基于能耗模擬的教學方法創新探索

摘要：大學工科專業教學方法近十年沒有大的變化是影響高等教育質量的因素之一。教學方法創新要找好切入點，使教學成為一種充滿效率的活動。在教學中創新性的活動中應用專用軟件進行教學，取得了很好的效果。介紹了EnergyPlus的基本原理、特點，展示了建筑各系統如空調系統、照明系統、生活熱水系統等的復雜構成及它們之間的相互耦合關系對建筑能耗的影響。

關鍵詞：教學方法；創新；能耗模擬；多媒體教學

中圖分類號：TU83 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）43-0044-02

一、背景

目前，中國高校的中心工作之一是教學，選用科學、高效的教學方法是實現教學目標、保證教學質量、提高教學水平的重要手段。教育參與、實踐和研究者均對高校教學方法進行了多維、深入的研究，在對教學方法廣義和狹義定義的研究中，學者們分別界定了方法、教學方法、高校教學方法。國外學者認為，方法是指：規定從某一初始條件導引出某一目標的可能的處置體系[1]。其本質是，實現目標的手段；受內容制約；其基礎是理論并受理論指導；方法是規則的體系，具有指令性；方法具有結構，是構成一個體系的有計劃的一連串行為或操作[2]。

教師的教學水平、教學方法、教學素養是決定教學質量的關鍵因素。目前，我國大學教師教學水平、教學方法、教學素養還需要不斷提升，在國內目前的教學教師的選擇體系上，大學教師大部分沒有接受專門的教學訓練，大部分教師都是研究生畢業后，取得了碩士學位、博士學位后直接走上講臺的。很多教師在走上講臺后很多年都還不清楚如何備課，如何運用教學方法，如何提高學生學習效率，如何調動課堂教學氛圍，沒有接受過一定的培訓，完全靠自己去摸索，以前還有老幫青，老帶青，但是隨著社會的發展，基本上都不存在了，即使存在也是名義上的，即使帶了，也是完成任務而已。這是一個普遍的問題。除此之外，教學方法是一個很重要的問題。目前大學的教學方法和30年前甚至更早時期相比，基本上沒有什么變化。要說有什么變化的話，增加了多媒體技術可能是最明顯的變化。現在的教師怎么教，學生怎么學，填鴨式教學，跟幾十年前相比，基本上沒有什么創新。

教學方法是影響大學教育質量的重要因素，教學方法陳舊落后，不善于創新，不善于摸索，導致大學教育質量不高。要提高教育質量，必須大膽實踐，創新摸索教學方法。西方大學教學方法的創新大致經歷了三代。第三代主要是信息技術的普及化、國際互聯網的建立、知識社會的出現使得大學教學方法又開始了新的探索。同西方教學方法對比，我們需要迎頭趕上，從第一代盡快進入第三代。

建筑節能隨著上世紀70年底能源危機之后成為一個世界性問題，我們地大物博，但是人口眾多，能耗問題隨著社會發展成為一個突出問題，現在已經成為我國的基本國策。在土木工程教育領域，宣傳節能這一基本國策，進行廣泛的建筑節能教育，也是必要而又帶有緊迫性的任務。建筑節能課程與多種課程直接相關，如建筑學、建筑物理、建筑技術、土木工程、建筑環境學、傳熱學、暖通空調等等。其中建筑節能與建筑學有著直接的關系，作為本源，從源頭上控制建筑節能的因素，要比后期設備來實現節能要有效得多，主要影響因素有建筑的合理布局、設計，以及建筑門窗等構造的設計和改造、采用能源的方式、新技術等，結合熱工分區，根據當地地理和氣候的特點，充分利用當地優勢能源和可再生能源、提高能源利用效率，從而降低建筑能耗；從建筑技術角度看，近年來國內外廣泛研究和應用的木結構體系、可再生混凝土等都與建筑節能有密切的聯系。在暖空調專業中又牽系到暖通空調冷熱源設備選擇和空調系統方案（見圖1），管網的布局、安裝和施工等。為滿足人的生理和心理的舒適性需求，建筑節能又涉及的建筑聲學、光學等，與建筑的室內環境（IEQ）具有密切的聯系，為提高空氣質量（IAQ），采用新型有機和無機保溫及設備材料，如新型墻體保溫材料的研制、廢舊建筑材料的。建筑節能又與人的行為習慣有關，在把握人的心理規律和活動習慣的基礎上，采取可行有效的節能管理辦法，是實現建筑管理節能的有效途徑。所以，建筑節能牽涉的因素非常復雜，很難在教學中說明每一個因素對節能的影響，如果采用信息化教學和互動化教學，在生成能量分析圖之后，修改某個參數，圖相應有所變化，這就使教學互動表現得異常生動，能夠加深學生對知識點的理解和記憶，往往會給教師和學生產生一種“一圖勝千言”的感覺。這種結果的可視化的優點。可以大大地提高教學效果和激發學生的積極性、發揮主觀能動性等。

二、EnergyPlus模擬軟件

最新版本的EnergyPlus建筑能耗模擬由美國能源部資助，多個科研機構共同研發的，研發的結構有美國軍隊建筑工程實驗室（U.S.Army Construction Engineering Research Laboratory）、美國勞倫斯·伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）、俄克拉荷馬州立大學（Oklahoma State University）、伊利諾斯大學（University of Illinois）及其他單位共同開發的，它采取吸收多個軟件優點的策略，譬如吸取了建筑能耗分析軟件DOE-2和BLAST的優點，并客服了每個軟件的缺點，被認為是用來替代DOE-2的新一代的建筑能耗分析軟件[3-4]。

EnergyPlus有很多特點，其主要特點有：采用集成同步的負荷、系統、設備的模擬方法；在計算負荷時，用戶可以定義小于1h的時間步長，在系統模擬中，時間步長自動調整；基于不穩定傳熱原理，使用反應系數法來計算建筑的動態負荷。模擬計算的核心是所計算區域的空氣熱平衡方程式。典型房間空氣得失熱量之和等于房間空氣內能的變化，即■αnFi（t│■-tn）+kcFc（tw-tn）+kyFy（tw-tn）+？誧1+？誧r=ρacaV■式中：Fi為第i個圍護結構內表面的面積，m2；N為圍護結構內表面的總數；Fc為外窗面積，m2；Kc為外窗傳熱系數，w/m2·℃；Fy為陽臺門面積，m2；ky為陽臺門傳熱系數，w/m2·℃；？誧1為外窗及陽臺門冷風滲透耗熱量，w；？籽a為室內空氣的密度，kg/m3；Ca為室內空氣的比熱，J/kg·℃；V為室內空氣的體積，m3；？誧r為恢復供暖后的供暖量，w。

同時，軟件業應用CTF模塊模擬墻體、屋頂、地板等維護結構的瞬態動態傳熱；應用各向異性的天空模型以改進傾斜表面的天空散射強度；應用三維有限差分土壤模型和簡化的解析方法對土壤傳熱進行模擬計算；應用聯立的傳熱和傳質模型對墻體的傳熱和傳濕進行模擬；應用基于人體活動量、室內溫濕度等參數的熱舒適模型即Fanger教授提出的熱舒適模型模擬熱舒適度；先進的窗戶傳熱的計算，可以模擬包括可控的遮陽裝置、可調光的電鉻玻璃等；日光照明的模擬，包括室內照度的計算、眩光的模擬和控制、人工照明的減少對負荷的影響等；基于環路的可調整結構的空調系統模擬，用戶可以模擬典型的系統，而無須修改源程序；源代碼開放，用戶可以根據自己的需要加入新的模塊或功能[4]。

EnergyPlus6.0可以再多個操作系統中運行，如在Windows、Linux、Mac操作系統中都可以運行，其運算速度較以前版本有明顯提升，在暖通空調方面，增加了自然通風和機械通風新模型，在空調系統模擬方面，新增了幾種控制系統的選項，對空調設備性能參數有了進一步細化描述，使空調系統的模擬更加精確；在經濟性分析方面，增加了新的建筑生命周期成本計算[5]。

三、結語

多媒體輔助教學比傳統的教學手段有著無可替代的優越性，EnergyPlus是一個非常強大的建筑全能耗分析軟件，能夠把很抽象的影響因素變成具體而又定量化的因素，具有其他的很多軟件所沒有的優點和巨大的發展潛力。對于授課過程是足夠用的。與傳統的教學方法相比，用對應性強的專用軟件進行專門的教學設計，具有其獨特的優點：信息量大、形象生動、互動性強，并能促進教學內容的及時更新、具有開放式的特點、易于培養學生終身學習的習慣等。

參考文獻：

[1][德]G克勞斯，M布爾.哲學辭典（第2卷）[Z].萊比錫：圖書目錄學研究所，1969：71.

[2][日]佐藤正夫.教學論原理[M].鐘啟泉，譯.北京：人民教育出版社，1996：242-243.

[3]U.S.Department of Energy.Legacy OpenStudio Plug-in for Google SketchUp（Version 1.0.7）[EB/OL].http：//apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/openstudio.cfm，2011.8.

[4]潘毅群，吳剛，Volker Hartkopf.建筑能耗分析軟件EnergyPlus及其應用[J].暖通空調，2004，34（9）：2-7.

[5]Richard K Strand，Curtis O Pedersen.Modularization and simulation techniques for heat balance based energy and load calculation programs：the experience of the ASHRAE Loads Toolkit and EnergyPlus：Proceedings of IBPSA Conference，Rio de Janeiro，2001：43-50.