流體輸配管網課程建設與教學方法

摘要：分析流體輸配管網課程在建筑環境與設備工程專業培養方案中的位置與作用、與其他主要課程和實踐教學環節的關系，重點討論課程內容的優化方法，對課程的教學重點、難點及其處理方法進行分析，提出對任課教師的知識與能力要求。

關鍵詞：流體輸配管網；建筑環境與設備工程；課程建設；教學方法

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2013）01-0098-04

面對21世紀國際國內對人才的新要求和國家對本科專業的調整，原暖通、燃氣、建筑設備3個本科專業通過教育教學改革，整合為建筑環境與設備工程專業。教學改革的關鍵問題之一，是從原3個專業近20門相互交叉、重疊的專業課中，凝練建筑環境與設備工程專業核心課程，組成新的課程體系。在全國高校建筑環境與設備工程專業指導委員會的指導下，重慶大學經過深入分析研究和廣泛交流，承擔了流體輸配管網課程的創建任務。13年來，筆者所在的流體輸配管網課程教學團隊在課程內容體系、教學方法改革、教學資源建設等方面不斷探索、實踐，課程已建設為重慶市精品課程、全國土建學科教學指導委員會和重慶市推薦國家級精品課程。在此，筆者希望拋磚引玉，集思廣益，將課程建設推到一個新的高度。

一、課程在專業培養方案中的地位、作用及其與其他課程的關系

（一）課程在專業培養方案中的地位和作用

建筑環境與設備工程專業各種工程問題有兩類：流體輸配和熱質交換，流體輸配管網課程是建筑環境與設備工程專業的一門核心專業技術平臺課程[1-2]，它建立在專業基礎課程流體力學基礎之上，主要講述建筑環境與設備工程專業所涵蓋的暖通空調工程、城市燃氣工程、供熱工程、冷熱源工程、建筑給排水工程、建筑消防工程、工廠動力工程等工程中共同的流體輸配原理、管網系統的設計與調控方法。學生通過本平臺課程的學習，可理解流體輸配管網在專業中的重要性，了解流體輸配管網在各種工程中的作用及其與工程其它組成部分的相互關系，并通過生產實習、畢業設計等實踐教學環節的配合，掌握管網系統設計計算、工況分析、調試和調節的基本理論和方法，形成初步的工程實踐能力。

（二）與其他課程間的關系分析

與建筑環境與設備工程導論課程的關系。建筑環境與設備工程導論是必須的先修課程。學生通過建筑環境與設備工程導論課程的學習初步建立“工程”的基本概念，了解建筑環境與設備工程專業的作用，了解解決該專業工程問題的大致方法和途徑，以及關于該專業工程系統組成的概略認識，幫助學生認識管網的基本構成、各構成的基本功能和相互關系，正確理解流體輸配管網在該專業的重要性。

流體輸配管網課程是暖通空調課程、燃氣輸配課程的先修課和平臺課。這兩門課程中包含的共通性的實現流體輸送、分配的基本原理，管網設計與分析計算方法，流量、壓力調控方法在流體輸配管網課程教學中提前講述。涉及到的上述理論知識可不必在其他課程中重復講解，但需要講清楚在不同工程問題中，流體輸配管網的作用、承擔的流體輸配任務、基于工程具體特點對管網的特殊要求、與其他理論技術的聯系，以及解決實際工程問題所需的綜合方法。

與認識實習和生產實習的關系。認識實習實踐環節應在課程開課之前設置，幫助學生認識流體輸配管網的基本組成及各部分的功能。課程應在生產實習之前修完，生產實習環節最好安排工程管網系統運行調試，幫助學生鞏固課程所學的理論知識，并通過理論與實踐相結合，形成初步的管網工程運行調節與管理能力。

與畢業設計環節的關系。提供畢業設計開展管網設計水力計算、動力裝置匹配、水力工況分析、工況調節方案制定的基本理論與方法。畢業設計提供學生應用上述相關理論解決實際問題的實際案例，使學生在實際應用中體會理論與方法的應用過程，在實踐中形成計算與分析實際工程問題的能力。

二、課程教學內容的優化

（一）課程教學內容優化分析

教學內容的優化主要基于以下幾方面。一是始終圍繞課程屬于本專業技術“平臺”課程這一地位及其任務，提煉“共性”；二是圍繞培養學生善于解決問題的實踐能力的基本要求；三是及時吸納本學科領域的學術研究、工程技術創新成果。經過十余年教學實踐和三個版次國家級規劃教材、教學軟件與學習輔導教材編寫過程的探索，提出如下教學內容優化方案。

1.加強流體輸配管網功能與作用的講述

增加緒論部分，引導學生認識流體輸配管網的任務、基本要求及在本專業中的重要性，并將第1章由原來的“流體輸配管網類型與裝置”改為“流體輸配管網的功能與類型”，幫助學生理解“功能需求決定流體輸配管網的類型和裝置”。

2.加強流體輸配管網共性的提煉

在流體輸配管網的功能與構成、分類、管網之間的連接、管網水力特征與水力計算、泵（風機）與管網的匹配、管網水力工況分析與調節等方面努力提煉共性。將各種形形色色的管網歸納為開式與閉式、枝狀與環狀兩大分類。在管網系統中應用能量平衡的原理，通過引入虛擬管道和虛擬閉合的概念，對各種枝狀管網建立閉合回路能量方程，從而構建通用的管網水力計算、水力工況分析和管網調節理論。將管網的動力按照其特性分為重力作用力和壓力兩大類，并歸納出兩類動力對管網流體驅動的共同性與不同點，及其對管網設計與運行的影響。

3.加強管網調節的內容

按調節的目標將管網調節分為初調節與需求工況變化調節兩類，分析兩類調節目標的共同點與不同點。按調節的措施將管網調節分為閥門調節與動力性能調節兩類。分析兩種調節措施對應功能部件——調節閥門和動力裝置的固有特性及其在調節過程中的變化特征，歸納兩類調節措施的優勢、不足與適用場合。

4.加強案例分析在課程中的比重

在專業理論的教學中，用典型工程案例來反映抽象內容，能起到事半功倍的作用[3]。將案例及對案例的分析貫穿全部章節，并在課程主要理論體系的教學內容完成之后，增加一章，結合典型案例，系統分析、講解如何應用課程理論與方法解決工程問題，使學生整體把握課程的基本概念、基本原理與理論體系。

（二）課程教學內容優化結果

優化后的教學內容按8章安排，各章節的內容如下。

第1章緒論，包括工程中的流體輸配管網、流體輸配管網在建筑環境與設備工程中的作用。第2章流體輸配管網的功能與構成，包括氣體輸配管網的功能與裝置、液體輸配管網的功能與裝置、相變流與多相流管網的功能與裝置、流體輸配管網的基本功能與基本構成、流體輸配管網的基本類型。第3章流體輸配管網的水力特征與水力計算，包括氣體輸配管網的水力特征、液體輸配管網的水力特征、多相流管網的水力特征、流體輸配管網的水力共性、流體輸配管網水力計算的基本原理、枝狀管網水力計算方法、枝狀管網工程水力計算案例（選學內容）。第4章泵與風機的理論基礎，包括離心式泵與風機的基本結構、離心式泵與風機的工作原理及性能參數、離心式泵與風機的基本方程——歐拉方程、泵與風機的損失與效率、泵與風機的性能曲線及葉型對性能的影響、相似律與比轉數、其他常用泵與風機。第5章動力和調節裝置與管網系統的匹配，包括管網系統中動力裝置的工作狀態點、單級動力源枝狀管網動力裝置的匹配、多級動力源枝狀管網動力裝置的匹配、調節閥的流量特性及其與管網系統的匹配，動力裝置與管網系統匹配案例（選學內容）、節閥配置案例（選學內容）。第6章枝狀管網水力工況分析與調節，包括管網系統的壓力分布圖、枝狀管網水力工況分析方法、枝狀管網水力工況調節、枝狀管網水力工況分析與調節案例（選學內容）。第7章環狀管網水力計算與水力工況分析，包括管網圖及其矩陣表示、恒定流管網特性方程組及其求解方法、環狀管網的水力計算與水力工況分析方法、環狀管網的調節閥與動力裝置的匹配、環狀管網水力計算、水力工況分析與調節案例（選學內容）。第8章流體輸配管網的工程應用案例（選學內容），包括城市熱（冷）力管網案例、城市燃氣管網案例、空調（采暖）冷（熱）水輸配管網案例、通風管網工程案例、建筑給排水管網工程案例、公共建筑流體輸配管網節能工程案例。

課程宜安排的實驗包括管網系統壓力分布與特性曲線測定實驗、動力裝置性能測定實驗、管網系統工況調節實驗。

根據各學校和課程教師的具體情況，選擇1個或以上實際工程進行全面案例剖析，主要從管網的功能要求、構成、布置原則和方法、水力特征、管網設計計算、實現管網功能和保障管網可靠運行的重要技術手段與裝置匹配、管網的調試與調節方案、應用情況等方面展開。

按照教學計劃，課程3學分，教學進程安排在第5學期，理論教學48～54學時，各章學時分配建議為：第1章1學時；第2章5學時；第3章6～10學時；第4-7章各6～8學時；第8章6學時。宜另安排課程實驗3～4個，每個實驗2學時。

三、課程的教學重點、難點及其教學處理方法

（一）教學重點

管網系統的型式及其附屬裝置的作用；管網系統的共性特性；氣體、液體、多相管流水力特征、共性與特性；管網系統水力計算的基本原理和水力計算方法；不同類型管網、不同條件下的水力計算方法選擇與步驟、共同點與區別；離心式泵與風機的基本方程、性能曲線、相似律及其應用；泵與風機在管網系統中的工作點、工況調節、性能曲線；管網系統動力裝置（泵與風機）的選擇與匹配；管網系統特性曲線的獲得、影響因素及調整方法，管網系統的壓力分布規律、壓力分布圖的繪制與應用；管網系統的水力工況分析方法，應用調節閥和動力裝置進行管網調節的方法；管網圖的有關概念，圖的矩陣表示，恒定流管網特性方程組，環狀管網的水力計算及水力工況分析方法，環狀管網的水力計算及水力工況分析軟件的使用方法。

（二）教學難點

認識各種管網的共性和特性；壓力和重力綜合作用下的氣體管流水力特征；兩相流不同于單相流管網的水力特性，三種兩相流管網的共性和特性；均勻送風管道設計，從掌握一種液體管網的水力計算推廣到掌握其它各種液體管網的水力計算；泵與風機的理論性能曲線、實際性能曲線、無因次性能曲線的工程意義和使用方法；泵與風機的系統效應及其對泵與風機選用的影響，泵與風機的理論性能曲線、在管網中的實際工作性能曲線、標準試驗獲得的性能曲線的區別與聯系，工程應用中的要點；管網系統特性曲線、管網壓力分布圖的繪制、分析和應用；各類管網系統的定壓、調壓原理；調節閥的應用方法；網絡理論及其在管網分析中的應用。

（三）重點、難點內容的教學處理方法

（1）緊密結合工程案例進行理論教學。課程基本理論與方法來源于工程實際，學習的目的也是為了應用這些理論和方法解決實際問題。因此，在教學中緊密結合工程實例，引出解決問題的方法，講解相關理論的抽象過程及實際應用。結合案例講解的基本原則是案例要典型、有代表性，講解透徹，切忌羅列案例；同時又要引導學生分析不同類型管網的區別和聯系，使學生逐步形成“觸類旁通”的分析能力。

（2）注重充分聯系先修課程和實踐環節，聯系已學的理論知識和感性認識儲備。在教學過程中，注重講解流體力學中的基礎理論與該課程有關理論、方法之間的聯系與區別。如流體力學中的能量方程、流動阻力的計算是針對一個流動段落的兩個斷面，而該課程將其擴展到管網中的任意回路。通過對比促進學生掌握該課程的重點、難點，使學生悟出流體力學基礎理論的作用。

（3）加強實驗環節教學，特別是綜合性的實驗環節，并要求學生對理論知識和自己動手獲得的實驗結果進行比較對照，加深理解。

（4）布置適當的與工程案例相結合的課后作業，使學生在完成作業的同時“體驗”理論方法的應用過程，加深理解，并逐步掌握其應用方法。

四、對任課教師知識和能力的要求

具備堅實的流體力學、流體輸配管網理論基礎；了解專業全局和專業人才培養模式與規格要求，清楚專業課程體系及各門課程、各實踐環節在人才培養方面的作用，掌握所承擔的課程與其他課程或教學環節的銜接關系；具有豐富的工程實踐經驗，理解工程實踐對人才能力的需求； 具有新思想、新觀念，了解學科前沿和發展動態，具有工程新技術研發經歷和能力。

參考文獻：

[1]付祥釗.建筑環境與設備工程專業本科教育設置平臺課程的研究[J].高等建筑教育， 2004，13（3）： 58-60.

[2]肖勇全，張志剛，朱穎心，等.建筑環境與設備工程專業中平臺課程體系構建與教學實踐[J ].高等建筑教育，2003，12（2）：39-42.

[3]朱穎心，石文星.對工科專業課程教學方法的思考[J].高等建筑教育， 2011， 20（5）：78-82.

Curriculum construction and teaching methods for fluid pipe network

XIAO Yi-min， FU Xiang-zhao

（Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China）

Abstract：We analyzed the position and role of the fluid pipe network course in the training program of building environment and facility engineering specialty， discussed the relationship of this course and other main courses and practice teaching， proposed optimization methods， and put forward knowledge and competence demands for teachers by analyzing the important and difficult teaching points of the course and corresponding methods.

Keywords： fluid pipe network； building environment and facility engineering； curriculum construction； teaching methods

（編輯 梁遠華）