飞机客舱能耗模型的构建研究

林家泉，张学锋

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300）

飞机客舱能耗模型的构建研究

林家泉，张学锋

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300）

针对各地机场不合理使用桥载空调导致无法实现节能减排和满足客舱舒适性调节控制的问题，构建飞机客舱能耗模型，预测飞机客舱的热载荷，实现对桥载空调的优化控制。以天津滨海国际机场A320飞机客舱为研究对象，采用热平衡法对影响客舱能耗的各个因素进行分析，并建立客舱外气象参数模型、客舱围护结构热平衡模型和客舱内空气热平衡模型；对其传热过程进行了计算与仿真，得出了不同时刻的飞机客舱能耗。所得结果为今后飞机客舱传热舒适性调节控制研究以及飞机空调系统节能控制提供理论依据。

飞机客舱；能耗模型；热平衡法；能耗预测

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为响应国家节能减排的号召，中国民用航空局在2011年颁布了《关于加快推进节能减排工作的指导意见》，要求全国各机场在飞机航前、经停与航后阶段使用桥载空调（廊桥下的空调机组，使用工业用电）来替代目前使用的航空燃油机载辅助电源装置（APU，auxiliary power unit）。桥载空调不仅有效地减少了能源的消耗，而且降低了污染物的排放[1]，但在推广过程中发现许多机场存在桥载空调的不合理使用现象，导致桥载空调使用寿命缩短和电力资源大量被浪费的现象。为了正确地使用桥载空调，需对飞机客舱的能耗进行合理的预测，并且这些基于飞机设计要求的动态热载荷为飞机环境控制系统的设计和桥载空调的节能控制提供了理论依据，因此对于客舱能耗的研究具有重要的现实意义。

国内外学者对飞机客舱能耗的研究经过数十年的探索逐步形成了一套计算方法和理论体系。文献[2]结合飞机内外热环境建立飞机的瞬态热载荷的物理模型，采用区域分解技术划分为不同的传热单元，采用热网络法来实现飞机的辐射—导热—对流计算；文献[3]首次提出使用现代控制理论学科的方法，采用状态空间法计算飞机客舱热载荷，但该方法还处于理论探讨的阶段；文献[4]从辐射换热、结构传热和附加热载荷等3个方面对民机客舱进行建模，对其瞬态的热载荷进行了计算分析；文献[5]提出了基于工程方面的2种计算方法，对座舱壁体结构的传热系数进行了研究与计算；以上的研究成果对本文具有重要的参考意义，但由于飞机客舱围护结构组成的复杂性使得在求解过程中假设条件过多，这些假设对于热载荷的计算则有很大的影响。与传统的计算方法相比，本文是从飞机客舱能耗机理出发，考虑客舱外温度、风速、太阳辐射等影响，建立飞机客舱能耗模型，对客舱能耗的各个子模型进行了推导计算，得到客舱模型的能耗，研究结果为大型客机的环境控制系统与飞机客舱传热舒适性调节控制研究提供理论依据。

1 客舱能耗模型的构建

本文以A320飞机客舱中的经济舱为研究对象，根据空客维修手册[6]获知A320飞机机舱高4.14 m，宽3.95m，按照飞机的结构图进行建模，并对其中复杂桁梁等部分进行了简化，物理模型如图1所示。

图1 飞机客舱结构图Fig.1 Structure of aircraft cabin

从影响飞机客舱能耗系统的因素来看，主要包括客舱外扰和内扰。客舱外扰是指气象参数，如太阳辐射强度、逐时空气温度、风速等，其通过热交换（辐射换热和对流换热）和空气交换影响着客舱内的空气热状况；客舱内扰是指照明灯具散发的热量与旅客的散热、散湿，是以对流和长波与短波的辐射2种方式与客舱内的空气进行热湿交换。

从传热的基本原理出发，采用热平衡法，通过分析客舱壁体等各个模型的非稳态传热，对客舱能耗进行定性研究。该模型主要包括3个子模型：①客舱外气象参数模型；②客舱围护结构热平衡模型；③客舱内空气热平衡模型。其中客舱外气象参数模型用来计算客舱外部逐时的环境温度与太阳辐射量，为客舱围护结构得热量的计算提供前提，其分为外界逐时温度子模型和太阳辐射等子模型；客舱围护结构热平衡模型用来计算客舱围护结构逐时的得热量，计算出的客舱壁体内壁面温度为客舱内空气热平衡模型计算提供前提，其分为客舱壁体外壁面热平衡子模型、客舱壁体内壁面热平衡子模型和客舱壁体传热子模型；客舱内空气热平衡模型用来计算所需的负荷，也是研究的主要目的，它分为灯具和人员散热子模型、空气渗透子模型和新风量的引入子模型。建立各个子模型后，通过飞机客舱围护结构内表面热平衡方程和客舱内热平衡方程建立飞机客舱的热平衡方程组，计算所需的空调制冷量。能耗预测模型的构建路线如图2所示。

图2 客舱能耗预测模型的组成部分Fig.2 Components of cabin energy consumption prediction model

2 能耗模型的建立

2.1 客舱外气象参数模型

飞机客舱能耗分析是以气象参数为基础，其负荷大小不仅关系到桥载空调的控制与节能，而且对客舱内人体舒适性影响也很大，因此要确定桥载空调所需的冷负荷，客舱外气象参数模型的确定就很重要。在气象参数方面，客舱外表面综合温度与太阳辐射强度是求解热载荷的两个重要参数。

2.1.1 外界逐时温度模型

采用模比系数法计算外界逐时温度，应用暖通空调设计规范中的模比系数对飞机客舱外的逐时温度进行计算，计算方程为[7]

其中：t0（τ）为客舱外逐时干球温度；τ为时刻；tω为夏季室外空调计算干球温度；β（τ）为不同时刻的模比系数；Δtr为设计日较差。

本文以天津机场为例，由供热手册查得夏季室外空调计算干球温度tω=33.9℃，同时设计日较差Δtr=8.1℃，根据式（1）可得客舱外逐时干球温度。中国标准模比系数如表1所示。

表1 模比系数表Tab.1 M odulus coefficient

2.1.2 太阳辐射模型

一般认为物体获得的总太阳辐射由2部分构成：太阳直射和太阳散射（包括地面反射和天空散射）。根据ASHRAE太阳辐射模型[8]，其方程表达式为

其中：ISH为客舱曲面所接受到的太阳辐射的总强度；IDθ为客舱曲面所接受到的太阳直射辐射强度；Idθ为客舱曲面所接受到的太阳散射辐射强度；IRθ为客舱曲面所接受到的地面反射辐射强度。

2.2 客舱围护结构热平衡模型

在建模前，首先对外部条件假设如下：①客舱外部接受的热辐射主要包括太阳短波辐射和太阳长波辐射；②客舱材料物理性能不变性；③飞机客舱由曲率较大的围护结构组成，认为传热是沿厚度方向上的导热问题即传热过程简化为一维处理。

2.2.1 客舱壁体外壁面传热模型

客舱壁体外壁面主要有热交换和对流换热2种方式。其中热交换是指太阳辐射通过客舱厢壁体和半透明的客舱窗玻璃向客舱内射入的辐射量，以及客舱壁体与周围空气的长波辐射换热量；对流换热则是指客舱外壁与周围空气的对流换热量。图3为客舱外壁面热平衡模型。

图3 客舱外壁面热平衡模型Fig.3 Thermal balance model of cabin exterior

飞机客舱外表面的热平衡模型方程[9]为

其中：qa为客舱外表面吸收的太阳短波辐射强度；qL为客舱外表面与周围环境的辐射换热强度；qc为客舱外表面与空气间的对流换热强度；qk为客舱外表面导热强度。式中

其中：ρ为客舱外表面太阳辐射的吸收系数；ISH为客舱外表面所接受到的太阳辐射的总强度。式（3）中

其中：αw为客舱外表面对流换热系数；t0为客舱外干球温度；tso为客舱外表面温度；v为外部空气流速。式（3）中其中：ζ为客舱外表面长波辐射能力，与飞机外表面材料的吸收率有关；σb为斯特藩-玻尔兹曼常数，为5.67×10-8W·m-2·℃-4；tsky为天空温度；tg为地面温度；Fo为客舱外表面与空气温度之间的角系数；Fsky为客舱外表面与天空温度之间的角系数；Fg为客舱外表面与地面之间的角系数。

角系数具有完整性，即满足

2.2.2 客舱壁体传热模型

客舱壁体传热是一个复杂的非稳定传热过程，结合壁体传热的特性，采用反应系数法[10]计算客舱壁体的传热。客舱壁体热平衡模型图如图4所示。

图4 客舱壁体热平衡模型Fig.4 Thermalbalancemodelof cabin wall

由传热学基本理论可知，用如下方程表示客舱壁内部温度分布的偏微分方程和热流密度与温度场关系为

其中：a为客舱壁面不同材料的导温系数；δ为客舱壁面不同材料的厚度；λ为客舱壁面不同材料的导热系数；x为客舱壁面计算坐标；τ为变量（时间）。

利用拉式变换，解得温度分布与热流的数学表达式为

其中：T（x，s）为客舱壁面在x位置上对时间变量的拉氏变换；Q（x，s）为客舱壁面在计算坐标x位置处热流对时间变量的拉氏变换；s为时间变量τ拉氏变换。式（10）也可写成

其中：αi为客舱内第i个面的对流换热系数；αw为客舱外表面对流换热系数。式（11）中

由上式可知，当客舱壁体的不同层材料物理参数已知时，通过拉氏变换即可得出系统整体的热传递矩阵，为分析客舱壁体的传热提供基础。

2.2.3 客舱壁体内壁面传热模型

客舱内壁面在热量交换上，不仅存在于周围空气的对流换热，同时还受到客舱内扰的作用，如客舱内灯光的短波辐射热和旅客之间的长波辐射的热交换。客舱壁体内壁面热平衡子模型图如图5所示。

图5 客舱内壁面热平衡模型Fig.5 Thermal balance model of cabin interior

飞机客舱壁体内壁面的热平衡模型方程为

其中：qsol为由观察窗传入的太阳短波辐射；qLWX为内表面之间的长波辐射；qLWS为内热源之间的长波辐射；qSW为舱内灯光等的短波辐射；qconv，i为内表面与空气间的对流换热；qkin为由客舱壁体传入的导热强度。式中

其中：tii为客舱内第i个面的表面温度；t为客舱内的空气温度；vc为客舱内部空气流速。

2.3 客舱内空气热平衡模型

客舱内空气热平衡包括客舱内的旅客和灯具等，其热平衡方程为

其中：Qadd为客舱内热量的增加量；QCE为灯具和人员的对流散热量；QIV为空气泄漏的热量；QVE为新风热量。式中

其中：n1为散热系数，一般取1.0；n2为隔热系数，一般取0.7；N为额定输入功。而式（16）中

其中：mL为空气泄漏量；tC为客舱空气温度；tL为泄漏处的平均空气温度；CP为空气定压比热容；VK为增压舱容积。

空气交换主要是指客舱体的渗风量和从客舱外引入的新风量，客舱外的空气通过客舱窗、客舱门缝隙和客舱连接处向客舱内部渗入一定量的空气，同时为了保证客舱内的空气品质，也需要引入一定量的新风。即

其中：M为引入新风量；h0为调节管中的空气焓值；hr为客舱内的空气焓值。

3 飞机客舱能耗的计算

上述对飞机客舱能耗模型进行了详细介绍，将客舱能耗模型的热平衡方程和客舱内空气的热平衡方程联立，即可得到整个热力系统的热平衡方程组，通过求解方程组，编写相应的程序即可求得飞机客舱整体逐时能耗。计算时假设乘客为满员150人，客舱内灯光全开，客舱内空气温度为25℃，湿度为60%，客舱内风速为0.2m/s，外部空气流速为0.16m/s。人体散热包括显热量和潜热量2种，为方便研究，文中的乘客以成年男子样本，静坐方式，显热56W/人，潜热37 W/人。如图6和图7所示。

图6 客舱整体逐时能耗Fig.6 Hourly energy consumption of whole cabin

图7 各项能耗所占的百分比Fig.7 Percentage of various energy consumptions

对各项能耗及空调的总负荷进行逐时计算。从图6可知，白天时，客舱受到外界太阳辐射、环境温度和内部乘客散热、新风等因素的影响，尤其是中午到下午这段时间内太阳辐射较强，环境温度较高，对空调负荷影响很大；晚上时，因为没有太阳辐射，另外环境温度也下降，相对白天来讲，空调负荷减少了很多。从图7可知，在各项能耗所占总能耗的百分比中，新风负荷所占的比例最大，高达30.34%；其次是潜热负荷，比例为25.94%；人员显热占24.88%，围护结构负荷占15.59%，照明灯光等和泄漏负荷所占的比例较小，分别为2.38%和0.87%。可见，围护结构传热对空调负荷的影响不容忽视。客舱内的负荷主要以新风负荷、人员显热、潜热负荷和围护结构负荷为主。由于客舱密闭性良好，由空气泄漏所引起的泄漏负荷很小，对潜热负荷影响较小。

4 结语

本文针对飞机客舱能耗进行了研究，通过对客舱热能耗体系和热平衡模型的分析，建立了飞机客舱的能耗模型，主要包括客舱外气象参数模型、客舱围护结构热平衡模型和客舱内空气热平衡模型；计算热平衡方程组并编写相应程序对客舱整体逐时能耗进行了计算与分析。最终对飞机客舱能耗模型的研究，为今后飞机客舱内热舒适性研究以及飞机空调系统节能控制提供理论依据。

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Research on energy consumption model of aircraft cabin

LIN Jiaquan,ZHANG Xuefeng
（College of Electronic Information and Automation,CAUC,Tianjin 300300,China）

The unreasonable use of air conditioning load bridge has resulted in the inability to achieve energy saving and emission reduction and meet the requirements of cabin comfort control,aircraft cabin energy consumption model is constructed to predict the thermal load of aircraft cabin and achieve optimal control of bridge load air conditioning.Taking A320 aircraft cabin of TBIA as research object,various factors affecting cabin energy consumption is analyzed using heat balance method.Meanwhile,the meteorological parameter model,cabin envelope heat balance model and cabin air heat balance model are constructed.Heat transfer process is simulated and calculated,and the energy consumption of aircraft cabin at different time is obtained.Results provide a theoretical basis for future study of heat transfer comfort control of aircraft cabin and the energy saving control of aircraft air conditioning system.

aircraft cabin;energy consumption model;heat balance method;energy consumption prediction

林家泉（1975—），男，黑龙江鹤岗人，副教授，博士，研究方向为飞机客舱能耗预测控制.

V223；TP391.9

A

1674－5590（2017）05－0017－05

黄 月）

2016-12-22；

2017-02-20

国家自然科学基金项目（U1433107）