林家泉，張學(xué)鋒

（中國民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

飛機(jī)客艙能耗模型的構(gòu)建研究

林家泉，張學(xué)鋒

（中國民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

針對各地機(jī)場不合理使用橋載空調(diào)導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和滿足客艙舒適性調(diào)節(jié)控制的問題，構(gòu)建飛機(jī)客艙能耗模型，預(yù)測飛機(jī)客艙的熱載荷，實(shí)現(xiàn)對橋載空調(diào)的優(yōu)化控制。以天津?yàn)I海國際機(jī)場A320飛機(jī)客艙為研究對象，采用熱平衡法對影響客艙能耗的各個(gè)因素進(jìn)行分析，并建立客艙外氣象參數(shù)模型、客艙圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱平衡模型和客艙內(nèi)空氣熱平衡模型；對其傳熱過程進(jìn)行了計(jì)算與仿真，得出了不同時(shí)刻的飛機(jī)客艙能耗。所得結(jié)果為今后飛機(jī)客艙傳熱舒適性調(diào)節(jié)控制研究以及飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制提供理論依據(jù)。

飛機(jī)客艙；能耗模型；熱平衡法；能耗預(yù)測

?

為響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，中國民用航空局在2011年頒布了《關(guān)于加快推進(jìn)節(jié)能減排工作的指導(dǎo)意見》，要求全國各機(jī)場在飛機(jī)航前、經(jīng)停與航后階段使用橋載空調(diào)（廊橋下的空調(diào)機(jī)組，使用工業(yè)用電）來替代目前使用的航空燃油機(jī)載輔助電源裝置（APU，auxiliary power unit）。橋載空調(diào)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(xiàn)許多機(jī)場存在橋載空調(diào)的不合理使用現(xiàn)象，導(dǎo)致橋載空調(diào)使用壽命縮短和電力資源大量被浪費(fèi)的現(xiàn)象。為了正確地使用橋載空調(diào)，需對飛機(jī)客艙的能耗進(jìn)行合理的預(yù)測，并且這些基于飛機(jī)設(shè)計(jì)要求的動(dòng)態(tài)熱載荷為飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和橋載空調(diào)的節(jié)能控制提供了理論依據(jù)，因此對于客艙能耗的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)外學(xué)者對飛機(jī)客艙能耗的研究經(jīng)過數(shù)十年的探索逐步形成了一套計(jì)算方法和理論體系。文獻(xiàn)[2]結(jié)合飛機(jī)內(nèi)外熱環(huán)境建立飛機(jī)的瞬態(tài)熱載荷的物理模型，采用區(qū)域分解技術(shù)劃分為不同的傳熱單元，采用熱網(wǎng)絡(luò)法來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的輻射—導(dǎo)熱—對流計(jì)算；文獻(xiàn)[3]首次提出使用現(xiàn)代控制理論學(xué)科的方法，采用狀態(tài)空間法計(jì)算飛機(jī)客艙熱載荷，但該方法還處于理論探討的階段；文獻(xiàn)[4]從輻射換熱、結(jié)構(gòu)傳熱和附加熱載荷等3個(gè)方面對民機(jī)客艙進(jìn)行建模，對其瞬態(tài)的熱載荷進(jìn)行了計(jì)算分析；文獻(xiàn)[5]提出了基于工程方面的2種計(jì)算方法，對座艙壁體結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)進(jìn)行了研究與計(jì)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(jī)客艙圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜性使得在求解過程中假設(shè)條件過多，這些假設(shè)對于熱載荷的計(jì)算則有很大的影響。與傳統(tǒng)的計(jì)算方法相比，本文是從飛機(jī)客艙能耗機(jī)理出發(fā)，考慮客艙外溫度、風(fēng)速、太陽輻射等影響，建立飛機(jī)客艙能耗模型，對客艙能耗的各個(gè)子模型進(jìn)行了推導(dǎo)計(jì)算，得到客艙模型的能耗，研究結(jié)果為大型客機(jī)的環(huán)境控制系統(tǒng)與飛機(jī)客艙傳熱舒適性調(diào)節(jié)控制研究提供理論依據(jù)。

1 客艙能耗模型的構(gòu)建

本文以A320飛機(jī)客艙中的經(jīng)濟(jì)艙為研究對象，根據(jù)空客維修手冊[6]獲知A320飛機(jī)機(jī)艙高4.14 m，寬3.95m，按照飛機(jī)的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行建模，并對其中復(fù)雜桁梁等部分進(jìn)行了簡化，物理模型如圖1所示。

圖1 飛機(jī)客艙結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of aircraft cabin

從影響飛機(jī)客艙能耗系統(tǒng)的因素來看，主要包括客艙外擾和內(nèi)擾?？团撏鈹_是指氣象參數(shù)，如太陽輻射強(qiáng)度、逐時(shí)空氣溫度、風(fēng)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(nèi)的空氣熱狀況；客艙內(nèi)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(nèi)的空氣進(jìn)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(gè)模型的非穩(wěn)態(tài)傳熱，對客艙能耗進(jìn)行定性研究。該模型主要包括3個(gè)子模型：①客艙外氣象參數(shù)模型；②客艙圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱平衡模型；③客艙內(nèi)空氣熱平衡模型。其中客艙外氣象參數(shù)模型用來計(jì)算客艙外部逐時(shí)的環(huán)境溫度與太陽輻射量，為客艙圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量的計(jì)算提供前提，其分為外界逐時(shí)溫度子模型和太陽輻射等子模型；客艙圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱平衡模型用來計(jì)算客艙圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐時(shí)的得熱量，計(jì)算出的客艙壁體內(nèi)壁面溫度為客艙內(nèi)空氣熱平衡模型計(jì)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(nèi)壁面熱平衡子模型和客艙壁體傳熱子模型；客艙內(nèi)空氣熱平衡模型用來計(jì)算所需的負(fù)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(fēng)量的引入子模型。建立各個(gè)子模型后，通過飛機(jī)客艙圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面熱平衡方程和客艙內(nèi)熱平衡方程建立飛機(jī)客艙的熱平衡方程組，計(jì)算所需的空調(diào)制冷量。能耗預(yù)測模型的構(gòu)建路線如圖2所示。

圖2 客艙能耗預(yù)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(shù)模型

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

2.1.1 外界逐時(shí)溫度模型

采用模比系數(shù)法計(jì)算外界逐時(shí)溫度，應(yīng)用暖通空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范中的模比系數(shù)對飛機(jī)客艙外的逐時(shí)溫度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程為[7]

其中：t0（τ）為客艙外逐時(shí)干球溫度；τ為時(shí)刻；tω為夏季室外空調(diào)計(jì)算干球溫度；β（τ）為不同時(shí)刻的模比系數(shù)；Δtr為設(shè)計(jì)日較差。

本文以天津機(jī)場為例，由供熱手冊查得夏季室外空調(diào)計(jì)算干球溫度tω=33.9℃，同時(shí)設(shè)計(jì)日較差Δtr=8.1℃，根據(jù)式（1）可得客艙外逐時(shí)干球溫度。中國標(biāo)準(zhǔn)模比系數(shù)如表1所示。

表1 模比系數(shù)表Tab.1 M odulus coefficient

2.1.2 太陽輻射模型

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

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

2.2 客艙圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱平衡模型

在建模前，首先對外部條件假設(shè)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(jī)客艙由曲率較大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成，認(rèn)為傳熱是沿厚度方向上的導(dǎo)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(nèi)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(jī)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(qiáng)度；qL為客艙外表面與周圍環(huán)境的輻射換熱強(qiáng)度；qc為客艙外表面與空氣間的對流換熱強(qiáng)度；qk為客艙外表面導(dǎo)熱強(qiáng)度。式中

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

其中：αw為客艙外表面對流換熱系數(shù)；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(jī)外表面材料的吸收率有關(guān)；σb為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，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(shù)；Fsky為客艙外表面與天空溫度之間的角系數(shù)；Fg為客艙外表面與地面之間的角系數(shù)。

角系數(shù)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(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)定傳熱過程，結(jié)合壁體傳熱的特性，采用反應(yīng)系數(shù)法[10]計(jì)算客艙壁體的傳熱?？团摫隗w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(xué)基本理論可知，用如下方程表示客艙壁內(nèi)部溫度分布的偏微分方程和熱流密度與溫度場關(guān)系為

其中：a為客艙壁面不同材料的導(dǎo)溫系數(shù)；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(dǎo)熱系數(shù)；x為客艙壁面計(jì)算坐標(biāo)；τ為變量（時(shí)間）。

利用拉式變換，解得溫度分布與熱流的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

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

其中：αi為客艙內(nèi)第i個(gè)面的對流換熱系數(shù)；αw為客艙外表面對流換熱系數(shù)。式（11）中

由上式可知，當(dāng)客艙壁體的不同層材料物理參數(shù)已知時(shí)，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(chǔ)。

2.2.3 客艙壁體內(nèi)壁面?zhèn)鳠崮Ｐ?/h4>

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

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

飛機(jī)客艙壁體內(nèi)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(nèi)表面之間的長波輻射；qLWS為內(nèi)熱源之間的長波輻射；qSW為艙內(nèi)燈光等的短波輻射；qconv，i為內(nèi)表面與空氣間的對流換熱；qkin為由客艙壁體傳入的導(dǎo)熱強(qiáng)度。式中

其中：tii為客艙內(nèi)第i個(gè)面的表面溫度；t為客艙內(nèi)的空氣溫度；vc為客艙內(nèi)部空氣流速。

2.3 客艙內(nèi)空氣熱平衡模型

客艙內(nèi)空氣熱平衡包括客艙內(nèi)的旅客和燈具等，其熱平衡方程為

其中：Qadd為客艙內(nèi)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(fēng)熱量。式中

其中：n1為散熱系數(shù)，一般取1.0；n2為隔熱系數(shù)，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(fēng)量和從客艙外引入的新風(fēng)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(nèi)部滲入一定量的空氣，同時(shí)為了保證客艙內(nèi)的空氣品質(zhì)，也需要引入一定量的新風(fēng)。即

其中：M為引入新風(fēng)量；h0為調(diào)節(jié)管中的空氣焓值；hr為客艙內(nèi)的空氣焓值。

3 飛機(jī)客艙能耗的計(jì)算

上述對飛機(jī)客艙能耗模型進(jìn)行了詳細(xì)介紹，將客艙能耗模型的熱平衡方程和客艙內(nèi)空氣的熱平衡方程聯(lián)立，即可得到整個(gè)熱力系統(tǒng)的熱平衡方程組，通過求解方程組，編寫相應(yīng)的程序即可求得飛機(jī)客艙整體逐時(shí)能耗。計(jì)算時(shí)假設(shè)乘客為滿員150人，客艙內(nèi)燈光全開，客艙內(nèi)空氣溫度為25℃，濕度為60%，客艙內(nèi)風(fēng)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(shí)能耗Fig.6 Hourly energy consumption of whole cabin

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

對各項(xiàng)能耗及空調(diào)的總負(fù)荷進(jìn)行逐時(shí)計(jì)算。從圖6可知，白天時(shí)，客艙受到外界太陽輻射、環(huán)境溫度和內(nèi)部乘客散熱、新風(fēng)等因素的影響，尤其是中午到下午這段時(shí)間內(nèi)太陽輻射較強(qiáng)，環(huán)境溫度較高，對空調(diào)負(fù)荷影響很大；晚上時(shí)，因?yàn)闆]有太陽輻射，另外環(huán)境溫度也下降，相對白天來講，空調(diào)負(fù)荷減少了很多。從圖7可知，在各項(xiàng)能耗所占總能耗的百分比中，新風(fēng)負(fù)荷所占的比例最大，高達(dá)30.34%；其次是潛熱負(fù)荷，比例為25.94%；人員顯熱占24.88%，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷占15.59%，照明燈光等和泄漏負(fù)荷所占的比例較小，分別為2.38%和0.87%?？梢?，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱對空調(diào)負(fù)荷的影響不容忽視。客艙內(nèi)的負(fù)荷主要以新風(fēng)負(fù)荷、人員顯熱、潛熱負(fù)荷和圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷為主。由于客艙密閉性良好，由空氣泄漏所引起的泄漏負(fù)荷很小，對潛熱負(fù)荷影響較小。

4 結(jié)語

本文針對飛機(jī)客艙能耗進(jìn)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(jī)客艙的能耗模型，主要包括客艙外氣象參數(shù)模型、客艙圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱平衡模型和客艙內(nèi)空氣熱平衡模型；計(jì)算熱平衡方程組并編寫相應(yīng)程序?qū)团撜w逐時(shí)能耗進(jìn)行了計(jì)算與分析。最終對飛機(jī)客艙能耗模型的研究，為今后飛機(jī)客艙內(nèi)熱舒適性研究以及飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制提供理論依據(jù)。

[1]張積洪.積極推廣橋載設(shè)備提高節(jié)能減排效果[J].中國民用航空,2012,133(1):46-47.

[2]夏新林,艾 青,任德鵬,等.飛機(jī)整體瞬態(tài)熱狀況的數(shù)值仿真研究[J].航空學(xué)報(bào),2007,28(3):513-518.

[3]趙紅燕.基于狀態(tài)空間法的飛機(jī)座艙熱載荷分析[J].科技風(fēng),2008(24):54-54.

[4]夏璐璐.飛機(jī)座艙瞬態(tài)熱載荷的計(jì)算研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2010.

[5]張興娟,楊春信,袁修干.大飛機(jī)乘員艙熱載荷的工程估算方法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2009,35(12):1503-1506.

[6]AIRBUS.A320/A320Neo Aircraft Characteristics Airport and Maintenance Planning(AC)[M].Blagnac:Airbus SAS,2014:65-67.

[7]張晴原,楊洪興.建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012:1-4.

[8]CRAWLEYDB.Which weather data should you use for energy simulations of cormmercial buildings[J].ASHRAE Trans,1998,104(2):498-515.

[9]MCCLELLAN TM,PEDERSENCO.Investigation of outside heat balance models for use in a heat balance cooling load calculation procedure[J].ASHRAE Trans,1997,103(l):467-484.

[10]彥啟森,趙慶珠.建筑熱過程[M].北京:建筑工業(yè)出版社,1986:27-30.

?

《中國民航大學(xué)學(xué)報(bào)》版權(quán)聲明

本刊已加入《中國學(xué)術(shù)期刊（光盤版）》、中國期刊全文數(shù)據(jù)庫（CJFD）及萬方數(shù)據(jù)數(shù)字化期刊群、維普期刊全文數(shù)據(jù)庫、臺灣中文電子期刊服務(wù)——思博網(wǎng)（CEPS）、波蘭《哥白尼索引》（IC，Index of Copurnicus）、美國劍橋科學(xué)文摘社（CSA，Cambridge Science Abstracts）等國內(nèi)外知名數(shù)據(jù)庫。凡本刊錄用的稿件將同時(shí)通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)出版或提供信息服務(wù)。凡投本刊的稿件一經(jīng)錄用，本刊即認(rèn)定作者將該文的復(fù)制權(quán)、發(fā)行權(quán)、信息化網(wǎng)絡(luò)傳播權(quán)、翻譯權(quán)、匯編權(quán)等權(quán)利在世界范圍內(nèi)轉(zhuǎn)讓給本刊。該著作權(quán)使用費(fèi)與本刊稿酬一并支付。作者向本刊提交文章發(fā)表的行為即視為同意本刊上述聲明。

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?yàn)轱w機(jī)客艙能耗預(yù)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(xué)基金項(xiàng)目（U1433107）