飞机地面空调技术研究现状与展望

2019-04-11欧冠锋

制冷 2019年1期

欧冠锋

（广东申菱环境系统股份有限公司，广东528313）

0 引言

以往飞机待飞或停靠时，依靠飞机发动机自身APU （Auxiliary Power Unit辅助动力装置）［1］提供压缩空气保障机舱空调系统。由于飞机依靠昂贵的航空燃油为能源，运行时不仅造成成本大幅增加，同时会产生较大的噪声和废气排放物，对机场环境造成污染，更重要的是待飞超时后消耗的航油会对航空安全造成影响。从安全、环保、经济角度出发，利用地面电力驱动的飞机地面空调应运而生。

飞机地面空调机组PCA（Airplane pre－conditioning air unit）［2］替代飞机 APU，如图 1，向客舱提供经过处理的洁净、舒适、健康、新鲜的空气，降低了对飞机自身APU空调设备的使用频率和时间，从而延长了飞机自身空调的使用寿命，在大幅度降低费用的同时减少对机场环境的污染［4］，越来越受到国内外机场的青睐。目前，飞机地面空调已成为一种重要的飞机地面保障设施，且具备节能、环保特性。

图1 飞机地面空调（PCA）替代飞机APU［10］应用图

李国瑞［6］描述的飞机地面空调的节能减排效果，在桥载设备项目进行建设时，实现飞机地面空调设备、飞机静变电源等功能，可以更好的替代飞机停靠登机桥进行的APU相关工作，从而减少工作量，同时也将会更有效减少飞机在停靠登机桥时产生的噪声对周围环境的影响。根据相关资料分析，飞机在使用APU进行工作时产生的噪声可达到90分贝以上，而且启动APU也要消耗155kg／h的航油，而每千克的航油则会产生3.18千克的CO2。也就是飞机在等靠登机桥时启动APU，将会造成 439kg／h的 CO［6］2。

1 飞机地面空调设备分类

从配套飞机种类来分，飞机地面空调设备可以分为C类、D类、E2类、E1类和F类五种［2］，分别对应目前的常用波音和空客机型，如表1。

飞机地面空调设备从配套飞机种类来分，主要是从送风量、制冷量、送风压力的大小来区分规格型号。

表1 飞机地面空调设备与飞机型号对应表

从气候类型来分，飞机地面空调设备可分为高温干燥气候、高温低湿气候、高温中湿气候、高温高湿气候［2］，分别对应应用于高温干燥沙漠地区，普通内陆地区，沿海湿润地区，海滨高湿地区，如表2。

表2 机地面空调按使用类型分［2］

图2 车载式飞机地面空调

图3 桥载式飞机地面空调

从安装方式分，飞机地面空调设备主要分为两种：车载式飞机地面空调设备［5］和桥载式飞机地面空调设备［6］。

桥载式飞机地面空调设备［6］，如图2。桥载式飞机地面空调挂装于飞机登机桥下面，采用电能作为设备的动力系统，当飞机停靠时，地勤人员可以将送风软管快速连接至飞机，并通过电能带动空调系统送风，操作简易。

虽然车载式飞机地面空调设备具有使用地点灵活的优势，但每次使用均需要地勤人员开至飞机所在位置，需要的人力更多，使用麻烦，还有采用发动机作为动力，运行过程中，相对较大的噪音和较高的污染物排放，从环保性、使用方便性的节能减排角度来说，应用车载式飞机地面空调设备并不是代替机载APU的最佳选择。因此，接下来，我们重点讨论桥载飞机地面空调机组的技术应用和发展。

2 桥载式飞机地面空调系统原理及应用［4］

飞机地面空调采用整体式壳体结构，由空气循环部分和直膨蒸发冷却部分组成，一体化设计，工程量小，安装方便灵活，如图5。

图4 飞机地面空调机组空气处理过程示意图［7］

图5 桥载式飞机地面空调工作原理图及布置图

空气循环部分工作原理是采用高压离心式鼓风机作为驱动，将停机坪新风（35℃）经过过滤、冷却除湿（四到五级蒸发盘管热交换）处理［4］，降至2℃以下，如图4，再通过专用送风管道输送至机舱内。此循环过程特点就是风量小、送风压头大、处理焓差大，这都是与飞机特定使用环境和要求相关的。一方面飞机内部都是精密仪器，所以对风量大小精度控制要求高，过高的风速和过大的风量会对精密仪表造成损害；另一方面飞机舱对外送风接口小，但是连接风管长，有时候长达50米，且送风管直接在停机坪上暴晒，短时间内温升高，这就决定了机组送风压力必须达到高压要求，根据MH／T6109－2014中国人民共和国民用航空行业标准《飞机地面空调机组》［2］要求，额定机外静压可达7000Pa，远超舒适性空调和工业空调标准。

直膨蒸发冷却部分主要由四到五级制冷压缩循环系统组成［4］，每一级制冷压缩系统分别匹配压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置，各自形成一套独立的循环系统。由于空气处理焓差大，采用多系统串联设计，一方面可以保证低温送风的精度可控，另一方面可以根据新风进风实际温度（实际冷量）的需求对应轮换开适当数量的压缩机，不仅节能且对于压缩机长期可靠运行有保障。

同时，由于飞机地面空调机组出风达到0～2℃，其蒸发温度达到－5～－10℃，空气中的水份非常容易结霜，林美娜［8］等人进行了融霜方式的研究，得出的结论是，在制冷系统压缩机排气口、冷凝器进气口和到膨胀阀后中增加三通比积分阀，通过控制比例积分三阀开度，调节进入蒸发器的制冷剂流量，融霜速度快，融霜效果显著且送风温度波动小，确保机组稳定、低温送风［8］。

3 新技术应用展望

随着国产品牌设备的加大研发和成功使用，目前飞机地面空调的应用也进入了一个新的阶段。除了对工艺制造的不断提升、可靠性的保障要求提高之外，飞机地面空调不断向着更轻、更薄、能效更高的技术发展方向迈进。笔者所在公司研发团队分别针对新型联网计费系统、多系统涡旋压缩机设计、单系统螺杆压缩机设计、双冷源设计、模块化设计做了理论计算和样机测试，从节能、可靠性、维护等方面分析不同技术应用的特点。

3.1 多系统涡旋压缩机设计［4］

采用多系统涡旋压缩机设计的飞机地面空调，通常制冷系统的数目为4～5台压缩机［4］，可根据空调实际冷量的需求开适当数量的压缩机。在部分负荷工况下，节能方面有优势。多系统在空气循环部分串联，前两到三级的冷量分配较大，蒸发温度高，在高蒸发温度的条件下，压缩机的能效比高。

2013年8月底，经过前期的精心准备，浙江省人民医院检查预约中心正式开始运行。首先从住院患者进行试点，集中预约检查项目仅限CT、超声两项。患者入院时需要进行CT、超声检查，过去，要去放射科、超声科分散预约，还没做上检查就先把医院跑一遍。在新的服务模式下，患者不管有多少检查项目，在预约中心一次性预约，然后在预定时间前往不同科室进行检查，让患者真正体验“检查少跑腿”的便利。

另外由于涡旋压缩机功率较小，噪声相对较小，且运行噪声较为柔和；在风冷工况下运行时，无需配置喷液冷却电机，避免了冷量损失，单位功率下制冷效果好，减少了喷液控制元件，使系统的稳定和可靠性更高。维护简便，涡旋压缩机系统无需定期更换润滑油和轴承，即使使用过程中有一个系统故障，也不会影响整机的运行，其余的系统仍能工作，等待检修，系统互为备用，降低开机频次，延长使用寿命。缺点：系统数量多，运动部件多，设计和加工复杂，多系统电气控制程序需要定制开发和验证。

3.2 单系统螺杆压缩机设计

采用单系统螺杆压缩机设计的飞机地面空调，系统设计简便，机内空间大，维护简单方便。但是由于单系统调节有限，所以面临问题不少，首先是部分负荷下的可靠性问题，由于螺杆机不能在50%载荷以下长期运行，回油不良，且制冷剂对电机的冷却不佳，容易损坏，所以一般在0%～50%负载范围内为螺杆压缩机的调载盲区，能效低。其次，虽然系统数少，但是螺杆压缩机的油路系统非常复杂，包括油路润滑系统和油路卸载系统，且需要定期检修润滑油、油过滤器和轴承，对于桥载设备（离地面有一定距离）而言，维修的工作负担不小。

对照涡旋多系统和螺杆单系统设计产品，按MH／T《飞机地面空调机组》民航标准规定工况和要求，经过国家空调设备质量监督检验中心测试，产品能效会有一定差距，具体数据对比，如表3和表4。

表3 DT3机组测试数据表

表4 CT4机组测试数据表

图6 飞机地面空调计费系统［3］工作示意

上述数据来自由权威机构测试得出，各厂商全部能满足出风温度低的要求，但在节能表现上，明显采用涡旋系统设计，制冷量更大，能效表现好，有较大优势。同时，由于送风温差大，制冷级数多，所以同样采用涡旋系统，在系统数量和制冷剂流量分配的匹配上，也造成制冷能力的表现有区别，总的来说，对于飞机地面空调机组的设计，比较机组性能的发挥和节能的要求，更推荐采用多级涡旋系统的设计方案。

3.3 拓展设计——新型联网计费系统［3］

目前，在欧美及发达国家，桥载设备已得到较为普遍的应用。地面设备替代机载APU的使用，世界各国所采用的方法大致相同，多数情况是机场提供安全稳定的地面保障设备，而航空公司采用协议方式，租用相应设备而停止机载APU的使用，对于航空公司而言，租用设备的费用将远远小于机载APU使用的费用，并且延长了机载APU的使用时间，降低了APU的故障率；而机场除了能够获得设备租赁的收益之外，还可以获得良好的空气质量和噪声环境以及优秀的机场品牌。

具体的收费标准由机场和航空公司根据政策、运行成本和各自情况共同商定。但目前国内的计费方式，大多采用人工记录统计的方法，笔者所在公司研发团队通过自动化数据采集系统［11］的应用，自动采集航班信息应用时代等，通过集成软件计算存储方式，如图6，自动实现联网计费系统，提升计费效率。

3.4 拓展设计——双冷源系统

采用双冷源设计的飞机地面空调，工作原理是：在新风与蒸发冷却盘管进行热交换之前，先与预冷盘管进行热交换，而预冷盘管里则采用与机场候机厅共用的冷冻水作为其中一个冷源，空气经过预冷后，再与机组的蒸发冷却系统提供的氟冷媒为介质的盘管进行热交换，进行再冷却（另一个冷源），从而使空气达到出风2℃以下的处理要求。从预冷却表冷器出来的冷冻水，还可以进一步作为蒸发冷却系统里的壳管式冷凝器（与风冷冷凝器并联或串联）的冷却水，增强风冷冷凝器的冷却效果，使空调机组更加高效节能，经过初步测算，采用双冷源设计，机组能效可以提升30%以上，尤其是极端高温天气负荷，可以大大降低机组能耗，节能效果显著。

该空调机组与普通风冷冷却方式的单冷源同类产品相比，冷却方式选择更灵活，可以采用与机场候机厅共用的冷冻水为双冷源飞机地面空调提供预冷，再用机组自身的制冷系统提供再冷。而经过预冷后的循环水，也可以再度利用为蒸发冷却系统的冷凝器散热，由于预冷盘管后的进出水温度大概是7～12℃，对于冷却水而言属于高品质，散热效果好，能效高。

缺点：多种冷却方式，设计和制造比多系统涡旋压缩机设计更为复杂，有预冷盘管，又有冷却水循环利用水泵，水冷冷凝器和风冷冷凝器串联或并联，造成机内空间非常小，维护不便，且造价高，可靠性相比其他两种成熟方案而言低，需要多次验证。

3.5 拓展设计——模块化设计［9］

采用模块化设计的飞机地面空调［9］，其核心是在采用多系统涡旋压缩机设计的基础上，将每个系统的压缩机、两器、气液分离器、膨胀阀、电磁阀、干燥过滤器、系统管路等单独做成一个模块，模块下方有叉车孔，方便安装，整台机组分为4个模块，可快速进行线下部装线上组装，实现高效生产。采用模块化设计，由于每个模组配置一模一样，且模组下方带有滑轮，方便抽出，在维护方面尤其简便，不仅保留了多系统涡旋压缩机设计的优势，而且弥补了其缺陷，设计简单可靠，加工高效，工艺复制程度高，维护空间大，方便操作。

在可靠性方面，模块化设计部件通用率高，生产加工简化，质量损失小，关键元器件少，保障性能更优，也更利于大规模生产，投入智能制造产线。