供热通风与空调技术专业三年级：热泵热水机组原理与运行调试实训教案

供热通风与空调技术专业三年级：热泵热水机组原理与运行调试实训教案

一、课程定位与背景分析

（一）课程性质与教学理念

本教案适用于高等职业院校供热通风与空调工程技术专业三年级核心课程“热泵技术与应用”模块，具体对应“热水工程热泵技术”教学单元。课程定位为理实一体化专业课，以“双碳”战略为宏观背景，以建筑热水供应与清洁供暖行业升级为微观载体，深度对接热泵系统运维、节能诊断等岗位能力要求。教学理念遵循2022年版职业教育专业目录倡导的“岗课赛证”融通模式，基于工作过程系统化进行重构，将热力学经典理论与热泵热水装置实际工况紧密耦合，强调工程思维、系统思维与跨学科素养的协同发展。

（二）学情精准画像

授课对象为高职三年级学生，已完成“工程热力学”“流体力学泵与风机”“传热学”等前续课程，具备热力状态参数识别、简单循环计算的基本能力，熟悉压焓图的基本构成。但存在三个【重要】障碍：其一，对逆向循环的能量品质理解停留于公式记忆，难以将“热量从低温迁移至高温必须消耗高位能”与真实压缩机的电流、电压建立具身联系；其二，习惯处理理想循环，对节流损失、过热度过热度、过冷度等实际工程参数缺乏敏感度；其三，跨学科迁移能力薄弱，面对“热水工程”这一涵盖水力、热力、电气控制的综合场景，易陷入部件孤立分析而非系统耦合思维。基于此，本单元教学设计将重心置于“可视化的抽象原理还原”与“高保真的工程任务复现”。

（三）跨学科融合视野

本单元主动打破专业壁垒，实施【非常重要】的跨学科教学策略：融合物理学科热力学第二定律的微观熵增阐释、化学学科中制冷剂相变潜热的分子运动视角、电气工程学科中压缩机变频调速的能量匹配逻辑，并引入经济学边际成本概念用于热泵热水系统生命周期评价。通过这种多维视野的交织，引导学生在技术理性之外形成对能源利用效率的整体性认知。

二、新标题与课时规划

供热通风与空调技术专业三年级：热泵热水机组原理与运行调试实训教案

课时安排：共4课时，每课时45分钟，合计180分钟。课型为项目化实训课，以“校园游泳池热水系统节能改造”为载体，实施任务驱动教学。

三、教学目标与核心素养层级

（一）知识目标

1.能准确复述蒸汽压缩式热泵热水机组的四大部件构成及各自功能，并能区分制冷循环与热泵循环在能量输送目的上的本质差异；【一般】

2.能借助压焓图（lgp-h图）绘制并标注理论循环与有过冷、过热状态下的实际循环过程，解释各热力状态点参数变化规律；【重要】

3.能熟练运用性能系数（COP）、制热功率、能效比（EER）等指标对热泵热水机组进行热力计算与能效评价，并明确供热系数与制冷系数的换算关系；【非常重要】【高频考点】

4.能列举低品位热源类型（空气、地下水、土壤源、工业余热），并结合具体热水工程说明热源温度变化对机组性能的影响机理。【热点】

（二）能力目标

5.能够依据给定的热水负荷需求，初步完成热泵主机选型、换热器匹配及循环水泵扬程估算；【难点】

6.能够规范操作热泵热水机组实训台，完成制冷/制热模式切换、运行参数记录及故障代码判读；

7.能够运用能量守恒定律对热泵热水系统进行简单的碳排放减排量核算，树立全生命周期评价意识。

（三）素养目标

8.在“实验者—分析者—创新者”角色轮换中，养成严谨求实的工程实证精神；

9.通过校园地源热泵案例研讨，强化节能减碳的使命感与本土技术自信；

10.在小组协同调试中培育精益求精的工匠精神与系统性风险防范意识。

四、教学重点与难点突破策略

（一）教学重点

1.热泵热水机组的逆向循环原理与经济性指标计算；【非常重要】【高频考点】

2.压焓图的识读、绘制与实际循环过程的热力分析。

（二）教学难点

3.实际循环中不可逆损失（尤其是节流过程与压缩过程）对系统性能的综合影响机制；【难点】

4.热源侧与用户侧水温、流量变化对热泵COP的非线性耦合影响。【难点】

（三）突破策略

采用“热力学第二定律的具象化实验+过程可视化仿真+真实故障再现”三维联动策略：引入热电偶阵列测量换热器壁面温度分布，将抽象的“冷凝温度”“蒸发温度”转化为可视的温度梯度；利用制冷系统仿真软件动态呈现压力变化时制冷剂相态转变；在实训环节预设膨胀阀堵塞、制冷剂充注不足等典型故障，驱动学生在排故中深化对循环压差的认知。

五、教学实施过程（核心环节，占篇幅85%以上）

（一）启动阶段：工程情境与认知冲突（第1课时前15分钟）

1.校园真实情境植入

教师播放西安滨河学校“校园地源热泵系统”学生探究活动短片，展示该校利用地埋管换热器为体育馆及宿舍楼提供生活热水及冬季供暖的实际场景。呈现校园能源管理平台数据：室外气温-5℃时，地源侧进水温度稳定在15℃，热泵机组出水温度45℃，系统综合COP达3.8。同时展示传统燃气锅炉同期能耗账单，形成直观对比。

2.认知冲突创设

教师提出反直觉问题：“根据日常经验，热量总是从高温物体传向低温物体。现在我们要将15℃的地下水中的热量提取出来，送入需要45℃热水的水箱。这相当于把热量从低温处搬到高温处。这是否违背了热力学第二定律？如果这并不违背，那么‘搬运’过程中消耗了什么？付出的代价如何评价？”学生以小组为单位进行2分钟辩论，暴露前概念。

3.新课揭示与目标定向

教师总结：热泵热水机组正是实现这一“逆熵增”过程的典型装置。它并没有违背第二定律，而是以消耗高位能（电能/机械能）为补偿，使热量从低温热源流向高温热源。本课的任务是彻底拆解这一过程，并亲手完成机组的运行调试。板书优化后课题，明确4课时的学习航标。

（二）原理建构：从卡诺逆循环到实际热泵循环（第1课时15-45分钟，第2课时前15分钟）

4.逆向循环的本质辨析【重要】

教师首先在黑板绘制正卡诺循环（热机）的T-s图，引导学生回忆热效率公式η=1-T₂/T₁。随后，以箭头反向绘制逆卡诺循环，对比讲解制冷循环与热泵循环的异同。此处特别强调：【非常重要】制冷循环与热泵循环在热力学本质上完全相同，均为逆向循环；区别仅在于目的区间——制冷关注从低温热源取走的热量Q₂，热泵关注向高温热源输送的热量Q₁。对于热泵热水机组，我们的“收益”是Q₁（制热量），“代价”是净功W。由此引出供热系数COP_h=Q₁/W=(Q₂+W)/W=COP_R+1。此关系式为【高频考点】，要求学生现场推导并同桌互述。

5.蒸汽压缩式热泵的四大部件与工质状态变化【一般】

运用动画逐帧展示理想蒸汽压缩式热泵循环：蒸发器（状态1：低温低压饱和蒸汽）→压缩机（过程1-2：等熵压缩，状态2：高温高压过热蒸汽）→冷凝器（过程2-3-4：定压冷却冷凝，状态4：高温高压饱和/过冷液体）→膨胀阀（过程4-5：绝热节流，状态5：低温低压气液两相）→蒸发器。教师同步在压焓图上描点连线，每描一个状态点都追问：“此时制冷剂处于什么相态？温度压力如何？”学生使用纸质压焓图随堂跟画。

6.压焓图深度识读与循环热力计算【非常重要】【高频考点】

本环节采用“三段式”进阶训练：

第一阶：理想循环参数读取。给定R134a制冷剂，已知蒸发温度tₑ=5℃、冷凝温度t_c=45℃，学生在压焓图上查找h₁、h₂、h₃、h₄、h₅，计算单位质量制热量q₁=h₂-h₄、单位理论压缩功w₀=h₂-h₁，进而求得COP_h。教师巡堂，发现普遍性问题：对节流前后焓值相等（h₄=h₅）理解机械，未能关联等焓线的物理意义。

第二阶：过冷与过热的修正【难点】。教师引入“过冷度”“过热度”工程术语：实际循环中，为防止液态制冷剂进入压缩机造成液击，往往使吸气具有一定的过热度（ΔT_sup=5~10℃）；为提升单位制冷/热量，往往使冷凝器出口液体具有过冷度（ΔT_sub=3~5℃）。学生在压焓图上平移状态点，重新计算。此处设置同伴互评：一组计算过冷度5℃时的制热量增量，另一组计算过热度5℃时的压缩机功耗增量，交换核对。

第三阶：故障状态的压焓图表征。展示膨胀阀开度过大（节流后压力偏高）、冷凝器积垢（冷凝压力飙升）等异常工况的温度压力数据，要求学生逆向推断在压焓图上状态点的偏移方向。此环节强化循环逻辑，为后续实训中的参数判读奠定基础。

（三）技能实训：热泵热水机组运行调试与性能测试（第2课时15-45分钟，第3课时全课时）

7.实训装置与角色分工

实训平台采用模块化蒸汽压缩式热泵教学装置，配备可视化的冷凝器、蒸发器（透明壳体），压缩机、电子膨胀阀、四通换向阀、转子流量计及多点温度压力传感器，数据实时采集至触控屏。学生4人一组，轮换承担以下角色并佩戴标识卡：

实验者（1人）：负责水路阀门调节、启停操作，口头复述操作指令；

分析者（2人）：负责记录温度、压力、流量、功率数据，并填入热力计算表；

创新者（1人）：负责对比理论值与实测值差异，提出系统优化建议。

此角色框架借鉴国际热力学图解教学法中的叙事框架，将抽象的热容量、压差等概念转化为具身的操作责任，【非常重要】。

8.任务一：制冷/热泵模式切换与现象观察【一般】

各组首先将四通换向阀调至“制冷”位，启动压缩机，观察工质在透明视液镜中的流动状态，触摸压缩机排气管与吸气管温差。记录蒸发器表面结露过程，冷凝器出水温度上升。3分钟后，切换四通阀至“热泵”位，原蒸发器变为冷凝器，原冷凝器变为蒸发器。学生惊异于热流方向的逆转，教师顺势强调：四通换向阀是实现制冷/制热功能转换的核心枢纽，也是热水工程中“一机两用”的技术关键。

9.任务二：额定工况性能测试与COP计算【非常重要】【高频考点】

设定标准工况：蒸发器侧（模拟低温热源）进水温度15℃，水流量0.1kg/s；冷凝器侧（热水侧）进水温度20℃，水流量0.1kg/s。待系统运行稳定（各测点温度波动≤0.5℃/min）后，记录以下数据：

冷凝器侧进出口水温t₃、t₄，水流量G₂；

蒸发器侧进出口水温t₁、t₂，水流量G₁；

压缩机吸气压力p₁、排气压力p₂，对应查出饱和温度；

压缩机输入电压V、电流I，计算电功率P_elec（取电机效率η=0.85）。

分析者主持计算：

冷凝器换热量Q_c=G₂·c_p·(t₄-t₃)（c_p取4.1868kJ/kg·K）；

蒸发器吸热量Q_e=G₁·c_p·(t₂-t₁)；

实测制热COP_h=Q_c/P_elec。

将实测COP_h与理论COP_h（基于实测蒸发温度、冷凝温度查压焓图）对比。各组普遍发现实测值比理论值低20%~35%，讨论指向压缩过程不可逆损失、换热器温差传热损失及节流不可逆损失。创新者角色汇总原因并在班级发布。

10.任务三：变工况性能影响规律探究【热点】【难点】

本任务以“热源温度降低时，热泵是否还能高效工作”为核心驱动问题。

冷凝器侧进水温度、流量固定，逐步降低蒸发器侧进水温度（由20℃→15℃→10℃→5℃），每调定一个工况稳定5分钟，重复测试流程。学生以折线图形式绘制COP_h随蒸发器进水温度的变化曲线，发现明显的下降趋势。

教师引入“低温热源品质”概念：蒸发温度每降低1℃，COP_h下降约2%~3%。进而引出空气源热泵冬季结霜、蒸发器换热恶化导致能效衰减的工程痛点，并展示喷气增焓、双级压缩等先进技术解决方案。同时，教师引导学生从第二定律视角阐释：当高温热源与低温热源温差拉大时，实现逆循环所需的代价（压缩功）急剧增加，这从本质上界定了热泵的经济应用区间。

11.安全与规范操作浸润

实训全程贯穿职业规范教育：【重要】启动前必须确认冷凝器水路通畅，否则压力骤升可能引发爆管；实验结束须先停压缩机、1分钟后再关闭水泵，以回收制冷剂、防止液击。教师对违规操作实行一票否决，强化安全红线意识。

（四）拓展升华：面向真实热水工程的设计与评估（第4课时前35分钟）

12.案例导入：回收电厂循环水余热的汽机-热泵联合系统

呈现华能大连发电厂4×350MW机组供热改造工程资料。该厂原采用减温减压器供热，高品位蒸汽被节流使用，能量贬值严重。新技术方案从中压缸打孔抽汽，驱动小型汽轮机做功，同轴带动压缩式热泵，提取海水冷却循环水中的低品位热量（温度由10℃降至5℃），制取85℃热水用于城市供暖。学生分组计算：

已知循环水流量3000t/h，温降5℃，热泵COP=3.0，求热泵制热量及驱动热泵所需功率；

已知小汽轮机输出功率36MW，判断能否满足4台热泵功率需求；

计算改造后相对于减温减压方案的每年节约标煤量（按供热1200万平米、锅炉效率90%折算）。

计算过程中，学生自然调用之前习得的Q=c·m·Δt、COP_h=Q_c/P等核心公式，实现知识向真实工程场景的迁移。教师点拨：此处热泵回收的并非“废热”，而是原本排入大气的“低位热能”，热泵技术实现了能量的梯级利用，是热电联产领域深度节能的关键路径。

13.跨学科延伸：能量桩与浅层地温能利用

学生观看能量桩热泵系统科普教具演示视频。视频中，U形换热管埋设于透明桩体模型内，LED灯带模拟换热液流动，沙盘展示冬季提取土壤热量、夏季向土壤排热的平衡利用过程。教师以《十水合硫酸钠/无水硫酸钠相变储热》科研案例为引，简介相变材料在提升热泵系统热惰性、削峰填谷中的应用前景，激发学有余力者关注材料科学进展。同时嵌入【思政映射】：我国建筑运行能耗占全国总碳排放42%，制冷供暖能耗占比过半，推广热泵技术是实现建筑领域碳中和的核心抓手。

14.绿色账本：热泵热水系统的碳减排核算

学生利用碳排因子简易计算器，对比三种生活热水制备方案的年碳排放量：方案A（常规电热水器）、方案B（家用空气源热泵热水器，年平均COP=3.2）、方案C（小区集中式污水源热泵系统，COP=4.5）。给定同样日产10吨55℃热水，从自来水15℃加热。学生核算得出热泵方案碳排放仅为电热水器的1/3~1/4，强化“节能就是减碳”的技术伦理。教师展示校园能源站实际监测大屏，勉励学生未来成为绿色能源系统的建设者。

（五）总结反馈与形成性评价（第4课时35-45分钟）

15.思维导图共建

各小组在白板绘制本单元知识图谱，从“热力学第二定律”根节点出发，衍生出“逆向循环”“工质相变”“热泵热水机组”“性能评价”“热源拓展”等主干，添加制冷剂、压缩机、COP、压焓图、地源热泵等枝叶。教师选取典型作品拍照上传，点评逻辑关联的严谨性与创新分支。

16.随堂测验（高频考点即时测）

发放三道闭卷填空题：

（1）热泵循环的性能系数COP_h与同温限下逆卡诺循环供热系数的关系是COP_h≤T₁/(T₁-T₂)，体现不可逆损失。

（2）实际蒸汽压缩式热泵循环中，膨胀过程简化为等焓过程，此过程造成可用能损失，对应压焓图上________线。

（3）当热泵热水机组的冷凝温度升高、蒸发温度降低时，压缩比________，输气系数________，COP________。

学生交换批改，错误率集中于第（2）空（误填等熵或等温）。教师当场强调：节流过程高速非平衡，工程上近似等焓，是【高频考点】中的高频陷阱。

17.课后延伸任务

开放式作业：观察校园或居住社区是否存在可回收利用的低品位热源（如中水站、食堂排风、数据中心冷却塔），撰写200字观察笔记并构想一个基于热泵的热能回收微方案，要求附简单热力平衡估算。此任务旨在将课堂认知延伸至真实生活场域，培育持续的工程觉察力。

六、教学资源与数字化工具

（一）实体资源

蒸汽压缩式制冷/热泵实训考核装置6套，配备R134a制冷剂，蒸发器、冷凝器均为套管式透明结构，内置温度传感器T型热电偶8个，压力传感器量程0~2.5MPa。配套循环水系统含恒温水箱、变频水泵。R11制冷剂物性参数表（纸质版）、压焓图（A3幅面过塑）。

（二）数字资源

1.压焓图动态交互软件（PC端）：学生拖拽蒸发温度、冷凝温度滑块，系统自动生成对应理论循环，实时显示h₁、h₂、h₄数值及COP_h变化；

2.热泵系统3D拆解VR课件：可透视压缩机涡旋盘运动、电子膨胀阀针阀开度、板换流道分布；

3.虚拟仿真实验平台：用于课前预习与故障模拟（如制冷剂泄漏后吸气压力、排气压力联动变化）。

（三）课程思政资源

专题片《地心之暖：中国地源热泵二十年自主技术突破》，时长8分钟，截取北京大兴国际机场地源热泵系统、雄安新区“地热+热泵”零碳供暖片段。

七、教学评价设计

本单元采用“过程性评价60%+终结性评价40%”的权重分配。

（一）过程性评价细目

1.实训操作规范度（20%）：包含开机前水路检查、数据记录完整度、停机顺序、工位复原