一種蓄冷式飛機(jī)地面空調(diào)車系統(tǒng)的運(yùn)行分析

范文英，蔣綠林，蔡寶瑞，陳海飛，徐 川，梁 勇

（1.常州大學(xué) 石油工程學(xué)院，江蘇常州 213164；2.無(wú)錫雪鷗移動(dòng)空調(diào)有限公司，江蘇無(wú)錫 214174）

0 引言

飛機(jī)空調(diào)車是一種為飛機(jī)在地面上下旅客及設(shè)備維修檢查過(guò)程中，為飛機(jī)內(nèi)部提供溫度、濕度適宜的新鮮空氣的航空地面設(shè)備，確保飛機(jī)客艙、駕駛艙、貨艙能達(dá)到需要的溫度和濕度［1］。飛機(jī)地面專用空調(diào)系統(tǒng)對(duì)外界冷、熱空氣進(jìn)行過(guò)濾、降溫、加熱、除濕處理，并由送風(fēng)軟管向機(jī)艙輸送經(jīng)處理過(guò)的空氣，以調(diào)節(jié)飛機(jī)客艙及駕駛艙內(nèi)的溫、濕度。

我國(guó)對(duì)于飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組的研究起步較晚，張科等［2］介紹了一種飛機(jī)地面加液冷卻車的應(yīng)用，并結(jié)合目前國(guó)內(nèi)的加液冷卻車的發(fā)展?fàn)顩r，分析了發(fā)展前景。龔永奇等［3］對(duì)蒸氣壓縮式飛機(jī)空調(diào)車除濕進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種基于熱泵的固體除濕系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了能耗分析；結(jié)果表明：在滿足送風(fēng)要求的前提下，基于熱泵的固體除濕系統(tǒng)比冷凝除濕系統(tǒng)的能耗更低。然而，傳統(tǒng)的飛機(jī)地面空調(diào)車的運(yùn)行模式主要是采用柴油發(fā)電機(jī)帶動(dòng)空調(diào)機(jī)組。為了達(dá)到節(jié)能減排營(yíng)造綠色機(jī)場(chǎng)的目的進(jìn)行“油改電”政策。但是機(jī)場(chǎng)內(nèi)遠(yuǎn)機(jī)位用電功率有所限制，傳統(tǒng)空調(diào)設(shè)備不能滿足小功率用電大功率保障要求。若用電帶動(dòng)空調(diào)機(jī)組存在如下問(wèn)題：匹配電容量不足或需要改動(dòng)機(jī)場(chǎng)輸電線路，而高效的蓄能系統(tǒng)在解決電力供需不平衡問(wèn)題上起著關(guān)鍵作用［4］。

基于以上研究，本文提出了一種相變蓄冷式飛機(jī)地面空調(diào)車系統(tǒng)，該系統(tǒng)將相變蓄冷技術(shù)與蒸發(fā)制冷式空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合，利用相變蓄冷技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電力“移峰填谷”的有效手段。釋冷工況時(shí)，通過(guò)相變蓄冷箱釋冷與蒸發(fā)制冷系統(tǒng)相結(jié)合有效地降低了電力負(fù)荷，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，分析了該蓄冷式空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)的性能。

1 系統(tǒng)原理

如圖1所示，由蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)產(chǎn)生冷量，通過(guò)載冷劑將冷量輸送儲(chǔ)存至蓄冷模塊。保障飛機(jī)送風(fēng)需求是由載冷劑泵循環(huán)系統(tǒng)將蓄冷模塊冷量釋放傳遞至表冷器，并與蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)同時(shí)對(duì)吸入的空氣進(jìn)行冷卻、加濕等處理，并按照飛機(jī)機(jī)型規(guī)定的空氣流量、壓力向?？康孛娴娘w機(jī)內(nèi)部空間輸入處理后的空氣。該空調(diào)車包括蒸發(fā)制冷系統(tǒng)、蓄冷系統(tǒng)、釋冷系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)等。

圖1 蓄冷式飛機(jī)地面空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)流程Fig.1 Flow chart of air conditioning system of cold storage aircraft ground air-conditioned vehicle

圖2為蓄冷式飛機(jī)地面空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)的原理圖，包括4部分：

圖2 蓄冷式飛機(jī)地面空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic diagram of air conditioning system of cold storage aircraft ground air-conditioned vehicle

（1）制冷系統(tǒng)：通過(guò)2個(gè)獨(dú)立的蒸發(fā)制冷系統(tǒng)產(chǎn)生冷量，蒸發(fā)器中的制冷劑從載冷劑中吸取熱量蒸發(fā)形成低溫低壓的氣體，而后進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮形成高溫高壓的氣體，之后該氣體經(jīng)過(guò)冷凝器冷凝將熱量散失在環(huán)境中形成高溫高壓液體，高溫高壓的液體經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流形成低溫低壓的氣液混合體，最后再次進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱來(lái)降低載冷劑的溫度，依次循環(huán)達(dá)到制冷的目的。

（2）蓄冷系統(tǒng)：冷量從板式換熱器中輸出，通過(guò)載冷劑送入相變蓄冷水箱進(jìn)行蓄冷，而后從相變蓄冷水箱中流出的載冷劑經(jīng)過(guò)水泵和三通調(diào)節(jié)閥進(jìn)入板式換熱器中進(jìn)行降溫，降溫后的載冷劑再次進(jìn)入相變蓄冷箱蓄冷，依次往復(fù)達(dá)到蓄冷的目的。其中，當(dāng)載冷劑流入相變蓄冷箱的溫度低于相變材料溫度時(shí)，相變材料放熱，載冷劑吸熱，相變蓄冷箱處于蓄冷狀態(tài)；當(dāng)載冷劑流入相變蓄冷箱的溫度高于相變材料溫度時(shí)，相變材料吸熱，載冷劑放熱。即相變蓄冷箱既能夠進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存，又能夠進(jìn)行恒溫調(diào)節(jié)。

（3）釋冷系統(tǒng)：釋冷系統(tǒng)包括蒸發(fā)制冷式釋冷系統(tǒng)與相變蓄冷式釋冷系統(tǒng)。蒸發(fā)制冷式釋冷系統(tǒng)原理為：制冷系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)冷凝器與節(jié)流閥后的制冷劑不進(jìn)入板式換熱器直接進(jìn)入二級(jí)蒸發(fā)器（此時(shí)打開(kāi)電磁閥1，關(guān)閉電磁閥2），制冷劑直接通過(guò)吸取空氣中的熱量來(lái)蒸發(fā)從而降低空氣的溫度。蓄冷式釋冷系統(tǒng)：此時(shí)制冷系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)，流出蓄冷箱的載冷劑經(jīng)過(guò)水泵加壓后直接進(jìn)入表冷器與空氣進(jìn)行換熱，升溫后的載冷劑再次回到相變蓄冷箱中進(jìn)行恒溫調(diào)節(jié)。

（4）通風(fēng)系統(tǒng)：空氣通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)送入表冷器進(jìn)行預(yù)冷，而后經(jīng)過(guò)二級(jí)蒸發(fā)器進(jìn)行再次冷卻，最后將冷風(fēng)通過(guò)送風(fēng)軟管送入機(jī)艙。

當(dāng)蒸發(fā)制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器結(jié)霜時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)四通換向閥，此時(shí)冷凝器與蒸發(fā)器的工作原理相反。此外，在冬季環(huán)境溫度極低需要供熱時(shí)，通過(guò)電加熱器來(lái)提供熱風(fēng)。

2 理論計(jì)算

本系統(tǒng)采用全新風(fēng)工況，常規(guī)空調(diào)的工況性能利用制冷劑的焓差計(jì)算法計(jì)算其制冷量，計(jì)算公式如下：

式中 Qc——制冷量，kW；

Ga——空氣體積流量，m3/s；

hin，hout——冷凝器的進(jìn)、出口焓值，kJ/kg；

v——空氣比體積，m3/kg；

W——空氣的含濕量，kg/kg。

蓄冷式空調(diào)工況的性能采用平均蓄冷速率作為機(jī)組的空調(diào)蓄冷工況的評(píng)價(jià)指標(biāo)［5］。計(jì)算公式如下：

式中 Gw——載冷劑的流量，m3/s；

ρw——載冷劑的密度，kg/m3；

cp，w——載冷劑的比熱容，kJ/（kg·℃）；

Tw，in，Tw，out——載冷劑進(jìn)、出蓄冷水箱時(shí)的溫度，K。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)主要裝置：型號(hào)為ZP182KCE-TFD的壓縮機(jī)，型號(hào)為TGEN17的膨脹閥，型號(hào)為XL-200的蒸發(fā)器，型號(hào)為FB-26-5A的鼓風(fēng)機(jī)。相變蓄冷水箱的幾何尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為1 900 mm×1 000 mm×1 390 mm、額定蓄冷量200 kW。其中相變材料選用NiSO4-2H2O，相變溫度為-4.15 ℃，相變潛熱為258.61 kJ/kg。載冷劑選用40%的乙二醇，制冷劑為R410a。

3.2 試驗(yàn)步驟

該試驗(yàn)在無(wú)錫雪鷗移動(dòng)空調(diào)有限公司進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)開(kāi)始前，將系統(tǒng)內(nèi)各部分裝置安裝在空調(diào)車車箱內(nèi)，而后在蒸發(fā)制冷系統(tǒng)回路中充注制冷劑并進(jìn)行檢漏，確保管路完好無(wú)損后向載冷劑循環(huán)回路中注入濃度為40%的乙二醇，并檢查系統(tǒng)的氣密性。試驗(yàn)過(guò)程中，記錄初始溫度，而后開(kāi)啟制冷機(jī)制冷，每10 min記錄數(shù)據(jù)一次。將防凍液箱中的乙二醇制冷到-2 ℃以下，并記錄防凍液箱乙二醇制冷后溫度。在釋冷工況下測(cè)試時(shí)，記錄防凍液箱中乙二醇初始溫度、放冷后溫度、進(jìn)出溫度和乙二醇的流量。

試驗(yàn)在高溫干燥氣候下進(jìn)行。以常見(jiàn)的波音737系列飛機(jī)為例，根據(jù)飛機(jī)手冊(cè)選型發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度為35 ℃，濕度為35%的情況下，此種機(jī)型配置的飛機(jī)地面空調(diào)車制冷量需達(dá)到158 kW，空調(diào)出風(fēng)溫度為0～4 ℃，出風(fēng)風(fēng)量為4 500 m3/h，出風(fēng)壓力為4 000 Pa［6］。而按照國(guó)內(nèi)民用航空標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)機(jī)組送風(fēng)能在4 500～6 000 m3/h之間和4 200～6 700 Pa之間根據(jù)不同的需求調(diào)節(jié)即可［7-10］。機(jī)組在釋冷工況下，相變蓄冷箱釋冷配合蒸發(fā)制冷系統(tǒng)，輸氣口能輸送1～10 ℃范圍內(nèi)的冷空氣。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

圖3顯示235 min內(nèi)載冷劑在蓄冷水箱進(jìn)、出口溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。前35 min內(nèi)以顯熱的形式進(jìn)行降溫故溫度的下降趨勢(shì)比較明顯，35～40 min之間是相變材料成核階段，40～50 min之間形成的晶核向冰晶轉(zhuǎn)變，沿著管壁的冰晶會(huì)形成冰層此時(shí)冰晶要釋放一部分潛熱故溫度出現(xiàn)了回升趨勢(shì)；50 min之后處于相變潛熱蓄冷狀態(tài)，進(jìn)液溫度基本維持在-5 ℃左右出液溫度在-3 ℃左右。215 min之后，進(jìn)、出液溫差逐漸變小，蓄冷量逐漸減小，理想狀態(tài)下進(jìn)、出液溫差為零時(shí)蓄冷結(jié)束，但實(shí)際過(guò)程中由于存在摩擦等不可逆損失，故不能達(dá)到理想狀態(tài)。

圖3 蓄冷水箱進(jìn)、出液溫度的變化Fig.3 Change of the temperature of the inlet and outlet liquid of the cold storage water tank

圖4為釋冷狀態(tài)時(shí)，載冷劑從相變蓄冷水箱流出后進(jìn)、出表冷器時(shí)的溫度在160 min內(nèi)隨時(shí)間的變化規(guī)律。釋冷前100 min內(nèi)載冷劑進(jìn)出表冷器時(shí)的溫度都較為穩(wěn)定，進(jìn)液溫度在0 ℃左右，出液溫度在4 ℃左右。100 min以后隨著相變蓄冷箱中冷量的減少，載冷劑進(jìn)、出表冷器的換熱溫差逐漸減小且進(jìn)出口溫度也在緩慢上升。釋冷達(dá)到160 min時(shí)，載冷劑進(jìn)、出表冷器的溫度分別為5.2 ℃和7.7 ℃，此時(shí)的換熱溫差為2.2 ℃。

圖4 表冷器進(jìn)、出液溫度的變化Fig.4 Change of the temperature of the inlet and outlet liquid of the surface cooler

圖5為釋冷工況時(shí)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的進(jìn)風(fēng)溫度和濕度在160 min內(nèi)隨時(shí)間的變化規(guī)律。由于試驗(yàn)期間在冬季，雖然對(duì)整個(gè)試驗(yàn)環(huán)境有升溫加濕處理但是環(huán)境濕度相比于夏季較低。如圖5所示，進(jìn)風(fēng)溫度在整個(gè)試驗(yàn)期間內(nèi)較為穩(wěn)定，在31 ℃左右微小波動(dòng)，進(jìn)風(fēng)濕度稍微有所下降但也基本在21%左右。

圖5 進(jìn)風(fēng)溫度與濕度的變化Fig.5 Change of inlet air temperature and humidity

圖6為釋冷工況下送風(fēng)軟管處出風(fēng)溫度與濕度在160 min內(nèi)隨時(shí)間的變化規(guī)律。如圖6所示，試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)由于系統(tǒng)不穩(wěn)定，且處于冷機(jī)狀態(tài)故相比于試驗(yàn)后期出風(fēng)溫度較大，出風(fēng)濕度較低。5 min后系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，運(yùn)行10min時(shí)出風(fēng)溫度達(dá)到最低值為-0.1 ℃，運(yùn)行50 min時(shí)出風(fēng)濕度達(dá)到最大值為93.5%。整體而言，出風(fēng)溫度及濕度分別穩(wěn)定在2 ℃和90%左右。但隨著后期相變蓄冷箱中冷量的減少，出風(fēng)溫度出現(xiàn)了緩慢上升的趨勢(shì)，出風(fēng)濕度也緩慢下降。160 min時(shí)出風(fēng)溫度及濕度分別為6.7 ℃和84%。

圖6 出風(fēng)溫度與濕度的變化Fig.6 Change of outlet air temperature and humidity

圖7為釋冷工況下，設(shè)備末端送風(fēng)軟管處出風(fēng)風(fēng)量與壓力在160 min內(nèi)隨時(shí)間的變化規(guī)律。如圖7所示，在整個(gè)試驗(yàn)期間內(nèi)出風(fēng)風(fēng)量及壓力出現(xiàn)輕微下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)檎麄€(gè)空氣降溫的通道較長(zhǎng)，從進(jìn)風(fēng)到出風(fēng)的過(guò)程中摩擦阻力較大，另外風(fēng)機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中存在泄露損失和流動(dòng)損失等一些不可逆的損失，導(dǎo)致風(fēng)量及風(fēng)壓出現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)，出風(fēng)風(fēng)壓及風(fēng)量較大分別為6.45 kPa和4 958 m3/h，160 min時(shí)出風(fēng)風(fēng)壓和風(fēng)量為試驗(yàn)期間最小值分別為5.52 kPa和4 600 m3/h。在試驗(yàn)過(guò)程中，風(fēng)機(jī)頻率并未調(diào)至最大，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率改變風(fēng)量大小。總體而言，風(fēng)量和風(fēng)壓均能夠滿足常見(jiàn)的波音737系列的飛機(jī)的需求。

圖7 出風(fēng)風(fēng)量與壓力的變化Fig.7 Change of air volume and pressure at the outlet

圖8為蓄冷工況下相變蓄冷箱中蓄冷量及平均蓄冷速率隨時(shí)間的變化規(guī)律。如圖8所示，前40 min內(nèi)由于相變蓄冷箱中的無(wú)機(jī)相變材料還未發(fā)生相變，載冷劑進(jìn)、出相變蓄冷箱時(shí)的換熱溫差較大，蓄冷形式主要以顯熱蓄冷為主，此段時(shí)間內(nèi)蓄冷量增加較多曲線斜率較潛熱蓄冷較大，平均蓄冷速率較快，在30 min時(shí)平均蓄冷速率達(dá)到最快為51.4 kW，之后雖然減緩但相對(duì)于潛熱蓄冷階段蓄冷速率較快。在50 min時(shí)累計(jì)蓄冷量為41 kW·h，50 min之后無(wú)機(jī)相變材料開(kāi)始發(fā)生相變，蓄冷以潛熱蓄冷為主，蓄冷速率逐漸減慢，蓄冷量的增加也逐漸減慢，到達(dá)230 min時(shí)平均蓄冷速率與蓄冷量分別為41.7 kW和160 kW·h。

圖8 蓄冷工況下蓄冷量與蓄冷速率的變化Fig.8 Change of cold storage capacity and cold storage rate under cold storage conditions

圖9為釋冷工況下，相變蓄冷箱釋冷時(shí)，載冷劑流出相變蓄冷箱后進(jìn)、出表冷器的換熱量及換熱速率。雖然釋冷工況時(shí)，從相變蓄冷箱流出的載冷劑只經(jīng)過(guò)表冷器與空氣換熱，而后載冷劑再次回到相變蓄冷箱降溫。但是從表冷器流出的載冷劑回到相變蓄冷箱經(jīng)過(guò)的管路較多存在很多不可逆損失，所以將載冷劑經(jīng)過(guò)表冷器的換熱量作為相變蓄冷箱釋冷的評(píng)價(jià)指標(biāo)。如圖9所示前35 min內(nèi)釋冷速率較大，釋冷量的增加也較為明顯，曲線斜率較大；平均釋冷速率在10 min時(shí)達(dá)到最大值為93 kW。35 min之后無(wú)機(jī)相變材料開(kāi)始融化，從固態(tài)逐漸向液態(tài)轉(zhuǎn)變，主要以潛熱形式釋冷，釋冷速率逐漸減慢，釋冷量的增加也逐漸減緩，到達(dá)160 min時(shí)平均釋冷速率及釋冷量分別為69 kW與184 kW·h。由于相變蓄冷箱中的冷量還未釋放完全，故從圖像可以明顯看出釋冷量的曲線還在增加。若釋冷全部結(jié)束則曲線處于平緩狀態(tài)。此外在10，80，150 min時(shí)釋冷量分別為15.5，106，176 kW·h，時(shí)間每增加 70 min釋冷量的增加量卻分別增加了90.5，70 kW·h，因此在試驗(yàn)后期釋冷量的增加逐漸減慢。

圖9 釋冷工況下載冷劑經(jīng)過(guò)表冷器的換熱量及換熱速率的變化Fig.9 Change of the total amount of heat transfer and heat transfer rate of the refrigerant passing through the surface cooler under cooling conditions

3.4 對(duì)比分析

表1為純電空調(diào)與本系統(tǒng)相變蓄冷箱在產(chǎn)生相同換熱量與空氣換熱時(shí)所消耗的燃料等的對(duì)比分析。本系統(tǒng)的相變蓄冷箱在夜間谷電蓄冷235 min產(chǎn)生的蓄冷量為160 kW·h，耗電量為67kW·h，白天釋冷160 min與空氣換熱184 kW·h時(shí)耗電量為55 kW·h。按照電的熱值為 3 600 kJ/（kW·h），標(biāo)準(zhǔn)煤折算系數(shù)為0.31 kgce/（kW·h），單價(jià)為 0.5 元 /（kW·h），標(biāo)準(zhǔn)煤的CO2排放系數(shù)為2.47。本系統(tǒng)與空氣換熱量為 184 kW·h時(shí)總計(jì)耗電 122 kW·h，CO2的排放量為93.4 kg，相較于無(wú)蓄冷的純電空調(diào)系統(tǒng)在與空氣的換熱量相同的情況下（184 kW·h），本系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用及CO2的排放量?jī)H占純電空調(diào)的63%左右。

表1 不同制/供冷方式的對(duì)比分析匯總Tab.1 Summary table of comparative analysis of cooling capacity produced or provided in different ways

上述分析是在本系統(tǒng)夜間蓄冷235 min后白天釋冷160 min的情況下計(jì)算，從圖4和圖9可以看出夜間蓄冷235 min產(chǎn)生的蓄冷量并未完全釋放結(jié)束，故上述分析本系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用及CO2的排放量比實(shí)際情況高。所以本系統(tǒng)無(wú)論是經(jīng)濟(jì)性還是環(huán)保性都占有優(yōu)勢(shì)，能夠大力推廣。

4 結(jié)論

本文在“油改電”政策的指引下結(jié)合機(jī)場(chǎng)內(nèi)遠(yuǎn)機(jī)位用電功率的限制，對(duì)傳統(tǒng)的飛機(jī)地面空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，引入相變蓄冷技術(shù)，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

（1）該系統(tǒng)通過(guò)相變蓄冷技術(shù)與蒸發(fā)制冷循環(huán)的耦合解決了機(jī)場(chǎng)“油改電”后冷量供需的矛盾，利用低谷電夜間將冷量?jī)?chǔ)存在蓄冷水箱中，白天用電高峰期釋放冷量，解決了機(jī)場(chǎng)內(nèi)遠(yuǎn)機(jī)位用電不足的問(wèn)題。

（2）相比傳統(tǒng)的飛機(jī)地面空調(diào)車，蓄冷式飛機(jī)地面空調(diào)車制冷量大，能夠滿足波音737系列的大風(fēng)量飛機(jī)的需求。在進(jìn)風(fēng)溫度為30 ℃，濕度為20%左右的環(huán)境下，該系統(tǒng)送風(fēng)溫、濕度分別為2 ℃和90%，壓力及風(fēng)量均值分別在6 kPa和4 750 m3/h左右。

（3）蓄冷技術(shù)的應(yīng)用極大地提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性。通過(guò)夜間低谷電在235 min內(nèi)蓄冷160 kW·h耗電67 kW·h；白天160 min內(nèi)釋冷量為184 kW·h耗電55 kW·h。在產(chǎn)生相同冷量的情況下，該系統(tǒng)相比于純電空調(diào)機(jī)組電力負(fù)荷較小且更加節(jié)能，運(yùn)行費(fèi)用和CO2的排放量?jī)H占純電空調(diào)的63%。