科研成果轉化為教學資源的研究——以變風量空調控制系統研究為例

曹振華

科研成果轉化為教學資源的研究——以變風量空調控制系統研究為例

曹振華

（陜西國防工業職業技術學院 西安 710302）

以變風量空調控制系統科研項目為背景，介紹了該科研項目的基本情況、搭建的實驗平臺及科研成果。探析了將該科研成果轉化為優質教學資源的過程及方法，通過將科研成果轉化為教學資源，有力的促進了學生的創新能力，大大增強了學生的動手能力，在很大程度上提高了高職院校的教育教學質量，為高職院校的教育教學提供了另一個可開辟的途徑。

變風量空調控制系統；實驗平臺；科研成果；教學資源

0 引言

科學研究和教育教學是高職院校工作中不可分割的兩個方面。教學工作是教師把已知的成熟的知識傳授給學生，主要是把已有的知識講解明了，讓學生能夠明白整個的知識體系以及相應的知識點，做到學有所用；科研則是老師引導學生對未知領域的研究，重在培養學生在遇到問題時如何去分析以及如何去解決的思路和能力。如果能夠將科研成果較好的轉化為教學資源，將會對學生以后走上工作崗位自立解決實際問題起到不可估量的作用，同樣，在學校期間也可以開闊學生的眼界，大大提高學生的學習積極性，激發學生的創新意識，培養學生的自我學習習慣，為以后走上工作崗位打下了堅實的鉆研并解決問題的基本能力。對學校來說，也可增加科研項目設備儀器一次性投入的重復利用，提高了科研項目的收益率。因此，如何將科研成果有效地轉化為教學資源值得所有高職院校教師的深思。

1 科研成果簡述

1.1 項目簡介

在歐美等一些工業發達國家，中央空調系統已經得到了廣泛使用，其耗能損失觸目驚心，譬如，美、英、法、澳等發達國家其國家總能耗的三分之一都是中央空調所為，瑞典甚至高達50%左右，而在我國，空調系統所占能耗更大，達到了建筑總能耗的70%左右[1]。因此對中央空調系統節能方面的研究已迫在眉睫。一個中央空調系統基本上可以通過三種方式來達到節能目的：首先是能量的回收利用；其次是利用對大氣環境污染少甚至沒有污染的清潔自然能源；最后是對空調系統本身的改造來提高其能效，其方法是根據空調的運行規律和負荷要求采用最優化的自動化控制系統，從而使空調在運行過程中達到節能效果[1]。這三種節能的方式中，除了開發清潔自然能源（新能源）外，主要還是通過最后一種方式的不斷改進來達到節能目的。

大約在20世紀60年代美國開始使用變風量中央空調系統，但由于當時舒適性空調中占主導地位的還是定風量空調系統，所以該空調系統出現后并沒有得到很快認可。直到1973年，西方國家爆發石油危機，人們才深刻認識到能源的重要性，由此推動了研究者對變風量空調系統的關注，并開始大力的去研究和發展，此后的30多年中該空調系統幾乎已經成為美國空調市場的主流產品[2]。

在變風量中央空調系統發展中，最值得關注的國家之一是日本。日本人開發研究了電磁式流量傳感器和超聲波流量傳感器等多種適用于低速送風系統的控制設備，解決了皮托管流量傳感器在4.5m/s的風速下難以測定的難題，大大的提高了該空調的節能性和靜音能力[3]。因此，90年代以后，在日本，無論是新建還是改擴建中央空調系統，基本上都采用變風量中央空調系統。

在我國，70年代初，變風量中央空調系統就在地下廠房、體育館、紡織廠等建筑中開發和應用過。到了80年代末期隨著智能化建筑的出現和發展，該空調系統也被工程設計者在建筑中使用過，但由于種種原因和問題（主要是控制復雜、設計困難等），這些工程大多都在使用兩三年后變成了定風量空調系統運行方式，其對應的自控設備等都取消了，根本沒有發揮其相應的優點，并且前期的投資也無法得到回報，造成了大量的經濟損失和能量浪費。并且給空調設計者帶來了巨大的心里陰影和打擊，從而導致該空調系統長期在我國無人問津，沒有得到相關的研究和應用。因此近幾十年來，該系統一直未能在我國普遍、廣泛的推廣。

直到最近幾年，空調設計者再次將目光集中于變風量中央空調系統，究其原因主要有三個方面：首先，目前國內中央空調系統主要采用的是風機盤管加新風系統和定風量中央空調系統這兩種。但這兩種中央空調系統都暴露出了很多的缺點，例如定風量中央空調系統由于采用的是沒有末端加熱裝置的方式，所以不能滿足各個房間的不同溫度要求。而風機盤管加新風系統可以解決這一問題，但該系統屬于冷凍水進入房間的制冷方式，其大量的凝結水會對房屋的吊頂造成污染，甚至導致其產生霉菌現象；其次，隨著智能化建筑的發展，空調房間在布置格局、功能用途、辦公設備和儀器等方面都將發生不斷的改變，這就要求空調系統也加以改變來適應其房間功能的改變，然而定風量空調系統和風機盤管加新風系統改擴建相對比較麻煩；其次，變風量中央空調系統高節能率對當今能源緊張的世界來說，充滿了大量的誘惑，倒逼空調設計者必須設計出能適應社會需求的中央空調系統。

目前，有些國外的老牌空調公司已經開始在我國上海、廣州、北京等沿海發達城市推廣變風量中央空調系統，且已經成功運行，這應該得到我國空調設計、研究者的警惕。變風量中央空調系統必定是未來空調業發展的主流方向，相信國內的設計、研究者沒有人愿意把我國這么大的市場讓給外國設計、研究者去做。實際上，對該系統來說，設計的難點在于控制系統，這也是該系統在智能建筑中不能按設計計劃運行的關鍵原因所在[4]。因此，解決變風量空調系統控制問題是設計、研究者的重中之重。因此，本科研項目以VAV空調系統怎樣選擇最佳的自動控制問題作為研究的對象，進行深入研究，以探討該類空調系統面臨的節能問題。

本項目研究及擬解決的核心問題：

（1）建立空調控制系統數學建模，包括常規PID控制系統模型和模糊PID控制系統模型。

（2）設計常規PID控制系統，通過MATLAB進行該控制系統的動態仿真，并對其仿真結果進行分析。

（3）設計模糊控制和PID控制系統相結合的控制方式，通過MATLAB進行該控制系統的動態仿真。并對其仿真結果進行分析。

（4）對兩種控制系統的動態仿真結果進行比較分析，得出相關結論，為以后研究設計變風量空調控制系統提供相關依據。

1.2 本項目研究需搭建的實驗平臺

（1）課題組通過搭建了以下幾個實驗平臺很好地對該項目涉及的幾個問題進行了研究：

（2）搭建變風量空調控制系統實驗臺，對空調控制系統的幾種方案進行實驗研究，確定方案的正確性和可行性；

（3）搭建常規PID控制系統試驗臺，并進行仿真研究，分析其控制運行結果；

（4）搭建模糊控制和PID控制相結合的控制系統，并進行仿真研究，分析其控制運行結果。

1.3 項目研究最終科研成果

該項目通過對變風量空調控制系統采用常規PID控制和模糊PID控制下的仿真結果進行分析、比較，得出以下三個研究結論：

（1）當給定被控空調房間值為24℃時，模糊自適應整定PID控制與PID控制相比，具有更快的動態響應、更小的超調。

（2）當某些條件發生變化時，被控對象的結構參數也會隨之發生變化。用一般的PID控制就會出現振蕩現象，達不到預期的控制效果。而采用模糊自適應整定PID控制就可以通過控制參數的自整定能力達到較好的控制效果[5]。從能量損耗角度來分析，由于模糊PID控制的響應時間快，超調量小，因此所需的送風量更與實際負荷的需要相接近，能夠更好的達到了舒適與節能的效果。

（3）結果顯示模糊自適應整定PID控制方法要優于目前普遍使用的PID控制方法，為設計和研究人員深入研究變風量空調控制系統提供了一定的參考價值。

2 本科研成果轉化為教學資源的應用

項目組全體人員團結合作，投入了大量的精力，在廣泛調研查閱有關文獻的基礎上，高水平、高質量地完成了本項目的研究，并在隨后的實驗教學中不斷地充實完善，取得了滿意的成果。

（1）在某些課程的理論和實驗教學中，可以利用本科研成果進行理論和實驗教學。比如，空調自動化控制技術、中央空調工程技術這兩門專業核心課，在教學中如果能很好的利用此研究成果，將會起到事半功倍的效果。例如，在空調自動化控制技術課程教授過程中，在有關空調PID控制器、模糊控制器及模糊控制加PID控制器等理論時，以前在課堂上只是理論講解，對教師來說，很費勁，但學生還不理解，現在可以直接利用此項目的實驗平臺進行演示，其區別和相同點很直觀的顯示出來了，對學生來說，大大地加深了對三者控制系統的理解力和印象，學習本課程的興趣也會大大提高。在中央空調工程技術課程授課中，在有關定風量空調系統、變風量空調系統和風機盤管加新風系統三個系統的特點講解過程中，同樣存在這個問題，教師在課堂上用理論講變風量比其他兩種空調要節能，但學生同樣無法理解。那么，現在利用本科研項目直接可以用數據證明其節能效果。通過在理論課程中融入科研成果的講解，也可以表現出教師本人的科研能力和專業素養，這將大大提高教師個人的教學魅力，大大提高課堂教學吸引力，對教學質量的提高將會產生巨大的影響[6]。

（2）在中央空調課程設計中可以讓學生利用此項目平臺來設計一個變風量空調系統。課程設計是普通高等職業院校教育實踐環節的一個重要組成部分，是對學生工程實踐教學能力的重要一環[7]。通過課程設計，不僅可以提高學生的理論聯系實際的能力，培養學生對所學專業課程進行全角度的總結分析的能力，而且可以培養學生解決實際工程中遇到的問題的本領，因此課程設計在高職院校中是非常重要的教學環節?？蒲谐晒芯勘旧砭褪墙鉀Q工程中遇到的一些實際問題，通過學生借助其項目的實驗平臺進行課程設計，讓學生能夠體會到在進行實際工程設計的感覺，大大增加學生對課程設計的興趣，提高了課程設計的質量。

（3）空調專業的學生畢業設計可利用此項目研究平臺進行畢業設計研究。高職院校畢業設計是培養學生獨立分析和解決實際問題的能力。學生通過三年的大學學習，運用所學專業知識，應獨立完成本畢業設計。通過畢業設計情況可以反應學生在校學習和掌握專業知識情況，是學生對所學專業知識的匯總、分析、運用、創新的一個綜合過程，將會對學生以后走上工作崗位獨立分析和解決問題起到重要的作用[8]。此科研成果是解決空調工程實際問題的項目，因此引導學生結合該科研成果選題，貼合實際，鼓勵學生查閱文獻，學習研究已經成熟的研究方法，并在此基礎上，對該科研成果項目進一步進行創新和改進，也可不斷完善實驗研究成果，實現學習和改進實驗平臺雙贏。

（4）在實驗實訓過程中可充分利用此研究成果。充分發揮本科研項目搭建的三個實驗平臺，將所有搭建的實驗平臺都可應用于實驗實訓教學中，不僅可以很好地培養學生，鍛煉學生的動手能力，而且可以讓教師本人參與進來，可以有針對性地解答學生提出的問題，整個實驗實訓過程教師可以進行有效的控制[8]。通過將本科研成果有效轉化為實驗實訓教學內容，不僅可以利用自身的科研優勢，提高了實驗實訓的教學能力和水平，而且還實現科研向教學方面的逐步滲透，大大地增加了科研項目設備儀器一次性投入的重復利用，從而提高了科研項目的收益率。

（5）項目科研成果可有效的激發學生的創新意識，在校學生在該課題的研究基礎上可通過自己的不斷探索和改進實驗方法，進一步優化實驗環境，對該課題的研究成果進一步優化設計方案，不斷促進該成果的進一步改良和發展。從而不但培養了學生的創新能力，而且也有可能在不斷地實踐實驗和檢驗下促進本行業的技術發展。

3 結論

據統計，在我國，大量高職生畢業后，在走向工作崗位時，并不能馬上進入自己的角色，都要經過一段時間的企業或公司的培訓，是什么原因導致這樣的現象屢見不鮮呢？原因有很多，其中最主要的原因是學生在校期間所學到的理論課程與社會上所需要的能力相脫節。隨著社會科技的發展，市場競爭不斷地加劇，就業壓力也越來越大，如何提高高職畢業生的就業競爭力已經是目前各個高職院校迫切需要解決的問題。因此，我們應該改變人才培養模式，使培養出的人才具有一定市場競爭力。那么如何能將高校具有前沿的科研項目很好地轉化為教學資源，讓其學生沒有出校門前就能接觸并熟練掌握了本行業的前沿知識，這個問題值得我們所有從事高職教育人的深思。

[1] 曹振華.變風量空調系統的特點和發展前景[J].制冷, 2011,(4):57-59.

[2] 曹振華.變風量空調系統的控制仿真研究[J].制冷與空調,2013,(4):407-410.

[3] 李美麗,閆秀英,嚴銘姣,等.基于模糊PID的變風量空調末端控制器設計[J].工業控制計算機,2017,(12):59-63.

[4] 高翔,吳剛,陳金增.制冷空調系統的模糊控制與模擬仿真[J].海軍工程學報,1998,(3):62-66.

[5] 白建波,李洋,王孟,等.空調系統室溫回路的性能評估及自適應PID控制方法[J].制冷與空調,2016,(2):168-172.

[6] 徐杰,祁紅巖.科研成果轉化為教學資源的策略研究[J].黑龍江教育,2016,(1):6-7

[7] 孫賓賓,楊博.科研成果向教學資源轉化一例—麥飯石復合高吸水樹脂合成[J].廣州化工,2017,(2):110-112.

[8] 曹振華,孫賓賓.科研成果轉化為教學資源芻議——以變風量空調控制系統研究為例[J].西部皮革,2017,(24): 51-52.

Research on Transforming Scientific Research Achievements into Teaching Resources-A Case Study of VAV Air Conditioning Control System

Cao Zhenhua

( Shaanxi Institute Of Technology, Xi’an, 710302 )

Based on the research project of VAV air conditioning control system, the basic situation, experimental platform and achievements of the research project are introduced. This paper probes into the process and method of transforming scientific research achievements into high-quality teaching resources. By transforming scientific research achievements into teaching resources, students'innovative ability is effectively promoted, students' practical ability is greatly enhanced, the quality of education and teaching in higher vocational colleges is greatly improved, and the teaching and education in higher vocational colleges are promoted. It provides another way to open up.

Variable Air Volume Air Conditioning Control System; Experimental Platform; Scientific Research Achievements; Teaching Resources

TM172

A

1671-6612（2020）04-513-04

曹振華（1978.2-），男，研究生，副教授，E-mail：106741438@qq.com

2019-09-25