飞机空调车空调系统能耗分析

龚永奇，邓 建，刘慎洋

(空军勤务学院 航空四站系，江苏 徐州 221000)



● 车辆工程 Vehicle Engineering

飞机空调车空调系统能耗分析

龚永奇，邓 建，刘慎洋

(空军勤务学院 航空四站系，江苏 徐州 221000)

为提高飞机空调车空调系统制冷效率，研究不同环境因素对飞机空调车空调系统能耗的影响，分析飞机空调车送风能耗的影响因素，对在已知环境空气状态的条件下，飞机空调车空调系统的能耗进行计算分析。结果表明，系统能耗随着送风温差的增大而增大，随着舱内热湿比的增大而减少。由于飞机空调车送风空气含湿量有严格要求，针对不同的环境条件，在满足送风要求的前提下，提高舱内热湿比，降低系统送风温差，实现安全高效的空调保障。

飞机空调车；空调系统；能耗

飞机空调车是在飞机发动机停机状态下，在地面通电检查和维修飞机电子设备时，给飞机设备舱提供干燥而洁净的给定温度和湿度的冷、热空气，用来控制飞机电子仪器工作环境的保障设备。随着现代航空技术的发展，通信、雷达和惯导等大功率电子设备被广泛应用到民航飞机和军用战斗机的机载设备中，在提升了飞机自动化程度的同时，也突显出飞机空调车对飞行保障的重要性[1-2]。

随着飞机空调车的频繁使用，飞机空调车空调系统的高能耗逐渐引起人们的关注。高能耗不仅会降低系统效率，而且也制约了飞行保障的效率。飞机空调车空调系统的送风状态往往影响着系统能耗。本文通过讨论不同因素对能耗的影响，在满足送风要求的前提下，寻找低耗能的送风状态。

1 空调系统理论分析

本文研究飞机空调车的空调系统主要是蒸气压缩式空调系统，它由两级空调系统组成。其工作原理是利用制冷工质在一定的低压条件下在蒸发器内气化，由液态变成气态，伴随着吸收气化潜热而得以制冷。为了达到连续制冷，又把气化后的制冷工质送回压缩机内提高压力，在冷凝器内等压冷凝为液态，周而复始形成制冷循环。在这个过程中，工质由液态变成气态产生吸热现象，由气态变为液态则产生放热现象。冷量的获得是工质连续不断地产生气液相变而获得的[3]。其工作原理如图1所示。

图1 蒸气压缩循环空调车的工作原理

飞机空调车为全新风系统，夏季通风焓湿图如图2所示，环境空气状态位于空气处理示意图的最上方A状态点，经过预冷处理，降温减湿到达B状态点；状态B点到C点为空气在风机中的升温过程；然后C点空气再次被冷却去湿至露点L点，使得该状态下的空气含湿量满足指标要求(8 g/kg干空气)；最后根据送风温度要求，等湿加热至状态点S。

图2 飞机空调车空气处理过程的焓湿图

飞机在地面空调保障前，飞机设备舱门需要打开进行维修检查，理论上可认为环境状态与飞机设备舱内的空气状态是一致的，飞机设备舱的送风状态点S与环境状态点A、舱内负荷Q、送风量G和送风时间t有关，即

S(hS,dS)=f(hA，dA，G，Q，W，t)

(1)

式中：hS为飞机空调车送风温度范围，℃；dS为飞机空调车送风含湿量范围，g/kg；hA为环境状态的比焓，kJ/kg；dA为环境状态的含湿量，g/kg；G为送风量，kg/min；W为系统的总耗能；t为通风时间，min[4-5]。

从式(1)可知，飞机空调车送风状态与很多因素都有关联，飞机空调车的送风状态影响着飞行保障的质量和速度，也影响着空调系统的能耗。在实际保障过程中，舱内空气的温度和相对湿度并不要求精确到某一个点上，因此飞机空调车的送风状态是一个区间(S1)。在夏季和冬季时候，天气状态A以及送风区域S1相差较大，达到飞机设备舱理想环境状态也需要较长时间，飞机空调车空调系统的能耗大大增加。因此，应合理确定飞机空调车的送风状态，在满足送风要求的前提下，降低空调系统的能耗[6]。

2 飞机空调车送风能耗计算

新风空气的绝对湿度可以用近似公式计算：

d=0.621 88 P0·H/(Pb-P0·H)

(2)

lnPb=23．196-3 816．44/(T0-46．13)

(3)

式中：H为空气相对湿度；P0为大气压，101 325Pa；T0为开尔文温度。

湿空气的比焓值由以下公式计算得到：

h=1．005T0+(2 500+1．84T0)d

(4)

送风状态点的空气状态为

dS=dA-Δd

(5)

Δd=Δt(1.005+1.86dA)/(ε-2 501)

(6)

式中：dS为送风空气湿度，g/kg干空气；Δt为送风温差，℃；ε为回风比。

由于蒸气压缩循环是冷凝除湿，因此其露点的状态参数为

dS=0．622PL/(B-PL)

(7)

式中：PL为水蒸汽分压力，kPa；B为大气压力，取101.325kPa。

lnPL=23．196-3 816．44/(tL+273．15-46．13)

(8)

hL=1．005tL+dS(2 501+1．86tL)

(9)

式中：hL为露点状态的比焓值，kJ/kg；tL为露点温度。

由于飞机空调车利用风管输送风，风管中有阻力，当飞机空调气在风管内流动时由于管内的摩擦阻力和局部阻力产生压降，通过风管的压降(ΔP1)与通过的流量(G)的平方成正比，即

【本刊2018年10月综合报道】 近期，美国唯一核电在建项目的估计造价再次上升，但该项目业主仍决定继续推进该项目，继续在沃格特勒建设两台AP1000机组。

ΔP1=SflowG/ρa

(10)

Sflow=8(λl/d+∑ξ)/(gπ2d4)

(11)

式中：Sflow为管路阻抗；ρa为空气密度，m3/h；ξ为局部阻力系数；l为管路长度，m；d为管路直径，m。

离心风机的耗电功率为

WF=(ΔP+ΔP1)G/ηFρa

(12)

式中：ΔP为换热器前后的压差，Pa；ηF为风机机械效率。

空调系统的全热负荷为

Q=G(hA-hL)

(13)

式中hA为环境空气状态的比焓值，kJ/kg。

系统的总能耗为

W=Q/COP+WF

(14)

式中COP为压缩机的制冷系数。

3 结果与讨论

为了更加明确飞机空调车空调系统的能耗影响因素，本文在已知舱内空气状态的条件下，分别选择3种不同的飞机设备舱内热湿比(5 000、7 000、10 000)、3种夏季高湿的天气情况(40 ℃、70%；35 ℃、60%；30 ℃、40%)为例，计算飞机空调车空调系统在不同的送风温差下的整体系统性能水平。本文设定飞机空调车的制冷剂为R134a，送风压差为1 000 Pa、风机效率为0.75。

如图3所示为以常见环境天气(26 ℃、50%)为例，飞机空调车通风保障时，飞机设备舱内空气热湿比分别为5 000、7 000、10 000时，空调系统送风空气的含湿量随着送风温差的增大而降低，同时舱内热湿比越大，同一送风温差条件下，其送风空气的含湿量越高。由于飞机空调车送风空气的含湿量要小于等于8 g/kg干空气，故舱内的热湿比太大，在夏季的时候会因舱内空气的含湿量过大，而析出水分，对飞机设备舱的电子设备造成腐蚀。

图4所示为在图3相同条件下，飞机空调车的空调系统的功耗随着送风温差的不同而变化的情况。从图4中可以看出，随着送风温差的增大，系统能耗也随之而增大；同时热湿比越大，在相同送风温差的条件下其功耗越小。

图3 不同热湿比条件下送风空气的含湿量

图4 不同热湿比条件下空调系统的总能耗

比较图3和图4可以发现，舱内热湿比越高，系统的能耗越小，但送风空气的含湿量越大。飞机空调车对送风空气的含湿量有严格要求(8 g/kg干空气)，否则会因为设备舱内空气的含湿量过大而析出水分。因此要降低系统的能耗，必须在满足送风空气含湿量的前提下，提高舱内热湿比。

图5所示为舱内热湿比为5 000时，飞机空调车在3种(40 ℃、70%；35 ℃、60%；30 ℃、40%)夏季高湿条件下，空调系统随天气不同而变化的情况。从图5中可以看出环境温度越高、湿度越大，则系统的能耗越高，而且系统能耗随着送风温差的增大而增大。

图6所示为在不同天气条件下，飞机空调车的送风含湿量随送风温差变化的情况。不同的环境条件下，需要不同的送风温差才能满足送风要求。从图6中可以看出，在夏季高湿环境中如40 ℃、70%时，6～16 ℃的送风温差达不到送风含湿量要求，而在30 ℃、40%的环境条件下，可以满足送风要求。因此需要根据机场的环境状态确定合适的送风温差。

图5 不同天气条件下空调系统的总功耗

图6 不同天气条件下空调系统的送风含湿量

比较图5和图6可以发现，在不同的环境条件下，首先可以确定合理的送风温差，满足送风要求，同时寻求刚好满足送风含湿量要求的送风温差，即找到送风含湿量为8 g/kg干空气的送风温差，其系统能耗最小。以30 ℃、40%环境条件为例，6～16 ℃的送风温差可以满足送风含湿量要求(8 g/kg干空气)，其中送风温差为6 ℃时，送风含湿量为8 g/kg干空气，而6 ℃比16 ℃的送风温差系统能耗减少5.06 kW/h，约占系统能耗的15.7%，因此，选择6 ℃的送风温差，其系统能耗在该环境条件下降到最小。

4 结 论

本文首先对蒸气压缩式飞机空调车空调系统对湿空气的处理过程进行理论分析，为了进一步研究飞机空调车空调系统的能耗水平，又分别研究了在不同的飞机设备舱内热湿比、不同的天气条件及不同的送风温差的条件下，飞机空调车空调系统的能耗，可得出以下结论：

(1)蒸气压缩式飞机空调车空调系统是冷凝除湿空调系统，其能耗随着送风温差的增大而增大，随着热湿比的增大而减少；送风空气的含湿量随着热湿比的增大而增大，随着送风温差的增大而减少。

(2)由于飞机空调车对送风空气的含湿量有严格的要求，通风保障过程中，应根据不同的环境条件，选择送风含湿量为8 g/kg干空气时的送风温差，其系统能耗可降为最低。

(3)在满足送风要求的前提下，飞机空调车可提高舱内的热湿比，降低送风温差，实现低能耗的空调保障。

[1] 朱日春.国外飞机空调车现状和发展趋势[J].四川兵工学报,2012,33(10):66-69.

[2] 张科,周志刚,吴兆林.飞机地面空调车的应用与发展[J].制冷技术,2009,37(8):52-55.

[3] 唐华杰,吴兆林,周志刚.飞机地面空调车和军用飞机地面液体冷却车的应用及发展[J].流体机械,2006,34(2):72-75.

[4] 繆小平,江丰,隋鲁彦,等.基于送风状态的地下工程空调节能运行管理研究[J].暖通空调,2012,42(9):13-18.

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(编辑：张峰)

Energy Consumption of Air-conditioning System in Aircraft Conditioner

GONG Yongqi, DENG Jian, LIU Shenyang

(Department of Aviation Four Stations, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China)

To improve the refrigeration efficiency of air-conditioning system in aircraft conditioner and study the impact of different environment on energy consumption of air-conditioning system in aircraft conditioner, the paper analyzes the factors which affect energy consumption of aircraft conditioner, and calculates and analyzes the energy consumption of air-conditioning system in given environment and air condition. The result shows that the energy consumption increases with the increase of air supply temperature difference and decreases with the increase of heat-humidity ratio in the cabin. Considering the strict requirement of moisture content of air supply in aircraft conditioner, we should raise heat-humidity ratio in the cabin and reduce air supply temperature difference to achieve safe and efficient air conditioning according to different environment.Keywords: aircraft conditioner; air-conditioning system; energy consumption

2016-09-18；

2016-11-23．

龚永奇(1992—)，男，硕士研究生．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.03.011

TB657.5

A

1674-2192(2017)03- 0043- 04