本科建筑环境与能源应用工程专业三年级：《全水风机盘管系统能耗解构与智能协同优化》教案

本科建筑环境与能源应用工程专业三年级：《全水风机盘管系统能耗解构与智能协同优化》教案

一、教学背景

（一）教材分析与内容重构

本课选自“十三五”普通高等教育本科国家级规划教材《暖通空调》（第三版）第九章“空调系统运行调节与能效提升”之第四节“末端装置与输配系统的匹配优化”。原教材内容侧重于风机盘管加独立新风系统的设计选型原理，对于全水风机盘管系统这一常见却常被误解的低压水系统形式，仅以不足两页篇幅简述其构造与接管方式，严重滞后于当前既有建筑节能改造对末端精细化控制的产业需求。为破解教材内容与工程前沿的断层，本设计对课程内容进行深度二次开发，以“能耗可见—机理可析—策略可验—效益可算”为逻辑链，将静态的设备知识重构为动态的系统优化工程问题。教学内容横跨流体力学相似理论、建筑热过程模拟、自动控制原理、技术经济学四个一级学科，定位为专业核心课程群中“从部件认知迈向系统集成”的关键枢纽课。【非常重要】【内容重构】

（二）学情精描

授课对象为本科三年级建筑环境与能源应用工程专业学生，已修完工程热力学、流体力学、传热学三大平台课，并通过前序课程掌握风机盘管的结构组成（表冷器、风机、凝水盘、过滤器）、常见水系统形式（两管制/四管制、同程/异程）及基本的冷热负荷估算方法。但通过课前雨课堂发布的概念诊断题发现，存在三个显著的能力洼地：其一，82%的学生认为“风机能耗与风量呈线性关系”，对风机相似定律停留在应付考试的死记硬背层面；其二，76%的学生将“系统节能”等同于“提高设备能效等级”，缺乏系统耦合视角；其三，91%的学生从未思考过供水温度设定值与末端风机能耗之间的反向联动关系。在学习风格上，本年级学生为“00后数字原住民”，对MATLAB/Simulink、Trnsys等仿真工具具有极高的操作热情，但对抽象控制算法（如PID、模糊逻辑）存在符号恐惧。因此，本课的教学策略必须做到：用可视化仿真撬动抽象原理，用冲突性数据颠覆线性思维，用低代码编程消解算法黑箱。【非常重要】【学情关键】

（三）课标锚定

依据《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准（建筑环境与能源应用工程专业）》及本校2022版人才培养方案，本课精准对接毕业要求指标点2.3：“能够运用基本原理，借助文献研究，识别并表达多变量耦合的复杂暖通空调工程问题，并获得有效结论”；指标点5.2：“能够针对暖通空调系统的特定需求，开发或选用现代设计工具与仿真平台，对系统性能进行预测与优化”。同时，深度融合课程思政要素，对应毕业要求8.2：“理解工程与生态环境的关系，在工程实践中自觉践行绿色低碳发展理念”。本课以住建部《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》中明确提出“推进空调末端智慧调控与水力平衡改造”为政策切入点，将国家“双碳”战略具象化为每一个可调参数、每一度电的节约。【热点】【政策落地】

二、教学目标

（一）知识与技能目标

[1]能够准确默写并阐释风机相似定律的三个表达式（流量与转速一次方正比、压力与转速二次方正比、功率与转速三次方正比），并能运用该定律定量解释变频调节与节流调节的能耗差异。【非常重要】【高频考点】

[2]能够在给定房间逐时冷负荷曲线的前提下，借助仿真软件分解全水风机盘管系统的输配能耗构成，并绘制以供水温度为自变量的系统总能耗函数曲线，识别出理论最佳供水温度区间。【重要】

[3]能够依据室内热舒适标准（PMV-PPD、温度及湿度允许波动范围），设计并调试基于模糊规则的风机盘管水阀与风机转速协同控制器，完成Simulink环境下控制系统与被控对象模型的闭环连接。【非常重要】【难点】

[4]能够查阅ASHRAEGuideline22《InstrumentationforMonitoringCentralChilled-WaterPlantEfficiency》及GB/T17981《空气调节系统经济运行》，提取水系统压差控制模式的技术要点，并针对典型异程水系统进行群控逻辑的选型分析。【一般】【拓展检索】

（二）过程与方法目标

[1]通过“数据观测—现象质疑—定律拟合—仿真验证”四阶循环，体验暖通工程师从工程现象中提炼科学问题并运用数学工具建模解决的全链条思维过程。【非常重要】

[2]在小组协作完成模糊控制器隶属度函数调试的任务中，掌握控制变量法与黑箱调试法，形成“参数敏感度分析”的系统化实验方法论。【重要】

[3]通过方案经济性评估环节，初步建立暖通技术方案的全寿命周期成本评价框架，理解技术性能与经济效益的博弈平衡。【热点】【职业核心能力】

（三）情感态度与价值观目标

[1]在解析风机功率与转速三次方关系时，通过计算“全国在用风机盘管若均降速10%运行，年节电量约等于一座百万千瓦火电厂年发电量”的震撼数据，激发学生“于细微处见宏大”的工程责任感和精益求精的工匠精神。【非常重要】【思政浸润】

[2]在跨角色协作中（程序员、仿真分析师、规范审查员、财务估算师），体验现代暖通工程项目团队的知识结构复合性，养成尊重不同专业视角、主动寻求跨学科对话的合作伦理。

[3]在面对“理论与实测偏差”（如电机效率衰减）时，建立“理论模型是逼近真实而非等同真实”的科学谦逊态度，杜绝非黑即白的简化论思维。

三、教学重难点

（一）教学重点

[1]基于风机相似定律的变频调速节能原理量化分析。此部分不仅是研究生入学考试《传热学》科目中计算题的常设考点，更是理解所有旋转流体机械节能技术的元认知。【非常重要】【高频考点】

[2]供水温度重置策略对系统综合能效的双向作用机理。一方面水温升高可提升制冷机组COP，另一方面导致末端除湿能力下降、风机能耗激增，两股趋势叠加后存在极值点。理解此极值点是突破“设备节能=系统节能”思维禁锢的关键。【热点】

（二）教学难点

[1]从“设计工况思维”向“全年动态思维”跃迁。学生在课程设计项目中习惯于取最大负荷设计参数，严重缺乏“部分负荷率”的概念。本课需通过连续8760小时的能耗模拟云图，使学生直观感知到建筑空调系统99%的时间均运行在70%负荷率以下，从而理解“优化部分负荷性能”远比“提升满负荷能效”更具工程价值。【非常重要】【认知难点】

[2]舒适度约束向控制算法目标函数的转译。将PMV指标、温度波动限幅、相对湿度范围等物理概念转化为模糊控制器中的隶属度函数形状、规则表权重，是典型的暖通与自控跨学科知识耦合点。此处学生易出现“物理概念丢失”现象，即为了凑出平滑曲线而胡乱设置规则。【难点】

四、教学方法与手段

本课采用基于设计的研究范式，整体架构为“真实问题锚定—仿真脚手架搭建—认知冲突爆发—协作知识建构—迁移应用检验”五段式。教学环境配置为智慧教室双屏研讨型格局：主屏A用于教师演示DesignBuilder中的建筑热过程响应及Trnsys中的系统能耗后处理；主屏B作为镜像屏实时转播各小组MATLABLiveEditor的编程界面，形成编程思维可视化。核心教学工具为自主开发封装的“全水风机盘管能耗仿真教学包”，该包内置已验证的风机盘管动态模型，学生仅需在参数化界面修改控制策略及设定值即可观察能耗与热舒适响应，极大降低非必要的建模门槛。全程采用“雨课堂”随机点名与弹幕投稿，利用词云分析工具实时抓取学生认知堵点。课前通过超星学习通发布“风机盘管水系统水力失调故障模拟”交互式动画，引导学生带着“如何让最不利环路也够冷”的问题进入课堂。

五、教学准备

教师端：完成仿真实验平台的预调试，确保Trnsys模型与MATLAB模糊控制工具箱接口通畅；预录制两段微视频（每段5分钟内）——《为什么风机盘管吹风感觉不冷？可能是水温的锅》及《三速开关背后的能量损失》，上传至云班课资源库；打印《模糊控制规则空白模板》A3图纸，每组一张用于课中头脑风暴；准备便携式风速仪及红外测温仪实物，用于导入环节现场测量风口参数。学生端：提前按“异质分组”原则组成8个小组，每组确保至少1名擅长MATLAB编程、1名对暖通规范熟悉、1名具备较好热力学直觉的学生；需完成课前预习测验，内容涵盖风机盘管构造、空调系统冷热源基本形式、PMV指标含义；自带笔记本电脑，安装MATLABR2022b及以上版本并添加FuzzyLogicToolbox，安装Trnsys18StudentVersion并导入教师预先发布的“.tpf”仿真工程文件。

六、教学实施过程（核心环节，此部分占全文篇幅85%）

【导入】时间轴00：00—00：06

上课伊始，教师并未直接开讲，而是手持风速仪走近讲台侧方的一台明装风机盘管样机。教师将风速仪探头置于出风口格栅处，显示屏上数值跳动后稳定在2.3m/s。同时，红外测温仪指向回风口，显示干球温度26.5℃。教师随即指向大屏上的校园能源监管平台实时界面——某实验楼空调电耗分项计量曲线，当日峰值出现在午后14：30，高达186kW。“同学们，我们现在测到的这台盘管，出风2.3米每秒，回风26.5度，按常理它正在勤恳工作。但问题来了——为什么整个楼盘的空调电耗曲线，与室外温度曲线的走势几乎重合，却没有随着下班后人员的离去而大幅下降？”此问一出，学生陷入沉思。雨课堂随即发起弹幕投稿，屏幕右侧滚动着各种归因：“有人没关空调”“冷冻水泵定频运行”“风机盘管电磁阀关不死”。教师将高频词圈出，并未立即评判，而是将这三类归因凝练为本课三大探究任务：一、风机盘管自身能耗与负荷是否线性相关？二、水温与风机能耗有何反直觉关联？三、如何让各房间精准按需索取冷量？课题《全水风机盘管系统能耗解构与智能协同优化》同步点亮。【非常重要】【情境悬念】

【环节一】能耗拆解与相似定律再发现时间轴00：06—00：21

教师首先发起一个极简思维实验：假定某办公室冷负荷从5kW降至2.5kW，降幅50%。若采用传统的启停控制（即一半风机盘管关闭，另一半满负荷运行），末端风机总能耗变化几何？学生凭直觉判断，认为能耗也相应减半。教师不置可否，而是在Trnsys中快速调用已搭建的单区模型，设定两种控制模式并运行5分钟仿真。结果直方图一出，满座哗然——启停控制下，风机能耗仅降低9%，远低于50%的负荷降幅。认知冲突已爆发，教师趁势引导：“要精准回答能耗变化，必须先建立风机功率与负荷的数学关系。而负荷与风量直接相关，问题简化为：风机功率与风量呈几次方关系？”【非常重要】【冲突设计】

各小组迅速开启MATLAB，调取课前发放的实验数据集。该数据集模拟风机盘管在某风量实验台上的实测点：风量100%时功率100%；风量80%时功率53%；风量60%时功率22%；风量40%时功率9%；风量20%时功率4%。小组需在5分钟内完成幂函数拟合。第一组率先上传拟合结果，系数为3.07，近乎完美的三次方关系。教师追问：为何实测60%风量时功率22%，略高于理论值21.6%？短暂的沉默后，有学生指出：电机及变频器在低速区效率下降，输入功率并非全部转化为风机轴功率。教师高度肯定此回答，并就此引出工程应用要点——变频调速虽高效，但需避开长期5Hz以下的极低频率区，否则节能效果将因电机效率陡降而被蚕食。此乃国家能效标准GB18613-2020中IE4效率等级对变频电机考核的隐晦背景。【重要】【工程拓展】

此时，教师板书风机相似定律核心式：P2/P1=(n2/n1)³≈(Q2/Q1)³，并指出这是注册公用设备工程师（暖通空调）专业考试每年必现的计算题原型。紧接着，给出一个迁移应用题：某办公楼全水系统设计风机盘管总功率30kW，若通过变频将所有风机盘管转速统一下调至80%，则理论上风机年节电量约为多少？学生快速运算得出约14.6万kWh，折合减碳量约102吨CO₂/年。数据巨大，远超学生预期，课堂氛围转为对“微调即巨变”的震撼与敬意。【高频考点】【思政点】

【环节二】水温重置与风机能耗耦合分析时间轴00：21—00：39

“如果降低风机转速这么节能，为何不把转速降得越低越好？”教师再抛问题。学生迅速反应：转速过低会导致送风量不足，冷量输送不进去，室内温度降不下来。教师认可并深化：此即“水温-风量”耦合调节困局。为使学生直观感受该困局，教师启动DesignBuilder中预先建好的小型办公室模型，将其与Trnsys联动，进行供水温度单参数扫描。扫描范围5℃～12℃，步长0.5℃。过程中，主屏A实时刷新风机能耗随水温升高的上升曲线，同时制冷机组能耗随水温升高的下降曲线。两条曲线交织点，恰是总能耗最低点——本次模拟为8.3℃。【非常重要】【热点】【可视化】

教师并未满足于展示结果，而是要求学生逆向推导：为何8.3℃是最优点？从热湿交换机理切入。当供水温度低于室内空气露点（约14℃），盘管表面结露，处于湿工况；水温越低，与空气的焓差越大，相同冷量所需风量越小，风机能耗越低；但同时制冷机组蒸发温度降低，压缩比增大，COP下降。二者权衡，存在经济平衡点。教师进而展示ASHRAERP-1289研究报告中的数据，并指出当前新建绿色建筑中常见的设计缺陷：盲目沿用7/12℃传统水温参数，忽视项目所在地气候特点与负荷特性，造成巨额能源浪费。此处援引中国建筑科学研究院对北京某甲级写字楼的实测——将供水温度从7℃提高至9℃后，冷水机组COP提升23%，末端风机能耗仅增加11%，综合节能率8.6%。【重要】【实证强化】

各小组在教师引导下，领取一个虚拟项目任务：某酒店位于夏热冬冷地区，需优化其全水系统夏季设定参数。每组得到不同的酒店逐时负荷文件及当地气象参数。学生需在Trnsys中运行三种策略：策略A（固定7℃）、策略B（固定9℃）、策略C（根据前一日平均湿球温度进行重置）。仿真运行需3～5分钟，期间教师穿梭各组，指导如何解读输出报告中的“系统总耗电量”汇总项。七组报告显示，策略C全面胜出，但节能率从6%到15%不等，差异源于各组负荷文件中的潜热比重差异。教师总结：水温重置节能率对建筑功能敏感——酒店、剧院等潜热负荷高的建筑，水温不宜过高；而办公建筑显热为主，水温可适度上浮。此结论彻底摒弃“一招鲜”的技术教条，树立“诊断先行，参数定制”的科学决策观。【难点突破】

【环节三】智能控制算法：模糊逻辑降维实施时间轴00：39—01：02

水温重置属于开环或周期性优化，而应对分钟内负荷波动的闭环调节才是实现全天候高效运行的最后屏障。教师展示一组实测曲线：某采用传统PID温控器的房间，温度设定24℃，实际波动高达±1.8℃，每15分钟启停一次压缩机。这不仅是舒适度灾难，更因频繁启停导致电机启动电流损耗。学生意识到，必须引入更智能的连续调节方式。然而，当教师提及“模糊控制”时，部分学生面露难色。教师迅速切换策略：“我们不做复杂的数学推导，今天我们当一次暖通空调工程师，而不是自动化博士。工程师怎么用模糊控制？——把经验写成规则，让计算机执行。”【非常重要】【降维教学】

教师分发《模糊控制规则空白模板》大纸，每组需为某风机盘管设计水阀及风机联合控制器。输入量为两个：温度偏差eT（设定温度-实测温度）、温度偏差变化率ΔeT；输出量为两个：水阀开度修正量ΔVlv、风机转速修正量ΔFan。学生开始小组研讨，在白纸上绘制隶属度函数草图并填写规则表。例如：如果（温度偏差为正大且偏差变化率为正大），那么（水阀开度加大且风机转速大幅升高）。此环节课堂噪声最高，正是深度学习发生的表征。教师巡视，发现普遍性问题：规则表缺少对“偏差变化率”为负时的应对逻辑，导致系统易超调。教师并未直接修正，而是用反问引导：“当温度已经高于设定值，但温度上升速度在减慢，还需要全功率制冷吗？”学生顿悟，立即增补规则。【重要】【协作建构】

随后进入MATLABFuzzyLogicDesigner实操。教师以极慢速演示如何添加输入输出变量、调整论域范围、编辑隶属度函数（采用trimf三角形函数）、逐条录入规则。演示完毕，各小组开始将纸上成果转化为代码与模块。第八组最快完成闭环测试，示波器显示的温度曲线从波动±1.5℃收窄至±0.3℃，且风机转速曲线平滑如丝，无尖刺。全班自发鼓掌。教师引导该组分享关键成功因素——他们不仅设置了温度偏差，还将湿度偏差也作为输入量，实现了温湿度的解耦控制。教师高度评价，并指出这正是高端楼宇自控系统的核心算法雏形。【非常重要】【成就激励】

【环节四】系统级困境：水力失调与群控逻辑时间轴01：02—01：24

“将单个房间优化到极致后，我们面对的是一片森林，而非一棵树。”教师切换场景，展示某银行数据中心水系统原理图，图中近端分支冷负荷较低，电动阀开度仅20%；远端分支发热量大，阀位100%。问题随之而来：大量冷水通过近端旁通，远端资用压头不足，即使阀位全开，流量依然吃紧。此为异程水系统的典型“大流量、小温差”综合征。教师提问：“若你是调试工程师，你会在管井里做什么？”学生基于流体力学常识，答曰：加平衡阀。教师追问：平衡阀只能解决设计工况，变流量运行时平衡被打破，怎么办？【难点】【工程现实】

此问触及暖通界多年痛点。教师顺势引出“动态压差独立型控制阀”与“变压差设定值控制”两种流派。由于时间有限，本课不深入硬件细节，而是聚焦群控逻辑策略。教师给出三种简化的控制算法框架，要求学生以小组为单位选择其一，在仿真平台中对三房间并联模型进行能耗与舒适度综合评估。逻辑A：恒定供回水压差，压差设定值按设计工况最大不利环路需求设定。逻辑B：变供回水压差，压差设定值根据同时开启阀数加权修正。逻辑C：在逻辑B基础上，将各房间风机转速平均值作为前馈信号，对压差设定值进行动态抬升。【非常重要】【高阶推演】

第六组选择逻辑C，并凭借出色的算法直觉，将前馈系数设为0.4。仿真数据显示：逻辑C的水泵能耗较逻辑A降低27%，同时远端房间阀位始终维持在65%～80%健康区间，无全开情况，为未来负荷增长保留了调节余量。教师深度点评：逻辑C已具备模型预测控制的雏形，它通过风机转速这一可观测状态变量，间接推断各末端的需求强度，从而让水泵按需增压。此乃“系统级能效”而非“设备级能效”的经典范例。随后，教师展示某国际知名楼宇自控品牌近三年的专利布局图，大量专利集中于基于末端反馈的输配系统动态控制，以此警示学生：核心技术是买不来的，需靠自主研发。【热点】【创新激励】

【环节五】技术经济评估与决策博弈时间轴01：24—01：34

“很好，我们证明了逻辑C能效最优。现在，各位是节能公司的技术总监，我是业主——一个谨慎的财务总监。”教师切换至扮演模式，语气变得严肃。“请说服我，为每台风机盘管额外支付800元升级为模糊控制器，为水泵房增设一台3000元的压力传感器，为楼宇自控系统购买一套支持自定义编程的DDC控制器。我的钱存在银行还有3%的年收益。”【非常重要】【角色代入】

各小组迅速展开经济测算。教师提供简化版计价表：现有通断阀改造为0-10V电动调节阀并加装执行器，每台物料人工合计450元；新增DDC扩展模块及程序编写，每台分摊120元；水泵房压差变送器2800元；模糊控制算法授权费（按软件使用权5年摊销）每点80元；总计单点改造成本约730元（按500个末端计）。每组根据自己前序仿真得出的节电率，结合年运行小时数，计算静态回收期。第二组率先完成：节电率14.2%，年节电412kWh/台，电费0.85元/kWh，年节约350元/台，静态回收期2.09年。教师以业主身份继续质疑：“2年回收期听起来不错，但我的租户合同只剩3年，3年后大楼可能整体翻新。此外，谁能保证5年内这些智能控制器不故障、不漂移？”【重要】【职业素养】

学生从单纯兴奋中冷静下来，意识到工程决策受制于复杂现实约束。部分组提出可采取合同能源管理（EMC）模式，由节能公司先期投入，从节省电费中分成。教师肯定该商业模式思路，并引导学生翻阅《公共机构节能合同能源管理实施指南》，指出政策对EMC项目的补贴与税收优惠。至此，学生已完整经历从技术可行性到商业可行性的认知闭环。课堂不再只有“能不能做”的技术声音，也开始了“值不值得做”的价值权衡。【难点】【价值内化】

【环节六】认知整合与使命升华时间轴01：34—01：45

距下课仅余10分钟，教师示意学生放下电脑，目光聚焦主屏。屏幕上逐渐展开一幅大图——《全水风机盘管系统优化四重境界》思维导图，以一幢半透明建筑为底，四道金色箭头逐层点亮：第一层，能耗看得见（计量与拆解）；第二层，能耗算得准（建模与仿真）；第三层，能耗控得住（算法与群控）；第四层，能耗省得值（经济与政策）。教师邀请各小组用一句话概括本组本节课最颠覆性的认知转变。各组代表依次发言：“以前以为省电就是换一级能效设备，现在知道调参数比换设备更划算”“模糊控制不像想象中那么神秘，就像教小孩什么时候该添衣服”“水温高不一定费电，要算总账”。这些朴素却精准的总结，标志着本课核心概念已深度内化。【非常重要】【结构化】

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