高职供热通风与空调工程技术专业一年级《建筑热工与设备》课程教案：基于多目标决策的冬季居住建筑电采暖系统优化设计

高职供热通风与空调工程技术专业一年级《建筑热工与设备》课程教案：基于多目标决策的冬季居住建筑电采暖系统优化设计

  一、课程概述与理念阐述

  本教案面向高职院校供热通风与空调工程技术专业一年级学生，隶属于《建筑热工与设备》核心专业课程。课程设计深度融合工程实践与理论教学，贯彻“以学生为中心、以项目为载体、以能力为本位”的职业教育改革理念。当前，在“双碳”战略目标与能源结构转型的宏观背景下，建筑领域节能降耗至关重要。冬季采暖能耗在我国北方地区建筑总能耗中占比显著，而电采暖作为清洁取暖方式之一，其应用日益广泛。然而，电采暖系统若设计运行不当，易导致能源浪费、运行成本高昂及热舒适性不佳等问题。因此，培养学生针对具体建筑情境，科学设计并优化电采暖方案的能力，是本专业人才对接行业前沿需求的关键。

  本教学设计以“基于多目标决策的冬季居住建筑电采暖系统优化设计”为核心项目，引导学生跨越建筑热工、暖通设备、电工技术、工程经济学及环境心理学等多学科知识边界。学生将通过完整的“情境导入-知识构建-数据采集-建模分析-方案设计-决策评价-汇报答辩”工作流程，亲历从问题识别到解决方案生成的完整工程实践过程。教学不仅关注技术参数的精确计算，更强调在经济性、舒适性、节能性与安全性等多重约束下的综合权衡与决策能力，旨在培养学生成为具备系统思维、创新意识和可持续发展理念的高素质技术技能人才。

  二、教学目标体系

  （一）知识目标

  1.能准确阐述常见电采暖设备（如直热式电暖器、蓄热式电暖器、空气源热泵、发热电缆、电热膜等）的工作原理、结构特点、性能系数（COP/EER）及应用范围。

  2.能熟练运用稳定传热原理，计算典型居住建筑围护结构（外墙、屋顶、门窗、地面）的传热耗热量、冷风渗透耗热量，完成建筑热负荷的估算。

  3.掌握基本的电力负荷计算与配电知识，理解分时电价、阶梯电价等政策对运行成本的影响。

  4.理解热舒适性评价指标（如预测平均投票PMV、预测不满意百分率PPD）的物理意义及影响因素。

  5.掌握寿命周期成本（LCC）分析的基本框架，包括初投资、运行费、维护费及残值的估算方法。

  6.了解多目标决策方法（如加权评分法、层次分析法AHP的简化应用）在工程方案比选中的应用逻辑。

  （二）能力目标

  1.工程建模与计算能力：能够根据给定的建筑图纸及环境参数，建立简化的建筑热工模型，完成热负荷计算；能够对不同的电采暖方案进行设备选型与容量配置计算。

  2.数据采集与处理能力：能够使用温湿度计、热流计（或模拟软件）、电能监测仪表（或模拟数据）等工具或数据源，采集建筑热环境及能耗数据，并进行整理与分析。

  3.方案设计与优化能力：能够针对特定场景，设计至少两种技术可行的电采暖系统方案，并从能效、成本、舒适度等维度进行初步分析。

  4.综合决策与评价能力：能够构建包含经济性、技术性、舒适性、环保性等准则的评价指标体系，运用适当的决策方法对多个备选方案进行综合评价与排序。

  5.技术文档编制与沟通表达能力：能够规范撰写包含设计依据、计算过程、方案对比、结论建议的技术分析报告，并清晰地进行口头汇报与答辩。

  （三）素养目标

  1.培育严谨求实的工程伦理与工匠精神，在计算、分析与决策中坚持科学原则和数据可信。

  2.强化节能环保与社会责任意识，在设计方案中自觉贯彻绿色发展理念。

  3.锻炼团队协作与沟通能力，在项目小组中有效分工、协同攻关。

  4.激发创新思维与解决复杂工程问题的兴趣，敢于对传统方案提出质疑并探索改进路径。

  三、教学重点与难点

  教学重点：

  1.建筑冬季热负荷的综合计算方法及其对设备选型的指导作用。

  2.不同类型电采暖系统的技术经济特性比较与适用条件分析。

  3.基于多目标权衡的方案评价与决策流程的构建与实践。

  教学难点：

  1.将抽象的热工理论与具体的建筑构造、当地气候数据相结合，进行准确且实用的负荷估算。

  2.在处理初投资与运行费、峰值用电与谷电利用、恒定采暖与间歇采暖等矛盾时，进行有效的折衷与优化。

  3.将定性的舒适性要求转化为可量化或半量化的评价指标，并合理纳入决策模型。

  四、学情分析

  授课对象为高职供热通风与空调工程技术专业一年级第二学期学生。他们已先行修完《工程制图》、《建筑构造》、《电工电子技术》等基础课程，具备基本的识图能力、电路知识及对建筑实体的认知。但专业核心课程《建筑热工与设备》刚刚展开，学生对传热学基本原理、暖通空调系统尚未形成完整体系。其优势在于对实践操作兴趣浓厚，乐于接受项目挑战，对与生活贴近的“取暖”课题有直观感受；劣势在于理论基础相对薄弱，系统分析能力和复杂计算能力有待提升，且缺乏工程项目的完整实践经验。因此，教学设计需遵循“由浅入深、理实一体、支架引导”的原则，通过具体案例、仿真软件、实物观摩降低理论门槛，通过小组协作、分步任务化解复杂问题，逐步引导学生完成项目。

  五、教学资源与环境

  1.教学场地：理实一体化专业教室，配备多媒体讲台、分组讨论桌椅、实物展示区（陈列多种电采暖设备样机或模型）、基础测量仪器。

  2.软件工具：建筑热工与能耗模拟软件（如斯维尔节能设计BECS、PKPM节能或简化版的在线模拟工具）、电子表格软件（如MicrosoftExcel或WPS表格，用于数据处理与方案计算）、思维导图工具。

  3.案例资料：本地典型户型（如80-120平方米两室一厅或三室一厅）的建筑图纸（电子版及打印版）、当地气象参数（设计室外温度、采暖期天数、度日数等）、现行居民电价政策文件（含分时电价时段与价格）。

  4.学习材料：项目任务书、引导文、工作页、计算模板、设备选型手册（简化版）、评价标准量表。

  六、教学策略与方法

  采用“项目教学法”贯穿始终，融合“任务驱动”、“案例教学”、“合作学习”、“探究学习”等多种方法。

  1.情境创设策略：以“为本地某回迁小区老年住户优化冬季电采暖方案”的真实或拟真情境导入，赋予项目社会意义和人文关怀。

  2.支架式教学策略：将总项目分解为“负荷计算”、“方案初拟”、“经济分析”、“舒适性考量”、“综合决策”等子任务，为每个子任务提供计算模板、分析框架、范例参考等学习支架，随学生能力提升逐步撤除。

  3.差异化教学策略：针对学生不同学习风格与基础，设置基础性任务和挑战性任务。例如，负荷计算部分提供简化计算法和软件模拟法两种路径；方案设计鼓励在满足基本要求基础上进行创新（如考虑智能控制、太阳能辅助等）。

  4.形成性评价策略：通过课堂提问、小组讨论观察、工作页检查、阶段性汇报等多种方式，持续跟踪学生学习进展，及时提供反馈与指导。

  七、教学过程实施（总计16学时，分四次课完成）

  本教学实施过程为核心环节，详细描述师生双边活动、时间分配及设计意图。

  第一次课：项目启动与理论奠基（4学时）

  阶段一：情境导入与问题界定（1学时）

  教师活动：

  1.展示一组图片/短视频：北方冬季采暖场景、不同的电采暖设备、居民电费账单、反映室内热舒适问题的访谈片段。引出议题：在清洁取暖政策下，如何为百姓设计既温暖舒适、又经济节能的电采暖方案？

  2.发布项目总任务书：“温馨港湾”优化计划——为光明小区（提供标准户型图）某老年住户设计并优化冬季电采暖系统。明确最终交付成果：一份包含负荷计算、至少两个对比方案、多维度分析与最终推荐方案的技术报告，以及一份小组汇报PPT。

  3.引导学生分析任务书，识别关键问题：需要知道房子“失热”多少（负荷）？有哪些“产热”方式可选（设备）？如何衡量方案好坏（评价标准）？

  学生活动：

  1.观看素材，结合自身经验，讨论现有电采暖可能存在的问题（如费用高、冷热不均、干燥等）。

  2.阅读项目任务书，以小组为单位，初步讨论完成项目需要解决哪些子问题，列出问题清单。

  设计意图：创设真实、共情的学习情境，激发学习动机。引导学生从工程角度界定问题，明确学习目标与产出。

  阶段二：核心知识模块化精讲与支架提供（2.5学时）

  教师活动：

  1.模块一：建筑“需热量”如何算？——围护结构传热原理与热负荷简化计算。

  *回顾传热基本方式，重点讲解一维稳定传热公式Q=K·A·ΔT。

  *结合户型图，实物展示外墙、窗户、屋顶等构造，讲解传热系数K值的概念及常见围护结构的K值范围。

  *逐步演示如何计算各朝向墙体、窗户、屋顶、地面的传热耗热量，以及冷风渗透耗热量。提供计算模板（Excel表），内含本地设计参数。

  *介绍热负荷估算的简易方法（面积热指标法）及专业软件模拟方法，说明本项目中以简化手算为主，鼓励学有余力者尝试软件。

  2.模块二：电“产热”方式有哪些？——主流电采暖设备原理与特性。

  *结合实物样机/模型，讲解直热式（电暖气、小太阳）、蓄热式（蓄热电暖器）、热泵式（空气源热泵）、辐射式（发热电缆、电热膜）等设备的工作原理、系统构成。

  *重点剖析性能系数COP/EER的意义，比较不同设备在能效、初投资、运行特点、适用场景上的差异。使用对比图表进行归纳。

  *讲解设备选型的基本步骤：根据计算热负荷、考虑间歇使用与备用系数，确定设备总容量；再根据房间功能、用户习惯选择设备类型与布置方式。

  3.模块三：方案“好不好”怎么看？——初识评价维度。

  *提出评价方案的四个基本维度：经济性（初投资、运行费）、技术性（能效、可靠性、安全性）、舒适性（温度均匀性、响应速度、空气品质）、环保性（间接碳排放）。

  *简要介绍运行费估算方法：设备功率×运行时间×电价。引入分时电价概念，启发思考如何利用谷电节约费用。

  学生活动：

  1.跟随教师讲解，理解核心概念和公式，在计算模板上尝试跟随计算示例户型中某一面墙的耗热量。

  2.观察各类设备，记录其关键特性，小组讨论它们分别适用于户型中的哪个空间（如卧室、客厅、卫生间），并陈述理由。

  3.初步思考，对于给出的案例，哪些评价维度可能最为关键？为什么？

  设计意图：将支撑项目完成所需的碎片化知识进行系统化、模块化讲解，并提供计算工具和范例，降低认知负荷，搭建知识支架。

  阶段三：任务分解与小组规划（0.5学时）

  教师活动：

  1.发布本次课后小组任务清单：（1）完成案例户型建筑热负荷详细计算（手算模板）。（2）初步提出两种不同的电采暖系统配置设想（例如：全屋空气源热泵vs客厅热泵+卧室蓄热电暖器），并简要说明理由。（3）收集本地居民电价详细信息（峰谷平时段、价格）。

  2.巡视指导各小组进行初步分工。

  学生活动：

  1.小组内讨论，明确第一次课后任务的负责人及协作方式。

  2.领取工作页、计算模板等资料。

  设计意图：将项目分解为可操作的阶段性任务，引导学生在课后立即开始实践，巩固课堂知识。

  第二次课：数据深化、方案细化与经济分析（4学时）

  阶段一：负荷计算成果校验与深化讨论（1学时）

  教师活动：

  1.抽样选取1-2个小组，让其上台展示热负荷计算过程和结果。引导全班共同校验计算中可能出现的错误，如单位混淆、参数选取不当、漏算项等。

  2.针对共性问题进行集中讲解，例如：不同朝向墙体的温差修正、窗户与墙体的面积区分、房间功能对室内设计温度的影响。

  3.提出进阶思考：如果住户希望白天只在客厅活动、夜间主要卧室采暖，如何考虑间歇采暖对负荷和设备选型的影响？

  学生活动：

  1.展示小组计算结果，接受师生质询。

  2.根据反馈修改完善本组的负荷计算书。

  3.讨论间歇采暖模式带来的复杂性，理解热惯性及设备响应速度的重要性。

  设计意图：通过同伴互评和教师点评，确保核心计算技能的掌握，并引入更贴近实际的使用模式，深化理解。

  阶段二：方案设计与设备选型实战（1.5学时）

  教师活动：

  1.回顾不同电采暖设备特性，强调“没有最好，只有最合适”。

  2.引导学生基于负荷计算结果和住户（老年）特点，细化第一次课提出的两种初步设想。要求具体到每个房间选用何种设备、设备功率、数量、预估安装位置，并画出简单的系统示意图。

  3.提供简化版设备选型手册（包含主流品牌型号的参考价格、功率、COP等参数），指导学生如何查询和使用数据进行选型。

  4.提出安全与配电考量：所选设备的总功率是否符合典型家庭入户容量（如8-10kW）？是否需要单独回路或升级电表？

  学生活动：

  1.小组合作，查阅资料，确定两种方案的详细设备清单。

  2.绘制方案系统示意图，标注主要设备。

  3.估算两种方案的总设备购置安装费用（初投资）。

  设计意图：将方案从“设想”推进到“具体设计”，强化工程实践中的细节考量，如设备参数、布置与成本估算。

  阶段三：运行成本分析与经济性初步比较（1.5学时）

  教师活动：

  1.讲解运行费用计算的详细方法：a.估算不同方案下各房间设备的日均运行小时数（考虑间歇模式、不同房间使用率）。b.根据设备功率计算日耗电量。c.结合分时电价，计算日运行电费。d.extrapolate至整个采暖季（如120天）。

  2.介绍寿命周期成本（LCC）的简化概念：LCC≈初投资+运行费（几年合计）-残值。本项目中，为简化，可比较“初投资”和“一个采暖季运行费”，或计算3-5年总费用。

  3.引导学生思考：蓄热式电暖器可以利用夜间谷电蓄热、白天放热，这对运行成本有何影响？如何量化这种影响？

  学生活动：

  1.小组为单位，为两种方案分别制定合理的日运行时间表（考虑老年住户生活习惯）。

  2.利用电价数据，详细计算两种方案一个采暖季的预估运行费用。

  3.尝试计算3年内的总拥有成本（初投资+3年运行费），并进行经济性初步对比。

  设计意图：培养学生成本意识，掌握运行费用和简单经济分析的方法，理解时间因素（分时电价、设备寿命）对经济性的影响。

  第三次课：舒适性量化、多目标决策与报告撰写指导（4学时）

  阶段一：热舒适性评价引入与方案定性分析（1.5学时）

  教师活动：

  1.提问：除了温度，还有什么影响我们对采暖的“舒服”感觉？引出湿度、空气流速、辐射温度不对称性、着装活动量等因素。

  2.简要介绍PMV-PPD指标，强调其综合性。指出在民用项目简化分析中，可重点关注：温度均匀性（不同位置温差）、温度稳定性（波动大小）、空气干燥度（是否需要加湿）、吹风感（热风采暖时）。

  3.引导学生针对自己设计的两种方案，从以上几个方面进行定性或半定量比较。例如：全屋空气源热泵（风机盘管出风）可能导致轻微的吹风感和湿度降低；辐射电热膜供暖温度均匀、无吹风感但升温慢。

  4.介绍简单的用户满意度调查模拟方法，如设计问卷让“模拟用户”（其他小组）根据方案描述对舒适性各维度进行打分。

  学生活动：

  1.学习热舒适基本知识，理解多维度内涵。

  2.小组内部分角色扮演（工程师、住户），从不同角度讨论两种方案在舒适性上的优缺点，并尝试用“高/中/低”或5分制进行简单评分。

  3.可能进行跨组方案互评，在舒适性方面提供反馈。

  设计意图：将看似主观的“舒适性”客观化、维度化，培养学生的人文关怀和系统评价思维。

  阶段二：多目标决策方法学习与应用（2学时）

  教师活动：

  1.提出问题：现在每个方案都有了经济性数据、技术性描述、舒适性评价，可能还有环保性考量（根据碳排放因子估算间接排放）。如何综合这些常常相互矛盾的目标，做出一个理性的推荐？

  2.讲解多目标决策的基本思路：a.确定评价准则（如经济性、技术性、舒适性、环保性）。b.为每个准则分配权重（反映其重要性）。c.为每个方案的每个准则评分。d.计算加权总分，进行比较。

  3.重点教授加权评分法：

  *指导各小组通过讨论确定准则权重（总和为1或100%）。教师可提供背景信息：对于老年住户，可能舒适性、安全性权重要高；对于经济拮据家庭，经济性权重高。

  *指导如何将不同量纲的数据（如元、分、星级）归一化到统一的评分尺度（如0-10分）。例如，运行费用最低的方案得10分，最高的按比例得分。

  *演示加权总分计算过程。

  4.简要提及层次分析法（AHP）的概念，作为进阶知识，鼓励有兴趣的学生课后了解。

  学生活动：

  1.小组深入讨论，确定本组决策的准则（至少包含经济、舒适、能效）及其权重，并陈述理由。

  2.将两种方案在各准则下的数据或定性评价转化为量化分数。

  3.计算各方案的加权总分，得出初步的优劣排序。

  4.进行敏感性分析讨论：如果权重改变（例如，更看重经济性），结果会变化吗？这说明了什么？

  设计意图：这是本项目的认知巅峰和高阶思维训练点。学生学会用系统化、结构化的方法处理复杂权衡，理解决策的相对性和条件性。

  阶段三：技术报告撰写规范与框架指导（0.5学时）

  教师活动：

  1.展示一份优秀技术报告的基本框架：摘要、项目背景与目标、建筑概况与负荷计算、备选方案描述、多维度分析（经济、技术、舒适等）、多目标决策过程与结果、结论与建议、参考文献。

  2.讲解技术写作要点：语言客观、数据准确、图表清晰、逻辑连贯。

  3.布置本次课后任务：完成完整的技术报告草案，准备终期汇报PPT。

  学生活动：

  1.记录报告框架和要点。

  2.小组讨论报告分工和整合计划。

  设计意图：培养学生规范撰写工程文档的能力，这是职业能力的重要组成部分。

  第四次课：成果汇报、答辩与总结提升（4学时）

  阶段一：小组终期汇报与答辩（2.5学时）

  教师活动：

  1.主持汇报会，介绍答辩流程：每组8分钟汇报，5分钟问答。

  2.组织由教师和部分学生代表（轮流）组成的评审团，依据评价量规（提前下发）对汇报内容、方案质量、答辩表现进行评分。

  3.在问答环节，针对方案的关键点、计算的合理性、决策的逻辑性进行提问，也可模拟用户、物业、政策制定者等不同角色提问。

  学生活动：

  1.各小组按抽签顺序进行汇报，展示研究成果。

  2.回答评审团和听众的提问，进行辩护或反思。

  3.作为听众，积极思考，向他组提出建设性问题或学习其优点。

  设计意图：创设正式的学术交流氛围，锻炼学生的表达、应变和批判性思维。通过多元评价，全面考核学习成果。

  阶段二：教师总评与知识体系结构化（1学时）

  教师活动：

  1.对整体汇报情况、各组的亮点与共性问题进行总结性点评。表扬创新思路、严谨计算、清晰表达。

  2.以本项目为线索，串讲回顾整个知识体系：从“需求分析”（负荷计算）到“供给设计”（设备选型），再到“综合评价”（多维度分析）和“理性决策”（多目标方法），最后到“成果呈现”（报告与汇报）。强调这是一个普适性的工程问题解决流程。

  3.拓展行业视野：介绍当前电采暖领域的新技术（如变频空气源热泵、石墨烯电热膜、智能温控系统）、新政策（如电价补贴、建筑节能标准提升）及未来趋势（与可再生能源结合、智慧能源管理）。

  学生活动：

  1.聆听点评，对照反思本组工作。

  2.跟随教师回顾，在宏观上把握本项目的学习脉络，形成结构化知识网络。

  3.了解行业前沿，激发进一步探索的兴趣。

  设计意图：升华学习体验，将项目经验提炼为可迁移的方法论，并连接行业动态，拓宽学生视野。

  阶段三：教学反馈与反思（0.5学时）

  教师活动：

  1.发放简短的匿名反馈问卷，了解学生对本项目学习的感受、收获、困难与建议。

  2.鼓励学生进行个人反思：在本项目中，你最大的收获是什么？哪部分最具挑战？如何改进？

  3.宣布项目最终成绩构成（包含过程性评价、报告、汇报等多部分）