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基于PMV-PPD的地面空调最佳送风速度
林家泉, 李弯弯     
中国民航大学 电子信息与自动化学院, 天津 300300
摘要: 针对目前飞机地面空调恒速送风所造成的客舱热舒适性和节能效果不佳的问题,运用CFD技术建立了Boeing737飞机客舱的仿真模型,并通过实验室1:1尺寸的Boeing737实验舱进行验证,证明所建立的CFD模型合理有效。在此模型基础上,模拟了飞机客舱内的风速场、温度场,根据采样点的风速和温度,分别得到不同送风速度下的客舱内热舒适性评价指标PMV和PPD,通过高斯拟合得到地面空调送风速度与PPD平均值之间的曲线关系,求解得到了满足热舒适性要求的地面空调最佳送风速度,从而实现地面空调的节能控制。
关键词: 地面空调     热舒适性     数值模拟     高斯拟合     最佳送风速度    
Best wind speed of ground air conditioning system based on PMV-PPD
LIN Jiaquan, LI Wanwan     
Institute of Electronic Information and Automation, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China
Received: 2016-12-30; Revised: 2017-04-06; Accepted: 2017-04-27; Published online: 2017-05-03 16:40
Foundation item: Joint Fund of the National Natural Science Foundation of China and the Civil Aviation Administration of China (U1433107); Natural Science Foundation of Tianjin (13JCYBJC42300)
Corresponding author. LIN Jiaquan, E-mail:jqlin@cauc.edu.cn
Abstract: To address poor cabin comfort and energy efficiency caused by constant-velocity air supply of ground air conditioning, the cabin simulation model for Boeing737 is built by CFD method. The size of the simulation cabin is the same as that of Boeing737. Validity of the model is verified by laboratory experiments. Based on this model, the effects of different air supply velocity on the temperature field and wind velocity field are simulated. The values of wind speed and temperature are used to calculate the PMV and PPD at the sample points. The relationship between the ground air conditioning air supply velocity and the PPD is also fitted by the Gaussian fitting curve method. The best air supply velocity range is obtained to meet the thermal comfort requirement, providing basis for energy-saving of ground air conditioning.
Key words: ground air conditioning     thermal comfort     numerical simulation     Gaussian fitting     best wind speed    

国外民航飞机在机坪过站、短停时,不使用机载空调系统,而是使用悬挂在廊桥下方的地面空调,至今已有20年的历史[1],中国从2012年才开始推广使用这项技术。由地面机务人员将地面空调送风软管与客舱空调管道连接,通过地面空调给客舱输送冷气,这样做是因为,机载空调的运行需要消耗航空煤油,运行成本高且污染环境,而地面空调使用工业电能,经济且不污染机坪空气环境。某机场统计了Boeing737客机使用地面空调替代机载空调的效益,单台地面空调机组每年节省燃油消耗160 t,减少CO2排放约500 t,按航空煤油与电能的差价计算,每年可节约110万元[2]。文献[1]提供的数据显示,使用地面空调的节能率大于83%,环境效益和经济效益非常明显。

近几年,随着计算机硬件和算法的发展,计算流体力学(CFD)技术的应用越来越广泛[3-6],也成为研究飞机客舱空气流动的主要工具[7-8]。目前国内外关于飞机机舱内热舒适性已有很多研究,具体包括不同送风形式对飞机客舱环境的影响[9-11],不同季节飞机客舱内的舒适性[12],不同送风系统对飞机客舱热舒适性的影响[13-15],以及太阳辐射对飞机驾驶舱热舒适性影响的分析[16]等。因此,本文以地面空调为研究背景,结合热舒适性评价指标PMV-PPD (Predicted Mean Vote-Predicted Percentage of Dissatisfied people)[17-18],采用CFD技术对地面空调不同送风速度下客舱内风速场、温度场以及热舒适性的影响进行了模拟及分析。

1 研究方法

飞机地面空调为飞机客舱制冷如图 1所示。出于安全的原因,地面空调不能与机载空调系统进行信息传递,导致无法获取客舱内的温度信息,因此目前地面空调的送风控制实质是处于开环状态,地面空调采用恒风速送风,是一种“粗放”的控制,没有考虑客舱内温度、客舱外空气温度、太阳辐射等因素,造成能源浪费和制冷效果不佳。

图 1 地面空调系统 Figure 1 Ground air conditioning system

针对这一问题,本文采用CFD技术建立飞机客舱仿真模型,并结合热舒适性评价指标PMV-PPD,对飞机地面空调送风风速进行研究。

1.1 飞机客舱模型

建立了与Boeing737客机等比例的模拟舱实验平台,如图 2所示,其中图 2(a)为模拟舱的地面空调机组,图 2(b)为Boeing737模拟舱结构。

图 2 Boeing737客舱实验平台 Figure 2 Boeing737 cabin experimental platform

按照Boeing737模拟舱的真实尺寸建立了五排座满员的客舱仿真模型,如图 3所示,模型包括飞机蒙皮、内客舱、客舱窗户、进风口、出风口、座椅模型、人体模型。进风口1为客舱顶层进风口,进风口2为客舱侧壁进风口。

图 3 飞机客舱三维示意图 Figure 3 3D diagram of aircraft cabin

由于飞机客舱模型结构复杂,对客舱进行网格划分时,采用四面体主导的混合网格划分法,算法采用协调分片算法,最大单元尺寸设置为16 mm,生成的网格数量为8 183万左右。为了保证计算结果的准确性及计算资源的合理利用,网格划分时分别对客舱内进风口、出风口、人员及壁面附近区域进行了加密处理[19],客舱网格截面图如图 4所示。

图 4 飞机客舱网格截面图 Figure 4 Cross-section diagram of aircraft cabin grid
1.2 流体动力学控制方程

飞机停靠在机场时,地面空调为飞机客舱进行送风,由于客舱内空气流速低,将飞机客舱内的空气看作不可压黏性流体,且选用稳态RNG k-ε湍流模型对客舱夏季制冷过程进行仿真,RNG k-ε控制方程为[10]

(1)

式中:t为时间;ϕ为变量;ui (i=1, 2, 3) 为时均速度;Γϕ, eff为有效扩散系数;ρ为密度;Sϕ为源项; div(·)为矢量的散度;grad(·)为函数的梯度。当ϕ的值不同时,式(1) 可表示连续性方程、动量方程、能量方程、湍动能方程等。当ϕ=k时(这里k为湍动能)时,式(1) 为湍动能方程。

1.3 边界条件的设定

1) 进风口和出风口边界条件:进风口和出风口分别设置为速度入口和出流出口,湍流强度均为5%。

2) 飞机客舱壁面的热边界条件:飞机蒙皮、客舱外层玻璃受到外界热流和太阳辐射的共同作用,选择对流与外部辐射混合作为热边界条件;内客舱壁选择对流热交换作为边界条件,人体为固定温度。

3) 夏季太阳辐射边界条件:选取2016年6月15日12时天津机场环境进行数值模拟,太阳辐射强度为873.711 W/m2,飞机的方位为机头朝东。

1.4 CFD验证

根据Chen[20]的建议,首先要对CFD计算进行实验验证,实验的边界条件设定为:空调的送风量为1 200 m3/h,送风温度为295.15 K,客舱壁面、地板等温度为298.15 K(由于模拟舱在室内,所以验证时不考虑太阳辐射)。测量位置如图 3中的L1~L6所示,图 5为模拟舱内所用的测量装置,在图中的垂直杆上均匀放置了5个温度传感器,分别测量L1~L6位置不同高度处的温度值,然后将实验测量值与CFD模拟值进行比较,结果如图 6所示,图中实线为CFD模拟值,离散点为实验测量值。从图 6中可以看出,实验测量值与数值模拟值有一定的差异,但是整体的变化趋势是相近的。其中L1、L2处的误差最大,这是由于模拟舱的入口是玻璃材质,易受舱外温度影响,造成误差值较大,剔除最大误差,实验测量值与数值模拟值的平均误差处于合理区间范围内[21],可验证所建立的CFD飞机客舱模型是合理有效的。

图 5 模拟舱内部测量装置 Figure 5 Internal measuring device in simulation cabin
图 6 实验结果与模拟结果的温度值对比(实线为模拟值,离散点为实验值) Figure 6 Comparison of temperature experimental and simulation results (the solid line for simulation and discrete points for experiment)
2 仿真结果与分析 2.1 客舱内横截面的截取

为了能更好地分析地面空调送风速度对客舱内温度场及热舒适性的影响,在客舱内每一排乘客的前5 cm处取横截面,共计5个截面,并在每个截面上选取24个采样点,分别为头部采样点、腰部采样点、腿部采样点、脚部采样点,共计120个,如图 7所示。

图 7 客舱内所选取的截面及采样点 Figure 7 Cross-section and sampling points in cabin
2.2 风速场模拟

为分析夏季工况下地面空调送风速度对客舱内环境的影响,分别对不同送风速度下客舱内环境进行仿真。

地面空调的送风会使得客舱内的空气组织有规律的运动,客舱内需要通过气流的流动来达到降温的目的,因此首先需要分析客舱内气流的流动规律。图 8为送风速度为2.0 m/s时,客舱内中间采样截面上的风速场。

图 8 送风速度为2.0 m/s时的风速场 Figure 8 Wind velocity field for inlet wind speed=2.0 m/s

图 8可以看出,截面上各个位置的风速既有大小又有方向。顶层进风口为条缝型进风口,侧壁进风口为侧送贴附送风方式,由于客舱内温度高于送风温度,造成了水平射流轴线的向下弯曲,顶层进风口左侧的射流边界受到客舱壁的影响,不断卷吸周围空气形成回流,而回流范围有限,使得射流外逸,侧壁进风口左侧的一部分射流与回流闭合形成大涡流。而顶层进风口右侧的射流沿客舱壁与侧壁进风口右侧射流以及左侧的另一部分射流混合后向下流动,受到座椅的阻挡,射流向上偏移,在客舱中部分成了2个方向,一部分向客舱左侧流动,另一部分经过过道分别与两侧回风口形成回流。随着射流射程的变长,射流能充分衰减,使得送风速度越来越小,而乘客头部风速约为0.1 m/s,远低于ANSI/ASHRAE标准161-2007中要求客舱内空气流速低于0.3 m/s的规定[22]

送风速度从0 m/s增大到4.0 m/s的过程中,人体周围的风速也在不断增大,当送风速度小于3.0 m/s时,乘客头部附近的风速低于0.3 m/s,满足文献[22]标准,然而当送风速度大于3.0 m/s时,部分乘客头部附近的风速高于0.3 m/s,不满足文献[22]标准。

2.3 温度场模拟

飞机客舱通过改变地面空调送风速度来达到降温的目的,送风速度不同,客舱内温度也会有所变化,分别对不同送风速度下客舱的温度场进行仿真分析。图 9为送风速度为2.0 m/s时,2016年6月15日12时客舱内截面的温度分布图,图中左侧为南,右侧为北。

图 9 送风速度为2.0 m/s时的温度场 Figure 9 Temperature field for inlet wind speed=2.0 m/s

图 9可以看出,由于太阳辐射的作用,左侧座椅处的温度高于右侧,这是由于此时太阳直射飞机机体的朝南面,使得左侧蒙皮及玻璃的温度升高,通过传热,致使客舱内左侧的温度偏高。客舱内进风口风速相对于其他位置较大,从而造成进风口附近的温度较低,随着距离的增大,风速会逐渐减小,且座椅及人体对气流的阻挡,使得人体附近的气流流动缓慢,导致人体附近的温度比过道的温度偏高。根据头部采样点和脚部采样点的温度值,可以得出送风速度为2.0 m/s时两者之间的垂直温差小于2.8 K,除了部分特殊位置,客舱温度范围为292.305~297.066 K,满足文献[22]的规定。

送风速度从0 m/s增大到4.0 m/s的过程中,客舱内的温度整体呈下降趋势,送风速度在0~1.0 m/s的范围内时,客舱内温度较高,送风速度大于3.0 m/s时,部分乘客的头部到脚部的垂直温差大于2.8 K,均不满足文献[22]的规定。

2.4 热舒适性分析

为了评估地面空调制冷过程中飞机客舱内热环境是否达到舒适性要求,本文采用PMV指标来研究飞机客舱内的热舒适性,综合考虑了客舱环境及人的自身因素,其表达式[16]

(2)

式中:M为新陈代谢量,W/m2W为人输出的外功,W/m2fcl为着衣体表面与裸体表面之比;T为当地的空气温度,K;Tcl为衣服外表面的温度,K;Tr为平均辐射温度,K;hc为衣服与空气之间的表面传热系数,W/(m2·K);pa为水蒸气分压力,Pa。PMV与人热感觉的关系如表 1所示。

表 1 PMV与人热感觉的关系 Table 1 Relationship between PMV and human thermal sensation
PMV Thermal sensation
-3 Cold
-2 Cool
-1 Slightly cool
0 Neutral
1 Slightly warm
2 Warm
3 Hot

图 10为2.0 m/s送风速度时客舱内截面上PMV的分布图。对比温度分布图可以看出,由于进风口处的风速偏高,温度偏低,使得其附近的PMV值相比较其他位置较低,而人体及座位对气流组织的阻挡,使得座位附近的风速减小,温度增加,从而造成PMV值变大,受太阳辐射及客舱壁传热的影响,靠近客舱壁的座位处的PMV值高于其他座位处的PMV值,但人体处的PMV值均在-0.1~0.33,满足国际化组织ISO7730中对热舒适的要求[23]:-0.5≤PMV≤+0.5。

图 10 送风速度为2.0 m/s时的PMV值 Figure 10 PMV value for inlet wind speed=2.0 m/s

为了更好地反映客舱内环境对乘客舒适性的影响,在客舱内每个截面上头部、腰部、腿部、脚部位置选取24个采样点,共计120个采样点,如图 7(b)所示。根据式(2) 计算出不同送风速度下PMV值,如图 11所示,其中离散点为不同送风速度下所求采样点的PMV平均值。

图 11 不同送风速度下的PMV平均值 Figure 11 Average value of PMV at different inlet wind speed

根据图 11可以看出,PMV值的变化趋势为随送风速度的增大而减小。当送风速度小于1.21 m/s时,PMV平均值在0.5~2.39之间,乘客会感觉热,当送风速度大于2.85 m/s时,PMV平均值低于-0.5,不满足国际化组织ISO7730中对热舒适的要求[23]

即使PMV=0,也很难使所有乘客都对当前热环境满意,故又提出预测不满意百分率PPD表示乘客对客舱热环境的不满意度[17],两者的关系式为

(3)

图 12为2.0 m/s送风速度时客舱内截面上PPD的分布图。从图中可以看出,进风口附近的PPD值明显大于客舱内的其他位置,由于过道处的温度低风速大,客舱壁附近的温度高风速小,使得这两处的PPD值明显大于人体座椅处的PPD值,且人体处的PPD平均值小于5%,满足国际化组织ISO7730中对热舒适的要求[23]:PPD≤10%。

图 12 送风速度为2.0 m/s时的PPD值 Figure 12 PPD value for inlet wind speed=2.0 m/s

根据式(2) 和式(3) 计算出不同送风速度下的PPD值,如图 13所示,其中离散点为不同送风速度下所求采样点的平均PPD值,再对这些离散点进行高斯拟合得到送风速度v与PPD平均值的关系,如图中曲线所示。

图 13 不同送风速度下的PPD平均值 Figure 13 Average value of PPD at different inlet wind speed

经过高斯拟合所得关系式为

(4)

图 13中可以看出,送风速度的改变导致PPD值变化,变化趋势为先减小后增大,说明送风速度过小、过大都会增加乘客对客舱内热环境的不满意率。根据国际化组织ISO7730[23]中对热舒适的要求:-0.5≤PMV≤+0.5,PPD≤10%,结合式(4) 得到满足标准的地面空调最佳送风速度区间为[1.21, 2.48] m/s,此送风速度区间可以使飞机客舱内的热舒适性较好且能使绝大多数乘客感到满意,为地面空调机组的节能控制提供理论依据。

3 结论

本文建立了Boeing737飞机客舱仿真模型,在此模型基础上运用CFD技术进行了不同送风速度下飞机客舱内部的气流组织模拟和热舒适性分析。

1) 数值模拟所得结果与实验测量结果的对比证明了所建立的飞机客舱模型的合理性。

2) 结合热舒适性指标PMV-PPD,得到地面空调的最佳送风速度区间为[1.21, 2.48] m/s。

3) 相对于目前地面空调恒风速送风造成的过度制冷工况,以热舒适性评价指标为依据得到的最佳送风速度为客舱制冷,可以获得更好的客舱热舒适性,并节约能源。

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http://dx.doi.org/10.7527/S1000-6893.2017.121089
中国航空学会和北京航空航天大学主办。
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林家泉, 李弯弯
LIN Jiaquan, LI Wanwan
基于PMV-PPD的地面空调最佳送风速度
Best wind speed of ground air conditioning system based on PMV-PPD
航空学报, 2017, 38(8): 121089.
Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2017, 38(8): 121089.
http://dx.doi.org/10.7527/S1000-6893.2017.121089

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收稿日期: 2016-12-30
退修日期: 2017-04-06
录用日期: 2017-04-27
网络出版时间: 2017-05-03 16:40

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