一种蓄冷式飞机地面空调车系统的运行分析

范文英，蒋绿林，蔡宝瑞，陈海飞，徐 川，梁 勇

（1.常州大学 石油工程学院，江苏常州 213164；2.无锡雪鸥移动空调有限公司，江苏无锡 214174）

0 引言

飞机空调车是一种为飞机在地面上下旅客及设备维修检查过程中，为飞机内部提供温度、湿度适宜的新鲜空气的航空地面设备，确保飞机客舱、驾驶舱、货舱能达到需要的温度和湿度［1］。飞机地面专用空调系统对外界冷、热空气进行过滤、降温、加热、除湿处理，并由送风软管向机舱输送经处理过的空气，以调节飞机客舱及驾驶舱内的温、湿度。

我国对于飞机地面空调机组的研究起步较晚，张科等［2］介绍了一种飞机地面加液冷却车的应用，并结合目前国内的加液冷却车的发展状况，分析了发展前景。龚永奇等［3］对蒸气压缩式飞机空调车除湿进行了改进，提出了一种基于热泵的固体除湿系统，并对其进行了能耗分析；结果表明：在满足送风要求的前提下，基于热泵的固体除湿系统比冷凝除湿系统的能耗更低。然而，传统的飞机地面空调车的运行模式主要是采用柴油发电机带动空调机组。为了达到节能减排营造绿色机场的目的进行“油改电”政策。但是机场内远机位用电功率有所限制，传统空调设备不能满足小功率用电大功率保障要求。若用电带动空调机组存在如下问题：匹配电容量不足或需要改动机场输电线路，而高效的蓄能系统在解决电力供需不平衡问题上起着关键作用［4］。

基于以上研究，本文提出了一种相变蓄冷式飞机地面空调车系统，该系统将相变蓄冷技术与蒸发制冷式空调系统相结合，利用相变蓄冷技术来实现电力“移峰填谷”的有效手段。释冷工况时，通过相变蓄冷箱释冷与蒸发制冷系统相结合有效地降低了电力负荷，通过对系统的试验研究，分析了该蓄冷式空调车空调系统的性能。

1 系统原理

如图1所示，由蒸气压缩式制冷系统产生冷量，通过载冷剂将冷量输送储存至蓄冷模块。保障飞机送风需求是由载冷剂泵循环系统将蓄冷模块冷量释放传递至表冷器，并与蒸汽压缩式制冷系统同时对吸入的空气进行冷却、加湿等处理，并按照飞机机型规定的空气流量、压力向停靠地面的飞机内部空间输入处理后的空气。该空调车包括蒸发制冷系统、蓄冷系统、释冷系统和通风系统等。

图1 蓄冷式飞机地面空调车空调系统流程Fig.1 Flow chart of air conditioning system of cold storage aircraft ground air-conditioned vehicle

图2为蓄冷式飞机地面空调车空调系统的原理图，包括4部分：

图2 蓄冷式飞机地面空调车空调系统原理Fig.2 Schematic diagram of air conditioning system of cold storage aircraft ground air-conditioned vehicle

（1）制冷系统：通过2个独立的蒸发制冷系统产生冷量，蒸发器中的制冷剂从载冷剂中吸取热量蒸发形成低温低压的气体，而后进入压缩机压缩形成高温高压的气体，之后该气体经过冷凝器冷凝将热量散失在环境中形成高温高压液体，高温高压的液体经过节流阀节流形成低温低压的气液混合体，最后再次进入蒸发器吸热来降低载冷剂的温度，依次循环达到制冷的目的。

（2）蓄冷系统：冷量从板式换热器中输出，通过载冷剂送入相变蓄冷水箱进行蓄冷，而后从相变蓄冷水箱中流出的载冷剂经过水泵和三通调节阀进入板式换热器中进行降温，降温后的载冷剂再次进入相变蓄冷箱蓄冷，依次往复达到蓄冷的目的。其中，当载冷剂流入相变蓄冷箱的温度低于相变材料温度时，相变材料放热，载冷剂吸热，相变蓄冷箱处于蓄冷状态；当载冷剂流入相变蓄冷箱的温度高于相变材料温度时，相变材料吸热，载冷剂放热。即相变蓄冷箱既能够进行能量储存，又能够进行恒温调节。

（3）释冷系统：释冷系统包括蒸发制冷式释冷系统与相变蓄冷式释冷系统。蒸发制冷式释冷系统原理为：制冷系统中经过冷凝器与节流阀后的制冷剂不进入板式换热器直接进入二级蒸发器（此时打开电磁阀1，关闭电磁阀2），制冷剂直接通过吸取空气中的热量来蒸发从而降低空气的温度。蓄冷式释冷系统：此时制冷系统处于停机状态，流出蓄冷箱的载冷剂经过水泵加压后直接进入表冷器与空气进行换热，升温后的载冷剂再次回到相变蓄冷箱中进行恒温调节。

（4）通风系统：空气通过鼓风机送入表冷器进行预冷，而后经过二级蒸发器进行再次冷却，最后将冷风通过送风软管送入机舱。

当蒸发制冷系统中的蒸发器结霜时，转动四通换向阀，此时冷凝器与蒸发器的工作原理相反。此外，在冬季环境温度极低需要供热时，通过电加热器来提供热风。

2 理论计算

本系统采用全新风工况，常规空调的工况性能利用制冷剂的焓差计算法计算其制冷量，计算公式如下：

式中 Qc——制冷量，kW；

Ga——空气体积流量，m3/s；

hin，hout——冷凝器的进、出口焓值，kJ/kg；

v——空气比体积，m3/kg；

W——空气的含湿量，kg/kg。

蓄冷式空调工况的性能采用平均蓄冷速率作为机组的空调蓄冷工况的评价指标［5］。计算公式如下：

式中 Gw——载冷剂的流量，m3/s；

ρw——载冷剂的密度，kg/m3；

cp，w——载冷剂的比热容，kJ/（kg·℃）；

Tw，in，Tw，out——载冷剂进、出蓄冷水箱时的温度，K。

3 试验研究

3.1 试验装置

试验主要装置：型号为ZP182KCE-TFD的压缩机，型号为TGEN17的膨胀阀，型号为XL-200的蒸发器，型号为FB-26-5A的鼓风机。相变蓄冷水箱的几何尺寸（长×宽×高）为1 900 mm×1 000 mm×1 390 mm、额定蓄冷量200 kW。其中相变材料选用NiSO4-2H2O，相变温度为-4.15 ℃，相变潜热为258.61 kJ/kg。载冷剂选用40%的乙二醇，制冷剂为R410a。

3.2 试验步骤

该试验在无锡雪鸥移动空调有限公司进行测试，试验开始前，将系统内各部分装置安装在空调车车箱内，而后在蒸发制冷系统回路中充注制冷剂并进行检漏，确保管路完好无损后向载冷剂循环回路中注入浓度为40%的乙二醇，并检查系统的气密性。试验过程中，记录初始温度，而后开启制冷机制冷，每10 min记录数据一次。将防冻液箱中的乙二醇制冷到-2 ℃以下，并记录防冻液箱乙二醇制冷后温度。在释冷工况下测试时，记录防冻液箱中乙二醇初始温度、放冷后温度、进出温度和乙二醇的流量。

试验在高温干燥气候下进行。以常见的波音737系列飞机为例，根据飞机手册选型发现，当环境温度为35 ℃，湿度为35%的情况下，此种机型配置的飞机地面空调车制冷量需达到158 kW，空调出风温度为0～4 ℃，出风风量为4 500 m3/h，出风压力为4 000 Pa［6］。而按照国内民用航空标准，实际运行时机组送风能在4 500～6 000 m3/h之间和4 200～6 700 Pa之间根据不同的需求调节即可［7-10］。机组在释冷工况下，相变蓄冷箱释冷配合蒸发制冷系统，输气口能输送1～10 ℃范围内的冷空气。

3.3 试验结果及其分析

图3显示235 min内载冷剂在蓄冷水箱进、出口温度随时间的变化规律。前35 min内以显热的形式进行降温故温度的下降趋势比较明显，35～40 min之间是相变材料成核阶段，40～50 min之间形成的晶核向冰晶转变，沿着管壁的冰晶会形成冰层此时冰晶要释放一部分潜热故温度出现了回升趋势；50 min之后处于相变潜热蓄冷状态，进液温度基本维持在-5 ℃左右出液温度在-3 ℃左右。215 min之后，进、出液温差逐渐变小，蓄冷量逐渐减小，理想状态下进、出液温差为零时蓄冷结束，但实际过程中由于存在摩擦等不可逆损失，故不能达到理想状态。

图3 蓄冷水箱进、出液温度的变化Fig.3 Change of the temperature of the inlet and outlet liquid of the cold storage water tank

图4为释冷状态时，载冷剂从相变蓄冷水箱流出后进、出表冷器时的温度在160 min内随时间的变化规律。释冷前100 min内载冷剂进出表冷器时的温度都较为稳定，进液温度在0 ℃左右，出液温度在4 ℃左右。100 min以后随着相变蓄冷箱中冷量的减少，载冷剂进、出表冷器的换热温差逐渐减小且进出口温度也在缓慢上升。释冷达到160 min时，载冷剂进、出表冷器的温度分别为5.2 ℃和7.7 ℃，此时的换热温差为2.2 ℃。

图4 表冷器进、出液温度的变化Fig.4 Change of the temperature of the inlet and outlet liquid of the surface cooler

图5为释冷工况时鼓风机进口处的进风温度和湿度在160 min内随时间的变化规律。由于试验期间在冬季，虽然对整个试验环境有升温加湿处理但是环境湿度相比于夏季较低。如图5所示，进风温度在整个试验期间内较为稳定，在31 ℃左右微小波动，进风湿度稍微有所下降但也基本在21%左右。

图5 进风温度与湿度的变化Fig.5 Change of inlet air temperature and humidity

图6为释冷工况下送风软管处出风温度与湿度在160 min内随时间的变化规律。如图6所示，试验刚开始时由于系统不稳定，且处于冷机状态故相比于试验后期出风温度较大，出风湿度较低。5 min后系统处于稳定状态，运行10min时出风温度达到最低值为-0.1 ℃，运行50 min时出风湿度达到最大值为93.5%。整体而言，出风温度及湿度分别稳定在2 ℃和90%左右。但随着后期相变蓄冷箱中冷量的减少，出风温度出现了缓慢上升的趋势，出风湿度也缓慢下降。160 min时出风温度及湿度分别为6.7 ℃和84%。

图6 出风温度与湿度的变化Fig.6 Change of outlet air temperature and humidity

图7为释冷工况下，设备末端送风软管处出风风量与压力在160 min内随时间的变化规律。如图7所示，在整个试验期间内出风风量及压力出现轻微下降的趋势，这是因为整个空气降温的通道较长，从进风到出风的过程中摩擦阻力较大，另外风机在运行的过程中存在泄露损失和流动损失等一些不可逆的损失，导致风量及风压出现缓慢下降的趋势。试验刚开始时，出风风压及风量较大分别为6.45 kPa和4 958 m3/h，160 min时出风风压和风量为试验期间最小值分别为5.52 kPa和4 600 m3/h。在试验过程中，风机频率并未调至最大，在实际应用过程中可通过调节风机频率改变风量大小。总体而言，风量和风压均能够满足常见的波音737系列的飞机的需求。

图7 出风风量与压力的变化Fig.7 Change of air volume and pressure at the outlet

图8为蓄冷工况下相变蓄冷箱中蓄冷量及平均蓄冷速率随时间的变化规律。如图8所示，前40 min内由于相变蓄冷箱中的无机相变材料还未发生相变，载冷剂进、出相变蓄冷箱时的换热温差较大，蓄冷形式主要以显热蓄冷为主，此段时间内蓄冷量增加较多曲线斜率较潜热蓄冷较大，平均蓄冷速率较快，在30 min时平均蓄冷速率达到最快为51.4 kW，之后虽然减缓但相对于潜热蓄冷阶段蓄冷速率较快。在50 min时累计蓄冷量为41 kW·h，50 min之后无机相变材料开始发生相变，蓄冷以潜热蓄冷为主，蓄冷速率逐渐减慢，蓄冷量的增加也逐渐减慢，到达230 min时平均蓄冷速率与蓄冷量分别为41.7 kW和160 kW·h。

图8 蓄冷工况下蓄冷量与蓄冷速率的变化Fig.8 Change of cold storage capacity and cold storage rate under cold storage conditions

图9为释冷工况下，相变蓄冷箱释冷时，载冷剂流出相变蓄冷箱后进、出表冷器的换热量及换热速率。虽然释冷工况时，从相变蓄冷箱流出的载冷剂只经过表冷器与空气换热，而后载冷剂再次回到相变蓄冷箱降温。但是从表冷器流出的载冷剂回到相变蓄冷箱经过的管路较多存在很多不可逆损失，所以将载冷剂经过表冷器的换热量作为相变蓄冷箱释冷的评价指标。如图9所示前35 min内释冷速率较大，释冷量的增加也较为明显，曲线斜率较大；平均释冷速率在10 min时达到最大值为93 kW。35 min之后无机相变材料开始融化，从固态逐渐向液态转变，主要以潜热形式释冷，释冷速率逐渐减慢，释冷量的增加也逐渐减缓，到达160 min时平均释冷速率及释冷量分别为69 kW与184 kW·h。由于相变蓄冷箱中的冷量还未释放完全，故从图像可以明显看出释冷量的曲线还在增加。若释冷全部结束则曲线处于平缓状态。此外在10，80，150 min时释冷量分别为15.5，106，176 kW·h，时间每增加 70 min释冷量的增加量却分别增加了90.5，70 kW·h，因此在试验后期释冷量的增加逐渐减慢。

图9 释冷工况下载冷剂经过表冷器的换热量及换热速率的变化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 对比分析

表1为纯电空调与本系统相变蓄冷箱在产生相同换热量与空气换热时所消耗的燃料等的对比分析。本系统的相变蓄冷箱在夜间谷电蓄冷235 min产生的蓄冷量为160 kW·h，耗电量为67kW·h，白天释冷160 min与空气换热184 kW·h时耗电量为55 kW·h。按照电的热值为 3 600 kJ/（kW·h），标准煤折算系数为0.31 kgce/（kW·h），单价为 0.5 元 /（kW·h），标准煤的CO2排放系数为2.47。本系统与空气换热量为 184 kW·h时总计耗电 122 kW·h，CO2的排放量为93.4 kg，相较于无蓄冷的纯电空调系统在与空气的换热量相同的情况下（184 kW·h），本系统运行费用及CO2的排放量仅占纯电空调的63%左右。

表1 不同制/供冷方式的对比分析汇总Tab.1 Summary table of comparative analysis of cooling capacity produced or provided in different ways

上述分析是在本系统夜间蓄冷235 min后白天释冷160 min的情况下计算，从图4和图9可以看出夜间蓄冷235 min产生的蓄冷量并未完全释放结束，故上述分析本系统的运行费用及CO2的排放量比实际情况高。所以本系统无论是经济性还是环保性都占有优势，能够大力推广。

4 结论

本文在“油改电”政策的指引下结合机场内远机位用电功率的限制，对传统的飞机地面空调车空调系统进行改进，引入相变蓄冷技术，并进行了试验研究，得出如下结论：

（1）该系统通过相变蓄冷技术与蒸发制冷循环的耦合解决了机场“油改电”后冷量供需的矛盾，利用低谷电夜间将冷量储存在蓄冷水箱中，白天用电高峰期释放冷量，解决了机场内远机位用电不足的问题。

（2）相比传统的飞机地面空调车，蓄冷式飞机地面空调车制冷量大，能够满足波音737系列的大风量飞机的需求。在进风温度为30 ℃，湿度为20%左右的环境下，该系统送风温、湿度分别为2 ℃和90%，压力及风量均值分别在6 kPa和4 750 m3/h左右。

（3）蓄冷技术的应用极大地提高了系统的经济性及环保性。通过夜间低谷电在235 min内蓄冷160 kW·h耗电67 kW·h；白天160 min内释冷量为184 kW·h耗电55 kW·h。在产生相同冷量的情况下，该系统相比于纯电空调机组电力负荷较小且更加节能，运行费用和CO2的排放量仅占纯电空调的63%。