飛機客艙能耗模型的構建研究

林家泉，張學鋒

（中國民航大學電子信息與自動化學院，天津 300300）

飛機客艙能耗模型的構建研究

林家泉，張學鋒

（中國民航大學電子信息與自動化學院，天津 300300）

針對各地機場不合理使用橋載空調導致無法實現節(jié)能減排和滿足客艙舒適性調節(jié)控制的問題，構建飛機客艙能耗模型，預測飛機客艙的熱載荷，實現對橋載空調的優(yōu)化控制。以天津濱海國際機場A320飛機客艙為研究對象，采用熱平衡法對影響客艙能耗的各個因素進行分析，并建立客艙外氣象參數模型、客艙圍護結構熱平衡模型和客艙內空氣熱平衡模型；對其傳熱過程進行了計算與仿真，得出了不同時刻的飛機客艙能耗。所得結果為今后飛機客艙傳熱舒適性調節(jié)控制研究以及飛機空調系統(tǒng)節(jié)能控制提供理論依據。

飛機客艙；能耗模型；熱平衡法；能耗預測

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為響應國家節(jié)能減排的號召，中國民用航空局在2011年頒布了《關于加快推進節(jié)能減排工作的指導意見》，要求全國各機場在飛機航前、經停與航后階段使用橋載空調（廊橋下的空調機組，使用工業(yè)用電）來替代目前使用的航空燃油機載輔助電源裝置（APU，auxiliary power unit）。橋載空調不僅有效地減少了能源的消耗，而且降低了污染物的排放[1]，但在推廣過程中發(fā)現許多機場存在橋載空調的不合理使用現象，導致橋載空調使用壽命縮短和電力資源大量被浪費的現象。為了正確地使用橋載空調，需對飛機客艙的能耗進行合理的預測，并且這些基于飛機設計要求的動態(tài)熱載荷為飛機環(huán)境控制系統(tǒng)的設計和橋載空調的節(jié)能控制提供了理論依據，因此對于客艙能耗的研究具有重要的現實意義。

國內外學者對飛機客艙能耗的研究經過數十年的探索逐步形成了一套計算方法和理論體系。文獻[2]結合飛機內外熱環(huán)境建立飛機的瞬態(tài)熱載荷的物理模型，采用區(qū)域分解技術劃分為不同的傳熱單元，采用熱網絡法來實現飛機的輻射—導熱—對流計算；文獻[3]首次提出使用現代控制理論學科的方法，采用狀態(tài)空間法計算飛機客艙熱載荷，但該方法還處于理論探討的階段；文獻[4]從輻射換熱、結構傳熱和附加熱載荷等3個方面對民機客艙進行建模，對其瞬態(tài)的熱載荷進行了計算分析；文獻[5]提出了基于工程方面的2種計算方法，對座艙壁體結構的傳熱系數進行了研究與計算；以上的研究成果對本文具有重要的參考意義，但由于飛機客艙圍護結構組成的復雜性使得在求解過程中假設條件過多，這些假設對于熱載荷的計算則有很大的影響。與傳統(tǒng)的計算方法相比，本文是從飛機客艙能耗機理出發(fā)，考慮客艙外溫度、風速、太陽輻射等影響，建立飛機客艙能耗模型，對客艙能耗的各個子模型進行了推導計算，得到客艙模型的能耗，研究結果為大型客機的環(huán)境控制系統(tǒng)與飛機客艙傳熱舒適性調節(jié)控制研究提供理論依據。

1 客艙能耗模型的構建

本文以A320飛機客艙中的經濟艙為研究對象，根據空客維修手冊[6]獲知A320飛機機艙高4.14 m，寬3.95m，按照飛機的結構圖進行建模，并對其中復雜桁梁等部分進行了簡化，物理模型如圖1所示。

圖1 飛機客艙結構圖Fig.1 Structure of aircraft cabin

從影響飛機客艙能耗系統(tǒng)的因素來看，主要包括客艙外擾和內擾。客艙外擾是指氣象參數，如太陽輻射強度、逐時空氣溫度、風速等，其通過熱交換（輻射換熱和對流換熱）和空氣交換影響著客艙內的空氣熱狀況；客艙內擾是指照明燈具散發(fā)的熱量與旅客的散熱、散濕，是以對流和長波與短波的輻射2種方式與客艙內的空氣進行熱濕交換。

從傳熱的基本原理出發(fā)，采用熱平衡法，通過分析客艙壁體等各個模型的非穩(wěn)態(tài)傳熱，對客艙能耗進行定性研究。該模型主要包括3個子模型：①客艙外氣象參數模型；②客艙圍護結構熱平衡模型；③客艙內空氣熱平衡模型。其中客艙外氣象參數模型用來計算客艙外部逐時的環(huán)境溫度與太陽輻射量，為客艙圍護結構得熱量的計算提供前提，其分為外界逐時溫度子模型和太陽輻射等子模型；客艙圍護結構熱平衡模型用來計算客艙圍護結構逐時的得熱量，計算出的客艙壁體內壁面溫度為客艙內空氣熱平衡模型計算提供前提，其分為客艙壁體外壁面熱平衡子模型、客艙壁體內壁面熱平衡子模型和客艙壁體傳熱子模型；客艙內空氣熱平衡模型用來計算所需的負荷，也是研究的主要目的，它分為燈具和人員散熱子模型、空氣滲透子模型和新風量的引入子模型。建立各個子模型后，通過飛機客艙圍護結構內表面熱平衡方程和客艙內熱平衡方程建立飛機客艙的熱平衡方程組，計算所需的空調制冷量。能耗預測模型的構建路線如圖2所示。

圖2 客艙能耗預測模型的組成部分Fig.2 Components of cabin energy consumption prediction model

2 能耗模型的建立

2.1 客艙外氣象參數模型

飛機客艙能耗分析是以氣象參數為基礎，其負荷大小不僅關系到橋載空調的控制與節(jié)能，而且對客艙內人體舒適性影響也很大，因此要確定橋載空調所需的冷負荷，客艙外氣象參數模型的確定就很重要。在氣象參數方面，客艙外表面綜合溫度與太陽輻射強度是求解熱載荷的兩個重要參數。

2.1.1 外界逐時溫度模型

采用模比系數法計算外界逐時溫度，應用暖通空調設計規(guī)范中的模比系數對飛機客艙外的逐時溫度進行計算，計算方程為[7]

其中：t0（τ）為客艙外逐時干球溫度；τ為時刻；tω為夏季室外空調計算干球溫度；β（τ）為不同時刻的模比系數；Δtr為設計日較差。

本文以天津機場為例，由供熱手冊查得夏季室外空調計算干球溫度tω=33.9℃，同時設計日較差Δtr=8.1℃，根據式（1）可得客艙外逐時干球溫度。中國標準模比系數如表1所示。

表1 模比系數表Tab.1 M odulus coefficient

2.1.2 太陽輻射模型

一般認為物體獲得的總太陽輻射由2部分構成：太陽直射和太陽散射（包括地面反射和天空散射）。根據ASHRAE太陽輻射模型[8]，其方程表達式為

其中：ISH為客艙曲面所接受到的太陽輻射的總強度；IDθ為客艙曲面所接受到的太陽直射輻射強度；Idθ為客艙曲面所接受到的太陽散射輻射強度；IRθ為客艙曲面所接受到的地面反射輻射強度。

2.2 客艙圍護結構熱平衡模型

在建模前，首先對外部條件假設如下：①客艙外部接受的熱輻射主要包括太陽短波輻射和太陽長波輻射；②客艙材料物理性能不變性；③飛機客艙由曲率較大的圍護結構組成，認為傳熱是沿厚度方向上的導熱問題即傳熱過程簡化為一維處理。

2.2.1 客艙壁體外壁面?zhèn)鳠崮Ｐ?/h4>

客艙壁體外壁面主要有熱交換和對流換熱2種方式。其中熱交換是指太陽輻射通過客艙廂壁體和半透明的客艙窗玻璃向客艙內射入的輻射量，以及客艙壁體與周圍空氣的長波輻射換熱量；對流換熱則是指客艙外壁與周圍空氣的對流換熱量。圖3為客艙外壁面熱平衡模型。

圖3 客艙外壁面熱平衡模型Fig.3 Thermal balance model of cabin exterior

飛機客艙外表面的熱平衡模型方程[9]為

其中：qa為客艙外表面吸收的太陽短波輻射強度；qL為客艙外表面與周圍環(huán)境的輻射換熱強度；qc為客艙外表面與空氣間的對流換熱強度；qk為客艙外表面導熱強度。式中

其中：ρ為客艙外表面太陽輻射的吸收系數；ISH為客艙外表面所接受到的太陽輻射的總強度。式（3）中

其中：αw為客艙外表面對流換熱系數；t0為客艙外干球溫度；tso為客艙外表面溫度；v為外部空氣流速。式（3）中其中：ζ為客艙外表面長波輻射能力，與飛機外表面材料的吸收率有關；σb為斯特藩-玻爾茲曼常數，為5.67×10-8W·m-2·℃-4；tsky為天空溫度；tg為地面溫度；Fo為客艙外表面與空氣溫度之間的角系數；Fsky為客艙外表面與天空溫度之間的角系數；Fg為客艙外表面與地面之間的角系數。

角系數具有完整性，即滿足

2.2.2 客艙壁體傳熱模型

客艙壁體傳熱是一個復雜的非穩(wěn)定傳熱過程，結合壁體傳熱的特性，采用反應系數法[10]計算客艙壁體的傳熱。客艙壁體熱平衡模型圖如圖4所示。

圖4 客艙壁體熱平衡模型Fig.4 Thermalbalancemodelof cabin wall

由傳熱學基本理論可知，用如下方程表示客艙壁內部溫度分布的偏微分方程和熱流密度與溫度場關系為

其中：a為客艙壁面不同材料的導溫系數；δ為客艙壁面不同材料的厚度；λ為客艙壁面不同材料的導熱系數；x為客艙壁面計算坐標；τ為變量（時間）。

利用拉式變換，解得溫度分布與熱流的數學表達式為

其中：T（x，s）為客艙壁面在x位置上對時間變量的拉氏變換；Q（x，s）為客艙壁面在計算坐標x位置處熱流對時間變量的拉氏變換；s為時間變量τ拉氏變換。式（10）也可寫成

其中：αi為客艙內第i個面的對流換熱系數；αw為客艙外表面對流換熱系數。式（11）中

由上式可知，當客艙壁體的不同層材料物理參數已知時，通過拉氏變換即可得出系統(tǒng)整體的熱傳遞矩陣，為分析客艙壁體的傳熱提供基礎。

2.2.3 客艙壁體內壁面?zhèn)鳠崮Ｐ?/h4>

客艙內壁面在熱量交換上，不僅存在于周圍空氣的對流換熱，同時還受到客艙內擾的作用，如客艙內燈光的短波輻射熱和旅客之間的長波輻射的熱交換?？团摫隗w內壁面熱平衡子模型圖如圖5所示。

圖5 客艙內壁面熱平衡模型Fig.5 Thermal balance model of cabin interior

飛機客艙壁體內壁面的熱平衡模型方程為

其中：qsol為由觀察窗傳入的太陽短波輻射；qLWX為內表面之間的長波輻射；qLWS為內熱源之間的長波輻射；qSW為艙內燈光等的短波輻射；qconv，i為內表面與空氣間的對流換熱；qkin為由客艙壁體傳入的導熱強度。式中

其中：tii為客艙內第i個面的表面溫度；t為客艙內的空氣溫度；vc為客艙內部空氣流速。

2.3 客艙內空氣熱平衡模型

客艙內空氣熱平衡包括客艙內的旅客和燈具等，其熱平衡方程為

其中：Qadd為客艙內熱量的增加量；QCE為燈具和人員的對流散熱量；QIV為空氣泄漏的熱量；QVE為新風熱量。式中

其中：n1為散熱系數，一般取1.0；n2為隔熱系數，一般取0.7；N為額定輸入功。而式（16）中

其中：mL為空氣泄漏量；tC為客艙空氣溫度；tL為泄漏處的平均空氣溫度；CP為空氣定壓比熱容；VK為增壓艙容積。

空氣交換主要是指客艙體的滲風量和從客艙外引入的新風量，客艙外的空氣通過客艙窗、客艙門縫隙和客艙連接處向客艙內部滲入一定量的空氣，同時為了保證客艙內的空氣品質，也需要引入一定量的新風。即

其中：M為引入新風量；h0為調節(jié)管中的空氣焓值；hr為客艙內的空氣焓值。

3 飛機客艙能耗的計算

上述對飛機客艙能耗模型進行了詳細介紹，將客艙能耗模型的熱平衡方程和客艙內空氣的熱平衡方程聯立，即可得到整個熱力系統(tǒng)的熱平衡方程組，通過求解方程組，編寫相應的程序即可求得飛機客艙整體逐時能耗。計算時假設乘客為滿員150人，客艙內燈光全開，客艙內空氣溫度為25℃，濕度為60%，客艙內風速為0.2m/s，外部空氣流速為0.16m/s。人體散熱包括顯熱量和潛熱量2種，為方便研究，文中的乘客以成年男子樣本，靜坐方式，顯熱56W/人，潛熱37 W/人。如圖6和圖7所示。

圖6 客艙整體逐時能耗Fig.6 Hourly energy consumption of whole cabin

圖7 各項能耗所占的百分比Fig.7 Percentage of various energy consumptions

對各項能耗及空調的總負荷進行逐時計算。從圖6可知，白天時，客艙受到外界太陽輻射、環(huán)境溫度和內部乘客散熱、新風等因素的影響，尤其是中午到下午這段時間內太陽輻射較強，環(huán)境溫度較高，對空調負荷影響很大；晚上時，因為沒有太陽輻射，另外環(huán)境溫度也下降，相對白天來講，空調負荷減少了很多。從圖7可知，在各項能耗所占總能耗的百分比中，新風負荷所占的比例最大，高達30.34%；其次是潛熱負荷，比例為25.94%；人員顯熱占24.88%，圍護結構負荷占15.59%，照明燈光等和泄漏負荷所占的比例較小，分別為2.38%和0.87%。可見，圍護結構傳熱對空調負荷的影響不容忽視?？团搩鹊呢摵芍饕孕嘛L負荷、人員顯熱、潛熱負荷和圍護結構負荷為主。由于客艙密閉性良好，由空氣泄漏所引起的泄漏負荷很小，對潛熱負荷影響較小。

4 結語

本文針對飛機客艙能耗進行了研究，通過對客艙熱能耗體系和熱平衡模型的分析，建立了飛機客艙的能耗模型，主要包括客艙外氣象參數模型、客艙圍護結構熱平衡模型和客艙內空氣熱平衡模型；計算熱平衡方程組并編寫相應程序對客艙整體逐時能耗進行了計算與分析。最終對飛機客艙能耗模型的研究，為今后飛機客艙內熱舒適性研究以及飛機空調系統(tǒng)節(jié)能控制提供理論依據。

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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，黑龍江鶴崗人，副教授，博士，研究方向為飛機客艙能耗預測控制.

V223；TP391.9

A

1674－5590（2017）05－0017－05

黃 月）

2016-12-22；

2017-02-20

國家自然科學基金項目（U1433107）