發(fā)布時間：2023-03-16 15:53:54
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的制冷技術(shù)論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
（一）包裝減量化優(yōu)勢突出，節(jié)能減排效果好
重型瓦楞紙板與各類木質(zhì)紙板相比，密度要小的多，與同樣厚度的普通瓦楞紙板相比，其重量也輕許多。如5層的AA型瓦楞紙板，其厚度約為10mm，與同厚度的木質(zhì)包裝箱相比，全紙包裝箱重量約為其1/2，與同等厚度的普通紙板箱相比，重量也要輕近一半，但綜合抗壓性能卻能與同等厚度的木箱不相上下。從這一點上來看，大大節(jié)約了資源的使用。如某企業(yè)研發(fā)的重型瓦楞紙板托盤，使用高定量的優(yōu)質(zhì)防水牛皮紙制作的AAA型重型瓦楞紙板做面板，上下兩面同時包覆高性能的B型普通瓦楞紙板，腳柱采用了“回”型設(shè)計的豎楞普通瓦楞紙板支撐，四周由加強筋包裹，底部加強筋還采用了防水性能較好的10mmAA型重型瓦楞紙板進(jìn)行包邊處理。同原木質(zhì)托盤相比，整體重量減低了60%。從強度測試結(jié)果來看，重型瓦楞全紙托盤強度高，可以經(jīng)受標(biāo)準(zhǔn)承載10倍的荷載而不斷裂。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用木質(zhì)包裝以每年消耗1億立方米木材計算，假設(shè)其中的20%采用新型紙包裝材料來替代，每年就可以節(jié)省2000萬立方米的木材，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤500萬噸，減少CO2排放1286萬噸。而這一推算也得到了實踐的證實。
（二）緩沖性能良好，使用范圍廣泛
A型瓦楞是重型瓦楞紙板的主體結(jié)構(gòu)，對于精密度較高的重型設(shè)備較具較好的緩沖性能，能有效減少碰撞、沖擊帶來的損害。早在2004年，一些家電企業(yè)就嘗試在部分產(chǎn)品中使用重型瓦楞紙箱作為外包裝，并逐步進(jìn)行推廣，節(jié)省了EPS等大量泡沫緩沖材料，目前，重型紙箱已廣泛應(yīng)用于對抗沖擊和碰撞要求較高的產(chǎn)品包裝中，緩沖效果明顯。
（三）操作性及拆包性能好
木箱包裝在操作時需要借助特殊工具完成包裝作業(yè)，而且生產(chǎn)中，木箱的毛刺、鋼釘?shù)却嬖诎踩[患，易對設(shè)備和操作人員造成損傷。通過對重型瓦楞紙箱輔助配件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計、改造版式設(shè)計，可使其實現(xiàn)和木箱一樣拆卸便捷的特點。如設(shè)計承重底座再套合重型瓦楞圍板的方法，既利于裝箱操作，且減少了不必要的工具使用，對搬運也不會造成不便。紙箱不用時，仍然可以折疊堆碼放置，存儲空間少，運輸方便，可有效降低成本。（四）耐候性好，運輸更安全在產(chǎn)品運輸過程尤其是遠(yuǎn)洋運輸過程中，包裝中極易因溫差，溫度大等原因而產(chǎn)生水凝現(xiàn)象，會使電氣產(chǎn)品受潮或損傷。重型瓦楞紙箱由于其制造結(jié)構(gòu)，使得紙板內(nèi)部充滿空氣，與外部環(huán)境可以得到較好的空氣流通及熱量交換，包裝內(nèi)外可以得到較好的動態(tài)溫濕度平衡，可以有效避免水蒸汽因溫度差造成的凝露現(xiàn)象。
二、其他制約應(yīng)用的問題
首先是終端用戶對新型紙包裝材料的認(rèn)識不足。部分客戶認(rèn)為，紙板包裝強度差，不能達(dá)到木質(zhì)包裝的強度，重型瓦楞包裝雖然性能大有提高，但用戶仍認(rèn)為其紙的屬性不變，難以真正替代木質(zhì)包裝。第二，重型瓦楞紙箱包裝的性能要求還有待提高，技術(shù)上需要改進(jìn)。與木質(zhì)包裝箱相比，防水、防潮性差是紙類包裝的劣勢，重型瓦楞包裝也不例外。這有待于在紙板涂布、復(fù)合材料技術(shù)方面加以改進(jìn)。如蜂窩紙板，其邊壓強度較差，抗戳穿強度也有待提高，雖然在家電中應(yīng)用良好，但還不能完全替代木箱包裝。如國內(nèi)有生產(chǎn)企業(yè)在市場推廣中，主要瞄準(zhǔn)的產(chǎn)品僅限定在300～500千克的重量范圍內(nèi)。再就是目前企業(yè)的配套設(shè)備生產(chǎn)能力不足，材料等要求的提高也制約了重型紙板產(chǎn)品的開發(fā)。第三，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)尚需統(tǒng)一，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營亟待規(guī)范。當(dāng)前使用的GB/T6543-2008《運輸包裝用單瓦楞紙箱和雙瓦楞紙箱》不適用于重型瓦楞紙箱包裝，行業(yè)也沒有對重型瓦楞紙箱做出明確的規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)的不健全，使得企業(yè)各自生產(chǎn)，只能在瓦楞紙板的定量及厚度上自定標(biāo)準(zhǔn)，一定程度上也制約了其推廣應(yīng)用。
三、如何解決
要推廣重型瓦楞紙箱產(chǎn)品，首先企業(yè)要創(chuàng)新技術(shù)，提高生產(chǎn)能力及產(chǎn)品質(zhì)量，要科學(xué)設(shè)計產(chǎn)品，不斷優(yōu)化選擇工藝參數(shù)，積極進(jìn)行調(diào)試設(shè)計。生產(chǎn)設(shè)備也要積極升級改造，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，拓展重型紙板產(chǎn)品。此外，在紙板的改性上，如防潮、防水等也要不斷研究改進(jìn)。其次，要不斷宣傳瓦楞紙板包裝的優(yōu)勢，改變終端產(chǎn)品用戶的理念。包裝企業(yè)及行業(yè)協(xié)會要宣傳綠色環(huán)保的政策及優(yōu)勢，強化用戶環(huán)保意識。要改變用戶的消費理念，包裝企業(yè)也需要用高質(zhì)量的紙箱解決方案讓用戶信服。當(dāng)然，行業(yè)協(xié)會、政府部門也要加以引導(dǎo)，如用經(jīng)濟(jì)補貼等方式推進(jìn)“以紙代木”的踐行過程。
四、結(jié)語
關(guān)鍵詞：電冰箱壓縮機，火災(zāi)，電冰箱，原因，認(rèn)定方法
隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛躍發(fā)展，電子科技技術(shù)日益進(jìn)步，各種家用電器社會擁有量急劇增加，消費觀念也在轉(zhuǎn)變，電冰箱是常見的小型制冷設(shè)備，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，已逐步進(jìn)入人們家庭，成為常用家電之一。由于電冰箱引起的火災(zāi)卻不多見。自2009年至今紫金境內(nèi)發(fā)生過一起電冰箱壓縮機故障引發(fā)的火災(zāi)。針對目前電冰箱火災(zāi)調(diào)查應(yīng)該加強和注意的問題作一歸納，望有益于消防事業(yè)。
一、 電冰箱工作原理
電冰箱是采用壓縮機為制冷動力，壓縮機將制冷劑進(jìn)行循環(huán)壓縮，當(dāng)制冷劑由毛細(xì)管流入蒸發(fā)器時，制冷劑膨脹蒸發(fā)，產(chǎn)生物理吸熱；當(dāng)當(dāng)制冷劑通過回流管和壓縮機再回到再回到冷凝器時，產(chǎn)生物理散熱。
電冰箱制冷系統(tǒng)核心部件是壓縮機，大部分冰箱都是采用封閉式壓縮機。壓縮機由壓縮機主體和電動機本體兩部分構(gòu)成，兩者合二為一密封為一個鋼制機體內(nèi)。主要由汽缸、活塞、曲軸和連桿以及進(jìn)、排氣閥組成，可以實現(xiàn)吸氣、壓縮、排氣、膨脹四大功能。
二、電冰箱引起火災(zāi)的原因
電冰箱引起火災(zāi)原因歸類起來主要有以下兩個方面。
1. 電氣方面的原因
主要是電源線選擇鋪設(shè)不當(dāng)、插頭與插座接觸不良或插頭損壞造成短路起火等系列原因。
2. 壓縮機故障引起
因轄區(qū)內(nèi)一起電冰箱火災(zāi)經(jīng)物證司法鑒定所鑒定為壓縮機故障引起火災(zāi)，我主要針對此次火災(zāi)調(diào)查情況進(jìn)行論述：
（1）壓縮機吸氣、排氣閥片碎裂或變形，高低壓室隔墊損壞，造成壓縮機內(nèi)部漏氣。
（2）壓縮機工作時電源被持續(xù)切斷、接通。而這種情況一般處于電冰箱使用時間長、被淘汰后的冰箱被維修翻新后重新使用正常工作中的電冰箱，其制冷系統(tǒng)內(nèi)的壓力差頗丸壓縮機吸氣端的壓力招高于0。098兆帕（1大氣壓），而排氣側(cè)的壓力則高達(dá)1.177～1.275兆帕（相當(dāng)于12～13大氣壓）。壓縮機剛停止時，其兩端仍保持著這個壓力差，如果馬上再啟動，就必須有一個較大的啟動力矩來克服這個壓力差，從而迫使電動機的啟動電流劇增，約超出正常值10偌，溫度升高，在這種情況下，電動機很有可能被燒毀而起火。
（3）壓縮機高壓排氣緩沖管斷裂，運轉(zhuǎn)時噪音明顯增大，此時壓縮機運轉(zhuǎn)電流低于額定值。
（4）壓縮機避震彈簧與外殼脫鉤或斷裂，使壓縮機在啟動和停機時，機殼內(nèi)發(fā)生金屬敲擊聲和振動噪聲。免費論文。
（5）壓縮機抱軸或卡缸。由于曲軸配合間隙太小，冷凍機油過少有沉淀、油質(zhì)太差以及吸油不順，升溫造成的。
三、認(rèn)定要點和依據(jù)
認(rèn)定火災(zāi)原因時，對現(xiàn)場進(jìn)行細(xì)致勘察，并提取物證，提取物證時必須要有證人和第三人在場并在物證帶上簽字，和填寫提取物證清單和當(dāng)事人簽字。首先要判定起火特征，電冰箱本身故障引起火災(zāi)，則在確定起火點的前提下，對電源插頭、插座及內(nèi)部開關(guān)、壓縮機作為檢查對象。通過轄區(qū)內(nèi)電冰箱火災(zāi)調(diào)查概括為：現(xiàn)場首先勘察火勢蔓延的方向，并對燃燒的物體倒向進(jìn)行勘察和拍照，逐步確定一個起火范圍，將起火范圍確定為電冰箱，隨后對電冰箱進(jìn)行細(xì)致勘察及拍照，電冰箱外殼已經(jīng)完全碳化，而燃燒痕跡從底部壓縮機位置向冰箱四周擴(kuò)散，隨后提取了被燒毀的冰箱以及其他物證，送往司法鑒定所進(jìn)行鑒定。免費論文。
鑒定結(jié)果為：
1．冰箱殘骸高溫過火嚴(yán)重，底部鐵甲完全銹蝕，電源線路部分保留有絕緣皮，絕緣皮表層燃燒碳化，內(nèi)層為原材料，線路全線未發(fā)現(xiàn)熔痕。免費論文。
2.壓縮機表面高溫過火，表層銹蝕，外接毛細(xì)管，其毛細(xì)管有膨脹熔痕，其熔化部分金相組織為胞狀晶，未熔化部分組織為等軸晶。
3.對壓縮機進(jìn)行切割，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)保持原狀，油完全變色，碳化嚴(yán)重，電機繞組相間值很小，嚴(yán)重偏差。
4.繞組銅絲，其表面附著有油碳化物，其金相組織為等軸晶，其受高溫作用發(fā)生再結(jié)晶。
四、結(jié)束語
通過此次鑒定更加明確了電冰箱起火位置和原因，成功避免一起民事糾紛，也為以后電冰箱火災(zāi)調(diào)查工作奠定了一定基礎(chǔ)。在電氣火災(zāi)物證的現(xiàn)場提取及火災(zāi)物鑒定所鑒定，常見絕緣導(dǎo)線短路、過負(fù)載、漏電等電致起火機理的研究，以及如何結(jié)合實際情況，對所認(rèn)定的火災(zāi)原因進(jìn)行恰當(dāng)表述等方面都還有待進(jìn)一步加強和完善。
參考文獻(xiàn)：
《火災(zāi)痕跡物證與原因認(rèn)定》（吉林科技大學(xué)出版社）
通過對影響蒸發(fā)器換熱量的講因素??膨脹閥開度、空氣溫度、風(fēng)量、蒸發(fā)溫度、和冷凝溫度等參數(shù)的分析，得出了不同參數(shù)對系統(tǒng)的影響和調(diào)節(jié)特性，提出了新的更適合于制冷系統(tǒng)的控制方法??風(fēng)量控過熱度、開度控室內(nèi)溫度的獨立 控制原理和方法，這種控制方法更適合用于制冷空調(diào)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：蒸發(fā)囂 電子膨脹閃工調(diào)節(jié)特性 控制方法 獨立控制 符號
CD??開度系數(shù)
Z??軸向長度，m
Te. Tc??蒸發(fā)、冷凝溫度，℃
Tin??室內(nèi)溫度，℃
Tα??換熱器進(jìn)口風(fēng)溫，℃
Fi??壓縮機頻率，Hz
Gr??制冷劑流量，kg/s
Gα??風(fēng)量，m3/h
Tsu??過熱度，℃
Tsb??過冷度，℃
Q??換熱量，kW
ρ??介質(zhì)密度，kg/m3
P-壓力，Pa
h??介質(zhì)焓，J/kg
A??管內(nèi)截面積，m2
S??管內(nèi)截面周長，m
A（z）??開度對應(yīng)的截面積
d??管徑
τ??管內(nèi)表面切應(yīng)力，N/m2
q??熱流密度，W/m2
α??兩相流空泡系數(shù)
g??重力加速度，9.8m/s2
u??流速，m/s
Ov??電子膨脹閥開度
下標(biāo)
l??液相制冷劑
v??汽相制冷劑
a??空氣
1.引言
隨著制冷空調(diào)技術(shù)的迅速發(fā)展，空調(diào)器正在從傳統(tǒng)的單室內(nèi)機、單室外機的結(jié)構(gòu)逐漸向單室外機多室內(nèi)機及多室內(nèi)機和多室外機系統(tǒng)發(fā)展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐漸趨于復(fù)雜，具有代表性的變流量制冷系統(tǒng)（Variable Refrigerant Volume Air - conditioning System, 簡稱VRV）也從單元變流量制冷系統(tǒng)（SVRV）向多元變流量制冷系統(tǒng)發(fā)展（MVRV）[1-3]。對于多室內(nèi)機的熱回收系統(tǒng)來說，室內(nèi)機可能同時做冷凝器或蒸發(fā)器使用，而且隨著人民生活水平的提高，對室內(nèi)熱舒適性也提出了更高的要求，傳統(tǒng)的一些控制方法已不能再適應(yīng)新空調(diào)系統(tǒng)的需要。由于系統(tǒng)的復(fù)雜程度的增加，傳統(tǒng)的一些基于制冷空調(diào)系統(tǒng)整體的控制算法都由于其兼容性和可擴(kuò)展性等因素而受到了很大的局限，因此各室內(nèi)機和室外機獨立控制的思想已經(jīng)被引入到制冷空調(diào)系統(tǒng)的控制之中，一些控制理論和算法如矩陣電子控制算法、人工神經(jīng)元算法和模糊控制算法都已經(jīng)被引用到實際的制冷空調(diào)系統(tǒng)中[4-8]。為使制冷空調(diào)系統(tǒng)能安全穩(wěn)定的運行，除了在控制技術(shù)上提高之外，更要注重研究制冷空調(diào)系統(tǒng)本身的運行調(diào)節(jié)特性。本文在通過分析系統(tǒng)在制冷模式下電子膨脹閥開度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)機風(fēng)量、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度等對室內(nèi)機換熱的影響的基礎(chǔ)上，得出了室內(nèi)機的調(diào)節(jié)特性，找出了對室內(nèi)機制冷模式下更合理的控制策略。
2.數(shù)學(xué)模型
2.1 電子膨脹閥
電子膨脹閥是通過步進(jìn)電機等手段使閥芯產(chǎn)生連續(xù)位移，從而改變制冷劑流通面積的節(jié)流裝置。研究表明，電子膨脹閥的流量特性可借鑒熱力膨脹閥的研究成果[9-12]，其模型描述為：
能量方程：
hin=hout
(1)
動量方程：
2.2 蒸發(fā)管路及蒸發(fā)器模型
2.2.1管內(nèi)制冷劑側(cè)穩(wěn)態(tài)模型
在VRV空調(diào)系統(tǒng)中，由于膨脹閥可能設(shè)置在離蒸發(fā)器較遠(yuǎn)的位置，節(jié)流后的兩相制冷劑沿膨脹閥后的管路進(jìn)入蒸發(fā)器，所以在該段管路及蒸發(fā)器內(nèi)部的大部分區(qū)域制 劑處于兩相流動狀態(tài)；當(dāng)液體過冷度較小時，由于管道阻力及上升立管中重力的影響，液態(tài)制冷劑將會出現(xiàn)閃蒸，閃蒸之后管路內(nèi)的流動也為氣、液兩相流動；當(dāng)室內(nèi)換熱器制熱采用其出口電子膨脹閥控制制冷劑過冷度時，膨脹閥之后的高壓液體管內(nèi)仍然可能呈氣、液兩相狀態(tài)。在制冷空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)，蒸發(fā)管路內(nèi)制冷劑兩相流呈環(huán)狀流[13,14]，故本文以環(huán)狀流建模。因制冷劑蒸發(fā)現(xiàn)象可能發(fā)生上述管段的任何位置，建模時必須在動量議程中考慮重力項。
能量守恒議程：
整理上述議程，分別得到氣、液兩相流的質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程。
質(zhì)量守恒方程：
動量守恒方程：
式中 Ρtp=αρv+(1-α) ρl是微元管段中兩相流體單位容積的質(zhì)量，稱為兩相流體的密度。
在式（3）～（5）中存在P、α、uv和u1四個未知數(shù)，方程無法封閉求解。傳統(tǒng)的方法采用空隙率經(jīng)驗公式作為補充方程，使方程封閉。但目前還不存在公認(rèn)準(zhǔn)確的空隙率模型計算公式；本文采用文獻(xiàn)［4］所提出的兩相界面關(guān)系方程使方程封閉。
氣、液兩相界面關(guān)系方程：
在式（3）～（6）四個方程中，共有P、α、uv和u1四個未知數(shù)，方程組封閉可解。
2.2.2 空氣側(cè)換熱模型
因橫流蒸發(fā)器外側(cè)的空氣流速較低，一般Re＜2000，且蒸發(fā)器沿氣流方向的管排數(shù)較少，故忽略空氣側(cè)壓降，只考慮質(zhì)量守恒和能量守恒方程。
質(zhì)量守恒方程：
能量守恒方程：
3.調(diào)節(jié)特性
數(shù)值求解蒸發(fā)管路和電子膨脹閥的數(shù)學(xué)模型，可以得出系統(tǒng)的仿真特性。對于選定的系統(tǒng)來說，換熱器的幾何參數(shù)為定值，是一個不可調(diào)的參數(shù)。因此，影響電子膨脹閥－蒸發(fā)器部分換熱效果的因素主要有電子膨脹閥開度、換熱風(fēng)量、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、室內(nèi)環(huán)境溫度、換熱器幾何參數(shù)。
3.1 膨脹閥開度對蒸發(fā)器換熱量的影響
如圖1所示，當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)量為600m3/h其他參數(shù)不變時，蒸發(fā)器換熱量隨膨脹閥相對開度的變化曲線。
圖1 換熱量隨膨脹閥相對開度變化曲線
當(dāng)電子膨脹閥開度很小時，通過蒸發(fā)器的制冷劑流量也很小，制冷劑很容易在蒸發(fā)器內(nèi)變成熱氣體，在蒸發(fā)器出口處有一定的過熱度，蒸發(fā)器兩端的制冷劑焓差基本為一定值。因為制冷劑流量隨電子膨脹閥開大而增加，在換熱條件仍能保證蒸發(fā)器出口制冷劑過熱時，出口制冷劑焓值變化不大，所以蒸發(fā)器的換熱量也隨流量的增加而逐漸增加。當(dāng)膨脹閥繼續(xù)開大，制冷劑流量增大到一定程度以后，換熱條件已經(jīng)不能使制冷劑出口有過熱度，出口已經(jīng)處于兩相區(qū)，管外空氣側(cè)的流量和換熱系數(shù)基本為定值，制冷劑流量的增大造成出口干度的降低，但管內(nèi)制冷劑的換熱系數(shù)會有所上升，因此，蒸發(fā)器換熱量只隨電子膨脹閥相對開度的增加略有上升。這說明，在蒸發(fā)器出口有過熱度的情況下，通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥的開度來調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的換熱量的效果是很明顯的，而當(dāng)蒸發(fā)器出口已出現(xiàn)回液的情況下，通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥的開度來調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的換熱量收效甚微。
3.2 室內(nèi)機風(fēng)量對蒸發(fā)器換熱量的影響
換熱量隨室內(nèi)機風(fēng)量的變化曲線如圖2所示，當(dāng)風(fēng)量很小時，不能使管內(nèi)的制冷劑完全蒸發(fā)，蒸發(fā)器出口有一定的回液，隨著風(fēng)量的增加，管外的換熱系數(shù)也逐漸增加，空氣帶走的熱量增多，因此蒸發(fā)器出口處的制冷劑干度也逐漸增加，制冷劑在蒸發(fā)器進(jìn)出口的焓差逐漸增大，在制冷劑流量不變的情況下，換熱量逐漸增大，當(dāng)風(fēng)量增大到一定程度以后，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑能夠完全蒸發(fā)，風(fēng)量增加使制冷劑只能進(jìn)行顯熱交換，出口焓值變化已經(jīng)不大，所以換熱量隨風(fēng)量增大而略有增加。
圖2 換熱量隨風(fēng)量變化曲線
3.3 冷凝溫度對蒸發(fā)器換熱量的影響
在其他因素不變的情況下，冷凝溫度、冷凝壓力的變化主要通過影響制冷劑流量來影響蒸發(fā)器的換熱量，如圖3所示。隨著冷凝壓力的升高，電子膨脹閥的進(jìn)出口壓差也隨著增大，在蒸發(fā)器能夠保證制冷劑完全蒸發(fā)的情況下，制冷劑流量的增加也就意味著蒸發(fā)器換熱量的增加。
圖 3 換熱量隨冷凝溫度變化曲線
3.4 蒸發(fā)溫度對蒸發(fā)器換熱量的影響
在其他因素不變的情況下，蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)壓力的變化從兩個方面來影響蒸發(fā)器的換熱量，一方面隨著蒸發(fā)溫度（蒸發(fā)壓力）的升高，電子膨脹閥的進(jìn)出口壓差減小，使得通過電子膨脹閥的制冷劑流量減小；另一方面，蒸發(fā)溫度的升高，使得制冷劑與空氣的換熱溫差減小，也使換熱效果降低。兩個方面的因素共同使蒸發(fā)器的換熱量隨著蒸發(fā)溫度的升高而降低。如圖4所示。
圖4 換熱量隨蒸發(fā)溫度變化曲線
3.5 室溫對蒸發(fā)器換熱量的影響
室內(nèi)溫度對蒸發(fā)器換熱量的影響如圖5所示。室內(nèi)溫度就是蒸發(fā)器空氣側(cè)的入口溫度，當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時，室內(nèi)溫度主要影響管內(nèi)外的換熱溫差，由于經(jīng)過蒸發(fā)器冷卻，空氣溫度最多只能降低到蒸發(fā)溫度，所以當(dāng)風(fēng)量一定時也決定了蒸發(fā)器的最大換熱量。當(dāng)室內(nèi)溫度很低時，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑不能完全蒸發(fā)，蒸發(fā)器出口有回液現(xiàn)象，隨著室內(nèi)溫度的上升，換熱器的換熱量也逐漸上升，蒸發(fā)器出口的制冷劑干度也逐漸上升；當(dāng)室內(nèi)溫度上升至一定值時，制冷劑能夠完全蒸發(fā)，蒸發(fā)器出口有一定的過熱度，由于制冷劑溫度最高只能升到室內(nèi)溫度，制冷劑的在蒸發(fā)器出口的焓值變化很小，換熱量隨室溫的增加略有上升。
圖5 換熱量隨室溫變化曲線
3.6 調(diào)節(jié)參數(shù)的聯(lián)合影響
影響蒸發(fā)器換熱量的參數(shù)中蒸發(fā)溫度和冷凝溫度是表征系統(tǒng)運行的參數(shù)，不能直接作為調(diào)節(jié)參數(shù)，室內(nèi)溫度是被控對象；如果系統(tǒng)正常運行，還需要蒸發(fā)器出口制冷劑保持一定的過熱度以防止回液。因此，要控制的參數(shù)是室內(nèi)溫度和過熱度，能作為調(diào)節(jié)參數(shù)的只有室內(nèi)機風(fēng)量和電子膨脹閥開度。室內(nèi)機風(fēng)量和電子膨脹閥開度對室內(nèi)蒸發(fā)器的聯(lián)合影響結(jié)果如圖6所示。
圖6 制冷量、過熱度隨膨脹閥開度和室內(nèi)機風(fēng)量的變化曲線
電子膨脹閥和蒸發(fā)器聯(lián)合工作輸入、輸出狀態(tài)方程可以用下式來表示：
結(jié)合前面的分析可以發(fā)現(xiàn)：
(1) 當(dāng)蒸發(fā)器出口制冷劑已經(jīng)過熱時，因制冷劑出口焓值變化不大，電子膨脹閥所決定的制冷劑出流量是決定換熱量的主要因素；風(fēng)量對換熱量不大，而對過熱度影響較大。各調(diào)節(jié)手段民對應(yīng)的控制對象之間可近似認(rèn)為是相互獨立的，此時B（t）是對角占優(yōu)的。
(2) 當(dāng)蒸發(fā)器出口為兩相流時，蒸發(fā)器空氣側(cè)進(jìn)出口溫差基本為定值，換熱量主要由風(fēng)量決定，電子膨脹閥開度對換熱量影響不大，但進(jìn)、出口焓差與流量近似成反比，對出口干度的影響較大。室內(nèi)機風(fēng)量對過熱度同樣有較大的影響。此時B（t）是上三角矩陣。調(diào)節(jié)手段對控制對象的影響是有一定的耦合度的。
(3) 只要保證蒸發(fā)器出口為過熱狀態(tài)，就能實現(xiàn)調(diào)節(jié)手段與控制對象之間的獨立調(diào)控。而在制冷空調(diào)系統(tǒng)中，保證蒸發(fā)器出口過熱又是保證系統(tǒng)正常運行所必需的條件之一。所以在過熱度優(yōu)先控制的模式下，獨立調(diào)節(jié)是可以實現(xiàn)的。
(4) 在蒸發(fā)器出口未過熱的情況下，調(diào)節(jié)風(fēng)量和調(diào)節(jié)膨脹閥開度對過熱度有同等程度的影響。仍可以采用風(fēng)量控過熱度優(yōu)先的方法，同時用膨脹閥開度來改善風(fēng)量對過熱度的調(diào)節(jié)，獨立控制與適當(dāng)?shù)鸟詈弦材苋〉猛瑯有Ч?/p>
根據(jù)上述分析，提出了風(fēng)量Gα控制過熱度Tsu，電子膨脹閥開度Qυ控制室內(nèi)溫度Tin的控制策略。
5.結(jié)論
在兩個優(yōu)先原則下，可以實現(xiàn)室內(nèi)機風(fēng)量與電子膨脹閥開度對室內(nèi)溫度與過熱度的解耦控制，獨立控制策略是可以實現(xiàn)的；獨立控制策略可用于復(fù)雜的系統(tǒng)，可對整個系統(tǒng)采用分布式控制模式；獨立控制策略便于實現(xiàn)模塊化，不會因系統(tǒng)形式的改變而對控制方法產(chǎn)生較大的影響；獨立控制策略有較強的可擴(kuò)展性，不會由于系統(tǒng)的復(fù)雜而增加控制部分的成本。
參考文獻(xiàn)
1 彥啟森. 空調(diào)技術(shù)的發(fā)展與展望. 中國暖通空調(diào)制冷，1998年學(xué)術(shù)年會學(xué)術(shù)文集，1998：1-5
2 荒野?匆? 空調(diào)環(huán)境技術(shù)の展望. 三菱電機技報，1992，66（4）：2-3
3 石文星. 變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)特性及其控制策略研究. 清華大學(xué)博士學(xué)位論文， 2000
4 Fumio Matsuok. Electric Control Methods in matrix form in Air Conditioners, Refrigeration, 984; 59: (679)
5 松岡文雄. 空調(diào)機におけるマトリりクス電子制御方式. 冷凍, 1985; 60：（693）
6 松岡文雄. 空調(diào)機のホロニクス制御. 三菱電機技報， 1987；61（5）
7 Fumio Matsuok. Fuzzy Technology in the Refrigeration & Airconditioning systems, Trans. of the JAR, 1991; 8(1)
8 中尾正喜他，年間冷房空調(diào)機の高效率制御（第1報）. 空氣調(diào)和.衛(wèi)生工學(xué)會論文集，1995；59
9 中尾正喜他，年間冷房空調(diào)機の高效率制御（第2報）. 空氣調(diào)和（衛(wèi)生工學(xué)會論文集，1996；60
11 Nakashima Y et al. Reversible Flow Type Linear Expansion Valve for Heat Pumpt. Hi-85-31;93)1555-1568
12 翁文，王瑾竹，蔣能照.電子膨脹閥的制冷劑流量特性的實驗研究.流體機械,1998；26（10）：58
新風(fēng)直接供冷、蒸發(fā)冷卻和夜間通風(fēng)蓄冷這三種供冷方式屬于節(jié)能、環(huán)保型供冷方式，復(fù)合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)就是將這三種供冷方式應(yīng)用到常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中改造而成的，在確定復(fù)合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)高溫期的運行方案時，冷水機組運行能耗是一個主要的指標(biāo)，系統(tǒng)的運行方式不同，其能耗亦不同。因此，在評價各個系統(tǒng)方案時，其運行能耗比較應(yīng)是在其優(yōu)化運行時得到的數(shù)值。本章通過建立其能耗數(shù)學(xué)模型，對復(fù)合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)部分供冷期的運行方案進(jìn)行優(yōu)化，得到系統(tǒng)在不同負(fù)荷率的情況下使得系統(tǒng)能耗最小的最優(yōu)方案。并以此作為方案選擇的重要依據(jù)。
關(guān)鍵詞 復(fù)合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng) 能耗 運行 優(yōu)化
中圖分類號：TM925.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：
1 復(fù)合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)
本文中的復(fù)合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由以下三部分組成：
1）常規(guī)全空氣空調(diào)系統(tǒng)，風(fēng)機采用變風(fēng)量運行。稱此系統(tǒng)中的風(fēng)機為S1風(fēng)機。
2）間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，自帶冷卻塔和水泵以提供冷卻水，將冷卻水送到辦公樓每層空調(diào)機組中的間接蒸發(fā)表冷器，它與常規(guī)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)的表冷段串聯(lián)在一起。對于本論文中的辦公建筑，根據(jù)每層間接蒸發(fā)表冷器所需的循環(huán)水量，選用了五臺與機組配套的冷卻塔和一個冷卻水泵，置于辦公樓的屋頂。當(dāng)室內(nèi)處于部分負(fù)荷時可以完全代替空調(diào)機組，當(dāng)單獨運行不能滿足室內(nèi)負(fù)荷要求時可以用作新風(fēng)預(yù)冷。系統(tǒng)初步方案原理圖如圖1。
3）新風(fēng)系統(tǒng)，包括一個空氣過濾器和一個送風(fēng)機，置于空調(diào)機房內(nèi)，通過吊頂送入室內(nèi)，只對空氣進(jìn)行過濾而不進(jìn)行熱濕處理。稱此風(fēng)機為S2風(fēng)機，風(fēng)機采用定風(fēng)量運行。
圖1 復(fù)合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)原理圖
Fig.2-8 The sketch of compound ventilation air-conditoning system
2 優(yōu)化模型的建立
2.1 優(yōu)化思想
最優(yōu)化是人們在工程技術(shù)、科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)管理、交通運輸和國防等諸多領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的問題，它討論決策問題的最佳選擇之特性，構(gòu)造尋求最佳解的計算方法，研究這些計算方法的理論性質(zhì)及實際計算表現(xiàn)[1。2]。
最優(yōu)化技術(shù)是從所有可能方案中選擇最合理的一種以達(dá)到最優(yōu)目標(biāo)的科學(xué)。這種技術(shù)是近二、三十年來隨著電子計算機的普遍應(yīng)用而發(fā)展起來的。人們能夠?qū)Ω黝愝^大規(guī)模的優(yōu)化問題利用計算機實施求解，使最優(yōu)化方法成為工程設(shè)計、決策管理的一種實用工具[3.4]。
本文應(yīng)用最優(yōu)化技術(shù)是想針對供冷期中蒸發(fā)冷卻、夜間通風(fēng)蓄冷和新風(fēng)直接供冷無法滿足的時刻，給出這些時刻的最優(yōu)運行方案，所謂最優(yōu)，即能耗最小，因為最大限度的降低空調(diào)系統(tǒng)能耗是本論文的研究目的。故本文的優(yōu)化目標(biāo)為系統(tǒng)能耗。
本文針對哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文[5]中整個辦公樓的設(shè)計負(fù)荷值，在該論文中已經(jīng)通過比較計算確定了供冷期部分時間段的運行方案，剩余時間段將在K3方案和K4方案[5]之間進(jìn)行選擇，也就是說在單純冷水機組制冷和有間接蒸發(fā)冷卻預(yù)冷的冷水機組制冷之間進(jìn)行選擇。人工冷源選擇了三臺冷水機組，那么在不同負(fù)荷率的情況下，采用哪種方案以及這兩種方案中開啟哪幾臺冷水機組能耗最小呢？這就是本文想通過優(yōu)化計算得到的結(jié)果。
2.2 數(shù)學(xué)模型
在供冷期的剩余時間內(nèi)，不管采用哪種方案，系統(tǒng)均采用100%定風(fēng)量（最小新風(fēng)比）運行，故送風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)部分的能耗為定值，即在能耗優(yōu)化模型中這部分能耗是個常數(shù)。
對于冷水機組，本文選用螺桿式冷水機組作為空調(diào)系統(tǒng)的冷源，其部分負(fù)荷性能參數(shù)[6]見表1。根據(jù)設(shè)計負(fù)荷的大小，冷水機組的臺數(shù)一般為2~4臺，在此選擇三臺機組進(jìn)行組合，機組的選擇不考慮任何附加因素，即以設(shè)計負(fù)荷作為確定冷水機組型號的依據(jù)，其性能參數(shù)（參考開利23XL型產(chǎn)品）列于表1中。
表1 螺桿式冷水機組部分負(fù)荷性能參數(shù)
Table 4-1 perrormance parameters of part load of screw compressor refrigerating machine
表2 冷水機組的選擇
Table 4-2 selection of screw compressor refrigerating machine
由于本文的目的是對復(fù)合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和常規(guī)全空氣空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗進(jìn)行對比分析，為簡化計算，現(xiàn)做如下假設(shè)：
1）冷水機組負(fù)荷率可在100%~10%之間無級別調(diào)節(jié)；
2）忽略系統(tǒng)的熱惰性，認(rèn)為空調(diào)動態(tài)負(fù)荷即為冷水機組和間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)所承擔(dān)的負(fù)荷；
3）空調(diào)負(fù)荷各子區(qū)間的功率百分比為該區(qū)間最大負(fù)荷率所對應(yīng)的數(shù)值。
由于本文供冷期方案的選擇是以整個辦公樓能耗最小為目的，故以整個辦公樓每小時的能耗為單目標(biāo)函數(shù)建立其數(shù)學(xué)模型。
系統(tǒng)運行能耗的優(yōu)化模型表達(dá)式如下：
系統(tǒng)能耗=冷水機組運行能耗+間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)運行能耗+風(fēng)系統(tǒng)運行能耗
=（冷水機組能耗+冷凍水泵能耗+冷卻水泵能耗+冷卻塔風(fēng)機能耗）+（間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)水泵能耗+5×間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)冷卻塔風(fēng)機能耗）+（S1送風(fēng)機能耗+排風(fēng)機能耗）
初步得出運行方案能耗優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)式見公式（1）。
式中、――為整型變量，取0或1。取0表示關(guān)閉，取1表示開啟；
――冷水機組每小時能耗（kWh）；
――與冷水機組配套的冷凍水泵每小時能耗（kWh）；
――與冷水機組配套的冷卻水系統(tǒng)每小時能耗（kWh）；
――間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)冷卻水泵每小時能耗（kWh）；
――間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)冷卻塔風(fēng)機每小時能耗（kWh）；
――辦公樓風(fēng)系統(tǒng)總能耗（kWh）；
――冷水機組的額定功率（kW）；
――功率百分?jǐn)?shù)，即部分負(fù)荷時，冷水機組的輸入功率占額定功率的百分?jǐn)?shù)（%）；
――冷凍水泵的電功率（kW）；
――冷卻水泵電功率（kW）；
――間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)冷卻水泵功率（kW）；
――間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)冷卻塔風(fēng)機功率（kW）；
――送風(fēng)機S1的功率（kW）；
――排風(fēng)機總功率（kW）
式中下標(biāo)i表示第i臺冷水機組及其配套的冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機的性能參數(shù)。冷水機組及其冷凍水和冷卻水系統(tǒng)的各項能耗計算公式見文獻(xiàn)[5]。
因為是負(fù)荷率的函數(shù)，將表4-1的螺桿冷水機組部分負(fù)荷性能參數(shù)繪制成曲線發(fā)現(xiàn)，該性能曲線近似于拋物線，故用二次回歸曲線對此進(jìn)行擬合，冷水機組性能回歸曲線方程[7]見公式（2）：
式中――第i臺冷水機組在部分負(fù)荷時的制冷量（kW）；
――第i臺冷水機組的額定制冷量（kW）；
――冷源的額定制冷量（kW）；
――第i臺冷水機組的負(fù)荷率（%）；
――第i臺冷水機組在部分負(fù)荷時的制冷量與冷源額定制冷量之比
根據(jù)上述分析，得到最終的能耗優(yōu)化數(shù)學(xué)模型見公式（5），其約束條件見式子（6）。
（5）
【關(guān)鍵詞】 建筑結(jié)構(gòu)；內(nèi)嵌管道式；空調(diào)系統(tǒng)；
生活水平的提高使得人們開始向室內(nèi)環(huán)境的舒適性進(jìn)行研究。人類在不斷的發(fā)展過程中，經(jīng)歷了無數(shù)種利用建筑結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣的方式。其中，炕就是調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的一種應(yīng)用結(jié)構(gòu)，同時它也是一種非常典型的利用低品位能源來有效改善室內(nèi)空氣的建筑技術(shù)。而近幾年由于機械工業(yè)制冷技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，機械式空調(diào)改善系統(tǒng)在生活中的應(yīng)用也逐漸普遍起來了。這無疑會導(dǎo)致我國建筑耗能的不斷增加，另外，全球氣候變暖以及自然燃料物質(zhì)的減少使得各個專家和研究者都在尋找新的低耗能技術(shù)，用以降低高品位能源的消耗，著重提高能源使用效率，縮減資源能源耗用成本。
低品位能源主要有地下水、夜間冷風(fēng)、以及地下熱源等等。其中有些低品位能源不需要進(jìn)行機械來提供動力就可以達(dá)到收散能量的目的，例如，對夜間自然通風(fēng)能源的利用就不需要外部機械來助力。而有些低品位能源的利用則需要有機械來提供動力，例如，水泵輸送流體等，通過機械提供的動力將流體進(jìn)行冷熱量的交替循環(huán)，達(dá)到室內(nèi)所需最適環(huán)境。總的來說，低品位能源的利用可以有效減少對常規(guī)機械空調(diào)系統(tǒng)的利用率，既能降低高品位能源的消耗又能有效的節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。
一、主動式利用低品位能源的內(nèi)嵌管道式建筑結(jié)構(gòu)的來源
在樓層的樓板、墻體、以及天花板處都有些許多內(nèi)嵌管道，通過這些管道的循環(huán)流通，可以使管道內(nèi)部流體進(jìn)行冷熱量的循環(huán)交替，在實際的管道利用中即使管道內(nèi)部只有微小的溫差也可以通過構(gòu)建多個管道或者有效增大交換面積來實現(xiàn)對冷熱量的大量收集，從而實現(xiàn)大量熱能的交替循環(huán)。這就是通過內(nèi)嵌管道來收集低品位能源進(jìn)行室內(nèi)空氣有效調(diào)節(jié)的基本原理。由于這種內(nèi)嵌管道需要機械水泵來提供水循環(huán)的動力，因此，就將這種運作結(jié)構(gòu)稱為主動式利用低品位能源的內(nèi)嵌管道式建筑結(jié)構(gòu)。這種建筑結(jié)構(gòu)在西方國家的運用非常廣泛，下面就通過對這種內(nèi)嵌管道式空調(diào)系統(tǒng)的性能應(yīng)用以及種類分析進(jìn)行簡單的闡述。[1]
二、內(nèi)嵌管道式空調(diào)系統(tǒng)的類型及運用
內(nèi)嵌管道式建筑體系就相當(dāng)于一個能量交換器，它主要通過在管道中注入的水來與周圍環(huán)境介質(zhì)進(jìn)行能量的交換。內(nèi)嵌管道式建筑結(jié)構(gòu)中采用的管道有三方面的應(yīng)注意事項。其一，是管道材料的選用標(biāo)準(zhǔn)，管道是提供水熱能傳輸?shù)淖钪匾d體，因此，管道材料的選用必須能保證其高效率的導(dǎo)熱性，另外，管道是鑲嵌在建筑物之間的，這必須要保證管道的耐壓耐抗性能，同時管道的使用壽命也必須依據(jù)建筑物的使用而確定。其二，管道的管徑也應(yīng)按一定的標(biāo)準(zhǔn)來選用，在流量同等的情況下要通過適當(dāng)?shù)臏p小其摩擦阻率來減少水泵的壓頭，同時要保證管道內(nèi)部的流體處于紊流的狀態(tài)下進(jìn)而維持水和管道內(nèi)部的高效率導(dǎo)熱性能。其三、管道內(nèi)部的熱水或者冷卻水一般是采用地下熱源交換器、地下熱源、以及制冷機制冷等來產(chǎn)生。
1.開式系統(tǒng)外加冷卻塔裝置
內(nèi)嵌管道式空調(diào)開式系統(tǒng)通常采用濕式冷卻塔來制造冷卻水。在實際的運用中，當(dāng)管道周圍的環(huán)境溫度較低時，可以利用濕式冷卻塔來制備冷卻水，這種系統(tǒng)通常在夜間運作，當(dāng)樓板或者天花板經(jīng)管道水循環(huán)來達(dá)到降溫的目的時，內(nèi)嵌管道中的流體會將熱量帶走，最后經(jīng)過冷卻塔時實現(xiàn)流體的冷卻。
一般來說，樓板、天花板、以及墻體都具有很大的熱容性質(zhì)，它可以在夜間積累冷能量供白天室內(nèi)空氣制冷使用，而白天管內(nèi)水又會吸收室內(nèi)人員散發(fā)出的熱氣，這就會使得室內(nèi)的空氣白天夜間都處在適度的范圍之內(nèi)。而在白天時，樓板或者天花板會將這些積累后的熱量順管道流體吸收后進(jìn)入冷卻塔，繼而排放出去轉(zhuǎn)供第二天使用。這種管道水循環(huán)式的交換體系可以將白天不需用的熱量轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了對低品位能源的有效利用，降低了傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中的高耗能。這種開式系統(tǒng)的效率雖然很高，但是在管道內(nèi)部污垢處理方面卻遠(yuǎn)不如閉式系統(tǒng)。[2]
2.閉式系統(tǒng)外加制冷、熱泵裝置
閉式系統(tǒng)中的管道內(nèi)部循環(huán)水也可以經(jīng)由制冷機來制備。首先，制冷機應(yīng)提供給管道水循環(huán)系統(tǒng)高于其樓板表面空氣的露點溫度，這是為了有效防止天花板頂部結(jié)露而設(shè)的，其中循環(huán)水的溫度可以低至于13度，這時制冷機會蒸發(fā)導(dǎo)致溫度提高，極大的提升了制冷機的局部運行效率。與此同時，當(dāng)房屋需要供熱時，可以利用熱泵來提供較低溫度的熱水，還可以與冷卻塔裝置并駕運行。[3]
在夜間時，如果管道周圍的溫度比較低，則可以將冷卻塔裝置投入使用，通過制備冷卻水來有效的調(diào)降天花板的熱度，并且可以將冷能量存儲留至第二天白天使用。同樣的運行方式，當(dāng)白天室內(nèi)溫度過高時，要及時的將制冷設(shè)備投入制冷中，制備低溫循環(huán)水以供天花板與樓板的耗用，以保持室內(nèi)環(huán)境的舒暢。
綜上所述，建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌管道式空調(diào)系統(tǒng)是一種不同于常規(guī)的新式空調(diào)系統(tǒng)，它主要是將空調(diào)系統(tǒng)中的管道結(jié)構(gòu)設(shè)計在樓板或者天花板的混凝土中來增加管道內(nèi)流體與混凝土之間的換熱面積，這樣做的優(yōu)勢在于當(dāng)換熱的溫差過小時依舊可以獲取較大的換熱量。而在實際中，我們可以通過利用溫度微高的冷水來運用于夏天的降溫，利用溫度較低的熱水來應(yīng)用于冬天的供暖，二者則可以通過低品位能源來進(jìn)行獲取。其中，能夠提供這種空調(diào)系統(tǒng)的低品位能源主要是地下水、夏季自然冷源以及地下熱源等等。另外，這種新式空調(diào)系統(tǒng)還需要水泵等提供動力的機械來保證其內(nèi)部液體的循環(huán)運輸，不僅大大降低了對高品位能源的消耗，還具有非常大的經(jīng)濟(jì)利用價值。
參考文獻(xiàn)
[1] 徐新華，周利君，朱求源.《建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌管道式空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)與應(yīng)用》——[建筑科學(xué)]，華中科技大學(xué)，建筑環(huán)境與設(shè)備工程系，湖北省，武漢，100045.2009，25（10）.
關(guān)鍵詞：埋管式地源熱泵，煤礦，設(shè)計，理論模擬
采用埋管式地源熱泵系統(tǒng)可大量降低運行費用，比傳統(tǒng)冷水機組和空氣源熱泵少30%，比電采暖少70%。能效比一般為4~6。在我國低碳節(jié)能的政策引導(dǎo)下，埋管式地源熱泵在民用建筑小區(qū)的應(yīng)用已經(jīng)日漸廣泛，但是在煤礦等生產(chǎn)廠區(qū)使用該技術(shù)的并不多。本文將從幾個方面分析一下該技術(shù)在煤炭上應(yīng)用的可行性與適用條件。
1埋管式地源熱泵在煤礦應(yīng)用的優(yōu)點
（1）系統(tǒng)不燃油、不燃?xì)狻⒉蝗济海员闶姑旱V本身節(jié)省能源，為市場提供更多優(yōu)質(zhì)煤。（2）系統(tǒng)可建造在煤礦的廠區(qū)，安裝在綠地、停車場下，無燃燒，無排煙，也無廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地。（3）熱泵既可供暖，又可制冷，制冷時產(chǎn)生的余熱還可提供生活生產(chǎn)熱水或為游泳池加熱，最大限度的利用了能源。對于煤礦這種建筑類型較復(fù)雜的地方比較實用。（4）埋管式地源熱泵的水系統(tǒng)采用全封閉循環(huán)，借助于地下土壤源溫度場取冷或散熱，不蒸發(fā)、不補水、循環(huán)往復(fù)，對于偏遠(yuǎn)缺水的煤礦來說較實用。（5）系統(tǒng)運行穩(wěn)定，維護(hù)費用低，自動控制程度，無需專業(yè)人員操控。（6）系統(tǒng)不用冷卻塔，從根本上杜絕了軍團(tuán)菌的滋生，對于煤礦工人特殊的工作環(huán)境，地上的非工作時間可以得到舒適的溫濕度潔凈環(huán)境，有利于身心健康。（7）埋管式地源熱泵系統(tǒng)使用壽命可長達(dá)五十年，在煤礦的正常使用年限中無需更換。（8）系統(tǒng)無易燃、易爆隱患，在煤礦的特殊環(huán)境中安全始終是第一位的，使用這種系統(tǒng)更實用、放心。（9）系統(tǒng)不需要鍋爐房、冷卻塔及其它室外設(shè)備，不需要集中占地，為煤礦節(jié)省了地皮，產(chǎn)生附加經(jīng)濟(jì)效益[1]。
2埋管式地源熱泵在煤礦中應(yīng)用帶來的長期效益
對于煤礦來說地下水資源尤其不能破壞，埋管式地源熱泵系統(tǒng)就具備這種優(yōu)勢，以土地為熱源，不破壞地下水資源、低噪音，而且不排放廢氣和廢棄物，具備零污染的良好環(huán)保品質(zhì)。
2.1彌補地下水資源短缺
我國地下淡水資源量為694km3,僅占世界地下淡水資源的0.6/10000。論文參考網(wǎng)。同時,由于我國地形、降水分布的地域性差異,使我國地下水資源具有南方豐富、北方貧乏的特征。地下水分布的不均勻性,為普遍地推廣與應(yīng)用地下水源熱泵帶來地域的局限性。
2.2緩解地下水超采
地下水超采是指兩部分:一是淺層地下水超采;二是深層承壓水超采。進(jìn)入21世紀(jì)后,地下水源熱泵系統(tǒng)在我國的發(fā)展十分迅速,其應(yīng)用日益廣泛。目前,有的部門和地區(qū)制定實施了一系列優(yōu)惠政策和措施,使地下水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用更為廣泛。在這種形勢下,我們更應(yīng)該注意到地下水的雙重性,它不僅是地下水源熱泵優(yōu)良的源與匯,而且是一種寶貴的資源,是人類賴以生存的最重要的基本物質(zhì)之一。
為此考慮在水源稀缺的地方盡量采用埋管式地源熱泵這種形式，高效環(huán)保，對地下水層也無破壞，可以保護(hù)人類的寶貴水資源，而且土壤熱能是一種取之不盡用之不竭的可再生資源，使人類社會與自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展,事在當(dāng)代,功在千秋。
3 埋管式地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的幾大要點
3.1冷熱負(fù)荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計算
冷熱負(fù)荷計算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計算方法相同，參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計手冊，不再詳細(xì)說明。
夏季地下?lián)Q熱量=夏季設(shè)計總冷負(fù)荷×(1-1/設(shè)計工況下熱泵機組的制冷系數(shù))，
冬季地下?lián)Q熱量=冬季設(shè)計總熱負(fù)荷×(1-1/設(shè)計工況下熱泵機組的供熱系數(shù))，
3.2確定地下?lián)Q熱器設(shè)計參數(shù)
埋管式地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器一般采用垂直或水平布置方式。水平布置受可利用土地面積的限制，且換熱性能比豎埋管小很多，所以在實際工程中，一般采用垂直埋管布置方式。垂直埋管有3種形式： U型管、套管型、單管型。套管型的內(nèi)、外管中流體熱交換時存在熱損失；單管型的使用范圍受水文地質(zhì)條件的限制；所以一般選擇U型管[2]。地下?lián)Q熱器設(shè)計是關(guān)鍵，國內(nèi)外已有許多關(guān)于這方面理論研究，主要是數(shù)值模擬。論文參考網(wǎng)。通過模擬確定幾大參數(shù)。
U型管理論推導(dǎo)過程一般為：（1）某地區(qū)土壤初始溫度模擬；（2）U型地埋管換熱器傳熱分析；（3）建模假設(shè):在不影響工程精確度要求的前提下做合理的加設(shè)以使復(fù)雜問題簡單化；（4）建立物理模型:因為土壤各個層面的傳熱特性不一致，將土壤分為三層：地表活動層、中層區(qū)和深層區(qū)進(jìn)行處理[3]；（5）建立數(shù)學(xué)模型:在這個階段要進(jìn)行熱傳遞方程的推導(dǎo)、對流、導(dǎo)熱的分析以及對土壤的固態(tài)、液態(tài)以及氣態(tài)并存的狀態(tài)分別進(jìn)行考慮；（6）輸入實地測得的初始數(shù)據(jù)通過集成分析活應(yīng)用大型集成軟件進(jìn)行分析求解[4]。
通過以上的理論模型得出比較合適的地下?lián)Q熱器參數(shù)，如：管材（綜合考慮其傳熱性能耐腐蝕性以及經(jīng)濟(jì)性）、管徑、鉆井深度（既考慮熱效率也要考慮經(jīng)濟(jì)實用性）、U型管間距、鉆井間距（考慮其熱干擾）、管內(nèi)流速、管長等。同時，豎井個數(shù)的確定可參照下式：
豎井總數(shù)的確定按下式計算:豎井總數(shù)=0.5×豎井埋管總長/豎井深度
3.3水泵的選擇
同程系統(tǒng)中，選擇壓力損失最大的熱泵機組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進(jìn)行阻力計算。可采用當(dāng)量長度法，將局部阻力件轉(zhuǎn)換成當(dāng)量長度，和管道實際長度相加得到各不同管徑管段的總當(dāng)量長度，再乘以單位壓降，得出總阻力[5]。計算所得最不利環(huán)路壓力損失，再加上熱泵機組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失，確定水泵的揚程，考慮一定的安全裕量。
4小結(jié)
由以上所述可得，埋管式地源熱泵系統(tǒng)在煤礦中應(yīng)用是有其適用性的而且有其不可取代的優(yōu)點，而且通過理論模擬能更好地為設(shè)計服務(wù)、提高熱效率。論文參考網(wǎng)。在煤礦的綜合樓及辦公樓、宿舍樓系統(tǒng)中，系統(tǒng)的供冷量遠(yuǎn)大于供熱量，導(dǎo)致地下熱交換器十分龐大，價格昂貴，為節(jié)約投資或受可用地面積限制，地下埋管可以按照設(shè)計供熱工況下最大吸熱量來設(shè)計，同時增加輔助換熱裝置（如冷卻塔＋板式換熱器，板式換熱器主要是使建筑物內(nèi)環(huán)路可以獨立于冷卻塔運行）承擔(dān)供冷工況下超過地下埋管換熱能力的那部分散熱量。
[1]徐偉等.地源熱泵工程技術(shù)指南.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.11
[2]謝汝鏞.地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計.現(xiàn)代空調(diào)，2001.3：33～74
[3] Giorgio boni et al. Sampling Strategiesand Assimilation of Ground Temperature for The Estimation of Surface EnergyBalance Components[J]. IEEE Transactions ongeoscience and remote sensing, 2001.1.
[4]王勇.地源熱泵研究（1）——地下?lián)Q熱器性能研究：[碩士學(xué)位論文].重慶:重慶建筑大學(xué)，1997
[5]肖益民等.地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計施工方法及應(yīng)用實例.現(xiàn)代空調(diào)，2001.3：88～100
論文摘要：從辦學(xué)思路、教材設(shè)置、師資結(jié)構(gòu)等方面討論了目前高校建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)中出現(xiàn)的問題和應(yīng)改革的內(nèi)容;結(jié)合中南大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)教學(xué)實踐,提出了明確辦學(xué)思路、強調(diào)專業(yè)特色、加強實踐環(huán)節(jié)等方面的專業(yè)教學(xué)體系改革的思路。
科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力,是推動社會進(jìn)步的巨大動力。人是從事科學(xué)技術(shù)的主體,因此當(dāng)今社會的競爭就是人才的競爭。而人才核心競爭力的培養(yǎng),主要來源于大學(xué)教育。為了適應(yīng)社會的發(fā)展,教育部在上世紀(jì)末對大學(xué)很多專業(yè)都進(jìn)行了調(diào)整,包括建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)。論文百事通建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)是根據(jù)教育部1998年頒布的全國普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄,將“供熱通風(fēng)與空調(diào)工程”和“燃?xì)夤こ獭眱蓪I(yè)合并,調(diào)整、拓寬組建而成的新專業(yè)[1]。該專業(yè)以培養(yǎng)從事工業(yè)與民用建筑室內(nèi)環(huán)境及建筑設(shè)備、公共設(shè)施、建筑熱能供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計和建筑自動化與能源管理工作的人才為目標(biāo)。這次調(diào)整,不是簡單的合并,而是產(chǎn)生了一個面向21世紀(jì)新的專業(yè)學(xué)科。近年來,該專業(yè)如雨后春筍般在全國范圍91所各類眾多高校中涌現(xiàn)出來,問題也隨之凸現(xiàn)。筆者認(rèn)為有必要進(jìn)行深入的、切實可行的教學(xué)改革。
一、主要凸現(xiàn)的問題
(一)辦學(xué)思路不清晰
雖然很多學(xué)校秉承了“厚基礎(chǔ)、寬口徑”的辦學(xué)思想,在教學(xué)內(nèi)容上增加了建筑環(huán)境、建筑熱能供應(yīng)以及建筑自動化等方面的知識,并把建筑環(huán)境學(xué)列為了專業(yè)的平臺,搭建了新的本科專業(yè)的框架體系。但是“厚而寬”不是“大而全”。知識口徑的拓寬不是各種知識的堆積和羅列。專業(yè)的辦學(xué)首先要服從于所在大學(xué)的辦學(xué)思路,即學(xué)校的定位。一般院校和重點院校不同,創(chuàng)新型大學(xué)與研究型大學(xué)和綜合型大學(xué)也不同。如果全國九十一所建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)的教學(xué)體系都參照某一兩個名牌大學(xué)的教學(xué)體系,那么這樣的后果是顯而易見的:一,專業(yè)建設(shè)沒有或者散失了原有專業(yè)的特色;二,專業(yè)培養(yǎng)出來的人才也沒有特色。
(二)教材建設(shè)的質(zhì)量不容樂觀
目前圍繞建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)的教材種類繁多,質(zhì)量參差不一。教材是教學(xué)內(nèi)容的具體體現(xiàn),教學(xué)體系中的教材應(yīng)該具有知識的系統(tǒng)性、延續(xù)性和完整性。而不是各個知識塊之間簡單的粘貼或移動的關(guān)系。以《暖通空調(diào)》為例,集結(jié)了原來供熱、供燃?xì)饧巴L(fēng)空調(diào)工程專業(yè)的主要專業(yè)課:《空氣調(diào)節(jié)》、《工業(yè)通風(fēng)》以及《供熱工程》的主要內(nèi)容。剔出了三門課管網(wǎng)輸配的交叉部分,而另設(shè)了一門課:《流體輸配管網(wǎng)》。但就這兩門課程的教材來看,共同的缺點是把原來空調(diào)、通風(fēng)和供熱三門課的三個系統(tǒng)簡單地歸類總結(jié),系統(tǒng)總結(jié)有余,闡述不足。使得在具體教學(xué)過程中,出現(xiàn)老師覺得不好講,學(xué)生不易接受的情況。
(三)配套的師資隊伍結(jié)構(gòu)有待改善
由于建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)由原來的暖通空調(diào)專業(yè)或燃?xì)鈱I(yè)演變而來,因此師資基本上是暖通空調(diào)或燃?xì)鈱I(yè)的。但是專業(yè)的領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)充到建筑室內(nèi)環(huán)境、建筑設(shè)備、公用設(shè)備和智能建筑等方面。專業(yè)的內(nèi)涵已經(jīng)由原來的設(shè)備或系統(tǒng)擴(kuò)充到既包括設(shè)備、系統(tǒng),也包括智能建筑。其中的弱勢部分是智能建筑。因為智能建筑技術(shù)也是一門交叉學(xué)科,而大部分搞自動控制的人才是自動化專業(yè)、電氣工程及其自動化專業(yè)或計算機專業(yè)的人員。對智能建筑、智能化系統(tǒng)及設(shè)備缺乏全面的了解和掌握,缺乏建筑結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)備、供熱空調(diào)等方面的專業(yè)知識和理解。另一方面,搞設(shè)備的人才又缺少對建筑自動化、BAS功能科學(xué)要求的理解,缺少有效的上層控制管理邏輯與算法。兩方面人才又缺少“接口”,從而制約了智能建筑技術(shù)的發(fā)展[2]。因此合理搭配師資,在教學(xué)安排方面與其它專業(yè)知識交叉融合,才能培養(yǎng)出新時代的建筑環(huán)境與設(shè)備復(fù)合型人才。
二、改革的內(nèi)容
(一)明確辦學(xué)思路,辦出專業(yè)特色[3]
明確辦學(xué)思路是確定專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)體系的前提和基礎(chǔ)。是以科研人才為主,還是以工程技術(shù)人員為主,不僅與專業(yè)本身的內(nèi)涵有關(guān),更重要的是與專業(yè)所在大學(xué)的性質(zhì)有關(guān)。這樣才能形成專業(yè)建設(shè)和發(fā)展的良性競爭。辦學(xué)思路還與專業(yè)特色有著密切聯(lián)系。專業(yè)特色與專業(yè)在多年的建設(shè)發(fā)展過程中的教學(xué)和科研歷史有關(guān),如有的學(xué)校在暖通空調(diào)的系統(tǒng)工程方面是強項,而有的學(xué)校在制冷空調(diào)設(shè)備的研究與開發(fā)方面是強項。那么在培養(yǎng)人才方面,這些特色就應(yīng)該很好的繼承和發(fā)揮,在課程設(shè)置和訓(xùn)練中要體現(xiàn)出來。
(二)穩(wěn)固基礎(chǔ)知識,拓寬專業(yè)口徑
建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)是一門跨學(xué)科的工科專業(yè),學(xué)生基礎(chǔ)知識應(yīng)包括數(shù)理方面、工程熱物理方面、流體機械方面、建筑熱物理方面和自動化控制的知識。只有牢固的基礎(chǔ)知識,學(xué)生才能深刻地理解專業(yè)課程,拓寬本專業(yè)的服務(wù)領(lǐng)域。當(dāng)然,正如前面強調(diào)的,專業(yè)辦學(xué)的前提是要繼承和發(fā)揚本專業(yè)的特色。這些基礎(chǔ)知識本身就是屬于很多領(lǐng)域,要與專業(yè)在建設(shè)和發(fā)展過程中的特色結(jié)合起來,構(gòu)造和穩(wěn)固所必需的專業(yè)基礎(chǔ)知識。
專業(yè)知識的拓寬,是構(gòu)架新時代建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)教學(xué)體系的重要部分。專業(yè)教學(xué)體系不僅僅局限于暖通空調(diào),或是供熱供燃?xì)?或是把這兩方面的課程全部籠統(tǒng)地包括進(jìn)去,或是把建筑環(huán)境、公用設(shè)備和智能建筑方面的知識硬塞進(jìn)去。在專業(yè)學(xué)時有限的條件下,很有可能會造成各種知識的七拼八湊。因此,要有側(cè)重點地把某些方面作為原本專業(yè)特色的延伸和發(fā)展,切忌一口吃成一個胖子的思想,盲目地貪大。
(三)編制優(yōu)秀的教材,配備合理的師資隊伍
正如前面所說,由于原有專業(yè)教學(xué)體系架構(gòu)的割斷和組合,使得最近幾年采用的教材在編制上都有這樣或那樣的問題,因此在教材的建設(shè)方面還必需投入更多的精力。而選用合適的優(yōu)秀教材的基礎(chǔ)正是現(xiàn)在的教學(xué)體系的完善,必需從根本上理解和制定本專業(yè)的教學(xué)體系和知識模塊。
師資的知識結(jié)構(gòu)要分布合理,除了保留原來專業(yè)特色的知識結(jié)構(gòu)以外,還要補充新的知識,如智能建筑和建筑環(huán)境方面的知識結(jié)構(gòu)。師資的梯隊建設(shè)也很重要。教學(xué)梯隊的形成有利于知識傳授的傳承和不斷更新。每個專業(yè)知識模塊,也就是我們所說的課群下面,形成以教授為龍頭,教授副教授主講,青年教師為重要組成的教學(xué)梯隊。
三、我校建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)教學(xué)體系改革的幾點思路
中南大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)主要源于長沙鐵道學(xué)院的制冷空調(diào)學(xué)科。長沙鐵道學(xué)院從上世紀(jì)70年代起,就開展了制冷空調(diào)及冷藏運輸方面的研究工作,1985年在機車車輛系成立制冷空調(diào)教研室,并開始招收制冷空調(diào)專業(yè)專科學(xué)生;1989年開始招收供熱通風(fēng)與空調(diào)專業(yè)本科學(xué)生;1998年根據(jù)教育部文件調(diào)整為建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)。因此,在二十多年的建設(shè)中,形成了制冷與暖調(diào)、系統(tǒng)與設(shè)備并重的特色。我專業(yè)在調(diào)整后修訂了教學(xué)計劃,增加了供燃?xì)狻⒔ㄖh(huán)境和建筑自動化方面的知識模塊,保留了原來的制冷方面的知識模塊,包括有制冷原理、制冷壓縮機和鐵路車輛制冷、制冷裝置自動化等課程。
目前已擬定完2008級新的教學(xué)體系和教學(xué)計劃,主要的思路有如下幾點。
(一)明確辦學(xué)思路,與學(xué)校的定位一致。
我專業(yè)隸屬于以本科生、研究生教育為主的高層次綜合性大學(xué)——中南大學(xué),學(xué)校的定位是立足湖南,面向全國,放眼世界,努力建設(shè)國內(nèi)一流、國際上有重要影響的高水平、綜合性、研究型、創(chuàng)新型大學(xué)[4]。因此,我專業(yè)的辦學(xué)思路是以創(chuàng)新素質(zhì)教育為核心,堅持全面發(fā)展的人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn),面向社會主義市場經(jīng)濟(jì)的人才需求,培養(yǎng)出具有實踐能力、創(chuàng)新能力,既懂技術(shù)又懂管理的復(fù)合型人才。
(二)繼承和發(fā)揚專業(yè)特色,整合知識架構(gòu)。
充分利用能源知識的平臺。從2008年開始本專業(yè)與同屬能源科學(xué)與工程學(xué)院的熱能專業(yè)進(jìn)行能源與動力大類招生,使學(xué)生在低年級的時候的基礎(chǔ)知識面廣,起到“厚基礎(chǔ)、寬口徑”的作用。
繼續(xù)保留專業(yè)的特色之一:制冷模塊。從畢業(yè)生就業(yè)的反饋來看,用人單位對既懂制冷,又懂暖通,既了解系統(tǒng),又了解設(shè)備的人才非常歡迎。
加強暖通和建筑環(huán)境的優(yōu)勢。把空調(diào)、供熱、通風(fēng)和建筑環(huán)境的節(jié)能、環(huán)保、熱舒適與空氣品質(zhì)結(jié)合起來,也是當(dāng)前時展的需求。
減弱供燃?xì)夂腿紵K。從本系教師多年從事的科研工作來看,燃?xì)夂腿紵K并沒有形成特色,因此可以適當(dāng)減少其份額,作為選修課程開設(shè)。
加強智能建筑模塊。智能建筑是樓宇發(fā)展的重要方向。本系在制冷和空調(diào)系統(tǒng)的自動化控制方面有著多年的研究和實踐經(jīng)驗。可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)充相關(guān)領(lǐng)域的知識內(nèi)容。新晨
(四)加強實踐環(huán)節(jié),培養(yǎng)創(chuàng)新人才
實踐環(huán)節(jié)包括實習(xí)、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計。實踐環(huán)節(jié)應(yīng)受到更多的重視。既保證實踐環(huán)節(jié)的“量”,又要保證實踐環(huán)節(jié)的“質(zhì)”。即:實踐環(huán)節(jié)的課時量必需嚴(yán)格保證,同時要求學(xué)生在實踐環(huán)節(jié)動手、動腦,培養(yǎng)其綜合運用所學(xué)知識和創(chuàng)新能力。
畢業(yè)設(shè)計從選題開始抓起,選題來源于教師的科研課題或工程實際,具有很強的實際意義和理論研究價值,有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。
嚴(yán)格把握好實踐環(huán)節(jié)的考核。本系在近兩年所有的專業(yè)實踐環(huán)節(jié)考核中都涵蓋有答辯部分的考核,既鍛煉了學(xué)生的膽量、自信和表達(dá)能力,又能很客觀地反映實際的情況。
參考文獻(xiàn):
[1]肖勇全,李岱森.建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)[J].高等建筑教育,2002,(2).
[2]劉春蕾,趙三元,海.智能建筑相關(guān)專業(yè)課程體系建設(shè)研究[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,(4).
/
關(guān)鍵詞：課外活動；課題研究；綜合素養(yǎng)
文章編號：1005?C6629（2014）7?C0026?C04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
2012年年初，筆者指導(dǎo)高一年級12位學(xué)生，以“油”為主題開展了“地溝油的制取與檢測”等三個化學(xué)小課題研究活動，后來又指導(dǎo)這些學(xué)生參與“硫酸銅大晶體的制作”活動。筆者通過歷時兩年的觀察、比較與分析，發(fā)現(xiàn)無論是在化學(xué)新授課教學(xué)還是在高三復(fù)習(xí)中，參加過課題研究的學(xué)生的問題意識、實驗?zāi)芰Α⑺季S的嚴(yán)密性以及處理問題的能力等方面都要優(yōu)于其他學(xué)生。可見，開展化學(xué)小課題研究活動，對于學(xué)生化學(xué)綜合素養(yǎng)的提升有著積極的影響。
1 課題選擇
考慮到學(xué)生的知識能力、實驗條件與活動時間等方面的限制，課題的針對性與適宜性則成了課題選擇的首要因素。在選擇課題時，指導(dǎo)教師對課題研究的方向、方法與成果等要進(jìn)行預(yù)測和評估，以提高課題研究的可行性，也便于指導(dǎo)學(xué)生開展活動。
1.1 選題要貼近生活
化學(xué)課題研究要引導(dǎo)學(xué)生從生活走進(jìn)化學(xué)，并應(yīng)用化學(xué)知識去解決生活中的化學(xué)問題。宜選擇學(xué)生身邊的小問題作為研究對象，讓學(xué)生感受到生活處處皆化學(xué)，并用化學(xué)視角來審視身邊的世界。
化學(xué)課題也要突出化學(xué)學(xué)科特點，既可以是物質(zhì)的制取，如“利用煙油制取家用洗滌膏”；也可以是物質(zhì)性質(zhì)的探究或物質(zhì)檢測，如“純堿清洗廚房煙油的最佳條件”；還可以是有關(guān)STS問題，如“環(huán)保袋真的環(huán)保嗎”。當(dāng)然，將上述選題思路綜合起來，也可以作為課題的選項。
1.2 課題要緊扣學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)與能力水平
化學(xué)課題要緊扣學(xué)生已有的知識結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生有興趣、有能力進(jìn)行探究，但又要能在教師的指導(dǎo)下，借助于新知識、新方法，“跳一跳摘到桃子”。如果課題的內(nèi)容和研究手段都脫離了學(xué)生的實際，學(xué)生就會覺得困難重重，其探究的積極性和課題研究價值就會受到影響。
1.3 課題要與研究條件相匹配
課題實驗中用到的實驗裝置和基本操作都是中學(xué)常用的，并盡可能在實驗室里完成，以增加實驗探究的可操作性。例如，將混合油水經(jīng)過“用紗布過濾分液漂白去色用餐巾紙過濾”制取地溝油，實驗過程中用到加熱、過濾、分液、吸附漂白等都是中學(xué)階段常用的實驗基本操作，在實驗室里能夠順利完成。
囿于學(xué)校的實驗條件和實驗資源所限，有時需要借助于其他學(xué)校或者是社會上的資源。為確保研究活動的順利推進(jìn)，要為課題小組提供必要的書籍資料和上網(wǎng)便利，并開放實驗室。
1.4 研究活動要突出綜合性
當(dāng)然，選擇課題除注重實用性之外，還要注重研究活動的綜合性。課題的綜合性有助于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，可以實現(xiàn)研究活動教育影響的最大化。
2 課題培訓(xùn)
課題選定之后，指導(dǎo)教師要對開展課題的研究模式、方法手段以及研究過程中涉及到的新知識進(jìn)行必要的培訓(xùn)輔導(dǎo)，以便為課題研究的順利展開做好鋪墊。
2.1 研究模式與實驗原則
首先向?qū)W生介紹開展課題研究的一般思路和研究方法，讓學(xué)生知道研究什么和怎樣研究。在化學(xué)課題研究過程中要用事實、數(shù)據(jù)去說明，通過定量實驗得出的結(jié)論才會嚴(yán)謹(jǐn)、邏輯。比如，控制變量法是開展課題研究活動中常用的一種實驗方法，即將影響實驗結(jié)果的諸多條件中的一個條件作為可變，其他條件保持不變，以此來探尋此條件的變化對實驗結(jié)果的影響[1]。
2.2 新的知識內(nèi)容
在探究化學(xué)問題時，經(jīng)常會涉及到一些學(xué)生尚未學(xué)習(xí)的知識內(nèi)容，因此，有必要對學(xué)生進(jìn)行提前輔導(dǎo)。比如，高一學(xué)生在還沒有學(xué)習(xí)選修5《有機化學(xué)基礎(chǔ)》的情況下，學(xué)生開展“地溝油的制取與檢測”課題研究，就要首先指導(dǎo)學(xué)生自學(xué)相關(guān)內(nèi)容，然后講解油脂（酯類）的水溶性、密度與熔點等。
2.3 新的技術(shù)方法
在探究活動中會用到一些中學(xué)階段尚未接觸到的技術(shù)和方法，因此，有必要結(jié)合原理進(jìn)行講解。同時，也可以利用學(xué)生開展課題研究的機會，向?qū)W生拓展一些前沿的化學(xué)探究技術(shù)，如手持技術(shù)等。
3 課題研究
為提高課題研究的效率，要對小組成員進(jìn)行分工，具體落實小組成員的職責(zé)，并由一位組長負(fù)責(zé)召集協(xié)調(diào)。
3.1 理論研究先行
化學(xué)課題研究，采取的是一種開放式的研究方式。小組成員在已有化學(xué)知識的基礎(chǔ)上，以解決具體問題為中心，利用書籍和網(wǎng)絡(luò)資源，對研究對象進(jìn)行檢索、篩選、分類、鑒別和處理，并設(shè)計出研究方案和實驗步驟。對于資料中有爭議、有出入的內(nèi)容，則要用實驗進(jìn)行驗證，以確定最佳方案。課題研究方案經(jīng)過小組討論后交由指導(dǎo)教師審核。只有在理論上可行的方案，在實踐中才有可能成功。
案例1 地溝油的檢測方法
學(xué)生通過資料查閱，了解到地溝油與食用油的組成性質(zhì)差異，并設(shè)計出三種對比檢測方法：
（1）食物經(jīng)高溫熬煮后，部分有機物分解成可電離物質(zhì)；同時，食物在烹調(diào)過程中添加了食鹽等調(diào)味劑，在水相中具有良好的溶解性和導(dǎo)電性。因此，可以用檢測水相電導(dǎo)率的方法鑒別地溝油與食用油；
（2）食用油在烹調(diào)之后，再與水、金屬、微生物等作用，酸敗程度高，導(dǎo)致地溝油的pH較低。因此，可以用檢測水相pH的方法鑒別地溝油與食用油；
（3）由于地溝油是動物油和植物油的混合物，其中動物油含量高，相比植物油，其黏度和凝固點都較高。因此，可以用凝固法鑒別地溝油與食用油。
3.2 對問題給予方向性指導(dǎo)
對于在研究過程中出現(xiàn)的問題，指導(dǎo)教師雖然知道改進(jìn)措施，但也不宜直接告知。而應(yīng)當(dāng)只是提出改進(jìn)的方向，讓學(xué)生自己動手進(jìn)行嘗試，讓學(xué)生體驗到實驗探究的艱辛和樂趣。否則，只是簡單“照方抓藥”式的操作，其探究價值得不到體現(xiàn)，其課題研究意義也大打折扣。
案例2 制冷劑的選擇
用化學(xué)方法讓地溝油降溫凝固，學(xué)生首先想到要選擇溶解時吸熱的物質(zhì)作為制冷劑，經(jīng)查找發(fā)現(xiàn)實驗室里只有KNO3和NH4Cl兩種能降溫的物質(zhì)。這兩種物質(zhì)中哪種物質(zhì)的降溫效果更強一些？如何設(shè)計實驗進(jìn)行探究呢？
此時指導(dǎo)老師進(jìn)行引導(dǎo)：當(dāng)比較兩種物質(zhì)性質(zhì)上的差異時，只能采用控制變量法進(jìn)行對照實驗，首先要分析影響這兩種物質(zhì)降溫效果的因素有哪些，然后加以控制。這樣得出的結(jié)論才會嚴(yán)謹(jǐn)。
于是，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下做了KNO3和NH4Cl降溫效果的對比實驗：用2支試管各取10 mL水（16.3℃），分別加入1.0 g KNO3和1.0 g NH4Cl，然后迅速振蕩使KNO3和NH4Cl全部溶解，用溫度傳感器測量溶液的溫度變化：
可以發(fā)現(xiàn)，同質(zhì)量的NH4Cl比KNO3的制冷效果更好些，于是最終選擇了NH4Cl作為制冷劑。
3.3 鼓勵學(xué)生創(chuàng)新實驗
由于中學(xué)生的化學(xué)知識有限，而要解決具體的化學(xué)問題，只能靠方法的創(chuàng)新去彌補知識的不足，這在客觀上為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了土壤。
案例3 自制熱過濾裝置
學(xué)生在模擬制取地溝油的過濾環(huán)節(jié)遇到了問題，常常只過濾了一小部分油就已經(jīng)凝固了（室溫16.3℃），此時，學(xué)生在教師的鼓勵下嘗試改進(jìn)過濾裝置。學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上搜索到如圖2裝置，但考慮到實驗室沒有此裝置，因此課題小組就對該裝置進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計出如圖3裝置，利用生石灰與水反應(yīng)放熱，可在一定時間內(nèi)使過濾順利完成[2]。
4 課題報告
將實驗過程和研究結(jié)論以論文的形式呈現(xiàn)出來，通過論文答辯進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)課題研究中存在的問題，以提升課題研究的嚴(yán)謹(jǐn)性和論文書寫的規(guī)范性。記錄研究過程的所想、所感與所悟，加強自我反思改進(jìn)，從而養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)。
4.1 依照格式撰寫論文
撰寫課題研究論文，既是梳理研究活動的過程，更是科研思維的邏輯化、條理化和科學(xué)化過程。通過撰寫論文，讓學(xué)生初步掌握論文的寫作模式，對學(xué)生以后從事課題研究起到了規(guī)范化作用。
案例4 論文的書寫格式
“地溝油的制取與檢測”的論文書寫格式：
一、課題的研究意義。主要說明為什么會選擇這個課題，這個課題要研究什么，研究這個課題有什么現(xiàn)實意義。
二、實驗過程。包括地溝油的制取與地溝油的檢測。需要說明在哪里取餐飲廢油水（制取地溝油的原料）更有代表性，模擬制取地溝油有哪些操作步驟，在實驗過程中遇到了什么問題以及怎樣解決問題，制取的地溝油與食用油在外觀上有何差異；地溝油與食用油的組成性質(zhì)有何差異，如何利用性質(zhì)差異進(jìn)行檢測，實驗結(jié)果如何。
三、實驗結(jié)論。分析實驗事實與實驗數(shù)據(jù)，提煉得出實驗結(jié)論。
四、建議與體會。根據(jù)“實驗結(jié)論”指導(dǎo)人們?nèi)绾问褂煤喴追椒▍^(qū)分地溝油，怎樣回收餐飲廢油水，如何加以利用。
匯集整理小組成員在開展課題研究活動中的感想、感悟與收獲。
指導(dǎo)學(xué)生按照論文的書寫格式將實驗研究過程進(jìn)行梳理、完善。論文經(jīng)課題小組討論修改后再交由指導(dǎo)老師審閱。
學(xué)生的研究論文不僅要強調(diào)研究的過程、結(jié)論和活動收獲，對實驗過程中出現(xiàn)的一些異常現(xiàn)象和數(shù)據(jù)也要進(jìn)行分析與討論。
4.2 模擬答辯
課題小組就研究成果進(jìn)行論文答辯，一方面，保障了學(xué)生參與課題研究的真實性，同時，也訓(xùn)練了學(xué)生的理論水平和語言組織能力。
為了讓學(xué)生能夠勝任答辯，可召集課題組成員和班級其他學(xué)生進(jìn)行模擬答辯。首先由課題組中心發(fā)言人闡述課題的概況，然后其他學(xué)生進(jìn)行提問，該課題組成員集體進(jìn)行釋疑。這樣通過一問一答，課題組成員對課題的原理、過程和結(jié)論有了系統(tǒng)、深入的掌握。在答辯過程中出現(xiàn)的疑惑，課題小組再進(jìn)行理論修補和實驗完善，這樣課題的研究不再是想當(dāng)然，而是有理有據(jù)，并且更加全面、邏輯與嚴(yán)密，小組成員的思辨能力也得到了極大地訓(xùn)練與提升。
案例5 為什么選擇沸石漂白地溝油
在回答其他學(xué)生提出的“為什么選擇沸石漂白地溝油”時，課題組成員講述了實驗的探索過程：課題小組首先考慮到選擇SO2、氯水和活性炭進(jìn)行漂白，但SO2的漂白性是暫時性的；氯水具有強氧化性，會氧化地溝油，并會對后續(xù)地溝油的檢測產(chǎn)生干擾；而用活性炭進(jìn)行實驗后，發(fā)現(xiàn)活性炭的細(xì)顆粒殘留物導(dǎo)致地溝油的顏色更深，無法起到漂白作用。后經(jīng)過查閱資料并進(jìn)行實驗，最終選擇了沸石。
4.3 評價反思
無論是研究日記、活動感悟，還是答辯時評委老師與其他學(xué)校學(xué)生的提問，以及研究成果的獲獎等，這些以促使學(xué)生反思改進(jìn)為手段、以促進(jìn)學(xué)生發(fā)展為目的的評價方式，實現(xiàn)了學(xué)生個體成長發(fā)展的最大化。
在研究活動和成果展示中，小組成員之間進(jìn)行了充分的交流與討論，通過“頭腦風(fēng)暴”，學(xué)生分析問題和解決問題更有了深度和廣度。小組成員在研究過程中結(jié)成的互助關(guān)系與友誼，在后續(xù)的學(xué)習(xí)與生活中仍然延續(xù)著。
案例6 活動感想
有一位學(xué)生在答辯時感嘆說：這種比賽不僅需要參賽者具有一定的知識儲備，還要求參賽者具有縝密的思維和準(zhǔn)確的口頭表達(dá)。每當(dāng)我們表達(dá)得不夠嚴(yán)謹(jǐn)，或者表達(dá)得不夠準(zhǔn)確時，別的同學(xué)就會揪住這一點，不斷地向我們提問。而且，一旦我們的回答不夠完整或詳細(xì)，又會引起別的同學(xué)的提問。
還有一位學(xué)生在活動總結(jié)時說：我愛化學(xué)，我愛實驗，我愛答辯。如果以后還有這樣的比賽，我還要參加，并會全力以赴，做到最好。
5 課題影響
參加課題研究活動學(xué)生的問題意識、實驗意識和實驗?zāi)芰γ黠@增強，這種影響在后續(xù)的化學(xué)學(xué)習(xí)過程中表露無疑。這些學(xué)生在以后課堂上的提問更多了，問題也更有了深度。在這些“領(lǐng)頭羊”的帶領(lǐng)下，班級的學(xué)生不再“乖乖”地去聽了，而是會提出自己的看法與思考，會帶著質(zhì)疑的眼光去思考問題。當(dāng)他們遇到疑惑時，首先想到是設(shè)計實驗來解決，而不是簡單地從理論上進(jìn)行邏輯推導(dǎo)，這種依據(jù)實驗的思維方式是學(xué)生化學(xué)素養(yǎng)提升的明顯標(biāo)志。
無論是實驗條件的設(shè)定，還是數(shù)據(jù)的處理與分析，都要從“量”的角度進(jìn)行思考與分析。從定性到定量，學(xué)生的思維方式有了質(zhì)的跨越，學(xué)生體會到定量研究的必要性，其嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范的思維能力得到了提升。
參與課題實驗研究的學(xué)生，其相對豐富的直接經(jīng)驗對于化學(xué)間接知識的建構(gòu)，也明顯優(yōu)于其他學(xué)生。學(xué)生在課題實驗過程中產(chǎn)生的問題，他們會在后續(xù)的化學(xué)學(xué)習(xí)別留意和關(guān)注，這也是引領(lǐng)他們探索化學(xué)知識的引擎。
參考文獻(xiàn)：
