（1）专业与年级要求

建筑环境与能源应用工程专业大学三年级学生；能源与动力工程专业、安全专业大三至大四的学生任选。

（2）基本知识和能力要求

本课程的先修课《工程热力学》、《流体力学》、《传热学》、《流体输配管网》、《通风与空气调节》、《冷热源工程》等课程。

学生学习本门课程之前所需掌握的主要能力和知识结构包括：要求学生初步掌握制冷系统的基本原理及组成，冷源系统能效系数和制冷机组性能系数的基本概念、流量、温度及电功率测试的基本原理与方法。

由于本项目的知识角提供了部分文献、视频学习资料，学生可通过自主学习了解有关深部地下空间（矿井）的内容，最终完成本实验所有环节的实验任务。

1.深部地下空间环境调控对建环专业人才培养提出新需求，符合新工科专业建设发展方向。

建环专业课程设置与人才培养偏重于地上建筑空间热湿环境调控。本专业学生对建筑制冷空调系统相对熟悉，而对深部空间高温高湿环境调控则了解较少。不同于地上空间制冷空调系统，深部空间制冷降温系统涉及到高承压水-水换热器、大功率高扬程水泵系统、与大风量低温空气-水换热器等大型高压设备。了解深部空间降温设备基本特性对深入认识地下空间环境调控具有重要意义。

深部空间热湿环境调控与废热资源利用对建筑环境与能源应用工程专业提出了新要求，其涉及建筑环境与能源应用工程、安全工程与能源动力工程等传统工科专业，对具备实践能力的跨专业人才培养需求迫切，符合新工科专业建设的发展方向。本虚拟仿真实验对应相关课程为《通风与空气调节》、《冷热源工程》、《建筑环境测试技术》等重要教学内容。同时，如何将立德树人融入教学全过程，通过情景体验式的教学方法，不仅使学生理解深部热湿环境调控对煤矿安全开采的重要价值，而且潜移默化的激发学生投身国家双碳战略规划的情怀和使命感，也成为了教学面临的重要挑战。

2.深部地下空间热湿环境调控实验成本高、风险大、现场难于开展等一系列因素，相关实验教学必须依托虚拟仿真技术展开。

深部地下空间环境调控实验教学面临严重困难。具体包括：

①现场实验系统需要建设制冷机房和空调系统，实验成本高；

②制冷系统运行控制需要专门的经验和运行知识，操作不当极易引发设备事故，实验风险大；

③制冷系统变工况运行受用户负荷需求和外界气候条件限制，在有限的实验学时内现场很难实现测试需要的多工况运行条件，现场实验难于开展；

④流体输送管线长，设备布置高程大，实验空间申请难。对于高等学校专业教学，很难找到能够开展深部地下空间环境调控的适宜实验空间，且相关实验测试也比较困难；

⑤易出现设备腐蚀破坏、承压能力不够、制冷剂泄漏等安全事故，实验风险大。

因此，开展深部地下空间环境调控虚拟仿真实验教学具有极强的必要性和迫切性。

深部地下空间热湿环境调控涉及建筑环境与能源应用工程、安全工程与能源应用工程等的多学科交叉融合技术难题，是隧道和煤炭资源开采过程中不可回避的重大问题。同时，深部地下空间环境调控相关实验教学却面临成本高、难度大、风险高的难题。针对上述问题，本教学团队以相关科研和教学成果为基础，遵照“能实不虚，虚实结合”的原则，结合《通风与空气调节》、《冷热源工程》、《建筑环境测试技术》等重要教学内容实验需要，自主研发深部地下空间环境调控虚拟仿真实验系统。

首先，坚持以学生为中心的教学理念，实验方案采用问题导向的设计方法，实验情景吸引力强，让学生有种身临其境的适应感，调动学生的学习兴趣与积极性。

第二，本实验通过深入递进的实验环节，将知识学习与能力提升有机融合，引导学生通过容错探究式的实验操作得到个性化的实验结果，培养学生解决复杂问题的综合能力和探究式思维方式。

第三，本实验挑战强度强，实验知识点源于课堂，但实验内容源于深部地下空间（矿井）高温高湿环境调控，实验仿真程序与模拟数据均来源于实际工程中的设置与实测数据。实验前，学生需通过本实验提供的“知识角”，对相关领域知识进行在线学习与了解。

第四，本实验将立德树人融入教学全过程。近年来有关深部地下空间热湿环境问题变得日益突出，高效环境调控系统亟需开发。本虚拟仿真系统中，将搜集到的用于不同深度地下空间（矿井）降温制冷系统的资料进行收集，并上传到实验项目在线“知识角”中，学生通过自主学习，深入理解制冷系统在地下空间（矿井）环境调控方面的重要价值，然后进一步通过情景体验式的实验教学过程，潜移默化的激发学生响应国家双碳战略目标的情怀和使命感。

深部地下空间热湿调控虚拟仿真系统虚拟仿真实验系统按照认知→基础→综合→提升四个层次，学生可完成系统整体认识、核心设备性能测试、地下空间调控效果和系统运行综合能效综合评价四个层次的实验内容，通过这种递进式虚拟仿真实验，学生可经历一次从系统整体认知到单一核心设备性能实验，再到系统整体运行后地下空间调控效果实验，最后完成系统整体能效的综合评定的专业系统性学习和综合锻炼，极大地促进对学生专业知识的重构，增强学生运用专业知识解决复杂工程实际问题的能力。具体如下：

（1）通过全景漫游和沉浸式体验整个深部地下空间以及环境调控系统三维仿真模型，掌握地下空间热湿环境调控系统组成及其工作原理，帮助学生建立地下空间热湿环境调控系统的整体概念，理解深部地下和建筑两个不同空间热湿调控系统的异同；

（2）通过实验，让学生掌握调控用主要设备（制冷系统、高低压换热设备、风机、水泵、调节末端等）的工作特性，培养学生对调节系统整体的经济性进行分析和评价的能力；

（3）深入理解深部地下空间复杂条件下整个热湿环境调控系统的调控原理、手段及运行优化策略，培养学生运用专业知识解决复杂工程实际问题的能力。

本实验考核基于深部地下空间环境调控系统认知、制冷系统运行仿真、离心泵特性虚拟仿真、井下巷道湿热环境调控仿真、矿井降温系统节能性能评价五部分综合评价，每个部分占20%计算学生的最终实验成绩。每个部分的实验成绩评价标准（每部分按100分计算）如下：

（一）、“深部地下空间环境调控系统认知”环节（占总成绩20%）

（1）深部地下空间环境总体认知环节（30分）

了解地下空间（矿井）环境的特点及结构、空调系统的基本组成，学习时间时长不少于30min，每少于2min扣1分。

（2）地上环控系统的设备组成及工作原理认知环节（35分）

了解地上环控系统的设备组成、工作原理，学习时间时长不少于35min，每少于2min扣1分。

（3）地下高低压换热器及末端设备组成及工作原理认知环节（35分）

了解地下高低压换热器、末端空气处理设备组成、工作原理，学习时间时长不少于35min，每少于2min扣1分。

（二）、“制冷系统运行仿真”环节（占总成绩20%）

一、“制冷设备组建与参数选择调试”环节（占总成绩20%）

（1）制冷系统设备学习（20分）

完成所有制冷部件学习+10分，遗漏一项扣2分；

多选题，完全正确+10分，部分正确+5分，错误不得分。

（2）制冷参数选择调试（80分）

（3）制冷系统组建（40分）

正确完成制冷系统组建+30分，蒸发器、冷凝器、压缩机、节流装置安装每项错误扣5分；

判断题，完全正确+10分，错误不得分。

（4）制冷设备参数调节（40分）

①压缩机参数设计正确+10分，误差10%以内+8分，误差10%~20%之间+6分，误差20%~30%之间+4分，误差超过30%不得分；

②蒸发器、冷凝器与节流装置参数设计与评分标准同压缩机。

二、“不同制冷设备热力学建模”环节（占总成绩40%）

（1）对制冷系统中压缩机、蒸发器、节流阀与冷凝器进行热力建模，建模正确，每项得15分，部分正确+10分，错误不得分。

单选题，完全正确+10分，部分正确+5分，错误不得分；

多选题，完全正确+10分，部分正确+5分，错误不得分。

（2）对制冷系统运行效率进行热力建模，正确+10分，错误不得分；

单选题，完全正确+10分，部分正确+5分，错误不得分。

三、“制冷系统变工况运行调节”环节（占总成绩40%）

（1）蒸发温度影响探究（25分）

改变蒸发温度探究其对制冷系统性能的影响，正确+15分，遗漏一项扣3分。

单选题，完全正确+10分，部分正确+5分，错误不得分；

（2）冷凝温度影响探究（25分）

改变冷凝温度探究其对制冷系统性能的影响，正确+15分，遗漏一项扣3分。

单选题，完全正确+10分，部分正确+5分，错误不得分；

（3）节流过冷度影响探究（25分）

改变过冷温度探究其对制冷系统性能的影响，正确+15分，遗漏一项扣3分。

单选题，完全正确+10分，部分正确+5分，错误不得分；

（4）吸气过热度影响探究（25分）

改变过热温度探究其对制冷系统性能的影响，正确+15分，遗漏一项扣3分。

单选题，完全正确+10分，部分正确+5分，错误不得分。

（三）、“离心泵特性虚拟仿真”环节（占总成绩20%）

（1）离心泵特性实验目的和原理学习（5分）

完成离心泵实验目的和原理学习，时长不少于5min，每少于1min扣1分。

（2）离心泵构造和工作原理（10分）

查看离心泵的结构透视效果和内部拆解图示，系统了解“循环水泵”的构造和工作原理，时长10min，每少于1min扣1分。

（3）空调冷冻水和冷却水系统（10分）

深刻理解循环空调冷冻水和冷却水原理及工作流程，时长不少于20min，每少于1min扣1分。

（4）单台水泵的工作特性测试（20分）

掌握P-Q、H-Q）掌握至少2台不同类型工作特性（P-Q、H-Q）及测试方法，时长不少于20min，少于2台扣10分。

（5）水泵并联特性测试（10分）

掌握多台水泵的工作特性（P-Q、H-Q）及测试方法，分析单台和多台水泵工作特征的区别（10分），时长不少于10min，每少于1min扣1分。

（四）、“井下巷道湿热环境调控仿真”环节（占总成绩20%）

一、实验原理及基本知识 （40分）

①掌握实验目的与原理，学习时长3min，每少1min扣1分，时长满足要求得5分；

②掌握换热硐室中高低压换热器（管壳式换热器）基本工作原理和基础知识，学习时长10min，每少1min扣1分，时长满足要求得15分；

③掌握降温硐室中喷淋室基本工作原理和基础知识，学习时长10min，每少1min扣1分，时长满足要求得15分；

④了解井下采煤工作面冷风输送过程，学习时长3min，每少1min扣1分，时长满足要求得5分；

二、喷淋室参数调节环节（30分）

① 选择喷淋方式、喷淋压力、水气比、进风温度等参数；（10分）

② 选择不同喷淋室进水温度；（5分）

③ 计算喷淋室出口空气温度；（5分）

④ 绘制不同进水温度-出口空气温度变化曲线；（10分）

三、考查环节（10分）

① 喷淋室知识点（单选、多选、判断）考查，每题5分，共10分；

②工作面回风巷耗冷量计算，公式及数据完全正确，10分

③数据处理，数据处理完全正确，10分

（五）、“矿井降温系统节能性能评价”环节（占总成绩20%）

一、实验原理及基本知识 （18分）

①掌握实验目的与原理，学习时长3min，每少1min扣1分，时长满足要求得5分；；

②熟悉实验操作界面，学习时长3min，每少1min扣1分，时长满足要求得5分；；

③实验知识学习与考核，4道考核题，每题2分，对3题以上可进入下一步；重新学习通过的该项成绩记为0分（8分）

二、实验装置搭建及实验过程（52分）

①掌握实验流程，学习时长3min，每少1min扣1分，时长满足要求得3分；

②选择合理的位置布置传感器，1处位置不恰当扣2分，设置均满足要求得5分；

③检查系统是否正常，学习实验步骤，执行系统检查操作，学习时长满足要求得5分；后续操作未按实验步骤要求操作错误1处扣2分；

④进行故障检测，执行系统检查操作得2分，否则扣除2分；

⑤开启制冷系统，设备开启顺序操作错误1处扣2分，按要求顺序开机得6分

⑥设置工况，数据测量，完成工况1数据测量且数据合理得10分，冷却水入口温度输入错误1次扣2分，超时每5min扣2分；

⑦数据检查和评估，其他工况测量，3个工况数据测量且数据合理得21分，冷却水入口温度输入错误1次扣2分，超时每5min扣2分。

三、实验数据处理，实验报告撰写 （30分）

①实验数据处理的方法正确，计算分析正确，结论合理，科学作风严谨，有独到见解，试验报告水平较高（27-30分）；

②实验数据处理的方法正确，计算分析正确，结论较合理，科学作风良好，有一定见解，试验报告达到一定的水平（24-26）；

③实验数据处理的方法正确，计算分析基本正确，结论基本合理，试验报告水平一般（21-23分）；

④数据处理的方法无原则性错误，计算分析基本正确，结论基本合理，试验报告达到教学质量标准的基本要求（18-20分）。

⑤实验报告内容不完整，实验结果、分析和结论存在原则性错误或报告全文抄袭迹象明显（0-17分）。

⑥超时每5min扣2分。