高职建筑设备类专业：高大空间建筑空调系统设计教案

高职建筑设备类专业：高大空间建筑空调系统设计教案

一、教学背景与设计理念

（一）课程定位与价值

本课程是高职供热通风与空调工程技术、建筑智能化工程技术等专业的核心技能课程。在完成了流体力学、热工基础、空调技术等前序课程学习的基础上，本课程聚焦于体育馆、剧场、机场候机大厅、工业厂房等典型高大空间建筑的空调系统设计、施工与运行管理。这部分内容是职业岗位工作中的【非常重要】的技能模块，直接对应暖通助理工程师、施工员、运行管理员等岗位的核心能力要求。通过对高大空间空调系统特殊性的剖析，引导学生建立从常规建筑向特殊建筑跨越的工程思维，掌握处理热湿环境分层、大跨度气流组织、高能耗等关键问题的技术方法。

（二）【热点】行业背景

当前，国家大力推行绿色建筑与碳中和战略，高大空间作为能耗大户，其空调系统的节能设计、智慧化运行是行业研发与应用的热点。国家及各省市陆续发布的《公共建筑节能设计标准》、《绿色建筑评价标准》中，对高大空间的空调系统能效、气流组织性能提出了更高要求。将这一行业背景融入教学，使学生的学习内容与行业发展同频共振。

（三）设计理念

本教案以OBE（成果导向教育）理念为指导，反向设计教学内容。以“完成某体育馆观众区空调系统设计方案”为项目载体，采用任务驱动教学法。教学过程强调“理实一体”，将抽象的流体力学、热工学原理具体化为工程设计中的参数计算与设备选型。通过案例分析、仿真模拟、小组研讨等多种形式，引导学生主动建构知识，培养其解决复杂工程问题的综合能力和跨学科视野（涉及建筑学、流体力学、材料科学、自动控制等）。

二、教学对象与教学目标

（一）教学对象分析

本课程的授课对象为高职院校供热通风与空调工程技术专业二年级学生。他们已经掌握了空调系统的基本原理和组成，能够进行常规舒适性空调的负荷计算和设备选型。然而，他们对于非均匀环境下的气流组织、大温差送风、诱导比等【难点】概念理解不深，缺乏将理论知识应用于高大空间这种特殊场景的实践经验。学生的空间想象能力、逻辑思维能力和团队协作能力有待进一步提升。

（二）教学目标设计

依据专业人才培养方案和课程标准，结合学情分析，设定如下三维教学目标：

1.知识目标：

【基础】准确描述高大空间建筑的定义、特征及空调系统的特点与难点。

【重要】阐述热力分层现象的形成机理及其对空调负荷计算的影响。

【重要】列举并比较适用于高大空间的各类送风方式（如喷口送风、地板送风、分层空调等）的原理、优缺点及适用范围。

【基础】掌握高大空间空调系统主要设备（如喷口、诱导器、空调机组）的选型计算方法。

【高频考点】理解并记忆高大空间冬季热气流上升、夏季冷空气下沉的特性对气流组织设计的影响。

2.能力目标：

能够根据给定的高大空间建筑设计图纸，正确分析其空调负荷特性。

能够运用技术资料和设计规范，为具体的高大空间项目选择合理的气流组织形式。

【非常重要】能够利用焓湿图和相关计算公式，进行喷口送风系统的基本设计计算（如射程、落差、出口风速、温差等）。

能够借助CFD仿真软件（演示或简单操作）模拟高大空间内部的速度场和温度场，验证并优化设计方案。

能够通过小组协作，完成一份结构完整、论据充分的高大空间空调系统初步设计方案并进行汇报答辩。

3.素质目标：

培养严谨求实、精益求精的工匠精神，认识到暖通工程设计对建筑舒适性与能耗的决定性作用。

【热点】增强节能环保意识和社会责任感，在设计方案中主动融入绿色低碳技术理念。

提升跨学科沟通协作能力，理解暖通专业与建筑、结构、电气等专业的配合要点。

培养自主学习能力和持续发展的意识，关注行业新技术、新规范的发展动态。

三、教学重点与难点

（一）【重要】教学重点

1.高大空间空调负荷特性分析：特别是热力分层对负荷计算的影响。

2.常用送风方式的工作原理与选择原则：喷口送风、分层空调、置换通风等的对比分析。

3.【高频考点】喷口送风系统的设计计算方法：包括喷口选型、布置、射流参数计算等。

4.【非常重要】气流组织设计的基本原则：确保工作区舒适度，避免送风短路、气流死角等。

（二）【难点】教学难点

1.热力分层的物理机制及其工程应用：如何理解并利用热力分层来降低空调能耗。

2.非等温射流的计算与修正：喷口送出的冷风或热风在空间中的弯曲轨迹计算。

3.综合运用多学科知识解决实际问题：如何将建筑功能、美学要求与空调系统的技术可行性、经济性相结合，进行方案优化。

4.CFD仿真结果的工程解读：如何根据仿真云图，判断气流组织优劣，并找到改进方向。

四、教学方法与手段

1.任务驱动法：【非常重要】以“某市新建乙级体育馆空调系统方案设计”为贯穿全课的项目任务，将知识点融入项目完成的各个阶段。

2.案例教学法：引入国家体育场（鸟巢）、国家大剧院、某大型机场航站楼等经典案例，分析其空调系统设计的成败得失。

3.探究式学习：针对“为什么体育馆夏天观众席很冷而比赛场地却不冷？”等实际问题，引导学生自主探究原理，寻找解决方案。

4.多媒体辅助教学：大量使用动画、视频、3D模型展示高大空间内部气流流动、温度分层等现象，突破空间想象的限制。

5.【热点】数字化工具应用：引入CFD仿真软件（如Airpak、Fluent等）进行课堂演示，让学生直观感受不同设计参数对气流组织的影响。同时，指导学生利用专业选型软件或Excel计算表格，进行喷口选型计算。

五、教学资源与准备

1.教材与参考书：选用国家规划教材《供热通风与空调工程技术》，并推荐《实用供热空调设计手册》、《空气调节设计手册》作为工具书。

2.规范标准：《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736、《公共建筑节能设计标准》等。

3.信息化资源：精心制作的PPT课件，内含高清晰度图片、三维动画、工程录像；虚拟仿真软件（CFD教学演示版）；超星学习通平台（用于发布任务、上传资料、分组讨论、提交作业）。

4.硬件设备：多媒体教室、计算机机房（安装有CFD演示软件及Office办公软件）、典型喷口及诱导器实物模型。

5.教学准备：

（1）教师：准备好项目任务书、案例资料、仿真模型、评价标准。

（2）学生：复习空调负荷计算、焓湿图应用等前序知识；预习高大空间空调系统相关内容，查找资料了解相关工程案例。

六、教学实施过程（【非常重要】核心环节，共6学时，分3次课完成）

第一次课：认知与原理——走进高大空间空调系统（2学时）

（一）创设情境，导入新课（15分钟）

1.【热点】播放一段大型体育赛事开幕式视频，聚焦场馆内部宏大的空间和舒适的环境。提问：“同学们，这个体育馆内部空间高达几十米，空调是怎么把这些角落都吹得既凉快又舒服的？如果按照我们平时给教室装空调的方法来，行不行？为什么？”引导学生思考常规空调在高大空间中的局限性，引出本次课的主题。

2.发布项目任务：介绍“某市新建乙级体育馆”的基本情况（建筑面积、高度、座位数、比赛场地尺寸、使用功能等），并将全班分为若干项目设计小组（每组4-5人），明确最终成果要求：一份初步设计方案（含计算书、系统图、设备清单）和PPT汇报稿。

（二）【基础】知识讲解——高大空间的定义与特征（20分钟）

1.定义：明确建筑净高大于5米，体积大于10000立方米的民用及工业建筑。

2.特征分析：

（1）【重要】几何特征：体量大、高度高，导致建筑围护结构负荷与外扰（太阳辐射、室外气温）的影响与常规建筑不同。

（2）【非常重要】物理特征：由于温差引起的空气密度差，导致垂直方向上自然对流强烈，形成“热力分层”。上层为非空调区，下层为空调区（工作区）。这是后续所有设计的逻辑起点。通过动画演示热力分层现象的形成过程。

（3）【高频考点】负荷特征：围护结构负荷受高度影响显著；人员、灯光、设备负荷集中在底部工作区；顶部热空气聚集，通过屋顶传热形成较大的温差传热负荷；冬季热气流上升，导致底部工作区温度偏低，形成“头热脚冷”的不舒适感。

（三）【难点】深度剖析——高大空间空调负荷计算的特殊性（30分钟）

1.对比常规空调负荷计算：常规空调通常采用稳态计算或整个空间均匀混合的模型。而对于高大空间，这种模型会产生较大误差。

2.【重要】热力分层在负荷计算中的应用：

（1）引入“分层空调”概念：即仅对下部工作区进行空调，上部非空调区不设空调，利用热力分层将上下区域的热湿环境分开处理。

（2）负荷构成新解：高大空间空调负荷包括工作区自身负荷（人员、设备、照明等）和来自非空调区通过热力分层面向工作区的辐射与对流传递热。

（3）【难点】计算方法：简要介绍基于热力分层高度的分区模型计算方法（如采用不同的室内计算温度），强调这不是简单的体积比例计算，而是基于空气动力学和传热学的复杂过程。通过一个简化算例，让学生感受考虑分层与不考虑分层在负荷计算结果上的差异。

（四）【重要】系统初识——高大空间常用空调系统形式（25分钟）

1.全空气系统：由于高大空间负荷大，且需要引入大量新风来满足人员卫生要求，全空气系统（特别是单风道、双风道系统）是主流选择。优点：处理能力强，可实现全新风运行（过渡季节节能）。缺点：风管尺寸大，占用空间。

2.空气-水系统：如风机盘管加新风系统。讨论其在高大空间应用的局限性：风机盘管难以有效覆盖大跨度区域，且易受建筑美学限制。通常只适用于高度不太高、空间相对分隔的区域。

3.【热点】辐射供冷/暖系统：介绍地板辐射、顶板辐射在高大空间的应用案例（如机场候机厅），分析其优点（舒适性高、无风感、节能）和挑战（结露风险、供冷能力有限，需与新风系统配合）。

（五）课堂小结与任务布置（10分钟）

1.小结：回顾高大空间的特征、热力分层原理及其对负荷计算的影响。

2.课后任务：各小组搜集一个典型高大空间建筑（如当地体育馆、剧院、商场中庭）的空调系统资料（可拍照、查网络），初步分析其可能采用的形式，下节课分享。预习喷口送风等相关内容。

第二次课：核心技能——气流组织设计与喷口送风计算（2学时）

（一）复习导入与成果分享（15分钟）

1.回顾上节课的核心概念：热力分层。

2.小组代表分享课后搜集的案例，教师点评，自然引出这些案例中常见的送风方式，聚焦到本课重点——喷口送风。

（二）【非常重要】知识讲解——气流组织方式详解（35分钟）

1.上送下回方式：包括散流器平送、孔板送风等。分析其在高大空间中的适用性：仅适用于高度较低的高大空间，否则送风难以到达工作区，且容易形成“穿堂风”。

2.【重要】喷口送风方式：

（1）原理：利用喷口形成的高速射流，诱导周围大量空气与之混合，带动整个工作区的空气循环。射流在行进过程中不断卷吸周围空气，流量增加，速度衰减，温度趋于均匀。

（2）【高频考点】分类：圆形喷口、球形喷口、百叶喷口；可调角度喷口、固定喷口。

（3）特点：射程远，流程大，系统简单，投资省，尤其适用于体育馆、剧院等观众区。夏季送冷风，射流弯曲下落；冬季送热风，射流弯曲上浮（【难点】）。

（4）【非常重要】设计要点：合理确定喷口安装高度、倾角、出口风速、送风温差，确保射流在工作区达到所需速度（0.3m/s以下）和温度，避免直接吹向观众。

3.分层空调方式：

（1）【非常重要】原理：利用喷口或风口在高度方向上的中下部形成一个水平的气流组织带，将空间在垂直方向上分割成上下两个区域，分别处理。

（2）特点：节能效果显著，但设计复杂，存在上下分区间的热湿交换。

4.【热点】置换通风与地板送风方式：

（1）原理：从下部（地面或座椅下）以低风速、小温差送出新鲜空气，形成“空气湖”，在热源作用下缓慢上升，将污浊空气从顶部排出。

（2）特点：通风效率高，空气龄新，工作区空气品质好。适用于剧院、会议室等人员密集且对空气质量要求高的场所。但下部送风装置易积灰，需加强过滤。

5.诱导器系统：介绍诱导器利用一次风（高速）诱导室内回风（二次风）的原理，分析其在剧场座椅下送风中的应用优势。

（三）【高频考点】核心技能——喷口送风系统设计计算（40分钟）

1.计算任务：根据体育馆观众区的尺寸、设计参数（工作区温度、风速要求），确定喷口的型号、数量、布置方式和运行参数。

2.关键参数：

（1）射程x：从喷口到工作区的水平距离。

（2）落差y：射流中心线在工作区高度的垂直偏移量（夏季射流下降）。

（3）出口速度v0：通常取4-10m/s。

（4）送风温差Δt0：通常取6-10℃。

（5）喷口直径d0。

（6）阿基米德数Ar：【难点】这是描述射流因温差而弯曲程度的无量纲数。Ar越大，射流弯曲越明显。计算公式及物理意义。

3.计算步骤（以等温射流为基础，引入非等温修正）：

（1）根据射程和工作区允许的最大速度，利用等温自由紊流射流公式，初步估算喷口直径和出口速度。

（2）【非常重要】根据送风温差和出口速度，计算阿基米德数Ar。

（3）【难点】利用非等温射流轨迹方程（经验公式或图表），结合Ar数，计算射流到达工作区时的实际落差y。检查y是否满足设计要求（即射流中心是否正好抵达人员活动区域上方，既不能太高导致送风无效，也不能太低吹到人）。

（4）根据单股射流在工作区的覆盖范围，确定喷口的水平间距和排数。

4.实操练习：教师给出简化计算条件，学生在指导下利用Excel表格或手算，完成一个喷口送风系统的初步计算。

（四）方案研讨与任务推进（10分钟）

各小组针对自己的体育馆项目，讨论并初步确定本组方案采用的气流组织形式（如观众区用喷口送风，比赛场地用置换通风），并开始尝试进行喷口的初步选型计算。教师巡回指导。

（五）课堂小结（5分钟）

总结喷口送风的优势和设计要点，强调Ar数在非等温射流设计中的核心地位。

第三次课：优化与评价——CFD仿真、方案汇报与总结（2学时）

（一）【热点】技术前沿——CFD在高大空间气流组织设计中的应用（25分钟）

1.引入问题：“我们计算的喷口送风方案，在实际空间中到底效果如何？有没有办法在施工前就能‘看到’里面的风是怎么吹的？”引出CFD技术。

2.基本原理介绍：CFD通过将空间划分为无数个小单元，求解质量、动量、能量守恒方程，最终得到整个空间内空气的速度、温度、压力等参数的分布情况。通俗比喻为“计算机里的风洞实验”。

3.案例演示（教师操作）：

（1）打开一个简化体育馆的CFD模型，设定边界条件（喷口风速、温度、湍流强度等）。

（2）运行求解器，展示迭代计算过程。

（3）【非常重要】结果解读：展示速度场云图（哪里风大、哪里风小）、温度场云图（哪里热、哪里冷）、速度矢量图（风往哪里吹）。

（4）分析讨论：观察仿真结果是否与理论计算一致？工作区速度是否满足要求？有无气流死区或短路？引导学生判断方案的优劣。

（5）参数优化：改变喷口角度或送风速度，重新计算，对比前后结果，直观展示参数变化对气流组织的影响，强调CFD在方案优化中的重要作用。

（二）项目深化——各小组方案完善与指导（20分钟）

各小组基于所学知识和CFD演示的启发，完善本组的初步设计方案。重点讨论：

1.系统形式选择：全空气一次回风还是二次回风？是否采用热回收装置？

2.气流组织细化：观众区喷口的详细布置（排数、间距、角度）；比赛场地是否采用地板送风或侧送风？过渡季节如何实现全新风运行？

3.【热点】节能技术应用：是否可以利用排风中的能量预热/预冷新风？是否可以考虑采用变频技术调节风机风量以适应负荷变化？智能控制系统如何实现？

教师深入各小组，解答疑问，引导讨论方向。

（三）【非常重要】成果展示与答辩（40分钟）

1.分组汇报：每组选派一名代表，在5分钟内，利用PPT展示本组的初步设计方案。内容包括：设计依据、负荷特点分析、系统形式选择理由、气流组织方式及计算过程（喷口选型）、主要设备初选、节能措施等。鼓励展示简单的草图或示意图。

2.互动答辩：汇报结束后，其他小组成员和教师进行3分钟的提问和点评。问题应聚焦于方案的合理性、创新点及存在的潜在问题。例如：“你们为什么选择这种喷口？”“如果冬天观众区出现‘头热脚冷’，你们的方案如何应对？”“你们的设备选型依据是什么？”通过答辩，锻炼学生的表达能力和思辨能力。

3.教师点评与总结：教师对各小组方案进行综合点评，肯定优点，指出不足，特别是设计中暴露出的共性问题（如对冬季工况考虑不足、设备选型裕量过大、忽视与建筑结构的配合等）进行集中讲解和强调。

（四）【基础】知识体系梳理与高频考点回顾（15分钟）

1.系统梳理：以思维导图的形式，带领学生回顾高大空间空调系统设计的完整流程：建筑功能分析→负荷特性分析（热力分层是关键）→确定室内设计参数→选择空调系统形式→【非常重要】进行气流组织设计与计算（喷口等）→设备选型→节能与控制策略设计→方案经济性分析。

2.【高频考点】重点回顾：

（1）热力分层原理及工程意义。

（2）喷口送风的设计计算（Ar数、射程、落差）。

（3）不同送风方式的适用场景对比。

（4）高大空间与常规建筑空调设计的核心区别。

3.【难点】答疑解惑：针对学生在设计和计算过程中遇到的主要难点，再次进行集中解答和强调。

（五）课后拓展与作业布置（5分钟）

1.课后作业：各小组根据答辩意见和课堂总结，修改完善本组的初步设计方案，形成正式的设计文档（含计算书和图纸草图）。作为本课程的大作业提交。

2.【热点】拓展任务：鼓励学有余力的学生，查阅相关资料，了解高大空间空调系统与建筑智能化控制系统（BAS）的集成技术，或者学习一种CFD软件的基本操作，探索不同参数对气流组织的影响。

七、教学评价与反馈

（一）形成性评价（占60%）

1.课堂参与度（10%）：包括出勤、提问、回答问题、参与小组讨论的积极性。

2.案例分析作业（10%）：搜集案例的完整性与分析的深度。

3.【重要】项目过程表现（40%）：小组内部协作情况、设计计算的准确性与合理性、方案汇报的质量（逻辑清晰度、内容完整性、PPT制作水平）、答辩表现。

（二）终结性评价（占40%）

【非常重要】项目最