建筑設備自動化課程建設探討

張廣麗

摘要：文章對建筑設備自動化課程的教學內容架構、交叉課程之間的銜接狀況以及課堂組織等進行了探討，介紹了該課程授課內容、授課方法以及實踐環節的改革措施，同時提出了今后教學工作中需進一步完善的具體目標。

關鍵詞：建筑設備自動化；課程建設；教學研究

中圖分類號：G6420；TU6文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2016）04010004

智能建筑技術的飛速發展，迫切需要加強智能建筑科技隊伍的建設和人才培養。智能建筑全壽命周期過程中，自動控制設計人員需要與建筑、制冷、空調、給排水電氣設計人員配合，需要暖通空調工程師提供工藝資料以及控制系統所需要的信號與要求， 在工藝設計過程中為實現工藝的自動控制創造基本條件。這就要求建筑設備專業工程師要懂自控，自控工程師要懂工藝，否則會導致智能建筑達不到預期的功能和節能效果。因此，建筑設備工程師必須是建筑學科與電控學科交叉的復合型人才[1]。

由于智能建筑技術的發展，自1999年原暖通燃氣等專業改組為建筑環境與設備工程專業后，建筑環境與設備工程專業指導委員會在拓寬專業知識面和構筑專業教育知識平臺的基礎上，增設了建筑設備自動化課程[2]。2013年， 原建筑環境與設備工程專業再次改組為建筑環境與能源應用工程專業，該專業指導委員會出版的《高等學校建筑環境與能源應用工程本科指導性專業規范》（以下簡稱《規范》），進一步明確了建筑設備自動化課程的專業地位[3]。根據該專業指導委員會意見，建筑設備自動化課程是建筑環境與能源應用工程專業的一門專業課，該課程應作為必修課程。新的培養目標要求該專業的學生不僅能從事暖通空調制冷技術工作， 還能從事建筑設備自動化工程的部分技術工作[1]。建筑設備自動化課程作為一門交叉學科課程，課程的建設關系到該專業在實際工程應用中能否發揮更好的作用，該課程內容在提升智能建筑的節能水平、安全水平、設備使用壽命等方面起著至關重要的作用。

建筑設備自動化課程不同于其他專業主干課程的最主要原因在于，它是一

門涉及多個學科的交叉課程，與其相關的基礎課程包括：電工與電子學和自動控制原理；相關的專業課程則可將暖通空調專業的所有專業課囊括在內。一門內容包羅萬象的“大”課，在實際課程教學中卻往往受到學時的限制，多數學校該課程授課學時數在32～48學時不等。因此，該課程在教學內容、授課方式、實踐環節等方面都有較大的改善空間[2-4]。在多年的教學實踐中，筆者對該課程的教學內容、交叉課程之間的銜接以及課堂組織等方面進行了總結和探討，以便更好地指導今后的教學工作。

一、確定課程內容，便于課程之間的交叉銜接

與建筑設備自動化課程前端聯系最為緊密的，當屬自動控制原理課程。自動控制原理課程是自動控制專業一門必修的專業基礎課程。自動控制原理課程教學目的是幫助學生建立經典控制理論部分的基本概念，掌握和了解其基本理論和方法及其對系統的改善。厘清自動控制原理和建筑設備自動化的緊密關系，有助于學生對這一系列課程知識的融會貫通。上述兩門課程的銜接方法有以下兩點需要注意。

（一）針對經典案例，重建數學模型

事實上，學生修完自動控制原理課程后，印象最深刻的內容可能是傳遞函數以及各種變換，但對數學模型的建立方法尚未很好地掌握，主要的障礙在于此學習階段尚未接觸到專業的典型控制調節對象，如空調房間、各種空調換熱設備，以及相應的風水輸配系統，更談不上對這些典型控制調節對象的深刻認知。針對這一狀況，建筑設備自動化課程在內容構建上，必須注重起到承上作用的數學模型的建立這一環節，建模環節中，重點應突出幾種典型的專業仿真數學模型。從暖通實際問題案例入手，建立數學模型，數學模型應是對實際問題的抽象提煉。而對數學模型的簡化，既要合理，又不能因此而掩蓋事物本質特性。將自動控制原理課程中抽象的數學模型專業化、具體化是建筑設備自動化的首要任務，并以此有效建立兩門課程之間的緊密關系。典型的案例包括：恒溫水箱、恒溫（恒濕）的空調房間、換熱器等，部分可參照文獻5中的案例。

（二）針對經典案例，應用各種控制規律

自動控制原理課程中學習各種控制規律時，難以將實際控制案例中對控制硬件的要求體現出來，如雙位控制的規律，很難將執行器的通斷頻率和容量有限性（飽和性）體現出來。在建筑設備自動化課程中，除了可以將各種控制規律與暖通空調專業具體的案例相結合，還可以將所涉及到的傳感器、執行器特性對控制結果的影響體現出來。因此，在典型空調案例的數學模型、控制規律學習過程中，可以一并將涉及到的典型傳感器、執行器特性引入介紹。除此之外，也可將相關的計算機控制的部分內容作簡單介紹。在有關“承上”的內容中，涉及到的課程內容包括自動控制系統的基本概念和術語、不同調節方法的特點、常用傳感器和執行器以及部分計算機控制等相關內容。

考慮到建筑設備化課程通常與各專業課如空氣調節課程、供熱課程在同一個學期開設，而建筑設備自動化課程的工程應用部分內容，則和這些課程所描述的系統緊密相關，這部分為“啟下”內容。學習“承上”部分內容的目的正是為了更好地掌握“啟下”部分內容。“啟下”部分內容包括常規暖通空調系統的自動化監控方式，具體有暖通空調系統控制、冷熱源與水系統控制、其他建筑設備系統控制。以上所述的具體內容，均是《規范》建議的建筑設備自動化課程的核心知識點。

（三）針對培養目標，建構適合該專業的自動化課程內容

尤其應該指出，雖然建筑設備自動化課程不僅涉及計算機技術、網絡通信技術和自動控制技術，而且涉及建筑技術、建筑環境技術、建筑設備技術等諸多技術，是多學科的典型結合，但建筑設備自動化課程是針對建筑環境與能源應用工程專業學生開設的，因此在課程內容構建上應該考慮到授課對象的需求、知識結構等情況。

雖然建筑設備自動化課程的核心內容是計算機自動控制、計算機網絡、建筑設備自控網絡數據通信標準和系統集成，其中計算機自動控制和計算機網絡是建筑設備自動化的基礎理論， 建筑設備自控網絡數據通信標準和系統集成則是建筑設備自動化的特有理論[2]。但對建筑環境與能源應用工程專業而言，從實際工程應用角度來看，自動控制專業人員需要與建筑、制冷、空調、給排水電氣各專業設計人員配合，才能更好地完成建筑設備自動化系統的設計。

該專業學生的學習重點應該是對各相應

專業的控制問題提出優化的控制方案，確定控制參數，配合控制工程師設計建筑設備自動控制系統。具體到暖通空調專業，暖通空調工程師需要提供與專業相關的工藝資料，以及控制系統所需要的信號與要求， 配合自動控制設計人員在工藝設計的過程中為實現工藝的自動控制創造基本條件[1]。高等學校建筑環境與能源應用工程專業教學指導委員最新的本科指導性專業規范，規定建筑自動化課程內容中的通訊網絡技術和樓宇自動化的相關內容只作為學生了解的內容，側重自動控制的內容應當選擇與該專業關聯性大的部分，從整體設計出發介紹建筑自動化系統的通信技術、設計過程、分析整定方法和一些關鍵性問題[6]。

因此，建筑環境與能源應用工程專業的建筑設備自動化課程，應著眼于暖通空調制冷工藝系統， 為自動控制技術人員提供有關暖通空調制冷的技術信息。課程應以暖通空調制冷控制系統為主線，與此相關的控制設備、控制策略、計算機網絡技術也應涉及，將重點放在控制策略和控制優化方面，通過優化的控制策略，建筑設備自動化系統在實際工程應用中會更加安全、更加節能，也更有利于延長設備的使用壽命。而對于其他專業的內容，如建筑給排水監控系統、消防與安全防范系統、電氣設備監控系統等內容，則可根據學時數僅作一般介紹。

另外，為獲得更好的教學效果，以自動控制為主的教學內容由建筑電氣自動化專業的教師擔任主講，而涉及建筑設備系統部分專業背景和專業特征明顯的內容由建環專業的教師擔任主講，兩個專業的教師相互配合，共同完成教學任務。

二、引入仿真工具，提高學習效果

上文中談到鑒于自動控制原理與建筑設備自動化課程的緊密關聯度，必須將自動控制原理中學到的各種控制規律，有針對性地應用到具體的建筑設備自動化課程專業經典案例中。Matlab的simulink仿真工具箱則可以將控制規律、控制過程直觀地呈現。基于Matlab的“自動控制原理”或者“建筑設備自動化”仿真實驗系統，可以在一定程度上彌補實驗室硬件建設的不足，為課程實驗提供良好的實驗平臺。

仿真實驗應以典型專業案例為切入點，建立相應的數學模型，選用合適的控制規律，即可完成相應控制案例的傳遞函數圖。數學模型和實際控制規律結合后，最終通過仿真平臺實現，可通過仿真工具直觀地觀察執行器的動作規律，以及最終控制結果的動態過程。圖1所示為某雙位控制的恒溫水箱的仿真圖。

對這一控制對象，應用各種不同的控制規律，獲得不同的或者相同的控制結果，可要求學生對各種規律與結果之間的關聯進行分析總結。若動態過程偏離了預期目標，也可進一步修正控制規律，以掌握控制規律與控制結果之間的關系。

圖1某恒溫水箱simulink仿真示意圖

考慮到課程學時較少，學習周期較短，要求仿真的內容可布置為大作業。作業可采用分組討論完成的方式，對同一控制對象， 采用不同控制調節規律，給出動態控制結果，并通過變化控制參數，給出不同控制策略下的控制結果。

教學過程中應考慮采取更為高效的教學方法。對仿真實驗案例的教學方法，若僅采用單純的課內演示方式，則學生的積極性不高，參與度也不夠，課堂效果不會理想。可通過分組討論的形式，最終要求提交大作業報告，通過這種方式將學生積極性有效調動起來。將學生分成小的學習團隊，并且通過報告答辯的形式計入成績考核，使其獲得一定的成就感，

以提高學生的參與度，

這樣不僅可提高學生分析和解決問題的能力，同時激發學生學習課程的積極性，使學生與教師形成良好的互動，教學效果自然提高很多[7]。通過提交大作業報告的方式，還可以提高學生的科研類報告的寫作水平，鍛煉學生的邏輯思維能力。

三、加強實踐環節，提高學生的工程能力

《規范》提出的專業培養目標是培養具備從事本專業技術工作所需的基礎理論知識及專業技術能力，在設計研究、工程建設、設備制造、運營等企事業單位，從事采暖、通風、空調、凈化、冷熱源、供熱、燃氣等方面的規劃設計、研發制造、施工安裝、運行管理及系統保障等技術或管理工作的復合型工程技術應用人才。建筑設備自動化是一門實踐應用性很強的課程，課程教學中應加強學生工程應用能力的培養。可通過以下三個方面強化實踐環節。

（一）實驗室建設

實驗室建設可以從兩方面著手： 一方面，可通過系統仿真進行虛擬實驗室的建設；另一方面，以實際空調系統形式為基礎，進而開展相應的控制系統硬件的實驗室建設。

建筑設備自動化課程的實驗室建設必須和其他專業課的專業實驗內容相結合，如空調水系統的自控、變風量系統的自控、一次回風空調系統、自控系統等，應和各個專業課實驗室

建設有機統一起來。實驗教學的基本內容可包含各種具體的暖通空調系統傳感器、執行器的特性，控制規律的特性，控制參數的整定等。

（二）課程設計

課程設計是建筑設備自動化課程教學的重要環節，該環節直接關系到學生的實踐能力和綜合素質。《規范》也明確對指導教師提出了要求，要求承擔專業基礎課程或專業課程教學的主講教師，同時要能夠承擔與課程相關的實驗課教學和課程設計的教學指導。

課程設計是培養學生學以致用的重要環節，也是課程教學的一個重要環節。通過課程設計可以激活學生的理論知識，培養學生理論聯系實際和解決實際問題的綜合能力，為學生參加實際的設計和管理工作奠定良好基礎。

結合建筑設備自動化課程設計實踐，設計選題應與相應的空氣調節課程設計一并完成。通過課程設計切實提高建筑設備自動化課程教學水平和學生綜合能力[8]。

（三）認識實習

除實驗課外，還可以與從事相關專業領域的企業加強交流，組織學生實地參觀學習，爭取將企業建設成為學生實踐培訓基地。通過參觀建筑設備自動控制系統的實際工程，把相應的自動控制技術與具體建筑設備自動控制產品相結合，讓學生更直觀地了解建筑設備自動化的實際作用，以激發學生的學習興趣[9]。

四、結語

基于以上分析，建筑設備自動化課程內容應分三部分：第一部分內容為“承上”部分，應構建與自動化控制課程的有效銜接，自動化控制課程的各種規律，包括雙位控制、PID控制、串級控制等，可借助暖通空調控制中的經典案例進行分析；第二部分借助仿真軟件，進行經典案例的仿真與討論；第三部分為常規暖通空調系統的自動化監控方式。

應該明確的是，以上是針對建筑環境與能源應用專業本科生所構建的建筑設備自動化課程內容，需要注意的是，即使課程名稱相同，但當授課對象不同，其授課內容也應該作相應調整。

建筑設備自動化課程教學中應引入相關仿真軟件，采用合適的學習形式，加深學生對課程知識的理解。還可適應互聯網時代的教學特點適當增加討論課，讓學生在互動中獲取更多的知識。

今后建筑設備自動化課程教學應根據實際教學需要，進一步完善適合各學校專業學生的課程講義、仿真案例等資料，加強實驗室建設，為相關專業課程教學提供良好

平臺。

參考文獻：

[1]李炎鋒，賈衡，孫育英，等.建筑環境與設備工程專業建設智能建筑控制輔修課程體系的研究與實踐[J]. 高等建筑教育， 2007，16（1）：79-84.

[2]董春橋，袁博，張亞男，徐玉黨.“建筑設備自動化”課程建設探討[J].暖通空調， 2006，36（7）：49-51.

[3]高等學校建筑環境與設備工程學科專業指導委員會.高等學校建筑環境與能源應用工程本科指導性專業規范[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[4] 伍培，鄭潔，付祥釗，彭宣偉.建筑環境與設備工程專業開設智能建筑課程的思考[J].高等建筑教育，2007，16（5）：117-120.[5]江億.建筑設備自動化[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[6] 李祥立， 李蘆鈺， 舒海文. 建筑設備自動化課程教學方法探討[J].高等建筑教育， 2015，24（4）：87-89.

[7]屈婉瑩，魏為民，徐曉麗.”自動控制原理”課堂實例仿真軟件設計[J].上海電力學院學報，2014， 30（4）：357-360.

[8]馮增喜，于軍琪，何波，等.建筑設備自動化課程設計教學實踐與研究[J].長春工業大學學報：高教研究，2011，32（3）：46-47.

[9]王海濤，王軍，陳雁，等.建筑設備自動化教學存在的問題及對策[J].中國冶金教育，2014（2）：23-24.