高职供热专业二年级“热水采暖系统空气积存热工特性”教案

高职供热专业二年级“热水采暖系统空气积存热工特性”教案

一、教学背景

（一）学科与学段定位

本教案适用于高职供热通风与空调工程技术专业二年级核心课程“供热工程”或“建筑设备与热工基础”，系对接职业标准“供热系统运行调试”模块的专项能力训练单元。学段定位为高职二年级下学期，学生已完成工程热力学、流体力学泵与风机等前导课程，具备热工计算基础与系统识图能力，处于从理论认知向职业综合能力迁移的关键跃升期。

（二）课程性质与任务

本课属专业技术核心课“理实一体化”教学项目，以真实工程问题“热水采暖系统局部不热”为驱动，直指空气积存这一典型故障背后的热工本质。课程任务聚焦于空气积存条件下系统热工特性的定量分析与优化对策，旨在培养学生运用热工学原理解析工程现象、开展故障诊断及系统调试的职业核心素养。

（三）教材选用与分析

选用“十四五”职业教育国家规划教材《供热工程》（第4版）第六章“热水采暖系统水力工况与热力工况”，并整合德国手工业协会（HWK）供热技术培训模块中关于微泡排气与真空脱气的先进理念。教材对空气来源及排除方法有定性描述，但对空气积存状态下的热工参数演变缺乏定量建模，本设计将依托CFD仿真实验数据补充该薄弱环节。

（四）学情研判

【重要】学生已能熟练计算散热器标准散热量，掌握伯努利方程与沿程阻力损失公式，但对“两相流”概念普遍陌生；90%的学生能识别集气罐、自动排气阀，但仅有15%的学生亲历过真实系统排气操作；多数学生将“排气”视为运维杂务，未能意识到空气积存对热工效率的深层影响，亟需建构“热工特性-系统效率-碳排放”的关联认知。

（五）教学目标设计

1.知识维度

【核心知识点】【高频考点】准确复述空气积存导致散热器传热热阻增加的微观机理，阐释空气柱在垂直管路中形成“气塞”的水力学判据；【重要】定量表述含气率与散热器表面传热系数的非线性关系；【一般】列举四种主流定压排气装置的原理差异。

2.能力维度

【技能重点】能够依据散热器表面温度分布反推内部空气积存率；能够运用压差-流量图解法预判立管空气堵塞部位；【难点】能够针对既有系统编制“排气点优化布置”技术改造方案。

3.素质维度

树立“克垢即减碳”的精细运维意识，养成从热工效率视角审视隐蔽工程缺陷的技术伦理。

（六）教学重点与难点

【教学重点】空气积存对散热器传热系数K值的劣化规律及垂直单管系统气塞临界流速的工程估算方法。

【教学难点】构建“气-水两相流等效热阻”的物理模型，理解系统定压点位置与空气析出程度的耦合关系。

（七）教学环境与资源

智慧供热实训室：配备透明有机玻璃单管顺流式采暖演示系统（含可调节模拟注气口）、红外热成像仪8台、超声波流量计4套、高精度压力扫描阀（PSI）1套；云端部署ANSYSFluent2023版共享许可证，用于课前仿真预热；学习通平台推送包含6段故障实录视频的微课资源包。

二、教学理念与策略

本设计贯彻“深扎热工原理、直击工程症结”的理念，采用基于问题导向的“故障-归因-建模-验证-优化”五阶闭环教学策略。全程贯穿“热工特性”这条主线，将抽象的空气溶解度与道尔顿分压定律具象化为可视的热像图谱与动态压差曲线。引入德国双元制教学法中“对比故障机组与参考机组”的差异分析法，使学生在“假设-检验”的循环中自主建构空气热力阻塞模型。同时融入“能效医生”角色扮演，强化职业认同。

三、教学实施过程

本单元共设计4学时，计180分钟，分为“现象诊断与机理探源、定量表征与模型建构、仿真验证与方案决策、实战演练与技术迁移”四个递进模块。教学实施过程占全案篇幅85%以上，严格依照工程逻辑铺陈。

（一）现象诊断与机理探源——建立空气积存的宏观印象（45分钟）

1.故障情境触发

【热点】课堂伊始，教师通过智慧屏呈现某医院采暖季末端走廊散热器实测热像图：同一组四柱760型散热器，左上角表面温度仅32.7℃，右下角表面温度62.4℃，温差近30℃。同时展示该立管回水温度显著低于设计值。设问：“热水明明进入了散热器，为何热量散发如此不均？罪魁祸首是否必然是堵塞？水垢通常导致整体均匀低温，但此处为何呈现局部冰冷？”学生分组观察手持红外热像仪下的透明实验样机——可调注气口正持续微量注入空气，散热器进水侧迅速出现半月形暗区。

2.归因辨析

【非常重要】教师引导学生追溯空气来源：补水溶解氧析出、阀门漏气、启停卷吸。此处引入亨利定律计算常压下空气在水中的饱和溶解度，并演示当水温从70℃升至95℃时，溶解度骤降约40%，大量微气泡从热水中“沸腾”析出。学生计算得出：1000kg/h循环流量下，温升20℃将析出约1.8L空气/小时，长期运行足以在系统高点形成气塞。此时标注【高频考点】空气析出量与温升、定压压力的定量关系式。

3.即时建模

各组利用实训台对散热器进水支管实施局部节流，观察流速降低后空气泡在横管上壁积聚并逐渐拉长成气塞的过程。教师引入“弗劳德数”概念，指出当水流动压不足以克服气泡浮升阻力时，气塞形成。学生推导出临界流速经验公式：v_crit=0.25·√(g·d·(ρ_w-ρ_a)/ρ_w)，并计算DN20支管在85℃时的临界流速约为0.21m/s。此环节学生以手绘曲线记录流速与气塞长度的关系，【难点】首次触及两相流边界。

4.机理凝练

教师系统归纳：空气积存后热工特性劣化包含三个物理过程。第一，附面层效应——气泡贴附内壁形成附加接触热阻，通过导热热阻公式δ/λ估算，1mm厚空气膜热阻相当于40mm铸铁壁热阻；第二，对流阻断效应——气塞切断局部水循环，使散热器部分水室成为死水区；第三，流量再分配效应——气塞增大立管局部阻力，引发同程系统水平失调。此时师生共同构建第一层级的思维导图根节点：“空气积存=热阻激增+水力失效”。

（二）定量表征与模型建构——将空气积存量化为工程参数（50分钟）

1.实验数据采集

【核心知识点】每小组操作一台由散热器、透明管段、转子流量计、电加热器组成的小型闭合环路。在定流量（80kg/h）、定进口温度（75℃）工况下，通过微量注射泵向管路注入不同流量（0.1L/h、0.3L/h、0.6L/h、1.0L/h）的空气，待系统稳定后，使用红外热像仪测量散热器表面平均温度，并用超声波流量计读取实际水流量（因空气占据体积，水流量显示下降）。教师提供空冷器热平衡公式，学生计算不同注气量下的散热器实际散热量与传热系数K。

2.数学建模

【非常重要】学生将所测K值与注气体积分数φ绘制散点图，发现存在明显的指数衰减规律。教师引导学生类比“污垢热阻”定义，提出“空气积存等效热阻R_air”概念，并拟合经验关联式：K/K0=exp(-α·φ)，α为散热器结构系数（对四柱760型，α≈4.2）。各组计算得出：当空气体积分数达8%时，散热能力衰减近30%。该数据直接支撑后续运维标准制定，故标记【高频考点】。

3.系统级映射

从单体散热器推广至立管系统。教师展示垂直单管顺流式系统仿真动画，演示顶层散热器进水支管积存空气后，该层流量从120kg/h锐减至45kg/h，而底层流量被动增加，但底层散热器入口水温已从75℃降至62℃，加剧垂直失调。学生利用伯努利方程在考虑局部气塞损失的情况下，重新计算各层散热器温降，并与无气塞工况对比，结论是空气积存使系统综合供热效率下降18%-25%。【热点】此处自然引出现行《供热计量技术规程》未强制规定系统含气率限值的制度短板。

4.模型工具化

教师下发半成品的Excel计算模板，学生输入散热器片数、连接方式、设计流量后，模板自动根据预设含气率生成K值修正系数及供回水温差修正值。各组利用此模板快速评估实训室既有系统三个立管的空气积存程度（只需输入实测供回水温差与表面温度场数据）。该模板可迁移至后续实习岗位，标记为【技能成果】。

（三）仿真验证与方案决策——虚拟实验揭示隐蔽规律（40分钟）

1.CFD仿真前置探究

课前学生已通过学习通平台观看教师录制的简化几何模型（T型三通+散热器）气液两相流瞬态仿真视频。课上教师调取一名学生的仿真报告，分析残差曲线与空气体积分数云图。重点观察空气在弯头、变径、阀门闸板窝气处的优先积聚位置。学生对照真实透明样机，发现仿真中空气形成“死区”的角度与实际完全一致，由此建立对仿真工具预测能力的信任。【难点】教师顺势提出“气塞形成时间常数”概念，学生对给定管径和坡度计算空气从析出到阻塞的全过程时长。

2.故障树诊断演练

各小组抽取一张典型故障卡（如：1#立管回水温度过高、顶层散热器上部冰凉、自动排气阀频繁排水）。学生依据本课知识，在空白故障树上补充“空气热工特性”子枝。例如针对“顶层冰凉”，子节点包括：补气压力不足导致微气泡析出→水平干管逆坡→集气罐失效→末端立管流速低于临界值。每一节点均关联热工参数阈值（压力、流速、含气率）。该故障树经教师点评后汇编为课程数字化资源，标记【高频考点】。

3.方案多目标决策

给定改造案例：某1998年建成住宅楼，上供下回单管系统，顶层用户室温常年低于18℃。经诊断，顶层散热器积气严重，干管自动排气阀锈死。改造可选方案：A.更换同规格排气阀，费用0.8万元；B.改为下供下回双管系统，费用12万元；C.增设微泡排气除污器，费用3.5万元；D.调整循环泵扬程提高流速至0.3m/s，电耗年增0.7万元。学生分组计算各方案下空气积存剩余率及对应的散热器K值恢复程度，并对比投资回收期。决策中必须调用此前拟合的K/K0衰减曲线。此环节高度综合，【非常重要】同时训练了技术经济分析与热工原理的融合运用能力。

（四）实战演练与技术迁移——解决真实积存顽疾（30分钟）

1.角色扮演：能效诊断工程师

现场设置“故障机组B3”，该机组循环泵出口压力正常，但供水干管末端立管流量几近为零。学生使用便携式压差计测得该立管上下两端压差高达15kPa（远大于设计值8kPa），但流量却不足设计值的1/3，【核心知识点】由此推断管路中存在严重气塞而非堵塞（堵塞通常伴随压差下降）。随后关闭立管总阀，打开顶端集气罐手动排气阀，喷出强劲气柱长达18秒。复测流量恢复至设计值92%。整个排查流程由学生自主设计操作单，教师仅以客户身份追问“你如何确定不是阀门芯脱落”。学生以“压差高、流量低符合气阻特性，且排气后压差骤降”回应，逻辑链完整。

2.新技术渗透

教师展示国外某项目应用的真空脱气机，阐述其通过降低系统局部压力使溶解气体在真空罐内提前析出并排出，从而彻底根除微泡来源的原理。学生计算常规系统改为真空脱气后，系统总含气率可从5%降至0.5%以下，对应散热器K值提升约18%。该部分开阔视野，标记【热点】。

3.思维升华与碳视角

教师引导计算：若全市供热系统通过精细排气使平均散热效率提升6%，则每年节约标煤约12万吨，减排二氧化碳31万吨。将“拧一次排气阀”与“双碳战略”建立微观操作与宏观责任的锚定，促使职业价值观内化。

（五）总结提升与课后拓展（15分钟）

1.结构化复盘

教师带领学生回溯从热像图异常到排气阀操作的完整推理链，强调“症状-机理-参数-对策”的四阶工程思维范式。每位学生在学案最后一页绘制个人概念图，必须包含空气热容比、传热恶化、阻力特性、系统稳定性四个簇。教师挑选典型概念图投屏点评，突出跨节点连接的数量与质量。

2.课后任务

【重要】每位学生登录虚拟仿真平台，完成“变流量系统空气排除动态调节”虚拟实训，平台自动记录排气阀开启时机、持续时长及最终水力平衡度。另布置开放性作业：调研所在校区供暖系统，利用红外热成像仪排查疑似积气散热器，提交一份带温度标注的热像图及分析报告，并推荐排气方案。

四、学业评价方案

本设计摒弃单一纸笔测验，采用“过程性诊断+成果性认证”的多元评价体系。

（一）过程性评价（权重60%）

课堂实验操作规范度（15%）：记录各组调节注气泵、读取热像仪、稳定流场的熟练度及数据记录完整性，重点关注【技能重点】临界流速测定步骤是否严谨。

故障树诊断贡献度（15%）：依据学习通平台词云分析及组间互评，对提出关键热工参数阈值的学生给予加权。

仿真报告质量（15%）：考核网格独立性验证、残差收敛标准以及空气体积分数云图与理论预测的一致性。

方案决策展示（15%）：通过组间质询环节，评判学生对空气等效热阻模型的调用合理性及经济比选的逻辑严密性。

（二）终结性评价（权重40%）

采用“案例解题+操作考证”复合形式。案例解题提供一套含3处隐蔽积气故障的系统图与运行数据，需书面计算出因空气导致的热量损失（kW）并提出改造要点；操作考证抽取“手动排气阀更换与调试”工位，以国家标准《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》为评分依据，计时计质。总分90分以上者获得系部与企业共签的“供热系统精细调试员”能力证书。

五、教学反思与持续改进

本设计将空气从常规教材中的“维护条目”提升至“核心热