组合式空调器综合性教学实验台的研发

杜娟丽， 程花蕊，刘群生

(河南牧业经济学院 食品工程系，郑州 450011)

组合式空调器综合性教学实验台的研发

杜娟丽， 程花蕊，刘群生

(河南牧业经济学院 食品工程系，郑州 450011)

教学实验设备是实现良好实践教学效果的基础条件，是提高学生学习兴趣、培养学生思维能力、增强实操技能的重要保障。为了提高空调专业人才培养质量，基于特定空间空气参数要求，研发了一次回风组合式空调系统综合实验台。该实验台可以实现冷却、减湿、加热、加湿等多种空气处理过程，也可以实现空气参数、液位、风量控制等功能，为教学和科研提供了有效的实验条件，为CDIO工程教育新模式的“教、学、做”一体化教学系统的开发提供了有力保障。

组合式空调器；综合性教学实验台；研发；CDIO模式

教学实验设备是实现良好实践教学效果的基础条件，是提高学生学习兴趣、培养学生思维能力、增强实操技能的重要保障，直接影响着人才培养质量。教育部相关文件强调，“要针对高等职业院校学生的特点，培养学生的社会适应性，教育学生树立终身学习理念，提高学习能力，学会交流沟通和团队协作，提高学生的实践能力、创造能力、就业能力和创业能力。”鉴于此，CDIO(conceive—design—implement—operate)工程教育模式引起了众多学者的重视[1-5]。CDIO模式，即“构想—设计—实施—操作”，将产品的全过程作为平台，使学生能以主动的、实践的、课程之间有联系的方式学习和获取工程能力、技术知识、终身学习以及与社会团体交流合作的能力。目前很多专业、课程都在研究并应用该教育理念[6-9]。但对于空调专业类工科专业，要想良好地实施CDIO模式，真正地将理论、实践、创新有机地结合在一起，必须借助于有效的教学方法和良好的教学实验设备。

因此，基于空调专业课程的内容及特点，以培养学生的独立思考问题能力、实践动手能力、创新能力和提高学生的职业素质为目标，自行研发了一套小型综合性[10]组合式空调器教学实验台。该实验台可以实现冷却、减湿、加热、加湿等功能，同时，可以实现空气温/湿度参数控制、液位控制、新回风混合中风量控制等功能，有效地将空气调节、制冷原理与设备、热工检测仪表及自动控制等多门课程的内容相融合，将课程中比较抽象的理论知识转化成可视的、直观的物理过程，以激发学生的学习兴趣。此外，以产品研发过程为依托，设计了一套CDIO工程教学模式[11]，开发了一套边学习、边设计、边制作的“教、学、做”一体化的教学流程，以提高学生的理论知识应用及实践能力和创新能力，为教学实践提供了有力保障，也为教师的科研提供有力支撑。

1 组合式空调器综合性教学实验台的设计

基于组合式空调器的工作原理如图1所示。

图1 一次回风有再热空气处理过程

夏季：状态点为W的室外环境空气和状态点为N的空调室内空气混合，将混合后的空气状态点C经过冷却器冷却除湿后达到机械露点L，然后，将L状态的空气送入室内，吸收室内的余热量和余湿量后变为室内空气状态点N，重新进入循环，从而确保室内的温、湿度要求。

冬季：状态点为W′的室外环境空气和状态点为N的室内空气混合，将混合后的空气状态点C′经过加湿器的喷蒸汽加湿后达到状态点E，然后，将E状态的空气经过加热器加热后达到冬季送风点O′送入室内，吸收室内的余热量和余湿量后变为室内空气状态点N，亦重新循环，从而达到冬季的温、湿度要求。

可见，组合式空调器主要由制冷装置、加热装置、加湿装置、风机和控制系统组成。由于该套设备主要应用于教学，因此，整套设备的结构、原理应满足可视化，每种设备的功能不仅具有独立可操作性，而且可实现多种设备的组合匹配工作，达到空气的温、湿度控制要求。

1.1 外壳设计

根据教学实验台的应用要求，外壳要满足以下四点要求：(1)应是透明的，可以使学生直观地看到内部的系统设备及观察空气处理过程的工作原理；(2)该材料应具有一定的强度和硬度，具有一定的支撑能力；(3)材料应具有一定的耐热性能，可以承受箱体内加热器产生的热量影响;(4)价格便宜。综合考虑以上四点要求，经过筛选，本实验台选择了PS有机板。板材连接处的骨架采用铝合金，一面设有对开门，以便于维修。

1.2 内部空气处理设备的选型

根据特定空间的大小，估算室内冷负荷的值Q，由于空间内未考虑湿负荷源，所以，湿负荷忽略不计，从而可计算出热湿比ε=∞。

1.2.1 制冷设备的选型

制冷设备主要应用于夏季。根据夏季空气处理过程，由已知的室外状态点W的干球温度tw、湿球温度ts,w及室内状态点N的干球温度tN、相对湿度φN，在h-d图上分别确定点W和点N位置，查取两点对应的焓值hw，hN。由ε=∞，可在h-d图上确定机械露点L，并查取焓值hL。从而设定空间的送风量G可确定为：

(1)

根据设定空间要求选取最小新风量GW，计算回风量GN。

由能量守恒可确定混合状态点C的焓值为：

(2)

由此，可确定制冷装置需要提供的冷量为：

Q0=G(hC-hL)

(3)

考虑能量调节及各环节的冷量损失，设备的安全余量，在计算结果的基础上乘以相应的修正系数，便可选择出合适的制冷设备型号。

1.2.2 加热设备的选型

加热设备主要应用于冬季。根据冬季空气处理过程，由已知冬季室外空气状态W′的干球温度tW′和相对湿度ψW′，在h-d图中可确定点W′，查取其焓值为hW′。由于冬季的新、回风比与夏季相同，则冬季混合状态点C′的焓值为：

(4)

根据计算结果在h-d图中可确定点C′。考虑该实验装置是设置于室内，C'对应的温度往往高于机械露点L的温度，因此，可过点C′直接做等温线与NL线相交，进而确定喷蒸汽加湿后的终状态点E，读取其焓值hE。

根据冬季设定空间的热负荷Q′，风量G，由

(5)

可确定冬季的送风状态点O′。由此，可确定加热器提供的加热量为：

Qr=G(hO'-hE)

(6)

考虑加热过程中的各种热损失及加热器的安全余量，可选择出合适的加热器型号。由于本实验设备比较小，加热设备可选择体积小、安装灵活、不需外部热源的电加热器。

1.2.3 加湿器的制作

由于本实验台的加湿量比较小，市场上没有合适的加湿器成品，需自己制作。根据加湿过程中的点C′和点E的含湿量值dC′、dE，可确定加湿量m为：

m=G(dC′-dE)

(7)

为了加工方便，加湿器的形状可选择方形或矩形，高度可根据容器内电加热丝的安装位置、水位控制器对最高水位和最低水位的要求及蒸汽所占空间要求而定。为了确保蒸汽按照一定规律释放，使空气加湿均匀，加湿器的顶盖上开有一定数量、分布均匀的圆孔，加湿器的宽度和长度根据加湿量m、喷汽孔径的大小、数量、相邻两孔间的间距、空气流经的宽度等参数来确定。

1.2.4 风机的选型

风机的型号与风量和压损有关。对于实验台来讲，由于控制空间的区域非常小，所需风量也比较小，对于相应风量的风机全压无法克服风系统中最大压损的要求。因此，风机在选型时，实际选择的风机型号会比理论型号大很多。但为了使输送风量满足要求，在风道中需设置风阀，以便按要求调节风量大小。

1.3 控制柜的制作

1.3.1 控制设备选型

根据组合式空调器的控制要求，需要检测的参数有设定空间的温度和湿度、加湿器水槽的水位、外部环境温度、送风温度、压缩机的吸/排气压力等；需要控制的设备有制冷设备、冬季空气再热用加热设备、空气加湿用加热设备、送风风机、补水电磁阀等；另外，还要考虑到主令开关数量、显示信号数量等。计算出输入信号和输出信号的数量，考虑适当的余量系数，最终选择欧姆龙公司的CP1H-XA40DR-A型一体式高功能可编程控制器和NT5Z-ST121B-EC型触摸屏作为主要控制设备。根据控制要求编写可编程控制器程序和触摸屏控制、监控画面程序，达到组合式空调器的控制要求。

1.3.2 控制柜的制作

控制柜的制作重点在控制面板的设计、制作以及控制柜内控制元件的布局。控制面板上设有紧急停止按钮、启动/停止按钮；设有电源指示灯、压缩机工作状态指示灯、空气再热用加热设备工作状态指示灯、空气加湿用加热设备工作状态指示灯、送风风机工作状态指示灯、补水电磁阀工作状态指示灯、压缩机高压报警指示灯；显示仪表设有电压、电流仪表。所有的按钮、指示灯、仪表和触摸屏合理地布置在面板上。可编程序控制器、设备驱动继电器等安装在控制柜内。

2 组合式空调器的功能

通过以上设计、计算、选型、安装及调试，该组合式空调器实验台可以实现以下实验：

1)风量的测定实验

使学生感性地认识到风量的调节过程，熟悉一些热工测量仪器设备的功能及使用方法。

2)干、湿球温度的测量与露点温度的测量实验

通过该实验设备可不断地改变测量条件，测量不同的温度结果，使学生对比、分析自己测量的数据，从而加深学生对湿球温度、露点温度等抽象概念的理解及应用。

3)夏季空气冷却减湿处理过程实验、冬季空气加热处理过程实验、冬季空气加热加湿处理过程实验

学生通过直观地观察、感受空气的不同处理过程，掌握空气调节的基本方法和技能，同时，通过不同空气处理过程的控制，也可实现不同的空气温、湿度控制目标，满足不同的参数要求。

4)空气处理过程的控制实验

在控制柜的触摸屏上设有压缩机运行状态监控画面，可以实时显示压缩机的启/停状态、吸/排气压力数据；设定空间温度、湿度监控画面可以实时显示温度、湿度数据；空气再热器工作状态监控画面可以实时显示加热器的开、停状态；空气加湿用加热设备工作状态监控画面可以实时显示加热器的开、停状态；送风风机工作状态监控画面可以实时显示风机的开、停状态；补水电磁阀工作状态监控画面可以实时显示电磁阀的打开、关闭状态。触摸屏画面直观、清晰、实时显示。通过由表及里的引导和启发，让学生掌握实现每一个空气处理过程采用的控制方法、控制手段以及编程方法，最终让学生掌握其控制原理。

3 结束语

基于一次回风空气处理过程研发的小型综合组合式空调器教学实验台，具有占地面积小，操作灵活，直观性强的特点，而且成本较低，可有效降低学校的实验设备投入。除此之外还可实现以下价值：(1)小型综合组合式空调器教学实验台可以完成多项实验，增强了知识的综合性[12]、实践性和创新性。(2)小型综合组合式空调器教学实验台的研发实现了空气调节等课程的CDIO工程教育新模式的开发，深入实践了CDIO工程教育新模式的“教、学、做”一体化的教学过程。

[1]顾学雍.联结理论与实践的CDIO——清华大学创新性工程教育的探索[J].高等工程教育研究，2009(1):11-23.

[2]左远志,蒋润花,杨小平.以创新设计为导向的CDIO工程教育培养模式[J].东莞理工学院学报，2010(6):118-122.

[3]陈冬松，孙阳春.CDIO工程教育模式下的工科院校人才培养途径[J].现代教育管理，2011(11):34-37.

[4]潘柏松,胡珏,秦宝荣.基于协同理论的CDIO工程教育模式探索[J].中国大学教学，2012(5):35-38.

[5]韩雁，冯兴杰，梁志星，等.CDIO工程教育模式下的教学效果分析[J].中国民航大学学报，2012(4):38-41.

[6]谢涛.CDIO教育模式下建筑学美术基础教学[J].高等建筑教育，2012(4):81-84.

[7]张岩.基于CDIO模式下高职院校文科专业教学模式改革初探[J].淄博师专学报，2012(3)：49-51.

[8]郭皎,鄢沛,应宏，等.基于CDIO的计算机专业实验教学改革[J].实验技术与管理，2011，28(2):155-157.

[9]朱向庆,胡均万，曾辉，等.CDIO工程教育模式的微型项目驱动教学法研究[J].实验技术与管理，2012，29(11):159-162.

[10]张旭涛.建筑环境与设备工程专业本科生综合性实验教学实践[J].中国科教创新导刊，2008(14):170.

[11]杜娟丽,刘群生,王琳.基于CDIO模式下高职院校“空气调节”课程改革[J].职业教育研究，2013(8):46-48.

[12]李素琴,纪楠,纪宏茹.发达国家高等教育课程改革的特点及启示[J].科技信息，2008(12):152-153.

Design of Comprehensive Teaching Experiment Device for Combined Air Conditioner

DU Juanli，CHENG Huarui，LIU Qunsheng

(Department of Food Engineering, He’nan University of Animal Husbandry and Economy, Zhengzhou 450011, China)

Teaching experiment equipment is the basic condition to realize good practice teaching effect. It is an important safeguard to improve the students’ learning interest, to raise students’ thinking ability, to strengthen the practical operation skills. In order to improve the quality of air conditioning professional personnel training, the teaching experiment device of combined air conditioner is designed, which is based on the requirement of air parameters for a specific space. The experiment equipment can achieve various airs handling process, such as cooling and dehumidification, heating, humidifying. At the same time, it can realize the air parameters control, level control, air volume control Etc. And it can provide effective experimental conditions for teaching and science, as well as provides strong guarantee for “integration of teaching, learning and doing” teaching system development of new CDIO engineering education mode.

combined air conditioner; comprehensive teaching experiment device; design; CDIO mode

2014-05-12；修改日期: 2014-08-19

河南牧业经济学院教研基金资助项目(MJG20140207)。

杜娟丽(1979-)，女，硕士，讲师,主要从事制冷空调方向的科研与教学工作。

TB657.3

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.067