飞机地面供冷系统与应用

刘腾

（上海国际机场股份有限公司，上海200335）

1 引言

飞机作为现代交通工具，其动力要求高，能耗大。其空调系统是飞机耗能较大的部分之一。飞机制冷系统为飞机座舱和设备舱提供低温空气，以保持适宜的温湿度环境。

飞机自带的制冷系统一般是空气循环形式，该系统由压缩空气源、热交换器和涡轮膨胀机等组成。压缩空气先经过热交换器，将压缩热传给冷却介质，然后流入涡轮膨胀并驱动涡轮旋转，带动同轴的压气机或风扇，将热能转化为机械功，在膨胀涡轮出口得到冷却用的低温空气，该系统用机舱内的空气作为制冷工质，换热环节少，设备简洁。空气循环制冷系统能耗高，其制冷能效比COP 不足，但是该系统简洁，能量密度大，质量轻，综合性能好。

当飞机处于上下旅客及等待时，由于飞机的涡轮喷气发动机并没有开动，需要开启飞机自带APU 带动制冷系统。而在地面上增设飞机地面空调，体积和质量限制小，可以采用成熟高效的电力制冷方式，这样就可以停开飞机自身的制冷设备，大大节省飞机燃料，提高经济效益，并可延长飞机自带制冷系统的使用寿命，还可以保护机场空气环境。

飞机地面空调通常采用蒸汽压缩制冷循环，其由蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀等组成。循环制冷系统的增压蒸汽先流过热交换器，散出压缩热，然后流过蒸发器蒸发冷却机舱和飞机设备冷却用的低温空气，汽化后的蒸汽经过压缩机重新增压，形成循环。蒸汽压缩制冷系统，其综合能效比却可达2.0～4.5，最高可达到5.0，这比空气压缩式制冷相比，能耗低，环境友好。飞机在地面的时间占整个航程的33%～50%，甚至更高，对于中短途航线来说意义更加重大。现在，飞机地面空调迅速普及，成为飞机停靠机场时的主要制冷设备。

2 飞机地面空调系统特征与经济性

飞机地面空调是一台以电能驱动，能够自动提供一定流量、压力、温度和一定洁净度的全新风空气处理器。机组采用吊装式设计，吊装于机场登机廊桥活动桥前部，能随廊桥自由移动，具有制冷、制热和换气功能的空调设备。

据有关数据计算，仅以60t 的飞机地面专用空调机计算，每年可以节约航空燃油214t，折合标准煤314.9t（按航空煤油标准煤系数1.471 4 计算），如果按年销售300 台计，每年可节约9.45×104t 标准煤。此外，每台产品每年可减少飞机在地面时因燃烧航空燃油所产生的N2、NO、CO2、N2O、CO 等废气排放约1 200t，其社会效益和经济效益十分显著。因此，大力发展飞机地面专用空调机，是构建能源节约型社会的重大举措。

3 飞机地面空调的主要性能和技术特点

飞机地面空调为空气冷却方式整体撬装式，飞机地面空调的性能设计根据Q/SLJ 008—2009《飞机地面空调机组》的规定。

机组采用全封闭涡旋式制冷压缩机，具有效率高，噪声低，振动小，可靠性高，寿命长等优点；制冷系统采用双系统或多系统组成，起动电流低，可以根据现场需求进行能量调节，自动调节机组输出冷量，以此节省电能消耗。

风冷蒸发器与冷凝器均为高效能内螺纹铜管套铝翅片，以此增强换热器的换热系数和换热能力。两器具有结构紧凑、体积小、质量轻、换热效率高的优点。冷凝器采用波纹翅片，不容易积尘，保证换热器的长期使用性能，并且维护方便。

机组选用高压离心式送风机及轴流冷凝风机，具有噪声低、压头高、风量大、效率高等优点；轴流风机电机的防护等级达到IP44 以上，可防尘、防溅水，运行安全可靠。

机组电器控制系统采用PLC 电脑控制系统根据负荷的变化，自动地进行加载或卸载调节机组制冷量的输出，使冷量与实际冷热负荷精确匹配，使压缩机总是保持最高效率状态，高效节能；压缩机设定开启间隔时间，采用软启动措施，减少同时启动对电气系统的冲击。

各级制冷系统采用蒸汽压缩式制冷，采用高效节能内螺纹管蒸发器与冷凝器，使机组在蒸发压力高，冷凝压力低的工况下制冷量大，高效节能，部分系列制冷系统能效比可达3.4。与空气压缩式制冷只有0.63 相比，达到同样的制冷量只消耗不到12%的电能。

整体式钢制空调箱具有密封性好，强度高，承压高等特点，它的漏风率可小于1%，最高承压高达20kPa。它采用整体式钢板焊接而成。为了对空调箱做绝热处理，在空调箱的外表面贴2 层保温海绵，使空调箱具有很好的保温绝热性能。根据本技术方案制作的箱体结构的冷桥系数达到了欧洲空调箱体专业标准《BS EN 1886:2007 Ventilation for Buildings—Air Handling Units—Mechanical Performance》中TB2 级0.6＜Kb≤0.75 的规定（Kb为防冷桥系数）；再加上使用刚度好、导热系数小于0.0196W/（m·℃）的PE 及橡塑保温材料，箱体的保温性能、机械强度高，漏风率小于1%。

4 飞机地面空调技术难题与发展方向

4.1 换热器的性能提升

换热器的性能提升主要是翅片换热强化。飞机地面空调的蒸发器和冷凝器为其核心部件，其换热效果决定了压缩制冷循环系统的冷量是否可以高效地输出并运送至机舱。因为空气与制冷剂侧的换热系数相差为2 个数量级，因此，需要通过加强空气侧换热能力的方式提升换热量。空气侧的换热强化一般采用增加翅片的方式来增大空气侧换热面积以强化换热。通过这种方式来提升单位换热管长度的换热量，保证飞机地面空调的使用效果。

图1 为具有代表性的4 种换热器翅片拓展的方式，分别为平直形、开缝形、三角波纹形和正弦波纹形。通过计算和模拟飞机地面空调的工况（见表1）可知，平直形翅片拓展的方式核算出的换热系数最高，是开缝形的3 倍，且高出三角波纹和正弦波纹1～2 个数量级，最利于飞机地面空调工况的需求[2]。

图1 4 种换热器的结构形式

表1 飞机地面空调设备与飞机型号对应表

4.2 机组融霜

飞机地面空调机组最后一级制冷系统的蒸发温度一般在0℃以下，以保证较低的出风温度和较小的换热器与机组占地面积，会不可避免地使得换热器表面冰的形成。冰的导热能力远低于金属，会极大地影响换热器的换热效率。因此，在为空气提供冷量的同时，也需要对凝结在换热器表面的固态霜周期融化。合理的融霜方案是保证该机组能够高效、节能、可靠运行的重要环节，也是空调性能的重要保证。

空调的除霜方法有自然除霜法、淋水法、电热融霜、热气旁通融霜和热泵融霜等。其中，自然除霜法效率低，机组送风温度波动大。淋水融霜需要配备复杂的水路系统，占地、安装、使用和维护复杂，不方便。电加热融霜需要额外的电加热模块，能耗高，且融霜时需要停机。热泵融霜虽然高效、快速，但是机组设计时需要确保冷凝器与蒸发器可以交替使用和化霜，装置规模增大。因此，较为现实的融霜方案为热气旁通融霜，通过改变进入蒸发器的制冷剂气液比，调节蒸发温度，以减少霜层的累加[3]。

5 飞机地面空调的经济效益分析

机场APU 和飞机地面空调的使用费用随机型而改变。其中，APU 的合计费用可以由消耗航油费和APU 维护费用组成。2 种方式的成本构成和成本如表2 所示。通过对比可以发现，APU 的运营费用远高于飞机地面空调。表3 为某机场在一年内的廊桥空调使用时间，可以此为基础进行经济分析。

表2 APU 与飞机地面空调的运营成本对比元/h

表3 某机场各机型机起降架次统计 架次

参考首都国际机场对于各类别机型的收费标准，C 类机型国内外航班的净利润分别为39 元/h 和459 元/h，D 类机型国内外航班的净利润为-6 元/h 和414 元/h，E 类的机型国内外航班的净利润分别为335 元/h 和723 元/h。相比APU 的成本价格，机场飞机地面空调的收费较低，机场可以在赚取相应利润的同时，极大地降低航空公司在这方面的运营成本。经过核算通过以上标准收费，该机场在该年度的创收便可突破1 000 万元[4]。