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第3节 跨学科实践：为节约能源设计方案
九年级全
为节约能源设计方案
主题情境
家庭中有哪些使用能源的情况呢？
能对哪些情况进行节约能源的改进呢？
问题线
主题情境框架
调查家中能源的使用情况
选取优化对象与确定改进方法
任务线
针对这些情况如何改造才能节约能源？
制定与检验设计方案；(内容设置：方案一：为房屋加装加温层；方案二：为家庭用车提供建议)
如何进行方案评估和改进呢？
展示交流，方案评估
物理观念
经历为节约能源设计方案的活动，能运用能源知识，解决日常生活中有关的能源的问题.
科学思维
在实践活动中，尝试利用推理的方法对跨学科问题进行合理性分析，提升科学论证及质疑创新的能力.
科学探究
在为节约能源设计方案的活动中，能够发现问题并提出设想，设计简单的实践方案，完成实践活动.
科学态度与责任
通过为节约能源设计方案的过程，感受学习物理的乐趣，体验解决问题的喜悦，有乐于实践、节约能源的意识和勇于创新的精神.
学习目标
人们在生产生活中都会使用各种能源.你在生活中都遇到过哪些浪费能源、污染环境的问题？想为节能和环保作出贡献，可以先从优化自己家中能源的使用入手，制订出一个优化家庭能源使用的具体方案.
问题1
家庭中有哪些使用能源的情况呢？
1. 调查家中能源的使用情况
调查家中能源的用途、类型，估算这些能源的消耗量.表1是某同学以自己的家庭为例，列出的能源使用的主要情况.你可以参照此表，也可以根据自己的想法设计表格，统计自己家中能源的使用情况，并在表格中填写相应信息.
能源用途 采暖 做饭 生活热水 制冷 其他电器 交通
能源名称 天然气 电 汽油
能源类型 不可再生能源 约70%来自不可再生能源，约30%来自可再生能源 不可再生能源
消耗量(年) 200 m3 1 000 kW·h 500 L
表1 某个家庭的能源使用情况
根据调查情况，可以了解家庭在一段时间内消耗能源的情况，估算每种用途的能源消耗量，确定哪些用途的能源消耗比较多.例如，现在家庭中的采暖、制冷、生活热水、交通等，都可能是家庭消费能源的主要方面.
问题2
能对哪些情况进行节约能源的改进呢？
2. 选取优化对象与确定改进方法
根据上面的调查结果，结合以下问题，思考如何选取优化对象，确定改进方法.
(1)根据实际的调查结果，思考家中在哪些方面的能源使用可以优化，其中又有哪些是要优先改进的.
第一优先级：采暖与制冷优化
理由：能耗占比最高、技术可行性高、节能效果直接.
第二优先级：交通能源替代
理由：单次消耗量大、环保紧迫性强.
第三优先级：生活热水与其他电器
理由：使用太阳能等新能源、提高现有设备效率.
(2)优化能源使用的方法不止一种.例如，可以在家中使用太阳能等新能源，也可以利用技术手段来提高现有能源的使用效率，还可以从自身做起，通过优化家庭用车等行为来节约能源、减少浪费……你想利用哪些方法？
房屋保温改造
①加装保温层；②优化门窗密封性；③夏季调高空调设定温度，冬季调低暖气温度.
新能源汽车替代燃油车
①用纯电动/插电混动车替代汽油车；②根据每
日里程、充电条件、气候选择车型.
补充方法：太阳能应用
①安装太阳能热水器；②屋顶光伏发电.
农村住宅加装的太阳能电池板
(3)在确定节能方法时，需要从哪些角度分析？例如，如果打算用新能源汽车取代家中的传统燃油车，那么从是否节约能源的角度，应该收集哪些证据？怎么分析？从能否满足人们使用需要的角度，又应该收集哪些证据？怎样分析？
节能方法分析：①节能性→全周期能耗对比；②实用性→使用场景匹配.
证据类型 具体内容
直接能耗 燃油车百公里油耗(L)
电动车百公里电耗(kW·h)
能源生产 转化效率 汽油炼化效率(原油→汽油)
电力生产效率(煤炭→电能)
车辆生产能耗 燃油车制造过程碳排放(吨)
电动车电池生产碳排放(吨)
分析方法：若电动车全周期总能耗/碳排放低于燃油车，则符合节能性要求.
(3)在确定节能方法时，需要从哪些角度分析？例如，如果打算用新能源汽车取代家中的传统燃油车，那么从是否节约能源的角度，应该收集哪些证据？怎么分析？从能否满足人们使用需要的角度，又应该收集哪些证据？怎样分析？
证据类型 具体内容
日常行驶需求 家庭日均行驶里程(km)
充电条件 家充桩安装可行性
公共充电桩密度(个/km )
气候影响 所在地年均温度(℃)
冬季电池衰减率(%)
特殊场景 长途出行频率(次/年)
分析方法：需明确说明满足/不满足哪些场景，呼应材料要求：“推断能满足哪些地域、场景的需求”.
问题3
针对这些情况如何改造才能节约能源？
3. 制订与检验设计方案
方案一：为房屋加装保温层.有一组同学在调查各自家中能源的使用情况后，认为除了可以在夏季制冷时适当调高空调温度、冬季采暖时调低暖气温度来节约能源，还可以对房屋进行改造来节约能源.这组同学制订方案的过程如下所示.
(1)明确思路.根据学过的知识可知，热量能自发地从高温物体传递到低温物体，因此我们要想保持房间的温度不变，就要尽可能减少房间与外界的热传递.怎样才能做到这一点？有同学认为可以参考人们冬天穿羽绒服来保暖的方法，选择保温能力比较强的材料将房间“包裹”起来，以此减少房屋内部与外界的热量交换.
如何包裹
选低导热率材料
覆盖关键散热面
确保包裹严密
(2)选取材料.日常生活中的许多材料都可以用来保温，材料的保温性能与哪些因素有关？当为房屋选择保温材料时，还需要从哪些方面考虑？
因素 科学原理
热导率(λ) 越低越阻隔热传导(λ↓ → 保温性↑)
厚度(d) 厚度越大，热阻越大(R=d/λ ↑ → 保温性↑)
干燥程度 含水会大幅提高λ值(水λ=0.6 >> 空气λ=0.026)
接触面积 面积越小，总传热量越少(Q∝A)
外界温度差 温差ΔT越大，传热动力越强(Q∝ΔT)，但属不可控因素
材料保温性能的影响因素
(2)选取材料.日常生活中的许多材料都可以用来保温，材料的保温性能与哪些因素有关？当为房屋选择保温材料时，还需要从哪些方面考虑？
维度 具体评估内容
环保性 ①生产过程污染程度；②废弃后可降解性；
③是否含甲醛等有害物质
价格 ①材料单价(元/m )；②施工成本(占项目总费用%)
耐火性 ①燃点温度(℃)；②燃烧释放毒性；③阻燃等级
易安装程度 ①切割灵活性(是否需专用工具)；②与墙体粘结强度；
③对基层平整度要求
补充维度 ①使用寿命(聚苯板20年 vs 岩棉50年)；
②防水性(防止受潮降低λ)
查阅资料得知，材料的保温性能通常与它的厚度、热导率、干燥程度、与外界的接触面积，以及外界温度等有关.通常，材料厚度越大、热导率越小、与外界的接触面积越小，材料就越能减缓热量散失.表2列出了一些常见材料在室温和干燥环境下的热导率，也可以通过查找资料获得其他材料或不同条件下的热导率.
材料 热导率/[W·(m·℃)-1] 材料 热导率/[W·(m·℃)-1]
铝 236 木材 1.2
玻璃 1.1 混凝土 1.3
空气 0.2 聚苯板 0.03
纸张 0.03 …… ……
表2 不同材料的热导率
在为房屋选择保温材料时，除了材料的热导率，还要从材料的环保性、价格、耐火性，以及是否容易安装等方面进行评估(表3).如果你还有其他想法，可以补充到表3中，然后从中选出一两种材料作进一步的比较分析.
表3 对不同材料的评估
材料名称 热导率 环保性 价格 耐火性 易安装程度 ……
材料1
材料2
材料3
……
(3)确定方案.在选定了保温材料后，先在小组内讨论设计方案.例如，在房间的哪些部位安装保温材料？保温材料的规格、尺寸应满足什么要求？门窗应该怎样进行保温处理？……然后围绕这些问题制订具体的设计方案(表4).
表4 房屋保温的设计方案
安装位置 安装尺寸 所需材料 处理方式 ……
外墙1
外墙2
窗户1
窗户2
入户门
……
(4)制作模型与测试.在真正实施设计方案前，需要制作一个简易模型来模拟我们的家，通过测试来检验方案是否有效，并提出优化建议.小组内进行讨论：如何在测试中简单有效地模拟我们的家？给“家”安装哪些保温材料？怎样检验保温效果？
模拟房屋结构
组件 模拟方案 科学依据
墙体 30×30×30cm纸箱(开一侧观察口) 易获取、可安装保温层
门窗 纸箱开孔(5×5cm) 模拟真实房屋热交换薄弱点
屋顶 可开合纸板盖 便于放入冰袋及温度测量
(4)制作模型与测试.在真正实施设计方案前，需要制作一个简易模型来模拟我们的家，通过测试来检验方案是否有效，并提出优化建议.小组内进行讨论：如何在测试中简单有效地模拟我们的家？给“家”安装哪些保温材料？怎样检验保温效果？
保温材料安装
位置 材料选择(替代品原则) 安装方式
外墙 快递泡沫板(λ≈0.033，接近聚苯板) 内壁粘贴，覆盖除窗外所有面
窗户 双层保鲜膜(模拟中空玻璃) 覆盖开孔，胶带密封边缘
门缝 橡皮泥填充缝隙 模拟密封条处理
(4)制作模型与测试.在真正实施设计方案前，需要制作一个简易模型来模拟我们的家，通过测试来检验方案是否有效，并提出优化建议.小组内进行讨论：如何在测试中简单有效地模拟我们的家？给“家”安装哪些保温材料？怎样检验保温效果？
准备2个相同模型
分别在模型内放入相同质量的90 ℃的一杯水
同时置于同一房间内
每隔半小时测一次水温
比较水温高度
1个安装全部保温材料
1个无任何保温材料
为了方便起见，可以选择身边容易获取、安装，与实际保温材料热导率相近的材料，将它安装在“家”中的相应部位.为了检验保温效果，可以将相同质量的冰块装在塑料袋中，分别放入没有保温材料和装有所选保温材料的“家”中，将“家”放置在相同的环境下，经过相同的时间后将冰块取出并进行比较，通过比较冰块质量的变化来评估设计的保温效果.
方案二：为家庭用车提供建议.另一组同学认为自己家中的燃油汽车消耗的能源较多，而且排放的尾气还污染环境.为此，他们想要调查新能源汽车能否替代自己家中的燃油汽车，以减少能源消耗，并对环境更加有益.
他们准备按照以下思路开展调查和论证，提出相应的建议，并形成报告.
(1)目前都有哪些种类的新能源汽车？与传统燃油汽车相比，新能源汽车是否更加节能和环保？例如，从某种新能源汽车中选出有代表性的分析对象，与燃油汽车对比分析能耗情况.在这个过程中，既要考虑两种汽车直接消耗的能源，也要考虑汽油、电力等在生产过程中的转化效率，以及两种汽车在生产中所消耗的能源，等等.
类型 工作原理
纯电动 电池驱动电机，零尾气排放
插电混动 油电双系统，可外接充电，短途用电、长途用油
增程式 发动机仅发电，电机驱动车轮
燃料电池 氢氧化学反应发电，排放仅为水
(1)目前都有哪些种类的新能源汽车？与传统燃油汽车相比，新能源汽车是否更加节能和环保？例如，从某种新能源汽车中选出有代表性的分析对象，与燃油汽车对比分析能耗情况.在这个过程中，既要考虑两种汽车直接消耗的能源，也要考虑汽油、电力等在生产过程中的转化效率，以及两种汽车在生产中所消耗的能源，等等.
指标 某纯电动汽车 某燃油汽车 对比结果
百公里能耗 14.5 kW·h(城市) /18 kW·h(高速) 7.5L汽油(约60元) 电费成本低60%-80%
碳排放(行驶15万公里) 约9吨(中国电网均值) 约28吨(汽油燃烧) 纯电动减排68%
关键影响因素 电力来源(煤电 vs 风电)、空调能效 发动机热效率(约40%) 电网越清洁，纯电动优势越大
能源类型 从原料到车轮总效率 关键损耗环节
电力(煤电) 25%-40% 发电效率(35%)+输电损耗(5%)
汽油 15%-20% 原油提炼(85%)+发动机热效率(40%)
(1)目前都有哪些种类的新能源汽车？与传统燃油汽车相比，新能源汽车是否更加节能和环保？例如，从某种新能源汽车中选出有代表性的分析对象，与燃油汽车对比分析能耗情况.在这个过程中，既要考虑两种汽车直接消耗的能源，也要考虑汽油、电力等在生产过程中的转化效率，以及两种汽车在生产中所消耗的能源，等等.
短途城市通勤(日均≤100 km)：
纯电动车续航普遍达400 km+，配合家用充电桩(夜间低谷电价0.3~0.6元/度)，成本仅为燃油车的1/5~1/35.
充电便利性：
一线城市公共桩密度较高，支持午间补电.
(2)与传统燃油汽车相比，新能源汽车是否满足人们的日常使用需要？还有哪些局限性，还需要如何改进？例如，纯电动汽车充电时间相对较长，温度对电池电量的影响较大，需要了解家中成员一般每天用车行驶的路程，所在地区的气候以及充电桩的分布情况，等等.推断当前纯电动汽车能否满足大部分需求，或是能够满足哪些地域、场景的需求.
场景 核心问题 用户影响
低温环境 -20℃时磷酸铁锂电池续航衰减30%~50%，充电时间延长2倍 东北车主冬季实际续航缩水至标称值50%
高温环境 38℃以上快充功率下降40%，电芯温差超安全阈值 吐鲁番车主续航缩水35%，充电耗时增加72分钟
(2)与传统燃油汽车相比，新能源汽车是否满足人们的日常使用需要？还有哪些局限性，还需要如何改进？例如，纯电动汽车充电时间相对较长，温度对电池电量的影响较大，需要了解家中成员一般每天用车行驶的路程，所在地区的气候以及充电桩的分布情况，等等.推断当前纯电动汽车能否满足大部分需求，或是能够满足哪些地域、场景的需求.
场景 核心问题 用户影响
长途高速 120 km/h时速+空调制冷，续航衰减25%~30%；充电桩覆盖不足 节假日高速服务区排队充电超1小时
无家充条件 公共桩电价达1.7~3.5元/度，成本优势大幅削弱 年行驶2万公里时，成本接近小排量燃油车
(2)与传统燃油汽车相比，新能源汽车是否满足人们的日常使用需要？还有哪些局限性，还需要如何改进？例如，纯电动汽车充电时间相对较长，温度对电池电量的影响较大，需要了解家中成员一般每天用车行驶的路程，所在地区的气候以及充电桩的分布情况，等等.推断当前纯电动汽车能否满足大部分需求，或是能够满足哪些地域、场景的需求.
推荐地域：华南、华东沿海(年均温15~25℃)，电网覆盖完善(如浙江、广东).
用户画像：
①日均里程<150 km，有固定车位可安装家充桩；
②通勤路线固定，少长途需求(如教师、上班族).
(2)与传统燃油汽车相比，新能源汽车是否满足人们的日常使用需要？还有哪些局限性，还需要如何改进？例如，纯电动汽车充电时间相对较长，温度对电池电量的影响较大，需要了解家中成员一般每天用车行驶的路程，所在地区的气候以及充电桩的分布情况，等等.推断当前纯电动汽车能否满足大部分需求，或是能够满足哪些地域、场景的需求.
(2)与传统燃油汽车相比，新能源汽车是否满足人们的日常使用需要？还有哪些局限性，还需要如何改进？例如，纯电动汽车充电时间相对较长，温度对电池电量的影响较大，需要了解家中成员一般每天用车行驶的路程，所在地区的气候以及充电桩的分布情况，等等.推断当前纯电动汽车能否满足大部分需求，或是能够满足哪些地域、场景的需求.
地区 核心挑战 替代方案
北方寒区 -20℃续航缩水至50%，隐藏式门把手冻住 插电混动、燃油车
高温干旱区 充电桩午间降频，电池舱温度超68℃ 选择地下充电站+液冷超充车型
充电荒漠区 三线城市郊区/县乡充电桩密度<2个/百平方公里 增程式电动车
(3)除了节能和环保，还有没有其他因素促进新能源汽车的发展？例如，我国的石油高度依赖进口.从能源安全的角度看，使用新能源汽车的意义是什么？
促进新能源汽车发展的关键因素
①政策与产业战略驱动：a.国内政策强力支持；b.全球标准话语权争夺.
②经济性与产业链优势：a.成本下降加速普及；b.产业链全球统治力.
③技术革命与用户体验升级：a.续航与补能痛点突破；b.智能化成为核心竞争力.
④产业生态与商业模式创新：a.电池银行与车电分离；b.出口模式升级.
⑤环保政策与全球责任：a.“双碳”目标刚性约束；b.应对国际碳壁垒.
(3)除了节能和环保，还有没有其他因素促进新能源汽车的发展？例如，我国的石油高度依赖进口.从能源安全的角度看，使用新能源汽车的意义是什么？
重构能源主权：将交通能源从“进口原油”转为“自主可控电力”，降低地缘风险；
提升电网韧性：V2G技术联动可再生能源，打造“车-储-网”智慧能源生态；
保障经济安全：避免国际油价波动冲击民生(如物流、出行成本).
问题4
如何进行方案评估和改进呢？
在设计方案时不仅要提供具体的优化建议，还要有充分、确凿的证据以及合理的推理作为支撑.形成具体的方案后，需要与大家进行交流讨论，找出方案的不足和改进办法.交流的形式可以多种多样，既可以通过举办辩论会的方式进行，也可以通过制作展板、举办论坛的方式进行.
最后，归纳出一些具体的家庭能源使用的优化方法.
优化方向 措施
房屋保温 ①外墙/屋顶加装5 cm聚苯板(λ=0.03 W/m·℃)
②门窗密封处理+双层玻璃
交通能源 燃油车→纯电动车(年行驶1.5万公里)
热水与用电 安装太阳能热水器+屋顶光伏(满足20%家庭用电)
行为优化 夏季空调调高2℃，冬季暖气调低2 ℃
请估算，如果你的家庭按照设计方案优化能源的使用，每年会节约多少能源？如果全国所有家庭都采取类似的节能措施，会节约多少能源？
1. “低碳生活”是我们国家一直提倡的绿色发展理念，生活中常用的煤、石油、天然气、太阳能中，符合这一理念的能源是_______；请你提出一种为了节约能源的绿色出行方式：________________________.
太阳能
建议出行使用公共交通
2. 小涵同学发现他家的新能源汽车有轮胎气压监测功能，汽车停在楼下被太阳晒着的轮胎气压会高于没被晒到的，这是靠_______(选填“做功”或“热传递”)改变了胎内气体的内能.新能源汽车逐步取代传统燃油汽车，这可以有效减少__________的排放，改善环境.
热传递
二氧化碳

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