杜洪亮, 曹 陽*, 王云祥, 周 文

(1.中國航空工業(yè)空氣動力研究院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.低速高雷諾數(shù)氣動力航空科技重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

氣候環(huán)境模擬試驗設施主要用于實現(xiàn)不同氣候條件下的車輛環(huán)境模擬試驗。我國汽車工業(yè)起步較晚，在2009年同濟大學才建成嚴格意義上的汽車整車風洞[1]，此前只能依靠航空風洞改造進行汽車空氣動力學試驗，這極大地制約了中國汽車工業(yè)的發(fā)展和自主設計能力的提升。此后泛亞、長城等車企以及中國汽研陸續(xù)建設了汽車風洞[1]，中國汽車風洞試驗條件得到了極大改善。

從目前發(fā)展情況來看，這種試驗設施分為單試驗艙車輛環(huán)境模擬風洞和多試驗艙組合式車輛環(huán)境模擬風洞。國內(nèi)外典型的先進汽車環(huán)境模擬風洞多采用單試驗艙形式，如天津中汽研、寶馬、沃爾沃、福特等[1]，采用單套制冷劑蒸汽壓縮式制冷循環(huán)技術，將試驗艙內(nèi)的循環(huán)空氣通過低溫的蒸發(fā)器或通過高溫發(fā)熱的換熱器以實現(xiàn)試驗艙的降溫或升溫[2-3]。這種系統(tǒng)結(jié)構不適合組合式車輛環(huán)境模擬風洞，由于無試驗時單個風洞制冷系統(tǒng)設備閑置，造成了系統(tǒng)資源浪費，須采用共用制冷系統(tǒng)進行多艙溫度調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)能源和設備利用的最大化。

采用共用制冷系統(tǒng)實現(xiàn)不同用冷終端位置能耗監(jiān)測，進而實現(xiàn)最優(yōu)分配，通常在樓宇中央空調(diào)系統(tǒng)中應用較多，在大型組合式車輛環(huán)境模擬風洞中，尚未有實踐和研究[4-5]。在包含有多座不同類型汽車風洞的環(huán)境模擬設施內(nèi)共用一套大型制冷系統(tǒng)實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，國內(nèi)外罕見。

通過對共用制冷系統(tǒng)的不同終端位置載冷劑流量監(jiān)測，根據(jù)介質(zhì)低溫度、大粘性特性和小管徑、大流量(以及大管徑、小流量)管路條件，分別采用科里奧利質(zhì)量式原理和楔形差壓式原理，獲得了終端位置的流量監(jiān)測特性曲線變化規(guī)律，給出了能源分配控制策略的基本分析考量。

通過采用基于動態(tài)規(guī)劃法的分配控制策略，結(jié)合系統(tǒng)固有特征劃分了3種類型的優(yōu)先級數(shù)組，利用已獲得的用冷量數(shù)據(jù)，開展了最優(yōu)化冷量分配策略設計，應用該策略，比較了控制系統(tǒng)采用順序分配法的時間效率變化情況，通過制冷機組的負荷、單艙平均等待時間和保冷狀態(tài)制冷負荷3種實驗，測試了本系統(tǒng)對于效率提升的情況。

實驗研究結(jié)果表明：通過針對性地選擇流量測量方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對低溫大黏性不同載冷劑終端的用冷量的精準獲?。煌ㄟ^獲取的用冷數(shù)據(jù)，應用所設計的能源分配控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)共用制冷系統(tǒng)能源供應的高效利用。本次課題研究為采用共用制冷方式的大型組合式車輛環(huán)境模擬風洞、監(jiān)測高黏性載冷劑流量以及最優(yōu)能源分配提供了借鑒參考。

1 共用制冷系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

環(huán)境模擬試驗設施由4座不同類型的汽車風洞單元組成：A單元、B單元、C單元和D單元，可模擬海拔、溫度、風速、高低溫、濕熱、降雨降水、積冰凍雨、吹砂、吹塵等試驗類型。4座風洞共用一套大型制冷系統(tǒng)，由載冷劑一次循環(huán)系統(tǒng)供應不同溫度范圍的載冷劑，各試驗單元通過制冷二次循環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)試驗需要取用相應類型載冷劑至終端換熱設備，從而實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 車輛環(huán)境模擬試驗設施系統(tǒng)組成圖

共用制冷系統(tǒng)由3種不同出液溫度制冷機組構成，二次循環(huán)載冷劑分為常溫、中溫和低溫載冷劑系統(tǒng)，分別采用30%乙二醇、HC-50和R23，溫度范圍分別為0～20 ℃、-50～30 ℃、-68～-50 ℃。由于常溫載冷劑介質(zhì)特性簡單、監(jiān)測相對容易，低溫載冷劑系統(tǒng)使用端單一、無須終端監(jiān)測，這里著重對中溫載冷劑系統(tǒng)進行研究分析。

1.2 工作原理

中溫載冷劑系統(tǒng)主要由中溫機組、一次循環(huán)系統(tǒng)、二次循環(huán)系統(tǒng)、終端換熱設備組成。當終端設備需要所需的設置溫度時，通過控制系統(tǒng)向制冷系統(tǒng)發(fā)送所需的載冷劑溫度指令，中溫機組按照指令調(diào)整狀態(tài)輸出對應溫度載冷劑，各二次循環(huán)終端設備根據(jù)需要調(diào)整閥門取液流量狀態(tài)，獲得所需用冷量，最終實現(xiàn)目標溫度。

共用制冷系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。其中，二次載冷劑系統(tǒng)管路終端在進液管側(cè)設置有調(diào)節(jié)閥V0、溫度傳感器T0，在出液管路側(cè)設置有溫度傳感器T1、流量計F、調(diào)節(jié)閥V1，進出管測得的流體溫度分別為t0(K)和t1(K)，溫差為Δt(K)，監(jiān)測經(jīng)過換熱器的載冷劑實時流量f(kg/h)或f′(m3/h)。通過改變進出液調(diào)節(jié)閥V0和V1的開度，使得經(jīng)過換熱器載冷劑的流量發(fā)生變化，進而使終端設備的換熱量發(fā)生變化。

圖2 共用制冷系統(tǒng)工作原理圖

由進出液溫度獲得溫度差Δt=t1-t0(K)，通過比熱容公式計算可得終端設備實時用冷量Q(kJ/h)。

設介質(zhì)密度為ρ(kg/m3)，單位時間流體質(zhì)量為m(kg/h)，流體比熱系數(shù)c(kJ/(kg·K))，則有

m=ρf′

(1)

Q=cmΔt=cfΔt

(2)

終端設備在時間t(h)內(nèi)累計用冷量Q′(kJ)為

(3)

2 載冷劑特性分析

中溫載冷劑系統(tǒng)采用的載冷劑為美國Dynalene公司生產(chǎn)的HC-50載冷劑，它是一種甲酸鹽/水基熱交換劑，在整個溫度范圍內(nèi)性能優(yōu)于乙二醇和氯化鈣。如圖3所示，給出了HC-50與丙二醇、乙二醇、氯化鈣熱傳導值特性曲線比較[6-8]。

圖3 HC-50與其他載冷劑熱傳導熱性比較

由圖3可以看出，HC-50在橫軸溫度區(qū)間范圍內(nèi)，熱傳導值明顯優(yōu)于其他載冷劑，尤其隨著溫度的升高，該值增加較快。表1進一步給出了HC-50的物理特性。

表1 HC-50物理特性表

在-50～30 ℃區(qū)間范圍內(nèi)，HC-50的比熱和密度變化不大，但黏度隨著溫度降低增加較多，-50 ℃時達到了38.4 mPa·s，這對流量儀表的選擇形成關鍵約束。此外，HC-50電導率較低，基本接近于純水。

3 能源監(jiān)測儀表選擇

3.1 流量計選擇與比較

中溫載冷劑系統(tǒng)終端管道直徑主要有DN200和DN300兩種，常用流量范圍分別為30～240 m3/h和150～750 m3/h，一次循環(huán)管道壓力為0.2 bar[9-10](1 bar=100 kPa)。

3.1.1 DN200流量監(jiān)測

由于-50℃時HC-50介質(zhì)黏度已達到38.4 mPa·s，且其電導率較低，經(jīng)過選型比較，只有科里奧利質(zhì)量流量計適用于該位置測量，當介質(zhì)黏度較大時，產(chǎn)生的壓損增加，計算結(jié)果如表2所示[11]。

表2 HC-50 DN200管路流量儀表計算結(jié)果

由表2計算結(jié)果可知，-50 ℃流量增加時，流量計壓損增加，在常規(guī)流量240 m3/h時壓損達到1740 mbar，二次循環(huán)泵的揚程選擇應考量此因素。此外，可測的最小流量值為0.3774 m3/h，當用冷設備低功耗運行時，低于此值的用冷量無法獲得。

圖4給出了該流量儀表的特性曲線。由圖4可以看出，在19 m3/h以下時，測量精度較低，最低為8%，提示在小流量時，即用冷設備低功耗運行或保冷狀態(tài)時，測量準確度較低，此時測得值僅作為系統(tǒng)參考值，制冷負荷的機組供應端控制系統(tǒng)應預留一定比例余量(經(jīng)驗值為出液溫度最大制冷負荷10%)，不作為新的用冷請求負荷分配；在20m3/h以上時，測量精度達到最佳0.15%，壓損隨著流量增大而不斷增大，在常規(guī)流量以上的工況使用時，應尤其關注二次循環(huán)泵揚程與流量計壓損大小，避免流體阻塞。

圖4 HC-50 DN200管路流量儀表特性曲線

3.1.2 DN300流量監(jiān)測

DN300管徑的HC-50載冷劑流量和口徑均較大，且在-50 ℃時存在較大的黏度，常規(guī)的流量儀表難以測量，經(jīng)過選型，確定楔形差壓式流量儀表適合該位置監(jiān)測，計算結(jié)果如表3所示。

表3 HC-50 DN300管路流量儀表計算結(jié)果

楔形流量計使用 V 型節(jié)流元件，在差壓值和體積流量之間產(chǎn)生一個平方根的關系，通過測量差壓值可計算得到流量值。經(jīng)過出廠標定，測試范圍內(nèi)精度達0.5 %，實際的最小可測量流量僅為130 m3/h。

可見，特定用冷終端的低冷負荷運行狀態(tài)僅憑儀表測量難以實現(xiàn)，須通過對制冷機組端熱負荷分配經(jīng)驗值預留、監(jiān)測實際用冷終端取液狀態(tài)(閥門開度、管道壓力和換熱器溫度)和監(jiān)測最終目標區(qū)域的溫度參數(shù)綜合判斷。

3.2 溫度計選擇

4 能源分配策略

共用制冷系統(tǒng)的載冷劑監(jiān)測，獲得了終端用冷設備的耗冷量。對于機組端，須確定合理的出液狀態(tài)、輸出合適的制冷負荷；對于用冷端，新的用冷請求應給予合理的順序允許取用，達到整個系統(tǒng)制冷負荷的最優(yōu)利用。

4.1 機組不同出液狀態(tài)

表4給出了制冷機組不同出液溫度時的制冷能力。

表4 機組的最大制冷能力

由表4可知，機組的最大制冷能力出現(xiàn)在-40 ℃溫度點，而最低出液溫度-50 ℃的制冷能力為2007 kW，低溫區(qū)段供冷負荷有所下降，能源分配作為限制條件。當有多個不同載冷劑溫度的能源請求時，控制系統(tǒng)按照最接近的出液溫度請求供應。各車輛試驗單元同時開展不同試驗時，載冷劑溫度請求序列應按照由高到低的順序提出，相應的試驗順序以溫度降序為主線安排。

4.2 用冷請求標記值和限定條件

設某個用冷請求序號為i,請求優(yōu)先級為j,當前時間為t,請求時間為ti,申請用冷量為Qi,申請出液溫度為Ti，機組當前出液溫度為T,機組當前制冷負荷為QT，請求i的等待時間為Δth。

其中，i∈[0,∞]，j∈[0,1,2]，Ti≤T，Qi≤QT。當執(zhí)行出液溫度Ti請求時，機組出液狀態(tài)改變,降低出液溫度使T=Ti。

Δt=t-ti

(4)

0.9QT≥Qi+Qi-1+Qi-2+…+Q0

(5)

式中，Δt≤3，式(4)和式(5)作為能源分配的限定條件，即載冷劑申請的等待時間不應超過3 h(由試驗艙最大降溫時間決定)，機組的最大制冷負荷的90%用于新的能源請求分配。

圖5為用冷申請優(yōu)先級隊列。由圖5可知，對于某用冷請求優(yōu)先級j：當j=0時，該請求以隊列方式順序排在申請隊尾，放入數(shù)組A0；當j=1時，該請求排序前移至A0之前，排在j=1的序列隊尾，放入數(shù)組A1；當j=2時，該請求排序移至整個隊列首位，放入數(shù)組A2，即最先對其請求進行分配。

圖5 用冷申請優(yōu)先級隊列

控制系統(tǒng)只對新的用冷申請優(yōu)先級標記為0和1，操作者可根據(jù)需要手動調(diào)整某用冷申請j值為0，1，2，通過優(yōu)先級標記值的改變，實現(xiàn)機組端與用冷端的動態(tài)排序和最優(yōu)匹配。通過調(diào)整j值排序的隊列，出液溫度請求Ti始終為由高到低降序排列。

4.3 動態(tài)規(guī)劃法具體策略

共用制冷系統(tǒng)能源分配采用動態(tài)規(guī)劃法的策略實現(xiàn)。每次決策依賴于當前申請i狀態(tài)隊列qi，新申請i+1變化又隨即引起狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，一個決策序列qi+1就是在變化的狀態(tài)中產(chǎn)生出來，所以，這種多階段最優(yōu)化決策過程適合動態(tài)規(guī)劃法[12-13]。

4.3.1 空艙標定與單車標定

不同類型的車輛試驗單元首先應進行空艙的溫度標定試驗，獲得不同溫度條件下的用冷負荷值。降至溫度極值時，維持試驗艙內(nèi)溫度不變，浸車48 h以上，進行車輛的靜態(tài)降溫試驗，取得車輛靜態(tài)降溫的用冷負荷。維持艙內(nèi)溫度，車輛點火啟動、發(fā)動機最大功率運轉(zhuǎn)，取得車輛動態(tài)試驗的用冷負荷。最后得到試驗艙帶被試件的典型溫度能源消耗值，如表5所示。

表5 典型溫度下各試驗單元能源消耗表

4.3.2 分配策略

對于隊列qi的能源分配，控制系統(tǒng)按照下列方法處理。

① 當有請求序號i時，掃描隊列qi，如有Δt>3的請求，將其j值改為“1”移至數(shù)組A1，并按溫度請求值降序排列，若無則往下執(zhí)行；

② 對于請求序號i，j=0，插入隊列數(shù)組A0并立即按溫度請求值降序排列；

③ 當有新增請求序號i+1時，掃描隊列qi+1，如有Δt>3的請求，將其j值改為“1”移至數(shù)組A1，并按溫度請求值降序排列，若無則往下執(zhí)行；

④ 重復執(zhí)行過程①和過程②；

⑤ 當有請求i+k(k∈[0,∞))且Ti+k≤T時，系統(tǒng)允許操作員將j值改為“2”，并將請求i+k移至數(shù)組A2；

⑥ 當有請求i+k(k∈[0,∞))且Ti+k>T時，系統(tǒng)允許操作員將j值改為“2”，并將請求i+k移至數(shù)組A2，但機組不改變狀態(tài)降低出液溫度，而是維持現(xiàn)有狀態(tài)不變；

⑦ 完成隊列排序和能源分配計算，向允許使用的終端用冷設備發(fā)出允許指令，打開二次載冷劑系統(tǒng)閥門。

5 能源分配效果分析

5.1 機組的供冷量負荷變化

圖6是不同出液溫度下制冷機組功率、能效比變化曲線圖。制冷機組不同出液溫度時的能效比即COP值發(fā)生變化，由壓縮機的功率、轉(zhuǎn)速和出液變化共同決定[14-15]。

圖6 不同出液溫度制冷量和COP值變化特性

由圖6可知，隨著出液溫度的降低，機組COP值下降較快，同時制冷量也隨之下降，但在-40～-25 ℃區(qū)間內(nèi)，制冷量相對穩(wěn)定，COP值也隨之穩(wěn)定。該特性表明機組端可最佳地滿足各試驗艙-35～-25 ℃的典型工況使用需求。不論是否采用動態(tài)規(guī)劃法，機組都以出液狀態(tài)下的最大能力負荷運行，以確保用冷試驗單元降溫速率。

5.2 用冷設備平均等待時間

圖7為采用常規(guī)的順序分配法時各艙的平均降溫時間，圖8為采用動態(tài)規(guī)劃法的降溫時間。由圖7和圖8可知，各艙的降溫速率曲線隨著分配策略的介入均有所提高。在0～25 ℃時變化不明顯；在-30～-10 ℃區(qū)間內(nèi)斜率變化較大、下降速度增快；0 ℃以上主要用冷卻水塔進行換熱。該分配策略的介入起到了提升試驗效率的效果。

圖7 能源分配策略執(zhí)行前的降溫時間

圖8 能源分配策略執(zhí)行后的降溫時間

由圖7、圖8可知，C單元從20 ℃降到-35 ℃，能源分配策略介入前的調(diào)整時間為180 min，介入后的調(diào)整時間為135 min，提升了利用效率。

5.3 低功耗和保冷設備狀態(tài)

對于已執(zhí)行完降溫過程的試驗單元，比較了維持溫度消耗的熱負荷狀態(tài)與最大熱負荷消耗(以-20 ℃為例)，如圖9所示。

圖9 最大用冷與保冷狀態(tài)熱負荷比較

可見，保冷熱負荷相對最大用冷負荷小很多，大致在10%～15%之間，主要由各試驗單元艙體漏冷點、被試件發(fā)動機特性決定。對于能源分配，此前采用的10%經(jīng)驗值預留，隨著試驗車輛的不同應有適當調(diào)整，根據(jù)具體車輛熱負荷標定值確定。

6 結(jié)束語

本文對含有組合式車輛風洞環(huán)境模擬試驗設施共用制冷系統(tǒng)能源監(jiān)測方法和能源分配控制策略進行了研究，主要討論了以下3方面內(nèi)容：

① 針對特定類型的載冷劑HC-50的特性，提出了不同管路終端的流量監(jiān)測方法、精度與測量值的關系分析，采用比熱公式算得終端用冷量，并結(jié)合用冷監(jiān)測和能源分配提出了不同參數(shù)區(qū)段的使用方法考量；

② 采用動態(tài)規(guī)劃法，將共用制冷系統(tǒng)降溫時間提高，采用不同組別的優(yōu)先級標記，使新的用冷申請以較短的等待時間獲得用冷申請，實現(xiàn)試驗單元降溫；

③ 對于試驗設施采用動態(tài)規(guī)劃法的效果進行了分析，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得出該設施的固有特性，將能源分配策略介入后的狀態(tài)特性進行了比較分析，得出了控制系統(tǒng)后續(xù)可調(diào)整的參數(shù)。

對于相關的理論規(guī)律進行了應用和檢驗，得出了以下結(jié)論：

① 對于小口徑、大流量、大黏性、低溫度、低導電性的介質(zhì)監(jiān)測，采用科里奧利質(zhì)量流量原理測量，相比應用較廣泛的渦街式、浮子式、電磁式等，具有更優(yōu)異的測試精準度；

② 對于大口徑、大流量、大黏性、低溫度、低導電性的介質(zhì)監(jiān)測，采用楔形差壓式流量測量原理，相比質(zhì)量式、金屬浮子式、渦街式等，實現(xiàn)流量可測量；

③ 對于能源分配問題，驗證了動態(tài)規(guī)劃法相比順序分配法可取得更佳的分配效果，使用終端以較短的等待時間獲得制冷資源。

本研究仍有遺留問題，包括：

① 能源監(jiān)測終端，對于大流量、低溫、大管徑、大黏度的低流量監(jiān)測效果不太理想，可進一步探討采用多分支管路加裝調(diào)節(jié)閥的方式，采用壓損較小的金屬浮子式流量監(jiān)測方法加以改進，評估測試效果；

② 對于能源分配策略，當存在多個使用申請且機組不同出液溫度制冷負荷變化不大時，直接以較低的出液溫度輸出，能否進一步提升制冷效率。