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[摘 要]供热工程与热源课程建设和改革中,改革思路和措施涵盖教学特点、教学方法和教学模式。项目组从课程特点出发,总结教学规律,理论与实践相结合,采用多媒体和板书合理搭配、理论教学和实践有机结合的教学模式,注重学生实践能力的培养和理论知识向实践能力的转化,提高学生的综合设计能力和素质,实现教学目标。
[关键词]供热工程与热源;教学;改革;知行合一
[中图分类号] TU83 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437(2016)12-0124-02
供热工程与热源是一门专业课,研究建筑物采暖、生活热水供给系统的设计、施工的工程应用性学科。本课培养学生认识和掌握热量的转换、输送和传递、系统的设计、设备的选型,形成综合的系统设计能力和工程应用能力,课程具有很強的实用性,对提高学生的设计和实践能力具有重要意义。
宁波工程学院2006年开始招收建筑环境与设备工程专业本科生以来,即提出了培养“知行合一、双核协同”的应用开发型高等技术人才的办学目标。[1,2]供热工程与热源是建筑环境专业传统的供暖、通风、空气调节、建筑智能化内容的重要组成部分之一,是实现舒适健康的室内人工环境必不可少的学习内容。在供热工程与热源的教学过程中,激发学生的学习兴趣,提高实践能力,提高教学质量,是培养学生综合素质的重要步骤。
一、课程特点
本课程的特点之一是实用性强,是建筑环境专业基本功的重要组成部分。
特点之二是在浙江及周边地区,供热系统普及度不广,导致大部分学生对供热系统比较陌生,或者认为“无用”而学习动力不强。
特点三是学生难以在生产实习中得到锻炼。由于浙江地区供热系统较少,因此认识实习、生产实习不便,学生日常生活中接触较少,难以在实践中得到锻炼,因此“知行合一”就显得尤为重要,执行过程也更加困难。
二、逐层深入的引导式教学
首先,初步形成供热系统的范围和印象。由于宁波工程学院的学生绝大部分来自浙江及周边省市,北方同学较少,大部分同学对供热系统无直观印象。课程开始之初,通过图片、视频的形式,建立初步的感官印象,使学生了解供热系统的作用和目的,掌握供热系统的基本形态。
(一)系统教学
教学之初首先掌握供热系统的宏观组成:热源(产生热量)、供热管网(输送热量)、热用户(使用热量),形成系统的原理图。供热系统要解决的问题是提供用户生活热水和采暖的需要,首先要解决需要多少热量的问题。如何把热量输送并分配到各用户是供热系统要解决的重要问题之一,也就是供热管网的问题。通过对问题的逐步提出和依次解答,使学生首先对供热系统形成宏观思路,便于授课过程中逐步解决细节问题。
(二)细节教学与项目教学相结合
在宏观系统建立的基础上,通过给定一个具体的小型别墅项目,逐个解决细节问题,帮助理解设计的流程。[3]
细节方面,引导学生思考该设计环节的意义、原因,自主得出结论。以热负荷为例:
热源需要提供多少热量?→用户需要多少热量? →用户损失了多少热量,即需要补充多少热量?→用户有哪些热损失途径,分别损失了多少热量?
上述一系列的问题提问,归结为用户损失了多少热量的问题,引出系统负荷计算的方法。
损失热量的途径:(1)外门、外窗、屋顶、地面等外围护结构在室内外温差的驱动下向室外散热;(2)运输进房间的冷物料、过程等需要补充的热量;(3)门窗缝隙渗入的冷空气所需补充的热量;(4)外门开启时侵入的冷空气需要补充的热量。除了热量损失以外,冬季室内还有一些得热的途径,如:(1)室内照明系统散热;(2)太阳辐射得热;(3)室内其他热过程散热;(4)人员散热。
为了保证供暖系统能够提供冬季不利条件下的负荷,忽略室内的得热,将其作为最不利条件下的热量缓冲的部分。太阳辐射得热作为附加耗热量,在后面的计算中以修正系数的方式计入。
主要考虑围护结构热损失、门窗缝隙渗入冷空气所需热量、外门侵入的冷空气所需的热量这几个部分。
围护结构散热主要是温差驱动下的热传递过程,与围护结构的传热性能有关,联系传热学知识,计算过程基本耗热量为:
Q = KFΔt (1)
其中,K为传热系数,见建筑设计参数;F为对应的传热面积;Δt即室内外温差。
室内外温差如何选取呢?由于实际室内外温度状态是一个动态的过程,实际围护结构耗热量是随着室外气象条件、室内使用情况随时变化的。但是设计过程中,为简化计算,按稳态传热处理,室内温度选定一个设计值,即室内设计温度;室外温度根据历年气象资料选择。
在上述基本耗热量的基础上,太阳辐射得热量如何计入呢?常识是,向阳面辐射得热量较大,背阴面较小,且全年太阳辐射得热量也是随着气象条件而变化的动态过程。因此,计算中,考虑在基本耗热量的基础上乘以修正系数的方法,且不同朝向的围护结构修正系数不同。
若建筑处于迎风区域,则需要考虑风力对围护结构耗热量的加强作用,因此考虑风力附加系数。
若建筑高度较高,热气流上升,导致大量热量聚集在屋顶而不能有效利用,因此层高较高的建筑需要增加高度附加值,但不能无限增加,一般高度附加的最大比例为15%。
上述过程仅为负荷计算的理论讲解,要把理论知识转化为设计实践,需要考虑建筑的具体情况。通过给定建筑的计算实践,掌握计算方法,能够巩固和加深对理论知识的理解。
三、实践环节
(一)教学中的实践练习
实践过程要与理论讲解过程相结合,相互促进,才能加深对理论知识的理解,同时提高实践能力。[4]教学过程中,每一部分的理论知识讲解,都附加实际工程应用案例分析,应用理论知识解决实际问题,提高认识。仍以上述负荷计算为例,在理论知识的基础上,附加一个单体别墅建筑的负荷计算作为设计案例,分析外围护结构(外墙、外门、外窗、地面、屋顶的基本耗热量和附加耗热量;户间传热量;冷风渗透耗热量和冷风侵入耗热量等),学习计算方法。 (二)虚拟实验技术辅助实践教学
实验是辅助理解理论教学内容的重要实践手段。可以结合本校的实验条件,设计虚拟实验。如自然循环热水采暖系统,从循环原理出发帮助学生理解密度差如何促进水循环、排气如何实现、膨胀水箱的作用等知识点,形象的解释抽象的理论。
供热系统中的管网水力设计是系统正常运行的重要保障,可以设计管网水力系统虚拟实验,使学生可通过操作、观察、分析,掌握水力平衡、水力失调、定压等知识点。
(三) 课程设计实践环节
课程各环节知识学习结束之后,学生对供热系统有了宏观整体的把握,也都基本掌握了设计计算过程,这时就可以安排课程设计实践环节进行整体设计练习了。从负荷计算、散热末端设计计算、系统方案设计、水力计算、附属设备设计选型等,实现对整栋建筑的供热设计。
设计过程中,不仅仅要对理论知识加以练习,还需要考虑到建筑的使用过程。
1. 系统设计要符合建筑实际需要。如,散热器的布置,不仅考虑供热系统的功能实现,还需要考虑散热器位置是否会影响建筑的使用功能、空间是否足够布置设计面积的散热器、是否影响建筑美观等;
2. 以最经济的方案实现建筑供热。设计中不仅要实现供热功能,还需要考虑系统的经济性,尽量使系统最节约管材和运行费用。
3. 注意设计中细节的把握,如阀门、放氣阀的布置,散热器支管的标高及与干管的连接等。
将理论知识学习和实践有机结合,逐渐建立学生对供热系统的认识,加深理解,掌握系统的设计方法,实现学生综合素质的提高,是本课程的目的和任务。通过该课程的学习,学生基本能够掌握供热系统的设计方法和原则,熟练掌握系统设计各环节,能够绘制供热系统施工图。
四、总结
供热工程与热源是实践性很强的课程,但由于受到当地条件的制约,现场学习很难实现,教学过程中,采用理论联系设计实际的方式,加深对理论知识的理解;通过图片、视频、描述等,形成对供热系统的整体宏观把握,提高学生实践能力。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 张丽娜,巩学梅,魏莉莉. 基于华盛顿协议视角的建环专业人才培养模式探索[J].宁波工程学院,2015(1):76-78.
[2] 高浩其,徐挺,李维维.“知行合一、双核协同”,现代工程师培养模式的探索[J].高等工程教育研究,2007(4):18-21.
[3] 商萍君,陈武. 项目教学法在供热空调专业课教学中的应用构思[J].制冷空调与电力机械,2010(2):92-95.
[4] 张治. 供热工程课程的教学改革与实践[J].安徽工业大学学报(社会科学版), 2011(1):130-131.
[责任编辑:钟 岚]
[关键词]供热工程与热源;教学;改革;知行合一
[中图分类号] TU83 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437(2016)12-0124-02
供热工程与热源是一门专业课,研究建筑物采暖、生活热水供给系统的设计、施工的工程应用性学科。本课培养学生认识和掌握热量的转换、输送和传递、系统的设计、设备的选型,形成综合的系统设计能力和工程应用能力,课程具有很強的实用性,对提高学生的设计和实践能力具有重要意义。
宁波工程学院2006年开始招收建筑环境与设备工程专业本科生以来,即提出了培养“知行合一、双核协同”的应用开发型高等技术人才的办学目标。[1,2]供热工程与热源是建筑环境专业传统的供暖、通风、空气调节、建筑智能化内容的重要组成部分之一,是实现舒适健康的室内人工环境必不可少的学习内容。在供热工程与热源的教学过程中,激发学生的学习兴趣,提高实践能力,提高教学质量,是培养学生综合素质的重要步骤。
一、课程特点
本课程的特点之一是实用性强,是建筑环境专业基本功的重要组成部分。
特点之二是在浙江及周边地区,供热系统普及度不广,导致大部分学生对供热系统比较陌生,或者认为“无用”而学习动力不强。
特点三是学生难以在生产实习中得到锻炼。由于浙江地区供热系统较少,因此认识实习、生产实习不便,学生日常生活中接触较少,难以在实践中得到锻炼,因此“知行合一”就显得尤为重要,执行过程也更加困难。
二、逐层深入的引导式教学
首先,初步形成供热系统的范围和印象。由于宁波工程学院的学生绝大部分来自浙江及周边省市,北方同学较少,大部分同学对供热系统无直观印象。课程开始之初,通过图片、视频的形式,建立初步的感官印象,使学生了解供热系统的作用和目的,掌握供热系统的基本形态。
(一)系统教学
教学之初首先掌握供热系统的宏观组成:热源(产生热量)、供热管网(输送热量)、热用户(使用热量),形成系统的原理图。供热系统要解决的问题是提供用户生活热水和采暖的需要,首先要解决需要多少热量的问题。如何把热量输送并分配到各用户是供热系统要解决的重要问题之一,也就是供热管网的问题。通过对问题的逐步提出和依次解答,使学生首先对供热系统形成宏观思路,便于授课过程中逐步解决细节问题。
(二)细节教学与项目教学相结合
在宏观系统建立的基础上,通过给定一个具体的小型别墅项目,逐个解决细节问题,帮助理解设计的流程。[3]
细节方面,引导学生思考该设计环节的意义、原因,自主得出结论。以热负荷为例:
热源需要提供多少热量?→用户需要多少热量? →用户损失了多少热量,即需要补充多少热量?→用户有哪些热损失途径,分别损失了多少热量?
上述一系列的问题提问,归结为用户损失了多少热量的问题,引出系统负荷计算的方法。
损失热量的途径:(1)外门、外窗、屋顶、地面等外围护结构在室内外温差的驱动下向室外散热;(2)运输进房间的冷物料、过程等需要补充的热量;(3)门窗缝隙渗入的冷空气所需补充的热量;(4)外门开启时侵入的冷空气需要补充的热量。除了热量损失以外,冬季室内还有一些得热的途径,如:(1)室内照明系统散热;(2)太阳辐射得热;(3)室内其他热过程散热;(4)人员散热。
为了保证供暖系统能够提供冬季不利条件下的负荷,忽略室内的得热,将其作为最不利条件下的热量缓冲的部分。太阳辐射得热作为附加耗热量,在后面的计算中以修正系数的方式计入。
主要考虑围护结构热损失、门窗缝隙渗入冷空气所需热量、外门侵入的冷空气所需的热量这几个部分。
围护结构散热主要是温差驱动下的热传递过程,与围护结构的传热性能有关,联系传热学知识,计算过程基本耗热量为:
Q = KFΔt (1)
其中,K为传热系数,见建筑设计参数;F为对应的传热面积;Δt即室内外温差。
室内外温差如何选取呢?由于实际室内外温度状态是一个动态的过程,实际围护结构耗热量是随着室外气象条件、室内使用情况随时变化的。但是设计过程中,为简化计算,按稳态传热处理,室内温度选定一个设计值,即室内设计温度;室外温度根据历年气象资料选择。
在上述基本耗热量的基础上,太阳辐射得热量如何计入呢?常识是,向阳面辐射得热量较大,背阴面较小,且全年太阳辐射得热量也是随着气象条件而变化的动态过程。因此,计算中,考虑在基本耗热量的基础上乘以修正系数的方法,且不同朝向的围护结构修正系数不同。
若建筑处于迎风区域,则需要考虑风力对围护结构耗热量的加强作用,因此考虑风力附加系数。
若建筑高度较高,热气流上升,导致大量热量聚集在屋顶而不能有效利用,因此层高较高的建筑需要增加高度附加值,但不能无限增加,一般高度附加的最大比例为15%。
上述过程仅为负荷计算的理论讲解,要把理论知识转化为设计实践,需要考虑建筑的具体情况。通过给定建筑的计算实践,掌握计算方法,能够巩固和加深对理论知识的理解。
三、实践环节
(一)教学中的实践练习
实践过程要与理论讲解过程相结合,相互促进,才能加深对理论知识的理解,同时提高实践能力。[4]教学过程中,每一部分的理论知识讲解,都附加实际工程应用案例分析,应用理论知识解决实际问题,提高认识。仍以上述负荷计算为例,在理论知识的基础上,附加一个单体别墅建筑的负荷计算作为设计案例,分析外围护结构(外墙、外门、外窗、地面、屋顶的基本耗热量和附加耗热量;户间传热量;冷风渗透耗热量和冷风侵入耗热量等),学习计算方法。 (二)虚拟实验技术辅助实践教学
实验是辅助理解理论教学内容的重要实践手段。可以结合本校的实验条件,设计虚拟实验。如自然循环热水采暖系统,从循环原理出发帮助学生理解密度差如何促进水循环、排气如何实现、膨胀水箱的作用等知识点,形象的解释抽象的理论。
供热系统中的管网水力设计是系统正常运行的重要保障,可以设计管网水力系统虚拟实验,使学生可通过操作、观察、分析,掌握水力平衡、水力失调、定压等知识点。
(三) 课程设计实践环节
课程各环节知识学习结束之后,学生对供热系统有了宏观整体的把握,也都基本掌握了设计计算过程,这时就可以安排课程设计实践环节进行整体设计练习了。从负荷计算、散热末端设计计算、系统方案设计、水力计算、附属设备设计选型等,实现对整栋建筑的供热设计。
设计过程中,不仅仅要对理论知识加以练习,还需要考虑到建筑的使用过程。
1. 系统设计要符合建筑实际需要。如,散热器的布置,不仅考虑供热系统的功能实现,还需要考虑散热器位置是否会影响建筑的使用功能、空间是否足够布置设计面积的散热器、是否影响建筑美观等;
2. 以最经济的方案实现建筑供热。设计中不仅要实现供热功能,还需要考虑系统的经济性,尽量使系统最节约管材和运行费用。
3. 注意设计中细节的把握,如阀门、放氣阀的布置,散热器支管的标高及与干管的连接等。
将理论知识学习和实践有机结合,逐渐建立学生对供热系统的认识,加深理解,掌握系统的设计方法,实现学生综合素质的提高,是本课程的目的和任务。通过该课程的学习,学生基本能够掌握供热系统的设计方法和原则,熟练掌握系统设计各环节,能够绘制供热系统施工图。
四、总结
供热工程与热源是实践性很强的课程,但由于受到当地条件的制约,现场学习很难实现,教学过程中,采用理论联系设计实际的方式,加深对理论知识的理解;通过图片、视频、描述等,形成对供热系统的整体宏观把握,提高学生实践能力。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 张丽娜,巩学梅,魏莉莉. 基于华盛顿协议视角的建环专业人才培养模式探索[J].宁波工程学院,2015(1):76-78.
[2] 高浩其,徐挺,李维维.“知行合一、双核协同”,现代工程师培养模式的探索[J].高等工程教育研究,2007(4):18-21.
[3] 商萍君,陈武. 项目教学法在供热空调专业课教学中的应用构思[J].制冷空调与电力机械,2010(2):92-95.
[4] 张治. 供热工程课程的教学改革与实践[J].安徽工业大学学报(社会科学版), 2011(1):130-131.
[责任编辑:钟 岚]