高职供热专业二年级《热站值班节能策略》项目化教学设计

高职供热专业二年级《热站值班节能策略》项目化教学设计

一、课程基本信息

课程名称：热站值班节能策略

授课对象：高职供热通风与空调工程技术专业二年级学生

课程性质：专业核心技能课/“岗课赛证”融通模块

课时安排：4学时（共计180分钟）

教学场地：智慧供热虚拟仿真实训中心（含DCS模拟调度大屏、双人仿真操作终端）

先修课程：流体力学泵与风机、传热学基础、供热工程、热工测量与仪表

后续支撑：供热管网运行操作员（高级）职业技能鉴定、顶岗实习岗前培训

二、教学内容分析

本节内容处于专业课程体系中的“运行与调控”关键节点，对接供热企业热力站值班员、调度员等核心岗位的典型工作任务——节能参数整定与异常工况处置。教学内容以“一补一调一算”为主线展开：补全热力站二次侧变流量调节的理论缺口，调校气候补偿曲线与变频泵频率的耦合关系，核算节能量与减碳贡献。具体涵盖四大模块：热力站主设备节能潜力辨识（换热器、水泵、电动调节阀）、基于室外温度补偿的供水温度设定逻辑、变频二次泵供回水温差控制法、分时分区运行策略编制基础、常见热力故障（失调度突增、执行器卡涩、反馈丢失）的应急节能处置、单位面积耗热量与水泵输送能效比（ER）的行业计算规范。经对近三年供热行业职业技能鉴定题库分析，“气候补偿曲线应用”“变频泵节电率估算”“二次回水温度与室温映射关系”被列为【高频考点】；而“一次侧电动阀与二次侧变频泵的解耦调节”则因涉及多变量耦合，始终是【难点】。本课将上述考点拆解为若干个可观测、可量化的操作行为，通过仿真工单将其具象化，实现“应列尽罗”的知识覆盖。

三、学情分析

认知起点：学生已学过热负荷计算公式Q=KFΔt，能口述水泵变频调速的平方转矩关系，但对“供回水温差”在变流量系统节能中的枢纽作用理解模糊；部分学生曾参观过校内供热实训平台，却对DCS界面上数十个参数感到茫然，存在“参数恐惧”心理。技能现状：92%的学生能完成单一设备的启停操作，但仅有不足20%的学生尝试过关联调节两个以上参数；学生在先修课程中接触过PID控制原理，但无法将其映射为“设定值—反馈值—偏差修正”的操作链条。情感特征：高职二年级处于职业认同剧烈波动期，对枯燥的理论推导有抵触，却极度渴望接触企业真实案例。他们习惯短视频化的信息获取方式，因此本课采用“调度工单+仿真界面+即时数据反馈”的组合刺激，将节能效果量化为柱状图与碳减排千克数，使职业成就感可视化。

四、教学目标

（一）知识目标

1.准确复述二次供水温度设定值随室外温度变化的“反斜率”特征，并能解释建筑蓄热导致供水温度调整滞后于室外温度变化的原因。【重要】

2.完整描述变流量系统“定温差、变流量”的节能机理，辨析“大流量、小温差”运行模式对管网输送效率的损害。【非常重要】【高频考点】

3.列举热力站值班记录单中必须记录的三个节能关键参数（二次供回水压差、供回水温差、单位时间补水量），并说明其异常波动对应的常见故障。

（二）技能目标

4.在虚拟仿真系统中独立完成针对某既有热力站“工作日模式”切换为“节假日模式”的全部操作，包括气候补偿曲线修正、循环泵下限频率重设、一次网调节阀最大开度限幅。【非常重要】

5.根据仿真系统给出的二次回水温度持续偏离目标值（超过±2℃）的现象，运用“试凑法”在2分钟内完成循环泵频率与电动阀开度的耦合调整，使回水温度回归目标区间。【难点】

6.依据仿真系统导出的15分钟运行数据包，正确计算单位面积瞬时耗热量（W/m²）及水泵输送能效比（ER），并对照《供热系统运行能效评价导则》给出“先进、合格、不合格”评级。

（三）素养目标

7.在参数整定过程中建立起“一度电、一克碳”的量化节能意识，主动将每一次操作所节约的电量折算为碳排放减量并记录于任务书。

8.通过小组轮岗担任主操手、复核员、记录员等角色，体验热力站值班岗位的责任边界，形成“操作必复核、调整必记录”的严谨作风。

五、教学重难点

（一）教学重点

1.气候补偿控制器中“室外温度—二次供水温度”特性曲线的设定与验证方法。【高频考点】

2.变频二次泵供回水温差控制模式的实施步骤：设定目标温差、依据实时温差偏差值调整频率、观测回水温度变化率。【非常重要】

3.热力站能效指标ER（水泵输送能效比）的手算与系统自动核算对比分析。

（二）教学难点

4.二次供水温度设定值在间歇供暖工况下的非线性修正——由于建筑围护结构蓄热，室外温度回升初期不能等比降低供水温度，否则将引发室温低谷。【难点】

5.一次网电动调节阀与二次网循环泵在动态调节过程中的动作解耦：若同时调节两个执行器，系统易发生震荡；需引导学生掌握“先调阀、后调泵”或“粗调阀、精调泵”的岗位经验法则。【难点】

六、教学方法与策略

教法：采用“项目化·工单制”教学模式，以某热力公司真实节能改造项目“悦泽苑热力站低负荷期运行优化”为蓝本，将其简化为可课堂实施的仿真工单。全程实施“双师”导学——主讲教师担任调度长发布指令，企业技能大师通过5G连麦进行随机点评。学法：引入“认知学徒制”理念，学生在仿真终端上跟随教师进行“渐撤支架”式练习：第一阶段教师演示完整流程，第二阶段学生参照操作票模仿操作，第三阶段仅给目标参数让学生自主探索。评价策略：植入“碳积分”激励机制，每成功完成一次节能调整并经过系统验证有效，小组获得对应碳积分，积分直接折算为平时成绩，使节能行为即时正强化。

七、教学准备

教师端：1.开发/定制热力站虚拟仿真教学软件V2.0，内置设备层（板换、水泵、阀）、控制层（PLC、变频器）、调度层（云端监控）三级模型，支持室外温度曲线导入与故障脚本注入。2.编制《热力站值班员节能操作票（仿真版）》电子任务书，预设三种典型工况（寒潮期、回暖期、节假日）。3.录制本地热力集团智慧供热平台真实操作视频片段，重点截取值班长修改供水温度设定值时手指触摸屏的防误触动作。4.设计岗位胜任力数字化评价量规，关联仿真系统后台日志，自动抓取学生设定参数的精准度与响应时间。学生端：1.课前通过超星平台观看微课《热力站主要设备工作原理》，完成关于水泵相似定律的在线测试。2.分组（每组2人），确定组长并预选岗位意向。环境端：1.仿真终端40台，每两台一组构成一个虚拟热力站，IP独立，互不干扰。2.教师DCS大屏可轮播任意小组的操作界面，支持无线投屏对比。

八、教学实施过程（核心环节）

本过程严格遵循热力站节能改造PDCA循环（策划—实施—检查—改进），将180分钟划分为五个紧密衔接的工作段落。

（一）工单派发与任务解码（20分钟）【一般】

1.职业情境全息导入：上课伊始，DCS大屏切换至某市热力集团调度中心实景照片，同时播放一段约40秒的调度电话录音（教师提前与校企合作单位联合录制）。录音内容为：“各站注意，悦泽苑站，室外温度从-5℃升至2℃，预计持续8小时。请立即优化参数，单位面积耗热量要求降低3%以上，注意不能出现低温投诉。”录音语速稍快，带有轻微电流杂音，高度还原真实调度场景。学生迅速安静，目光聚焦屏幕。

2.工单文本深度拆解：教师将纸质版工单（含老旧小区建筑年代、供热面积、近三日平均回水温度、历史故障代码）下发至每组。工单特意隐去了标准答案，仅提供目标约束。教师提问：“要完成此工单，我们需要抓住哪几个关键参数？”引导学生从纷杂信息中筛选出核心变量：二次供水温度设定值、循环泵运行频率、一次网调节阀开度。各小组在任务记录单上写下初始参数及预调整方向，例如“室外温度升2℃，供水温度应降3-4℃”。此时教师并不急于评判对错，而是展示一张真实热力站值班室墙上挂图《典型室温延迟效应图解》，图中清晰显示由于建筑蓄热，室温变化滞后于室外温度变化约2-4小时。教师用激光笔指向滞后区间，指出：“如果室外温度刚回升就立即等比例降低供水温度，室温反而会下降，造成用户投诉。”此环节植入【难点】预热，学生顿悟——原来节能不是简单套公式，必须考虑被控对象特性。

3.岗位认领与安全交底：每组2人自主协商角色。主操手负责在仿真终端进行参数输入与确认，复核员负责对照操作票朗读指令并观察系统反馈。教师强调值班纪律：“任何一次参数修改，必须执行‘读—核—点—查’四字法，严禁凭感觉盲调。”随即各组登录仿真系统，进入“悦泽苑热力站”初始界面，系统自动载入调整前的运行数据：二次供水温度48℃，回水温度41℃，循环泵频率45Hz，供回水压差0.18MPa，一次网电动阀开度67%。室外温度显示-5℃。学生记录初始状态。

（二）参数预整定与仿真验证（50分钟）【非常重要】【高频考点】

1.气候补偿曲线设定——从查表到修正：教师下发本地典型年室外温度与二次供水温度对照表（适用于连续供暖）。学生根据当前室外温度2℃，在表中内插得到理论供水温度初值42℃。当学生将42℃输入控制器并点击“应用”时，系统弹出警告提示：“当前热力站为间歇供暖模式，夜间曾进入低温防冻状态，请确认是否直接采用连续供暖推荐值？”此陷阱为教师预设。各小组开始出现分歧：多数小组直接确认，少数小组犹豫并呼叫教师。教师不直接给出答案，而是组织2分钟“站内会商”：请选择直接确认的小组派代表陈述理由，再请犹豫的小组发表看法。通过辩论，学生自己意识到——间歇供暖建筑在早晨升温阶段需要“补欠账”，室外温度回升初期不能大幅削低供水温度，否则室温将断崖式下跌。最终各组自主将供水温度修正为44℃或45℃。教师在此节点总结口诀：“连续供暖看气温，间歇供暖看室温；若想节能又保暖，修正参数慢半拍。”【重要】

2.变频泵频率匹配——温差控制法的落地：设定好供水温度后，学生进入循环泵变频器控制面板。教师引导提问：“我们希望降低循环泵电耗，直接降低频率行不行？”部分学生立即在仿真系统上试验，将频率从45Hz降至40Hz，瞬间发现二次供水温度并未下降，反而因流量减小、水在换热器中停留时间变长，二次供水温度短暂升高至46℃，回水温度同时攀升至43℃，供回水温差由7℃缩小至3℃。系统显示单位小时供热量不降反升。此时教师引入【核心概念】“供回水温差控制法”，指出变频调节的真实目标不是维持压力恒定，而是维持供回水温差在合理区间（通常8-12℃）。学生恍然大悟。教师继而演示正确操作流程：首先根据当前实际温差（7℃）与目标温差（设定10℃）的偏差，适度降低频率使流量减小，观测温差是否向10℃靠拢，同时密切注意二次回水温度是否超出规定上限。学生在仿真终端上反复尝试，发现当频率稳定在39Hz时，供回水温度分别变为46℃和36℃，温差10℃，回水温度36℃低于上限值38℃，且二次供回水压差由0.18MPa降至0.12MPa，仍满足最不利环路资用压头。系统自动弹出提示：“当前工况循环泵轴功率下降约34%，节电效果显著。”各小组兴奋地记录参数。

3.参数联调与动态仿真推演：完成频率设定后，所有小组启动仿真系统的“快速推演”模块，模拟未来6小时室外温度由2℃缓慢升至4℃再回落至1℃的过程，同时观测典型户（顶层、边户）室温波动。系统生成三条对比曲线：基准方案（未调整）、学生调整方案、理论最优方案。绝大多数小组发现，调整后方案在供热总量上明显低于基准方案，但个别小组因回水温度设定过于激进（试图将回水温度压至32℃），导致典型边户室温在推演后期跌破18℃。教师调取该小组操作日志，发现其将频率降至32Hz，温差拉大至14℃，虽节电显著但供热不足。全班就此案例展开一分钟分析，最终共识：节能必须在保质前提下进行，回水温度下限由设计工况与用户容忍度共同决定。教师提炼出变流量系统节能三部曲：“定温差、调流量、稳回温”，并强调回水温度是供热质量的“照妖镜”，必须作为重点监控参数。【非常重要】【高频考点】

（三）异常工况识别与应急处置（40分钟）【热点】【难点】

1.隐蔽故障注入——执行器卡涩：各小组沉浸在各自方案运行稳定的喜悦中时，教师通过后台向半数小组的仿真系统注入“一次网电动调节阀阀杆卡涩”故障。现象为：尽管控制器输出开度指令从67%提升至75%，但阀位反馈值始终定格在67%，二次供水温度因一次侧流量不足而缓慢下降。系统并未触发明显报警，仅供水温度偏离设定值0.5℃、1℃……部分粗心的小组未能及时发现，而细心的小组从“设定值—反馈值”偏差中嗅到异常。教师此时提醒：“真实热力站，这种软故障最易被忽略。”各小组进入故障排查流程：复核员朗读检查单，主操手依次核对传感器状态、执行器反馈信号、通信状态。当发现阀位指令与反馈不符时，学生需首先尝试远程复位（仿真界面点击“重启”），无效后立即转入应急模式——将一次网调节阀强制切换至手动状态，现场扳手位（虚拟操作）开到75%开度。整个处置要求在3分钟内完成。教师点评时指出：电动阀卡涩在供热初期【高频考点】，必须掌握“远程复位—现场手动—报修”三级处置程序，并强调应急手动调节同样应遵循节能原则，开度不宜过大造成热量浪费。

2.变频器反馈信号丢失——双重响应：另一组故障脚本为“循环泵变频器频率反馈丢失”。系统显示设定频率39Hz，但反馈频率突跳至0Hz又恢复至30Hz，造成频率实际输出不稳定，二次供回水压差剧烈波动。此故障极具欺骗性，因反馈信号时有时无，学生易误判为仪表干扰。教师观察到多个小组试图反复修改设定值。此时介入提示：“当设定值与反馈值偏差超过5Hz且波动时，应优先考虑将变频器切至工频旁通，保证循环不中断。”学生依此操作，将变频器控制模式从“自动”切为“工频”，系统立即稳定在50Hz工频运行。教师继而追问：“工频运行能耗高，何时可切回变频？”学生答：“待检修人员排除通信故障后。”教师肯定并补充：“值班员最可贵的是判断优先级——安全第一，节能第二。”【重要】

3.水力失调度突增——参数耦合判断：第三组故障面向能力较强的小组：二次网远端用户突现水力失调，表现为二次供回水压差未变，但回水温度异常升高。此故障根源通常是用户私放水或管网泄漏，但仿真系统设置为“远端调节阀误关”。学生需综合判断：若压差正常、回温升，排除泵故障；检查补水泵频率，补水泵未频繁启动，排除泄漏；最终在拓扑图上发现远端分支阀开度0%，立即远程开启，回水温度逐渐回落。此环节将节能与水力平衡知识无缝衔接，学生感受到热力站值班绝不是“孤岛操作”，必须对整个二次网有全局认知。【难点】

（四）能耗核算与工单交付（40分钟）【一般】

1.数据清洗与能效指标计算：各小组从仿真系统导出调整后20分钟稳定运行数据。教师提供简化版《供热系统能耗核算单》，要求学生手算两个核心指标：单位面积耗热量（q=供热量/供热面积）和水泵输送能效比（ER=水泵耗电量/供热量）。学生将仿真系统自动累计的供热量（GJ）换算为kWh，再除以供热面积（工单给定值），得出q值。通过计算，学生发现调整后q值由基准方案的32.5W/m²降至31.1W/m²，降幅4.3%，达成工单目标。ER值由0.028降至0.021，水泵能效等级由合格提升至先进。教师指导学生将节电量2.8kWh乘以本地电网碳排放因子0.703kgCO₂/kWh，得出本次操作减碳约1.97kg。教师强调：“每一克碳减排都值得被记录，这是热力行业对双碳战略的具体贡献。”【一般】

2.交付文档编制——职业习惯养成：小组合作填写《热力站节能操作记录单》（仿真系统内嵌表单）。记录单不仅包含调整前后的参数表格，更要求学生撰写“操作说明”与“自我反思”。教师巡视发现，部分学生仅写“降低了频率”“提高了温差”，立即叫停，并要求改用行业规范术语，如“依据气候补偿曲线修正二次供水温度设定值”“采用供回水温差控制法优化循环泵频率”。教师展示一份企业优秀值班记录照片，其特点是数据可追溯、事件描述清晰、异常处理闭环。学生修改后，记录单质量明显提升。

3.小组互评与交付模拟：随机抽取三个小组，使用无线投屏将操作记录单投射至DCS大屏，由主操手向“调度中心”（全班）汇报。汇报限时3分钟，需说明调整思路、遇到的困难、节能效果。其余小组依据互评表从“参数精准性、操作规范性、报告完整性、分工协作度”四个维度打分。教师针对汇报中的共性问题进行点拨，例如有小组在操作说明中未提及复核环节，教师重申“操作即记录，复核必留痕”的合规文化。本环节结束时，教师公布各组获得的碳积分，碳积分最高的两个小组获得“节能先锋”电子徽章。

（五）拓展提升与课后淬炼（30分钟）【重要】

1.企业大师“云把脉”：课中休息间隙，教师邀请校企合作单位——市热力集团有限责任公司“首席运营师”王师傅通过5G移动终端进行5分钟连麦。王师傅端坐于真实调度中心，背后大屏滚动着上百个热力站的实时数据。他针对学生在实操中提问率最高的两个问题进行解答：一是“二次管网大流量、小温差顽疾如何从热力站侧破解”，王师傅展示一条简单的经验公式——当供回水温差长期小于6℃时，可尝试逐级关小部分楼栋入口阀门，强制增加温差；二是“老旧小区夜间低温运行到底能压多少温”，王师傅坦言压温需谨慎，通常回水温度不低于33℃，并出示一张手写的夜间压温记录表。学生看到真实专家的笔迹，倍感亲切，职业认同感油然而生。

2.虚拟仿真闯关赛——寒潮极限挑战：教师发布课后任务链接至学习通。任务情境：某热力站遭遇极端寒潮，室外温度-15℃且伴有5级北风，热网负荷已达设计上限，但仍有边角用户投诉室温不足。要求学生在仿真系统中不增加热源的前提下，通过精细化的水力平衡与变频策略，将投诉户室温提升1℃且不增加额外能耗。任务设有三个难度等级，系统根据室温达标率与总耗电量自动排名。此任务将课上学习的“单工况单参数调节”升维至“多目标约束寻优”，是对【难点】的有效突破。教师预告：下周课堂将展示排名前十的方案，并邀请优胜者讲解思路。

3.思政点睛：在课程最后3分钟，教师将课件切换到一张热力站控制柜内部特写照片，数百根信号线密密麻麻连接着传感器与执行器。教师语速放缓：“同学们，你们今天在仿真界面点击的每一个确认键，在真实世界里，连接的可能是老旧小区八旬老人家里的暖气片。参数上调0.5℃，是企业成本；下调