現(xiàn)高校開(kāi)設(shè)的《制冷設(shè)備與原理》《空氣調(diào)節(jié)》和《供熱工程》三門課程彼此相互獨(dú)立，各科目的核心知識(shí)自成體系，且各科目的教學(xué)明顯偏向于理論，學(xué)生很難將科目融會(huì)貫通。現(xiàn)代樓宇的暖通空調(diào)系統(tǒng)將供熱、供冷和空氣調(diào)節(jié)結(jié)合成一體的發(fā)展趨勢(shì)越發(fā)明顯，工程實(shí)際中除要求對(duì)各科目知識(shí)熟練掌握外，更要求將各科目知識(shí)融會(huì)貫通。根據(jù)現(xiàn)高校畢業(yè)學(xué)生的反饋，現(xiàn)況中三門課程的綜合運(yùn)用非常常見(jiàn)，但其綜合應(yīng)用能力卻明顯不足。根據(jù)現(xiàn)狀，現(xiàn)制作半集中式中央空調(diào)教學(xué)演示模型。本文的意義首先是將模型制作過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)提供給其他愛(ài)好模型制作的學(xué)生，然后將上述三門課程的核心知識(shí)綜合并依托模型各構(gòu)件進(jìn)行展現(xiàn)。
1、空調(diào)運(yùn)行原理和各構(gòu)件的組成與功能
1.1 半集中式中央空調(diào)的運(yùn)行原理
1.1.1 制冷原理
制冷循環(huán)簡(jiǎn)單地講就是將室內(nèi)的熱負(fù)荷與濕負(fù)荷排至室外。為了使熱量可以不斷地排出，空調(diào)的制冷部分形成了一個(gè)*的熱工循環(huán)———蒸汽壓縮制冷環(huán)。
*，液體的汽化可以吸收周圍的熱量，使周圍溫度降低。若將液體在常溫情況下快速汽化，就可以使周圍溫度降低。壓強(qiáng)的大幅度降低可以使液體快速地汽化，壓強(qiáng)的升高又可使氣體快速地液化，這樣就可以使制冷工質(zhì)進(jìn)行循環(huán)。空調(diào)的制冷裝置就是利用的這個(gè)原理。
空調(diào)的制冷裝置主要是由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器組成。由蒸發(fā)器出來(lái)的飽和蒸汽被吸入壓縮機(jī)，壓縮后成為高溫高壓液體，液態(tài)冷凝劑進(jìn)入冷凝器后，冷卻成為常溫高壓液體。飽和液體通過(guò)一個(gè)膨脹閥降壓降溫而變成低干度的濕蒸汽。濕蒸汽被引入蒸發(fā)器后吸熱汽化變成飽和蒸汽，從而完成一個(gè)循環(huán)。這就是中央空調(diào)的制冷原理。
1.1.2 制熱原理
由于能量可以直接由高溫物體傳向低溫物體，所以中央空調(diào)的制熱裝置就是一個(gè)提供熱水的鍋爐。水由鍋爐加熱至適當(dāng)溫度，由管道輸送至空調(diào)機(jī)箱，將能量與空氣交換，再輸送回鍋爐，完成制熱循環(huán)。
1.2 半集中式中央空調(diào)各構(gòu)件的組成與功能半集中式中央空調(diào)基本是由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、空調(diào)機(jī)組、鍋爐和水泵組成。
該模型主要是反映中央空調(diào)的工作運(yùn)行原理和各結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)，由于中央空調(diào)工作時(shí)主要以液體和氣體的循環(huán)為主，很少有結(jié)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。因此只要使中央空調(diào)系統(tǒng)中的四大循環(huán)演示得清楚，就可以輕松地了解中央空調(diào)的運(yùn)行原理，且四大循環(huán)演示的核心在于演示各工作介質(zhì)在各結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)狀態(tài)。
在中央空調(diào)的四大運(yùn)行循環(huán)介質(zhì)中，3 個(gè)為水，1個(gè)為制冷劑。模型中可以用4 種帶有不同顏色染料的水代表4 種循環(huán)介質(zhì)。這樣可以使觀察者簡(jiǎn)單明了地觀察4 種介質(zhì)的循環(huán)過(guò)程。
為使模型中液體流動(dòng)的方向更加明顯和突出，模型各結(jié)構(gòu)中的管道采用透明材質(zhì)。此外，各結(jié)構(gòu)的外圍制作材料也應(yīng)該使用透明材質(zhì)材料。
2、模型制作材料的選取
2.1 實(shí)體模型制作材料的要求
根據(jù)模型演示思路，實(shí)體模型主體制作的材料要符合以下幾大特點(diǎn)：*，材質(zhì)透明，透光性能好，顯色性能好。第二，材料要有一定的強(qiáng)度，能夠承受一定的水壓。第三，耐磨性能好，能抗擊化學(xué)腐蝕。第四，材料要有良好的加工性能。
2.2 模型制作材料的確定
市面上常見(jiàn)的模型制作材料有聚碳酸酯、有機(jī)玻璃、PVC、ABS、聚丙烯和聚苯乙烯。與其他材料相比，亞克力材料有以下的特點(diǎn)：一是具有水晶般的透明度，透光率在92％以上，光線柔和、視覺(jué)清晰，用染料著色的亞克力又有很好的展色效果。二是亞克力板具有的耐候性、較高的表面硬度和表面光澤，以及較好的高溫性能。三是亞克力板有良好的加工性能，既可采用熱成型，也可以用機(jī)械加工成型。四是透明亞克力板材具有可與玻璃比擬的透光率，但密度只有玻璃的一半。此外，它的強(qiáng)度是玻璃的數(shù)十倍，能抵抗較大的外力襲擊。五是亞克力板的耐磨性與鋁材接近，穩(wěn)定性好，耐多種化學(xué)品腐蝕。綜合考慮，選擇亞克力材料作為模型主體的制作材料。
3、概念模型的制作
為防止材料與時(shí)間不必要浪費(fèi)和易于后期的模型整改，決定先用簡(jiǎn)易、廉價(jià)材料制作概念模型。
3.1 概念模型尺寸與設(shè)計(jì)
由于之前已收集到空調(diào)實(shí)體結(jié)構(gòu)外形尺寸數(shù)據(jù)，故將前期數(shù)據(jù)與調(diào)研所得實(shí)體空調(diào)外形相結(jié)合，并考慮演示的需要與位置擺放，zui終得到的數(shù)據(jù)就為模型外形數(shù)據(jù)。此外，為增強(qiáng)模型的演示效果，將圓柱體形的蒸發(fā)器與冷凝器按比例縮放后，等體積地變?yōu)殚L(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，并將結(jié)合在一起的壓縮機(jī)、蒸發(fā)器和冷凝器分開(kāi)放置。為模型的設(shè)計(jì)與演示，設(shè)計(jì)作圖也均采用電子CAD 作圖。
3.2 概念模型的制作
由于概念模型僅為制作實(shí)體模型的尺寸提供參考，并不反映演示效果。故制作材料可選擇簡(jiǎn)易、價(jià)格低廉的材料。綜合考慮后，概念模型的主體制作材料選厚夾層瓦楞紙片和吸管。由于制作材料易于加工，故制作工具選擇丁字尺、美工刀和剪刀。
按照前期設(shè)計(jì)尺寸對(duì)中央空調(diào)各部件進(jìn)行相應(yīng)制作，按照前期CAD 的布置圖對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行位置布置與連接。
3.3 概念模型制作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題
（1）概念模型的各個(gè)結(jié)構(gòu)都較大，導(dǎo)致模型整體體積較大，使模型的整體演示效果不佳。
（2） 冷凝器和蒸發(fā)器中的管路回路過(guò)多且散熱板過(guò)多，影響演示效果。
（3）循環(huán)水泵擺放在直接演示臺(tái)上，影響整體觀賞效果。
（4）有的實(shí)體結(jié)構(gòu)中管路較復(fù)雜，不宜用亞克力制作。
（5） 在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮加工因素，使制作難度增加，并且在制作過(guò)程中誤差較大，使得各結(jié)構(gòu)模型出現(xiàn)許多縫隙。
（6） 前期的CAD 演示中沒(méi)有進(jìn)行管路的演示，許多管道出現(xiàn)交叉的現(xiàn)象。
（7）某些構(gòu)件的縮小比例不合理，致使這些部件模型無(wú)法進(jìn)行功能演示。
4、制作過(guò)程中對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行的改進(jìn)
（1）對(duì)概念模型的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行一定比例的縮小。
此外為使模型演示更加直觀，對(duì)構(gòu)件模型的局部尺寸進(jìn)行相應(yīng)的修改。
（2）設(shè)計(jì)支撐架，使各構(gòu)架模型擺放整齊，并按照支撐架大小對(duì)各構(gòu)件模型進(jìn)行位置擺放設(shè)置。
（3） 減小蒸發(fā)器和冷凝器中的管路回程數(shù)并減小其中散熱片的數(shù)量。
（4）將循環(huán)水泵的位置設(shè)計(jì)在支撐架下，演示臺(tái)上放置模型水泵。
（5）對(duì)某些實(shí)體模型部件改用PVC 管直接加工，減小構(gòu)件制作難度。
（6）對(duì)于對(duì)演示效果沒(méi)有影響的構(gòu)件例如儲(chǔ)液罐、視液鏡、膨脹閥等進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，用簡(jiǎn)單的模型構(gòu)件代替原有的復(fù)雜構(gòu)件。
5、實(shí)體模型的制作
5.1 模型制作前的工具操作練習(xí)
根據(jù)之前的設(shè)計(jì)方案大致確定模型制作時(shí)所需的操作工具并進(jìn)行練習(xí)，如亞克力板的切割與粘接、亞克力管的切割與結(jié)合、角鐵的切割與焊接、亞克力板的鉆孔與打磨等。
5.2 實(shí)際制作過(guò)程中遇到的問(wèn)題與解決方法
（1）由于開(kāi)孔器只能打出外徑為20 mm 的孔，外徑為20 mm 的管路有時(shí)無(wú)法穿過(guò)，但使用更大型號(hào)的開(kāi)孔器打孔會(huì)使開(kāi)孔過(guò)大，從而影響開(kāi)孔效果。經(jīng)過(guò)考慮，在開(kāi)孔后用的打磨裝置打磨孔就可以使孔徑增大，管道可以順利穿過(guò)，而且打磨裝置不會(huì)使開(kāi)孔過(guò)大影響密封效果。
（2） 冷凝器與蒸發(fā)器中有一段三回程的蛇形彎管需要進(jìn)行手工制作。由于無(wú)法進(jìn)行直管熱彎處理加工，只能進(jìn)行直管與彎管的手工連接，但手工連接會(huì)影響密封效果，從而影響演示效果。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，采用直管與軟折管進(jìn)行軟連接，在連接處用細(xì)鐵絲綁緊并先后用502 與熱熔膠進(jìn)行密封處理。這樣既可以使加工簡(jiǎn)單又可以使密封效果達(dá)到*。
6、對(duì)實(shí)體模型的進(jìn)一步改進(jìn)
6.1 現(xiàn)有模型存在的問(wèn)題
（1）模型的控制系統(tǒng)以及電路系統(tǒng)較為復(fù)雜，演示過(guò)程中操作復(fù)雜。
（2）模型各部件較為分散，模型的移動(dòng)較為不便。
（3）循環(huán)演示沒(méi)有系統(tǒng)化，演示前需要花較長(zhǎng)的時(shí)間去準(zhǔn)備。
（4）模型的演示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，占地較大。
（5）使用薄鐵皮加工出的水泵模型、壓縮機(jī)模型和膨脹水箱模型較為粗糙，影響觀賞與演示效果。
（6）蒸發(fā)器模型與冷凝器模型的體積較大，模型中
可能會(huì)儲(chǔ)存較多的水，而且水位孔較高。演示結(jié)束后儲(chǔ)存的水無(wú)法依靠水泵吸力全部排出，形成死水。這部分死水會(huì)影響演示的效果并減少模型的壽命。
（7） 空調(diào)機(jī)組冷凍水排水管的高度小于蒸發(fā)器冷凍水排水管的高度，致使演示結(jié)束后空調(diào)機(jī)組中的水無(wú)法全部排出，形成死水。
6.2 針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題的改進(jìn)方案
（1）簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)，僅依靠4 個(gè)控制旋鈕控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作，并將控制系統(tǒng)集中在一個(gè)控制箱內(nèi)。
（2）簡(jiǎn)化并整合模型演示系統(tǒng)的各部件，zui大限度地利用空間，將整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)部件布置在支撐箱中。
（3）將支撐架改為支撐箱，將整個(gè)實(shí)體模型布置在支撐箱上，并在支撐箱上安裝滾輪提手。
（4） 將實(shí)體模型各構(gòu)件之間的連接管路剪短并簡(jiǎn)化，使整個(gè)實(shí)體模型占地減小并可以放在支撐箱上。
（5） 將水泵模型、壓縮機(jī)模型和膨脹水箱模型用PVC 管和相應(yīng)型號(hào)的管套制成，這樣可使加工簡(jiǎn)單并且模型外形較好。
（6） 在蒸發(fā)器模型和冷凝器模型的側(cè)面開(kāi)一個(gè)泄水孔，并安裝泄水管路。這樣既可以使模型中的死水排出又不會(huì)影響模型的整體演示效果。
（7）用墊塊適當(dāng)將空調(diào)機(jī)組模型墊高，使其冷凍水排水管高度大于蒸發(fā)器冷凍水排水管的高度，致使空調(diào)機(jī)組中的存水在演示結(jié)束后可以全部排出。
改進(jìn)后的中央空調(diào)教學(xué)模型見(jiàn)圖1。
7、中央空調(diào)教學(xué)模型的演示
（1）準(zhǔn)備工作：往準(zhǔn)備好的4 個(gè)水桶注滿水，將4種顏色染料適量注入，并通電。
（2）制冷過(guò)程：首先打開(kāi)冷凍水循環(huán)開(kāi)關(guān)，有藍(lán)顏色的代表冷凍水的液體循環(huán)，然后打開(kāi)制冷劑循環(huán)開(kāi)關(guān)，有黃顏色的代表制冷劑的液體循環(huán)，zui后打開(kāi)冷卻水循環(huán)開(kāi)關(guān)，有綠顏色的代表冷卻水的液體循環(huán)。整個(gè)制冷過(guò)程就是由這3 種循環(huán)組成。
（3）制熱循環(huán)：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換閥，打開(kāi)熱水循環(huán)開(kāi)關(guān)，有紅顏色的代表熱水的液體循環(huán)。
（4）清潔儀器：將水排干凈，并用清水清洗，儀器歸位。