP项目决策中的具体应用与解读。

  3.系统运行策略（跟随热负荷vs.跟随电负荷）对设备利用率、能源消耗及经济性的决定性影响机制。

  （二）教学难点

  1.关键参数不确定性（如未来能源价格波动、政策补贴变动）的处理与敏感性分析建模。学生需理解不确定性对长期投资项目决策的风险，并掌握量化分析工具。

  2.如何将复杂的、相互耦合的技术参数（发电效率、余热回收效率、制冷COP）与经济性指标有机链接，建立整合的“技术-经济”一体化分析模型。

  3.在综合评价中，如何权衡经济性最优与环境效益（碳减排）最大化之间的潜在矛盾，进行多目标决策。

  （三）突破策略

  针对难点1，采用“情景假设法”与“软件辅助”相结合。首先引导学生建立基准情景，然后分组设定不同价格波动和政策变化情景，利用仿真软件快速计算不同情景下的经济指标，对比结果，直观感受敏感性。针对难点2，设计“参数追踪”可视化练习，通过改变单一技术参数（如提高发电效率5%），在软件模型中观察其对全生命周期各项现金流和最终NPV的影响路径与程度。针对难点3，引入“碳交易成本内生化”概念，在案例中设定碳价，将环境效益部分货币化，引导学生探索“技术-经济-环境”三角平衡点。

  五、教学资源与工具

  1.主要教材与参考资料：自编讲义（核心）、参考书目、国家与地方近期发布的关于分布式能源、天然气利用、电价及补贴政策的官方文件（摘编）。

  2.数字资源包：

    （1）案例数据库：包含3个典型建筑（医院、酒店、数据中心）的简化全年8760小时逐时冷、热、电负荷数据（CSV格式）。

    （2）设备参数库：主流品牌微型燃气轮机、内燃机、余热吸收式制冷机、燃气锅炉的典型性能曲线、初投资及维护成本范围数据表。

    （3）软件教程微视频：针对本专题的HOMERPro核心操作步骤（负荷导入、设备库选择、经济参数设置、结果解读）录制10分钟精讲视频。

  3.教学软件：HOMERPro教学版（用于系统优化与敏感性分析）、Excel高级分析工具（用于基础计算与图表绘制）、思维导图软件（用于知识梳理）。

  4.在线协作平台：利用课程教学平台（如超星学习通）发布预习任务、上传资料、进行课前测验、开展小组项目协作与成果提交。

  六、教学过程实施

  （一）第一阶段：课前自主探究与问题生成（预计学生投入时间：2小时）

  教师活动：

  1.在教学平台发布“预习任务单”，任务单包含：

    （1）引导性阅读材料：一篇关于某园区CCHP项目实际运行经济效果的简短行业报道。

    （2）核心概念微课视频（15分钟）：精讲“能源梯级利用”、“CCHP系统运行策略”、“动态投资回收期与净现值的联系与区别”。

    （3）预习思考题：①为何医院类建筑被普遍认为适合应用CCHP？其负荷特性有何优势？②若天然气价格上涨20%，将对CCHP项目的经济性产生何种影响？试定性分析。

    （4）软件准备要求：提醒学生在工程软件机房账户中激活HOMERPro，并观看基础操作微视频。

  2.在线答疑论坛开启，收集学生预习中遇到的共性疑惑。

  学生活动：

  1.自主完成阅读与视频学习，记录笔记。

  2.尝试回答预习思考题，将初步答案和不解之处提交至平台讨论区。

  3.熟悉HOMERPro软件界面，尝试导入一份样例负荷数据。

  设计意图：翻转课堂，将知识传递环节前移，使课堂时间更多用于高阶思维训练。通过真实案例和问题引导，激发学生兴趣，建立学习期待。初步的软件接触降低课堂操作门槛。

  （二）第二阶段：课中深度建构与能力内化（4学时，具体流程如下）

  【第1学时】情境锚定与评价框架建立

  1.导入与聚焦（15分钟）：

    教师活动：不直接讲解概念，而是播放一段3分钟采访视频（虚拟），采访对象为一位正在为新建研发中心选择能源系统的甲方项目经理。项目经理明确提出：“我们了解CCHP技术先进，但董事会最关心的是投资回报。请给我们一个清晰、有说服力的经济性对比报告。”随后，教师展示一张该研发中心的建筑效果图及基础信息。提出本课核心任务：“作为咨询团队，我们如何构建一套令人信服的经济性分析模型，为甲方决策提供支撑？”

    学生活动：基于预习，以小组为单位，进行3分钟快速讨论，罗列出一份经济性分析报告应包含的核心内容清单。

    设计意图：创设真实的工程决策情境，以“角色扮演”和“任务驱动”瞬间聚焦课堂，让学生明确学习的目标和价值。

  2.核心概念辨析与现金流图谱绘制（30分钟）：

    教师活动：引导学生分享各组清单，并归类。在此基础上，系统讲解CCHP系统与常规分供系统（市电+燃气锅炉+电制冷）在现金流上的根本差异。使用交互式白板，带领学生共同绘制两套系统的全生命周期现金流图谱（时间轴-现金流量图）。重点辨析：CCHP系统高昂的初投资（设备购置、安装、并网费用）、持续的燃料成本、可能的政府补贴、节省的购电费用、售电收入、节省的购热（冷）费用、维护成本等。强调“增量分析”思想：即分析CCHP相对于基准系统的额外投资带来的额外收益。

    学生活动：跟随教师引导，同步在笔记本或平板电脑上绘制现金流图。针对“余热免费”等常见误解，进行提问和澄清。

    设计意图：可视化工具将抽象现金流具体化，奠定建模基础。强化增量分析思维，这是工程经济评价的关键。

  【第2学时】模型解构与关键参数冲击分析

  1.静态与动态评价指标深析（25分钟）：

    教师活动：基于现金流图，自然引出评价指标。首先回顾简单投资回收期的局限性（忽略时间价值、忽略回收期后收益）。重点推导动态指标：净现值。通过一个简化数字案例（给出各年净现金流，设定折现率），分步演示NPV计算过程，并阐释其决策准则（NPV>0）。随后，类比引入内部收益率概念（使NPV=0的折现率），解释其作为项目承受利率上限能力指标的含义。动态投资回收期则作为辅助指标简要说明。

    学生活动：使用Excel或计算器，跟随教师同步计算简化案例。完成一个“概念匹配”快速练习：给定几个项目描述，判断应优先使用哪个指标进行决策。

    设计意图：摒弃公式的死记硬背，强调指标的经济含义、计算逻辑和适用场景。通过动手计算深化理解。

  2.敏感性分析原理与初步实践（20分钟）：

    教师活动：提出关键问题：“我们模型中的天然气价格、电价都是预测值，如果预测不准怎么办？”引入敏感性分析概念。讲解单因素敏感性分析的步骤：确定不确定性因素、设定变化范围、计算指标变动、排序找出敏感因素。以“天然气价格”为例，在之前简化案例的基础上，演示当气价在±30%范围内波动时，NPV如何变化，并绘制敏感性分析图（线性示意）。

    学生活动：分组领取不同参数（如设备初投资、上网电价、折现率），在教师提供的Excel模板上完成该参数的敏感性分析计算，并准备简要分享。

    设计意图：引入风险与不确定性思维，这是高水平经济分析不可或缺的一环。分组实践初步体验分析过程。

  （课间休息20分钟）

  【第3-4学时】软件仿真与综合决策实战

  1.HOMERPro工具深化与案例建模（40分钟）：

    教师活动：切换至软件机房环境。教师屏幕广播，以“研发中心”案例数据（已下发）为例，完整演示在HOMERPro中构建CCHP经济性模型的流程：（1）导入建筑电、热、冷负荷数据；（2）从组件库添加并配置微型燃气轮机、吸收式制冷机、燃气锅炉（作为补充）、电网等组件，并输入成本、效率、寿命参数；（3）在经济模块输入天然气价格、电价、折现率、项目寿命；（4）设置搜索空间，运行模拟优化。重点讲解软件如何自动模拟成千上万种系统配置，并依据总净现值成本（NPC）或度电成本（COE）进行排序，给出最优方案。

    学生活动：跟随演示，在自己的电脑上同步操作，完成基准案例模型的建立与初次运行。针对操作细节实时提问。

    设计意图：将前两学时构建的理论框架，通过专业软件具象化、自动化。展示现代工程分析的高效工具。

  2.小组探究项目：多场景经济性对决（50分钟）：

    教师活动：发布三个不同建筑类型（医院、酒店、数据中心）的负荷数据包。将学生分为6组，每两个组分析同一类建筑，但采用不同运行策略（A组：“以热定电”；B组：“以电定热”）。项目任务：利用HOMERPro，分别构建CCHP方案和常规分供方案，进行优化比较。要求：（1）输出最优系统配置；（2）记录关键经济指标（NPC，IRR，回收期）；（3）对天然气价格进行敏感性分析；（4）初步评估碳减排量。

    学生活动：小组分工协作，迅速开展建模、模拟、结果记录与分析。组内讨论运行策略对结果的影响。教师巡回指导，解决技术问题，并引导思考深度问题，如“为何数据中心的结果可能与其他建筑迥异？”

    设计意图：通过真实的、差异化的案例和竞争性策略，将学习推向应用和创造层面。协作学习促进知识交换与思维碰撞。

  3.成果汇报与高阶思辨（30分钟）：

    教师活动：组织简短汇报。每组有4分钟时间，用1-2页投影片展示核心发现：最优配置、经济性对比结论、最关键的影响因素。汇报后，引导跨组提问和辩论。例如，提问分析同一建筑的两组：“为何你们推荐的策略不同？你们的假设有何差异？”提问全体：“从三个案例看，决定CCHP经济性的最关键共性因素是什么？是技术参数、能源价格还是负荷特性？”

    学生活动：小组代表进行精炼汇报。其他小组倾听、提问、评价。参与全班范围的深度讨论。

    设计意图：锻炼学生的总结归纳、口头表达和临场应变能力。通过辩论深化对复杂系统背后主控因素的理解，培养工程判断力。

  4.总结升华与思政点睛（10分钟）：

    教师活动：对小组汇报进行点评总结。系统梳理CCHP经济性分析的完整方法论框架：从负荷分析、方案设计、现金流识别、指标计算、不确定性分析到综合决策。进一步升华，展示国家“十四五”现代能源体系规划中关于分布式能源的部署，以及碳市场建设对项目经济性的潜在影响。强调：作为一名未来的能源工程师，经济性分析不仅是计算，更是权衡。我们要在追求项目经济可行的同时，牢记技术服务于社会、服务于国家战略的初心，勇于探索既能盈利又能促进“双碳”目标实现的创新解决方案。

    学生活动：聆听总结，完善自己的知识体系框架图。反思本次项目中的得失。

    设计意图：将零散的知识点串联成方法体系。将专业技术学习与国家发展大局相联系，实现价值引领的自然融入，留下深刻的课堂印记。

  （三）第三阶段：课后迁移拓展与评价反馈

  教师活动：

  1.在教学平台发布分层课后任务：

    基础任务（必做）：完善课堂小组分析报告，形成格式规范的简短工程咨询报告（模板已提供），提交至平台。

    拓展任务（选做）：假设在基准情景中加入每年2000吨的碳配额约束及碳交易价格，重新优化CCHP系统配置，观察最优方案和经济指标的变化，并撰写分析短文。

    挑战任务（兴趣小组）：阅读一篇关于CCHP与可再生能源（光伏、储能）互补系统的学术论文，尝试在HOMER中搭建风光气储互补的微网模型，初步探索其经济性。

  2.提供报告评分量规（Rubric），明确从技术正确性、分析深度、逻辑性、报告规范性等方面的评价标准。

  3.批改报告，给予个性化反馈。汇总共性问题，在下次课进行集中答疑。

  学生活动：

  1.完成必做任务，提交小组报告。

  2.根据自身兴趣和能力，选择完成选做或挑战任务。

  3.在教学平台完成对本专题教学效果的匿名评价与学习反思。

  设计意图：巩固课堂所学，将分析过程固化为规范的工程文档，培养职业素养。分层任务满足不同层次学生的发展需求，鼓励深度学习与探索。及时的评价与反馈形成教学闭环。

  七、教学评价设计

  本专题采用“过程性评价为主、终结性评价为辅”的多元评价体系，权重如下：

  1.过程性评价（70%）：

    （1）课前准备（10%）：预习任务完成度、在线讨论参与质量。

    （2）课堂参与（30%）：个人在小组活动中的贡献（通过组内互评和教师观察记录）、提问与回答问题的积极性与质量、软件操作熟练度。

    （3）小组项目成果（30%）：基于提交的分析报告和课堂汇报表现，依据评分量规进行评价。

  2.终结性评价（30%）：

    与本专