飛機(jī)地面空調(diào)技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

歐冠鋒

（廣東申菱環(huán)境系統(tǒng)股份有限公司，廣東528313）

0 引言

以往飛機(jī)待飛或停靠時(shí)，依靠飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)自身APU （Auxiliary Power Unit輔助動(dòng)力裝置）［1］提供壓縮空氣保障機(jī)艙空調(diào)系統(tǒng)。由于飛機(jī)依靠昂貴的航空燃油為能源，運(yùn)行時(shí)不僅造成成本大幅增加，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲和廢氣排放物，對(duì)機(jī)場(chǎng)環(huán)境造成污染，更重要的是待飛超時(shí)后消耗的航油會(huì)對(duì)航空安全造成影響。從安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，利用地面電力驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)地面空調(diào)應(yīng)運(yùn)而生。

飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組PCA（Airplane pre－conditioning air unit）［2］替代飛機(jī) APU，如圖 1，向客艙提供經(jīng)過(guò)處理的潔凈、舒適、健康、新鮮的空氣，降低了對(duì)飛機(jī)自身APU空調(diào)設(shè)備的使用頻率和時(shí)間，從而延長(zhǎng)了飛機(jī)自身空調(diào)的使用壽命，在大幅度降低費(fèi)用的同時(shí)減少對(duì)機(jī)場(chǎng)環(huán)境的污染［4］，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外機(jī)場(chǎng)的青睞。目前，飛機(jī)地面空調(diào)已成為一種重要的飛機(jī)地面保障設(shè)施，且具備節(jié)能、環(huán)保特性。

圖1 飛機(jī)地面空調(diào) （PCA）替代飛機(jī)APU［10］應(yīng)用圖

李國(guó)瑞［6］描述的飛機(jī)地面空調(diào)的節(jié)能減排效果，在橋載設(shè)備項(xiàng)目進(jìn)行建設(shè)時(shí)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)地面空調(diào)設(shè)備、飛機(jī)靜變電源等功能，可以更好的替代飛機(jī)?？康菣C(jī)橋進(jìn)行的APU相關(guān)工作，從而減少工作量，同時(shí)也將會(huì)更有效減少飛機(jī)在?？康菣C(jī)橋時(shí)產(chǎn)生的噪聲對(duì)周圍環(huán)境的影響。根據(jù)相關(guān)資料分析，飛機(jī)在使用APU進(jìn)行工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲可達(dá)到90分貝以上，而且啟動(dòng)APU也要消耗155kg／h的航油，而每千克的航油則會(huì)產(chǎn)生3.18千克的CO2。也就是飛機(jī)在等靠登機(jī)橋時(shí)啟動(dòng)APU，將會(huì)造成 439kg／h的 CO［6］2。

1 飛機(jī)地面空調(diào)設(shè)備分類

從配套飛機(jī)種類來(lái)分，飛機(jī)地面空調(diào)設(shè)備可以分為C類、D類、E2類、E1類和F類五種［2］，分別對(duì)應(yīng)目前的常用波音和空客機(jī)型，如表1。

飛機(jī)地面空調(diào)設(shè)備從配套飛機(jī)種類來(lái)分，主要是從送風(fēng)量、制冷量、送風(fēng)壓力的大小來(lái)區(qū)分規(guī)格型號(hào)。

表1 飛機(jī)地面空調(diào)設(shè)備與飛機(jī)型號(hào)對(duì)應(yīng)表

從氣候類型來(lái)分，飛機(jī)地面空調(diào)設(shè)備可分為高溫干燥氣候、高溫低濕氣候、高溫中濕氣候、高溫高濕氣候［2］，分別對(duì)應(yīng)應(yīng)用于高溫干燥沙漠地區(qū)，普通內(nèi)陸地區(qū)，沿海濕潤(rùn)地區(qū)，海濱高濕地區(qū)，如表2。

表2 機(jī)地面空調(diào)按使用類型分［2］

圖2 車載式飛機(jī)地面空調(diào)

圖3 橋載式飛機(jī)地面空調(diào)

從安裝方式分，飛機(jī)地面空調(diào)設(shè)備主要分為兩種：車載式飛機(jī)地面空調(diào)設(shè)備［5］和橋載式飛機(jī)地面空調(diào)設(shè)備［6］。

橋載式飛機(jī)地面空調(diào)設(shè)備［6］，如圖2。橋載式飛機(jī)地面空調(diào)掛裝于飛機(jī)登機(jī)橋下面，采用電能作為設(shè)備的動(dòng)力系統(tǒng)，當(dāng)飛機(jī)?？繒r(shí)，地勤人員可以將送風(fēng)軟管快速連接至飛機(jī)，并通過(guò)電能帶動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)，操作簡(jiǎn)易。

雖然車載式飛機(jī)地面空調(diào)設(shè)備具有使用地點(diǎn)靈活的優(yōu)勢(shì)，但每次使用均需要地勤人員開至飛機(jī)所在位置，需要的人力更多，使用麻煩，還有采用發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，運(yùn)行過(guò)程中，相對(duì)較大的噪音和較高的污染物排放，從環(huán)保性、使用方便性的節(jié)能減排角度來(lái)說(shuō)，應(yīng)用車載式飛機(jī)地面空調(diào)設(shè)備并不是代替機(jī)載APU的最佳選擇。因此，接下來(lái)，我們重點(diǎn)討論橋載飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組的技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展。

2 橋載式飛機(jī)地面空調(diào)系統(tǒng)原理及應(yīng)用［4］

飛機(jī)地面空調(diào)采用整體式殼體結(jié)構(gòu)，由空氣循環(huán)部分和直膨蒸發(fā)冷卻部分組成，一體化設(shè)計(jì)，工程量小，安裝方便靈活，如圖5。

圖4 飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組空氣處理過(guò)程示意圖［7］

圖5 橋載式飛機(jī)地面空調(diào)工作原理圖及布置圖

空氣循環(huán)部分工作原理是采用高壓離心式鼓風(fēng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，將停機(jī)坪新風(fēng) （35℃）經(jīng)過(guò)過(guò)濾、冷卻除濕 （四到五級(jí)蒸發(fā)盤管熱交換）處理［4］，降至2℃以下，如圖4，再通過(guò)專用送風(fēng)管道輸送至機(jī)艙內(nèi)。此循環(huán)過(guò)程特點(diǎn)就是風(fēng)量小、送風(fēng)壓頭大、處理焓差大，這都是與飛機(jī)特定使用環(huán)境和要求相關(guān)的。一方面飛機(jī)內(nèi)部都是精密儀器，所以對(duì)風(fēng)量大小精度控制要求高，過(guò)高的風(fēng)速和過(guò)大的風(fēng)量會(huì)對(duì)精密儀表造成損害；另一方面飛機(jī)艙對(duì)外送風(fēng)接口小，但是連接風(fēng)管長(zhǎng)，有時(shí)候長(zhǎng)達(dá)50米，且送風(fēng)管直接在停機(jī)坪上暴曬，短時(shí)間內(nèi)溫升高，這就決定了機(jī)組送風(fēng)壓力必須達(dá)到高壓要求，根據(jù)MH／T6109－2014中國(guó)人民共和國(guó)民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組》［2］要求，額定機(jī)外靜壓可達(dá)7000Pa，遠(yuǎn)超舒適性空調(diào)和工業(yè)空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)。

直膨蒸發(fā)冷卻部分主要由四到五級(jí)制冷壓縮循環(huán)系統(tǒng)組成［4］，每一級(jí)制冷壓縮系統(tǒng)分別匹配壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流裝置，各自形成一套獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)。由于空氣處理焓差大，采用多系統(tǒng)串聯(lián)設(shè)計(jì)，一方面可以保證低溫送風(fēng)的精度可控，另一方面可以根據(jù)新風(fēng)進(jìn)風(fēng)實(shí)際溫度（實(shí)際冷量）的需求對(duì)應(yīng)輪換開適當(dāng)數(shù)量的壓縮機(jī)，不僅節(jié)能且對(duì)于壓縮機(jī)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行有保障。

同時(shí)，由于飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組出風(fēng)達(dá)到0～2℃，其蒸發(fā)溫度達(dá)到－5～－10℃，空氣中的水份非常容易結(jié)霜，林美娜［8］等人進(jìn)行了融霜方式的研究，得出的結(jié)論是，在制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣口、冷凝器進(jìn)氣口和到膨脹閥后中增加三通比積分閥，通過(guò)控制比例積分三閥開度，調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量，融霜速度快，融霜效果顯著且送風(fēng)溫度波動(dòng)小，確保機(jī)組穩(wěn)定、低溫送風(fēng)［8］。

3 新技術(shù)應(yīng)用展望

隨著國(guó)產(chǎn)品牌設(shè)備的加大研發(fā)和成功使用，目前飛機(jī)地面空調(diào)的應(yīng)用也進(jìn)入了一個(gè)新的階段。除了對(duì)工藝制造的不斷提升、可靠性的保障要求提高之外，飛機(jī)地面空調(diào)不斷向著更輕、更薄、能效更高的技術(shù)發(fā)展方向邁進(jìn)。筆者所在公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)分別針對(duì)新型聯(lián)網(wǎng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、多系統(tǒng)渦旋壓縮機(jī)設(shè)計(jì)、單系統(tǒng)螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)、雙冷源設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)做了理論計(jì)算和樣機(jī)測(cè)試，從節(jié)能、可靠性、維護(hù)等方面分析不同技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)。

3.1 多系統(tǒng)渦旋壓縮機(jī)設(shè)計(jì)［4］

采用多系統(tǒng)渦旋壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的飛機(jī)地面空調(diào)，通常制冷系統(tǒng)的數(shù)目為4～5臺(tái)壓縮機(jī)［4］，可根據(jù)空調(diào)實(shí)際冷量的需求開適當(dāng)數(shù)量的壓縮機(jī)。在部分負(fù)荷工況下，節(jié)能方面有優(yōu)勢(shì)。多系統(tǒng)在空氣循環(huán)部分串聯(lián)，前兩到三級(jí)的冷量分配較大，蒸發(fā)溫度高，在高蒸發(fā)溫度的條件下，壓縮機(jī)的能效比高。

2013年8月底，經(jīng)過(guò)前期的精心準(zhǔn)備，浙江省人民醫(yī)院檢查預(yù)約中心正式開始運(yùn)行。首先從住院患者進(jìn)行試點(diǎn)，集中預(yù)約檢查項(xiàng)目?jī)H限CT、超聲兩項(xiàng)?；颊呷朐簳r(shí)需要進(jìn)行CT、超聲檢查，過(guò)去，要去放射科、超聲科分散預(yù)約，還沒(méi)做上檢查就先把醫(yī)院跑一遍。在新的服務(wù)模式下，患者不管有多少檢查項(xiàng)目，在預(yù)約中心一次性預(yù)約，然后在預(yù)定時(shí)間前往不同科室進(jìn)行檢查，讓患者真正體驗(yàn)“檢查少跑腿”的便利。

另外由于渦旋壓縮機(jī)功率較小，噪聲相對(duì)較小，且運(yùn)行噪聲較為柔和；在風(fēng)冷工況下運(yùn)行時(shí)，無(wú)需配置噴液冷卻電機(jī)，避免了冷量損失，單位功率下制冷效果好，減少了噴液控制元件，使系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性更高。維護(hù)簡(jiǎn)便，渦旋壓縮機(jī)系統(tǒng)無(wú)需定期更換潤(rùn)滑油和軸承，即使使用過(guò)程中有一個(gè)系統(tǒng)故障，也不會(huì)影響整機(jī)的運(yùn)行，其余的系統(tǒng)仍能工作，等待檢修，系統(tǒng)互為備用，降低開機(jī)頻次，延長(zhǎng)使用壽命。缺點(diǎn)：系統(tǒng)數(shù)量多，運(yùn)動(dòng)部件多，設(shè)計(jì)和加工復(fù)雜，多系統(tǒng)電氣控制程序需要定制開發(fā)和驗(yàn)證。

3.2 單系統(tǒng)螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)

采用單系統(tǒng)螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的飛機(jī)地面空調(diào)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，機(jī)內(nèi)空間大，維護(hù)簡(jiǎn)單方便。但是由于單系統(tǒng)調(diào)節(jié)有限，所以面臨問(wèn)題不少，首先是部分負(fù)荷下的可靠性問(wèn)題，由于螺桿機(jī)不能在50%載荷以下長(zhǎng)期運(yùn)行，回油不良，且制冷劑對(duì)電機(jī)的冷卻不佳，容易損壞，所以一般在0%～50%負(fù)載范圍內(nèi)為螺桿壓縮機(jī)的調(diào)載盲區(qū)，能效低。其次，雖然系統(tǒng)數(shù)少，但是螺桿壓縮機(jī)的油路系統(tǒng)非常復(fù)雜，包括油路潤(rùn)滑系統(tǒng)和油路卸載系統(tǒng)，且需要定期檢修潤(rùn)滑油、油過(guò)濾器和軸承，對(duì)于橋載設(shè)備 （離地面有一定距離）而言，維修的工作負(fù)擔(dān)不小。

對(duì)照渦旋多系統(tǒng)和螺桿單系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，按MH／T《飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組》民航標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工況和要求，經(jīng)過(guò)國(guó)家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心測(cè)試，產(chǎn)品能效會(huì)有一定差距，具體數(shù)據(jù)對(duì)比，如表3和表4。

表3 DT3機(jī)組測(cè)試數(shù)據(jù)表

表4 CT4機(jī)組測(cè)試數(shù)據(jù)表

圖6 飛機(jī)地面空調(diào)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)［3］工作示意

上述數(shù)據(jù)來(lái)自由權(quán)威機(jī)構(gòu)測(cè)試得出，各廠商全部能滿足出風(fēng)溫度低的要求，但在節(jié)能表現(xiàn)上，明顯采用渦旋系統(tǒng)設(shè)計(jì)，制冷量更大，能效表現(xiàn)好，有較大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，由于送風(fēng)溫差大，制冷級(jí)數(shù)多，所以同樣采用渦旋系統(tǒng)，在系統(tǒng)數(shù)量和制冷劑流量分配的匹配上，也造成制冷能力的表現(xiàn)有區(qū)別，總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)，比較機(jī)組性能的發(fā)揮和節(jié)能的要求，更推薦采用多級(jí)渦旋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

3.3 拓展設(shè)計(jì)——新型聯(lián)網(wǎng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)［3］

目前，在歐美及發(fā)達(dá)國(guó)家，橋載設(shè)備已得到較為普遍的應(yīng)用。地面設(shè)備替代機(jī)載APU的使用，世界各國(guó)所采用的方法大致相同，多數(shù)情況是機(jī)場(chǎng)提供安全穩(wěn)定的地面保障設(shè)備，而航空公司采用協(xié)議方式，租用相應(yīng)設(shè)備而停止機(jī)載APU的使用，對(duì)于航空公司而言，租用設(shè)備的費(fèi)用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)載APU使用的費(fèi)用，并且延長(zhǎng)了機(jī)載APU的使用時(shí)間，降低了APU的故障率；而機(jī)場(chǎng)除了能夠獲得設(shè)備租賃的收益之外，還可以獲得良好的空氣質(zhì)量和噪聲環(huán)境以及優(yōu)秀的機(jī)場(chǎng)品牌。

具體的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)由機(jī)場(chǎng)和航空公司根據(jù)政策、運(yùn)行成本和各自情況共同商定。但目前國(guó)內(nèi)的計(jì)費(fèi)方式，大多采用人工記錄統(tǒng)計(jì)的方法，筆者所在公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［11］的應(yīng)用，自動(dòng)采集航班信息應(yīng)用時(shí)代等，通過(guò)集成軟件計(jì)算存儲(chǔ)方式，如圖6，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，提升計(jì)費(fèi)效率。

3.4 拓展設(shè)計(jì)——雙冷源系統(tǒng)

采用雙冷源設(shè)計(jì)的飛機(jī)地面空調(diào)，工作原理是：在新風(fēng)與蒸發(fā)冷卻盤管進(jìn)行熱交換之前，先與預(yù)冷盤管進(jìn)行熱交換，而預(yù)冷盤管里則采用與機(jī)場(chǎng)候機(jī)廳共用的冷凍水作為其中一個(gè)冷源，空氣經(jīng)過(guò)預(yù)冷后，再與機(jī)組的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)提供的氟冷媒為介質(zhì)的盤管進(jìn)行熱交換，進(jìn)行再冷卻 （另一個(gè)冷源），從而使空氣達(dá)到出風(fēng)2℃以下的處理要求。從預(yù)冷卻表冷器出來(lái)的冷凍水，還可以進(jìn)一步作為蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)里的殼管式冷凝器 （與風(fēng)冷冷凝器并聯(lián)或串聯(lián)）的冷卻水，增強(qiáng)風(fēng)冷冷凝器的冷卻效果，使空調(diào)機(jī)組更加高效節(jié)能，經(jīng)過(guò)初步測(cè)算，采用雙冷源設(shè)計(jì)，機(jī)組能效可以提升30%以上，尤其是極端高溫天氣負(fù)荷，可以大大降低機(jī)組能耗，節(jié)能效果顯著。

該空調(diào)機(jī)組與普通風(fēng)冷冷卻方式的單冷源同類產(chǎn)品相比，冷卻方式選擇更靈活，可以采用與機(jī)場(chǎng)候機(jī)廳共用的冷凍水為雙冷源飛機(jī)地面空調(diào)提供預(yù)冷，再用機(jī)組自身的制冷系統(tǒng)提供再冷。而經(jīng)過(guò)預(yù)冷后的循環(huán)水，也可以再度利用為蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的冷凝器散熱，由于預(yù)冷盤管后的進(jìn)出水溫度大概是7～12℃，對(duì)于冷卻水而言屬于高品質(zhì)，散熱效果好，能效高。

缺點(diǎn)：多種冷卻方式，設(shè)計(jì)和制造比多系統(tǒng)渦旋壓縮機(jī)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，有預(yù)冷盤管，又有冷卻水循環(huán)利用水泵，水冷冷凝器和風(fēng)冷冷凝器串聯(lián)或并聯(lián)，造成機(jī)內(nèi)空間非常小，維護(hù)不便，且造價(jià)高，可靠性相比其他兩種成熟方案而言低，需要多次驗(yàn)證。

3.5 拓展設(shè)計(jì)——模塊化設(shè)計(jì)［9］

采用模塊化設(shè)計(jì)的飛機(jī)地面空調(diào)［9］，其核心是在采用多系統(tǒng)渦旋壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將每個(gè)系統(tǒng)的壓縮機(jī)、兩器、氣液分離器、膨脹閥、電磁閥、干燥過(guò)濾器、系統(tǒng)管路等單獨(dú)做成一個(gè)模塊，模塊下方有叉車孔，方便安裝，整臺(tái)機(jī)組分為4個(gè)模塊，可快速進(jìn)行線下部裝線上組裝，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。采用模塊化設(shè)計(jì)，由于每個(gè)模組配置一模一樣，且模組下方帶有滑輪，方便抽出，在維護(hù)方面尤其簡(jiǎn)便，不僅保留了多系統(tǒng)渦旋壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，而且彌補(bǔ)了其缺陷，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，加工高效，工藝復(fù)制程度高，維護(hù)空間大，方便操作。

在可靠性方面，模塊化設(shè)計(jì)部件通用率高，生產(chǎn)加工簡(jiǎn)化，質(zhì)量損失小，關(guān)鍵元器件少，保障性能更優(yōu)，也更利于大規(guī)模生產(chǎn)，投入智能制造產(chǎn)線。

4 結(jié)論

綜上所述，飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組PCA替代飛機(jī)APU實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、節(jié)省使用成本，提升飛機(jī)APU應(yīng)用壽命，具有較高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，值得大力推廣。

目前，飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組分類較多，滿足了民航的使用需求，通過(guò)多級(jí)過(guò)濾和空氣處理，能夠向客艙提供經(jīng)過(guò)處理的潔凈、舒適、健康、新鮮的空氣，滿足客艙的使用要求，提升飛行員和乘客的舒適性，提升飛機(jī)內(nèi)部精密設(shè)備的冷卻效果，提升飛機(jī)的可靠性的同時(shí)，促進(jìn)了民航行業(yè)發(fā)展。

同時(shí)，上文還對(duì)飛機(jī)空調(diào)新技術(shù)拓展介紹，新型聯(lián)網(wǎng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、雙冷源系統(tǒng)以及模塊化設(shè)計(jì)方式，將是未來(lái)飛機(jī)地面空調(diào)的發(fā)展趨勢(shì)。