飛機(jī)地面供冷系統(tǒng)與應(yīng)用

劉騰

（上海國(guó)際機(jī)場(chǎng)股份有限公司，上海200335）

1 引言

飛機(jī)作為現(xiàn)代交通工具，其動(dòng)力要求高，能耗大。其空調(diào)系統(tǒng)是飛機(jī)耗能較大的部分之一。飛機(jī)制冷系統(tǒng)為飛機(jī)座艙和設(shè)備艙提供低溫空氣，以保持適宜的溫濕度環(huán)境。

飛機(jī)自帶的制冷系統(tǒng)一般是空氣循環(huán)形式，該系統(tǒng)由壓縮空氣源、熱交換器和渦輪膨脹機(jī)等組成。壓縮空氣先經(jīng)過(guò)熱交換器，將壓縮熱傳給冷卻介質(zhì)，然后流入渦輪膨脹并驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)同軸的壓氣機(jī)或風(fēng)扇，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，在膨脹渦輪出口得到冷卻用的低溫空氣，該系統(tǒng)用機(jī)艙內(nèi)的空氣作為制冷工質(zhì)，換熱環(huán)節(jié)少，設(shè)備簡(jiǎn)潔。空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)能耗高，其制冷能效比COP 不足，但是該系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，能量密度大，質(zhì)量輕，綜合性能好。

當(dāng)飛機(jī)處于上下旅客及等待時(shí)，由于飛機(jī)的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)并沒(méi)有開(kāi)動(dòng)，需要開(kāi)啟飛機(jī)自帶APU 帶動(dòng)制冷系統(tǒng)。而在地面上增設(shè)飛機(jī)地面空調(diào)，體積和質(zhì)量限制小，可以采用成熟高效的電力制冷方式，這樣就可以停開(kāi)飛機(jī)自身的制冷設(shè)備，大大節(jié)省飛機(jī)燃料，提高經(jīng)濟(jì)效益，并可延長(zhǎng)飛機(jī)自帶制冷系統(tǒng)的使用壽命，還可以保護(hù)機(jī)場(chǎng)空氣環(huán)境。

飛機(jī)地面空調(diào)通常采用蒸汽壓縮制冷循環(huán)，其由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥等組成。循環(huán)制冷系統(tǒng)的增壓蒸汽先流過(guò)熱交換器，散出壓縮熱，然后流過(guò)蒸發(fā)器蒸發(fā)冷卻機(jī)艙和飛機(jī)設(shè)備冷卻用的低溫空氣，汽化后的蒸汽經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)重新增壓，形成循環(huán)。蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，其綜合能效比卻可達(dá)2.0～4.5，最高可達(dá)到5.0，這比空氣壓縮式制冷相比，能耗低，環(huán)境友好。飛機(jī)在地面的時(shí)間占整個(gè)航程的33%～50%，甚至更高，對(duì)于中短途航線來(lái)說(shuō)意義更加重大?，F(xiàn)在，飛機(jī)地面空調(diào)迅速普及，成為飛機(jī)?？繖C(jī)場(chǎng)時(shí)的主要制冷設(shè)備。

2 飛機(jī)地面空調(diào)系統(tǒng)特征與經(jīng)濟(jì)性

飛機(jī)地面空調(diào)是一臺(tái)以電能驅(qū)動(dòng)，能夠自動(dòng)提供一定流量、壓力、溫度和一定潔凈度的全新風(fēng)空氣處理器。機(jī)組采用吊裝式設(shè)計(jì)，吊裝于機(jī)場(chǎng)登機(jī)廊橋活動(dòng)橋前部，能隨廊橋自由移動(dòng)，具有制冷、制熱和換氣功能的空調(diào)設(shè)備。

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，僅以60t 的飛機(jī)地面專(zhuān)用空調(diào)機(jī)計(jì)算，每年可以節(jié)約航空燃油214t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤314.9t（按航空煤油標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)1.471 4 計(jì)算），如果按年銷(xiāo)售300 臺(tái)計(jì)，每年可節(jié)約9.45×104t 標(biāo)準(zhǔn)煤。此外，每臺(tái)產(chǎn)品每年可減少飛機(jī)在地面時(shí)因燃燒航空燃油所產(chǎn)生的N2、NO、CO2、N2O、CO 等廢氣排放約1 200t，其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。因此，大力發(fā)展飛機(jī)地面專(zhuān)用空調(diào)機(jī)，是構(gòu)建能源節(jié)約型社會(huì)的重大舉措。

3 飛機(jī)地面空調(diào)的主要性能和技術(shù)特點(diǎn)

飛機(jī)地面空調(diào)為空氣冷卻方式整體撬裝式，飛機(jī)地面空調(diào)的性能設(shè)計(jì)根據(jù)Q/SLJ 008—2009《飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組》的規(guī)定。

機(jī)組采用全封閉渦旋式制冷壓縮機(jī)，具有效率高，噪聲低，振動(dòng)小，可靠性高，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；制冷系統(tǒng)采用雙系統(tǒng)或多系統(tǒng)組成，起動(dòng)電流低，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組輸出冷量，以此節(jié)省電能消耗。

風(fēng)冷蒸發(fā)器與冷凝器均為高效能內(nèi)螺紋銅管套鋁翅片，以此增強(qiáng)換熱器的換熱系數(shù)和換熱能力。兩器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、換熱效率高的優(yōu)點(diǎn)。冷凝器采用波紋翅片，不容易積塵，保證換熱器的長(zhǎng)期使用性能，并且維護(hù)方便。

機(jī)組選用高壓離心式送風(fēng)機(jī)及軸流冷凝風(fēng)機(jī)，具有噪聲低、壓頭高、風(fēng)量大、效率高等優(yōu)點(diǎn)；軸流風(fēng)機(jī)電機(jī)的防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP44 以上，可防塵、防濺水，運(yùn)行安全可靠。

機(jī)組電器控制系統(tǒng)采用PLC 電腦控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷的變化，自動(dòng)地進(jìn)行加載或卸載調(diào)節(jié)機(jī)組制冷量的輸出，使冷量與實(shí)際冷熱負(fù)荷精確匹配，使壓縮機(jī)總是保持最高效率狀態(tài)，高效節(jié)能；壓縮機(jī)設(shè)定開(kāi)啟間隔時(shí)間，采用軟啟動(dòng)措施，減少同時(shí)啟動(dòng)對(duì)電氣系統(tǒng)的沖擊。

各級(jí)制冷系統(tǒng)采用蒸汽壓縮式制冷，采用高效節(jié)能內(nèi)螺紋管蒸發(fā)器與冷凝器，使機(jī)組在蒸發(fā)壓力高，冷凝壓力低的工況下制冷量大，高效節(jié)能，部分系列制冷系統(tǒng)能效比可達(dá)3.4。與空氣壓縮式制冷只有0.63 相比，達(dá)到同樣的制冷量只消耗不到12%的電能。

整體式鋼制空調(diào)箱具有密封性好，強(qiáng)度高，承壓高等特點(diǎn)，它的漏風(fēng)率可小于1%，最高承壓高達(dá)20kPa。它采用整體式鋼板焊接而成。為了對(duì)空調(diào)箱做絕熱處理，在空調(diào)箱的外表面貼2 層保溫海綿，使空調(diào)箱具有很好的保溫絕熱性能。根據(jù)本技術(shù)方案制作的箱體結(jié)構(gòu)的冷橋系數(shù)達(dá)到了歐洲空調(diào)箱體專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《BS EN 1886:2007 Ventilation for Buildings—Air Handling Units—Mechanical Performance》中TB2 級(jí)0.6＜Kb≤0.75 的規(guī)定（Kb為防冷橋系數(shù)）；再加上使用剛度好、導(dǎo)熱系數(shù)小于0.0196W/（m·℃）的PE 及橡塑保溫材料，箱體的保溫性能、機(jī)械強(qiáng)度高，漏風(fēng)率小于1%。

4 飛機(jī)地面空調(diào)技術(shù)難題與發(fā)展方向

4.1 換熱器的性能提升

換熱器的性能提升主要是翅片換熱強(qiáng)化。飛機(jī)地面空調(diào)的蒸發(fā)器和冷凝器為其核心部件，其換熱效果決定了壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)的冷量是否可以高效地輸出并運(yùn)送至機(jī)艙。因?yàn)榭諝馀c制冷劑側(cè)的換熱系數(shù)相差為2 個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，需要通過(guò)加強(qiáng)空氣側(cè)換熱能力的方式提升換熱量。空氣側(cè)的換熱強(qiáng)化一般采用增加翅片的方式來(lái)增大空氣側(cè)換熱面積以強(qiáng)化換熱。通過(guò)這種方式來(lái)提升單位換熱管長(zhǎng)度的換熱量，保證飛機(jī)地面空調(diào)的使用效果。

圖1 為具有代表性的4 種換熱器翅片拓展的方式，分別為平直形、開(kāi)縫形、三角波紋形和正弦波紋形。通過(guò)計(jì)算和模擬飛機(jī)地面空調(diào)的工況（見(jiàn)表1）可知，平直形翅片拓展的方式核算出的換熱系數(shù)最高，是開(kāi)縫形的3 倍，且高出三角波紋和正弦波紋1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)，最利于飛機(jī)地面空調(diào)工況的需求[2]。

圖1 4 種換熱器的結(jié)構(gòu)形式

表1 飛機(jī)地面空調(diào)設(shè)備與飛機(jī)型號(hào)對(duì)應(yīng)表

4.2 機(jī)組融霜

飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組最后一級(jí)制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度一般在0℃以下，以保證較低的出風(fēng)溫度和較小的換熱器與機(jī)組占地面積，會(huì)不可避免地使得換熱器表面冰的形成。冰的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)低于金屬，會(huì)極大地影響換熱器的換熱效率。因此，在為空氣提供冷量的同時(shí)，也需要對(duì)凝結(jié)在換熱器表面的固態(tài)霜周期融化。合理的融霜方案是保證該機(jī)組能夠高效、節(jié)能、可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，也是空調(diào)性能的重要保證。

空調(diào)的除霜方法有自然除霜法、淋水法、電熱融霜、熱氣旁通融霜和熱泵融霜等。其中，自然除霜法效率低，機(jī)組送風(fēng)溫度波動(dòng)大。淋水融霜需要配備復(fù)雜的水路系統(tǒng)，占地、安裝、使用和維護(hù)復(fù)雜，不方便。電加熱融霜需要額外的電加熱模塊，能耗高，且融霜時(shí)需要停機(jī)。熱泵融霜雖然高效、快速，但是機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)需要確保冷凝器與蒸發(fā)器可以交替使用和化霜，裝置規(guī)模增大。因此，較為現(xiàn)實(shí)的融霜方案為熱氣旁通融霜，通過(guò)改變進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑氣液比，調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度，以減少霜層的累加[3]。

5 飛機(jī)地面空調(diào)的經(jīng)濟(jì)效益分析

機(jī)場(chǎng)APU 和飛機(jī)地面空調(diào)的使用費(fèi)用隨機(jī)型而改變。其中，APU 的合計(jì)費(fèi)用可以由消耗航油費(fèi)和APU 維護(hù)費(fèi)用組成。2 種方式的成本構(gòu)成和成本如表2 所示。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，APU 的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用遠(yuǎn)高于飛機(jī)地面空調(diào)。表3 為某機(jī)場(chǎng)在一年內(nèi)的廊橋空調(diào)使用時(shí)間，可以此為基礎(chǔ)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。

表2 APU 與飛機(jī)地面空調(diào)的運(yùn)營(yíng)成本對(duì)比元/h

表3 某機(jī)場(chǎng)各機(jī)型機(jī)起降架次統(tǒng)計(jì) 架次

參考首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)對(duì)于各類(lèi)別機(jī)型的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，C 類(lèi)機(jī)型國(guó)內(nèi)外航班的凈利潤(rùn)分別為39 元/h 和459 元/h，D 類(lèi)機(jī)型國(guó)內(nèi)外航班的凈利潤(rùn)為-6 元/h 和414 元/h，E 類(lèi)的機(jī)型國(guó)內(nèi)外航班的凈利潤(rùn)分別為335 元/h 和723 元/h。相比APU 的成本價(jià)格，機(jī)場(chǎng)飛機(jī)地面空調(diào)的收費(fèi)較低，機(jī)場(chǎng)可以在賺取相應(yīng)利潤(rùn)的同時(shí)，極大地降低航空公司在這方面的運(yùn)營(yíng)成本。經(jīng)過(guò)核算通過(guò)以上標(biāo)準(zhǔn)收費(fèi)，該機(jī)場(chǎng)在該年度的創(chuàng)收便可突破1 000 萬(wàn)元[4]。