CN108216643A - 基于辐射温度的民用飞机客舱左右舱室独立控温系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种适用于单通道民用飞机客舱的环境控温策略，控制方式为将座舱分为左右两个部分分别进行温度控制；通过分别控制左侧送风口(301)和右侧送风口(302)的送风温度实现座舱左右独立温度控制；根据左右控温方式得到相应的空调管路分配方式；通过实时测量的多点温度和风速等数据计算相应的实时热舒适PMV值(测平均投票数值)。以PMV值(测平均投票数值)为标准对送风温度进行调节，从而实现实时的动态控温。本研究的有益效果包括：改善民用飞机客舱由于横向左右热载荷分布不均匀造成的乘客舒适感的不同，获得更加均匀且舒适的座舱环境；控温策略基于人体实时热舒适度PMV值(测平均投票数值)，更能体现乘客在客舱中的实际热舒适程度。
Description
技术领域
本发明设计一种基于辐射温度的民用飞机客舱左右舱室独立控温系统和方法，为民机客舱提供更舒适的温度环境。
背景技术
民用飞机动态温度控制策略是根据民用飞机客舱测量的实时数据对客舱供风温度进行调节，从而实现民用飞机客舱温度动态控制。在载客量较大的民用飞机中，动态控温控制策略是根据不同的热负荷对座舱温度进行实时调节，从而使得座舱温度随时保持在舒适温度。但是飞机在白天的高空飞行过程中，热载荷分布不均匀，客舱横截面有阳面和阴面之分。此时整个客舱阳面和阴面若采用相同的送风温度，很难实现座舱温度场的均匀分布，也就是说很难使每一位乘客都得到舒适的环境温度，因此需要根据太阳热载荷分布的不同对客舱实施独立的左右舱动态控温策略。
现有典型的独立动态控温策略是将客舱分为前后两部分进行独立控温。如图1所示的一种典型的传统民用飞机独立动态控温方式，标号101为前部客舱的送风口，102为后部客舱的送风口，两个送风口的送风温度分别有前后两部分的动态温度控制系统进行控制，这种控温策略是为了解决座舱纵向热载荷分布不均匀的问题。
在民用飞机实际飞行时，白天太阳引起的热载荷分布是不均匀的，不仅表现为纵向上的不均匀。在太阳辐射的影响下，座舱横向热载荷会产生明显分布不均匀的现象。尤其是白天高空飞机沿南北航向飞行时，飞机的客舱在横向上热载荷分布明显不均匀，太阳直射的一侧(阳面)热载荷明显高于非太阳直射的一侧(阴面)。因此，在座舱温度控制时考虑横向上太阳热载荷的不均匀性是很有必要的。
发明内容
综合考虑民用飞机的飞行状态，提供了一种解决民用飞机横向太阳辐射热载荷分布不均匀问题的动态温度控制策略，其特征包括：
左右舱室分别独立控温；
根据控温方式，设计相应的空调管路分配方式；
根据左右侧壁各设置的一组温度测量点测量的数据实现温度动态控制；
以PMV(测平均投票数值)热分布为控制函数对舱室进行控温；
PMV(测平均投票数值)计算中的辐射温度通过实际座舱数据计算得到。
根据本发明的一个方面，提供了基于辐射温度的民用飞机客舱左右舱室独立控温系统，其特征在于包括：
经过发动机引气分别进入左舱室和右舱室各自的控制循环中的管路，其中左舱室和右舱室各自的控制循环分别独立进行控制，左舱室和右舱室各自的控制循环彼此相同，各自包括：
座舱温度传感器，用于测量座舱实际热交换后得到的座舱温度数据；
舱室控制器，用于根据温度传感器测量的座舱温度数据控制膨胀阀的开合，
所述膨胀阀，用于控制作为热路的发动机引气与经过ECS(环境控制系统)环控包冷却的冷路空气的混合比例，
混合腔，所述发动机引气与所述冷路空气在混合腔中混合达到需要的温度，
送风口，来自混合腔的空气通过送风口送入所在一侧的舱室，
控制部分，其包括：
根据先验参数确定得到理想的热舒适度目标值的部分；
根据所在侧的座舱内的温度传感器得到的该侧座舱内的温度数据和先验参数确定该侧座舱实际的热舒适度值的部分；
获得该侧座舱实际的热舒适度值和理想的热舒适度目标值之间的差值的部分；
热舒适控制器，用于对进入混合腔的发动机引气与冷路空气的掺混比进行控制，得到具有该侧座舱需要的座舱送风温度的混合空气，该混合空气将被送入该侧座舱从而对该侧座舱的温度进行调节。
附图说明
图1是一种典型的传统民用飞机独立动态控温方式空气分配示意图；
图2为左右舱独立控温系统的空调管路分配图；
图3是左右舱独立控温系统的空气分配示意图；
图4(a)和(b)显示了左右舱独立控制系统在各自半舱的温度测点；
图5为左右舱独立控制策略图；
图6为基于实时测量温度分别得到左右舱动态控制参数的人体热舒适PMV(测平均投票数值)的计算策略。
具体实施方式
本发明的目的，是提供一种基于辐射温度的民用飞机客舱左右舱室独立控温系统和方法，改善舱室温度的不均匀性，提高座舱整体的热舒适感。采用该方案可以有效改善座舱横向热载荷不均匀而送风温度相同造成的座舱环境局部高温或者低温；在温度的基础上以热舒适度PMV值(测平均投票数值)作为控制参数，得到的座舱环境更能体现乘客实际舒适程度；利用实际数据计算得到的环境辐射温度，能够也能够得到更准确的热舒适度值。
本发明在现有的前后控温的基础上提出座舱的左右控温系统和方法，实现左右独立控温。根据本发明的一个实施例的基于辐射温度的民用飞机客舱左右舱室独立控温系统的管路分配如图2所示，其经过发动机引气201分别进入左右舱室的两个控制循环中，左右两个舱室的控制循环分别独立进行控制，左右两侧舱室的控制循环相同。以左侧座舱为例，座舱温度控制过程如下：
(1)左侧座舱的温度传感器205测量座舱实际热交换后得到的座舱温度数据；
(2)左侧舱室控制器206根据温度传感器205测量的数据控制膨胀阀203的开合，从而控制发动机直接引气(热路)与经过ECS(环境控制系统)环控包202冷却的空气(冷路)的混合比例；
(3)冷、热路空气在混合腔204中混合达到需要的温度，通过图3中左侧送风口301送入左侧舱室205。
由于在飞行中，尤其是飞机沿南北航向飞行时，座舱左右两侧的人体热辐射基本相同且设备散热基本相同，但接收的太阳辐射能截然不同，对左右两侧座舱的温度产生较大的影响，向阳的一侧接收太阳辐射能多、温度较高，非向阳的一侧接收太阳辐射能少、温度较低，左右两侧座舱分别根据各自的测量数据利用各自的控制器控制所在循环的冷热路混合比，从而控制送入本部分座舱的空气温度。如图3所示，左侧座舱的送风口301送风方向斜向左下，吹入左侧座舱，对座舱温度进行控制；右侧座舱的送风口302送风方向斜向右下，吹入右侧座舱，对座舱温度进行控制。
在飞行中飞行航向高度发生变化时，座舱热载荷会根据环境发生相应变化，因此为了实现动态控温，本发明提出了根据实时测量的数据对送风温度进行修正。实际设置的温度测点如下：
(1)测量座舱顶部温度的5个测点(温度传感器)，如图3的标号303所示，纵向分布于座舱顶部，位于送风口301之间，5个测点测量的均值作为座舱顶部温度Tu；
(2)测量座舱底部温度的5个测点(温度传感器)，如图3中的标号304所示，设置于座舱底部，其中3个纵向分布于客舱过道中间，另外两个分别位于左右两侧座椅下方，5个测点304测量的均值作为座舱底部温度Tf；
(3)测量左侧壁温度的5个测点(温度传感器)，如图4(a)所示，2个测点403设置于左侧座舱机窗上，测量数据记为TL1和TL2，另外3个测点404布置于机窗下方的坐侧舱壁上，测量数据记为TL3、TL4和TL5；
(4)测量右侧壁温度的5个测点，如图4(b)所示，2个测点407设置于右侧座舱机窗上，测量数据记为TR1和TR2，另外3个测点408布置于机窗下方的右侧舱壁上，测量数据记为TR3、TR4和TR5；
(5)测量乘客周围环境温度的2个测点，分别位于左右舱中间乘客前方，如图4(a)中所示402和4(b)中所示406，左侧乘客记为PL，测得温度为TL,右侧乘客记为PR，测得温度为TR。
本发明中采用的温度控制策略以热舒适度PMV(预测平均投票数)为控制函数。人体热舒适值是表征人体热反应的指标，代表同一环境中大多数人的冷热感觉的平均。有限空间的热舒适环境取决于6个主要因素，其中4个因素与环境有关，即空气温度、平均辐射温度、空气中水蒸汽的分压力(相对湿度)、空气流速；另外两个因素(人体新陈代谢率和服装热阻)与人有关在飞行过程中，空气中水蒸汽的分压力(相对湿度)和座舱空气流速处于相对稳定状态，因此这两个参数作为先验参数，直接带入PMV值(测平均投票数值)的计算，空气流速v利用风速仪测量得到，相对湿度φ利用湿度测量设备测量得到。空气温度和平均辐射温度在飞行时不断变化，因此在实时控制时，空气温度和平均辐射温度这两个参数为动态控制参数，其中左右座舱的空气温度TL和TR通过图4(a)所示温度传感器402和图4(b)所示温度传感器406测量得到；左右舱室的平均辐射温度Tr-L和Tr-R利用测得的舱壁温度和座舱数据计算得到。
为了实现温度控制，获得需要的送风温度，本发明通过如图5所示的控制策略对送风温度Ts-L和Ts-R进行控制。由于外界热载荷的变化，在飞行过程中，控制循环不断进行，对座舱温度进行动态控制，左右座舱的控制系统独立运行，实现座舱左右独立动态控制，控制策略相同，以左侧座舱为例，具体控制策略如下：(1)利用先验参数501计算得到理想的热舒适度目标|PMV|值502；(2)利用左侧座舱内的温度传感器205测量得到左侧座舱503内的温度数据505，利用左侧座舱温度数据505和先验参数501计算得到左侧座舱实际的热舒适度|PMV|值506；(3)将左侧座舱实际的热舒适度|PMV|值506和理想的热舒适度目标|PMV|值502相减得到座舱实际|PMV|值与目标|PMV|值之间的差距；(4)通过左侧座舱的热舒适控制器507对进入混合腔的冷热路空气的掺混比508进行控制，得到左侧座舱需要的座舱送风温度Ts-L509；最后将混合后温度达到需求送分温度509的空气送入左侧座舱503，对座舱温度进行调节。
本发明中对座舱平均辐射温度进行详细计算。为计算乘客周围平均辐射温度，将乘客简单分为头部、胸部、腿部三部分，其平均辐射温度Tr需要通过周围物体的温度Ti和各个物体与目标物的辐射角系数Fp-i计算得到，辐射温度606计算公式如下(带入公式中的温度为摄氏温度)
在座舱中，人体周围的物体主要是舱壁和座椅，因此需要测量舱壁各部分和座椅的温度，然后通过准确的舱室结构数据计算得到规定测点处乘客的头、胸、脚三部分与舱壁各部分和座椅的角系数，在本发明中提供的舱室中，规定测点即为乘员PL和乘员PR。以左侧座舱为例，座舱热舒适度PMV(测平均投票数值)计算如下：座椅温度Tc、座舱顶部温度Tu和座舱地板的温度Tf值较为稳定，因此测量一次的结果可直接作为预设定值带入辐射温度计算公式，如图6中603所示；座舱结构604确定后，针对固定测点处乘客头、胸、脚三部分的辐射角系数为定值，如605所示，计算后也直接带入辐射温度计算公式606；座舱侧壁分为窗户和其他两部分，左侧壁上机窗温度TL1和TL2以及左侧壁温TL3、TL4和TL5均需要测量，如图6所示左侧壁温数据602采用动态数据测量与采集系统601采集后带入辐射温度计算公式606；将角系数和测量值共同带入辐射温度计算公式得到606所示乘员PL的辐射温度，将辐射温度如607所示带入左侧座舱热舒适度公式即可得到|PMV|L。右侧座舱热舒适度PMV(测平均投票数值)计算方式与左侧相同。PMV(测平均投票数值)计算公式如下
PMV＝(0.303*e-0.036*M+0.0275)*{M-3.05*10-3
*[5733-6.99*M-Pa]-0.42*[M-58.15]-1.7*10-5
*M*(5867-Pa)-0.0014*M*(34-t)-3.96*10-8*fcl
*[Tcl 4-Tr 4]-fcl*hc*(Tcl-T)}
其中
M为人体代谢率，为定值
T为人体周围温度，对于左右座舱分别为TL与TR
Tr为人体周围平均辐射温度，对于左右座舱分别为Tr-L与Tr-R
RH为空气的相对湿度
v为人体周围空气流动速度
Icl为服装热阻，由人体穿衣服的多少决定
左侧壁温TL1和机窗温度由于吸收太阳辐射能的变化在飞行中会发生变化，因此分别将实时测量两侧壁温数据分别代入热舒适度公式即可得左右两个舱室的热舒适度值|PMV|L和|PMV|R。
与现有的民用飞机客舱温度控制方法相比，本发明将客舱分别左右两部分进行控制，改善了由于太阳辐射造成的横向热载荷的不均与分布；以热舒适度PMV值(测平均投票数值)作为控制目标，比单纯以温度为目标的控制更能体现乘客的实际热舒适度；根据座舱实际测量数据与结构数据计算得到的热舒适度值更为精确，能够准确的反映座舱的热舒适度。
本发明的有益效果包括：
改善民用飞机客舱由于横向热载荷分布不均匀造成的乘客舒适感的不同，获得更加均匀且舒适的座舱环境。
控温策略基于人体热舒适度PMV值(测平均投票数值)，与单纯的以温度场为基准的控制方式相比，更能体现乘客在客舱中的实际热舒适程度。
在PMV(测平均投票数值)计算中，精确计算辐射温度，使得通过测量数据获得的PMV值(测平均投票数值)更准确。
Claims (4)
1.基于辐射温度的民用飞机客舱左右舱室独立控温系统，其特征在于包括：
经过发动机引气(201)分别进入左舱室和右舱室各自的控制循环中的管路，其中左舱室和右舱室各自的控制循环分别独立进行控制，左舱室和右舱室各自的控制循环彼此相同，各自包括：
座舱温度传感器(205)，用于测量座舱实际热交换后得到的座舱温度数据；
舱室控制器(206)，用于根据温度传感器(205)测量的座舱温度数据控制膨胀阀(203)的开合，
所述膨胀阀(203)，用于控制作为热路的发动机引气(201)与经过ECS(环境控制系统)环控包(202)冷却的冷路空气的混合比例，
混合腔(204)，所述发动机引气(201)与所述冷路空气在混合腔(204)中混合达到需要的温度，
送风口(301)，来自混合腔(204)的空气通过送风口(301)送入所在一侧的舱室，
控制部分，其包括：
根据先验参数(501)确定得到理想的热舒适度目标值(502)的部分；
根据所在侧的座舱内的温度传感器(205)得到的该侧座舱内的温度数据(505)和先验参数(501)确定该侧座舱实际的热舒适度值(506)的部分；
获得该侧座舱实际的热舒适度值(506)和理想的热舒适度目标值(502)之间的差值的部分；
热舒适控制器(507)，用于对进入混合腔的发动机引气(201)与冷路空气的掺混比(508)进行控制，得到具有该侧座舱需要的座舱送风温度(509)的混合空气，该混合空气将被送入该侧座舱从而对该侧座舱的温度进行调节。
2.根据权利要求1所述的基于辐射温度的民用飞机客舱左右舱室独立控温系统，其特征在于包括：
测量座舱顶部温度的5个顶部温度传感器(303)，该5个顶部温度传感器(303)纵向分布于座舱顶部，位于送风口(301)之间，5个顶部温度传感器(303)的测量值的均值作为座舱顶部温度Tu；
测量座舱底部温度的5个底部温度传感器(304)，该5个底部温度传感器设置于座舱底部，其中3个纵向分布于客舱过道中间，另外两个分别位于左右两侧座椅下方，5个底部温度传感器(304)的测量值的均值作为座舱底部温度Tf；
所述座舱温度传感器(205)，包括：
设置于左侧座舱机窗上的2个温度传感器，其测量数据分别记为TL1和TL2，
布置于左侧机窗下方的左侧舱壁上的3个温度传感器，其测量数据分别记为TL3、TL4和TL5，
设置于右侧座舱机窗上的2个温度传感器，其测量数据分别记为TR1和TR2，
布置于右侧机窗下方的右侧舱壁上的3个温度传感器，其测量数据分别记为TR3、TR4和TR5，
测量乘客周围环境温度的2个温度传感器，分别位于左右舱中间乘客前方，左侧乘客前方的温度传感器的测得温度记为TL,右侧乘客前方的温度传感器的测得温度记为TR。
3.基于辐射温度的民用飞机客舱左右舱室独立控温方法，其特征在于包括：
把经过发动机引气(201)引入分别进入左舱室和右舱室各自的控制循环中的管路，其中左舱室和右舱室各自的控制循环分别独立进行控制，左舱室和右舱室各自的控制循环彼此相同，
用座舱温度传感器(205)测量座舱实际热交换后得到的座舱温度数据，
通过舱室控制器，根据温度传感器(205)测量的座舱温度数据，控制膨胀阀(203)的开合，
通过所述膨胀阀(203)控制作为热路的发动机引气(201)与经过ECS(环境控制系统)环控包(202)冷却的冷路空气的混合比例，
在混合腔(204)把所述发动机引气(201)与所述冷路空气混合到需要的温度，
通过送风口(301)把来自混合腔(204)的空气送入所在一侧的舱室，
根据先验参数(501)，确定得到理想的热舒适度目标值(502)；
根据所在侧的座舱内的温度传感器(205)得到的该侧座舱内的温度数据(505)和先验参数(501)，确定该侧座舱实际的热舒适度值(506)，
获得该侧座舱实际的热舒适度值(506)和理想的热舒适度目标值(502)之间的差值，
通过热舒适控制器(507)，对进入混合腔的发动机引气(201)与冷路空气的掺混比(508)进行控制，得到具有该侧座舱需要的座舱送风温度(509)的混合空气，并将该混合空气送入该侧座舱从而对该侧座舱的温度进行调节。
4.根据权利要求3所述的基于辐射温度的民用飞机客舱左右舱室独立控温方法，其特征在于包括：
设置测量座舱顶部温度的5个顶部温度传感器(303)，该5个顶部温度传感器(303)纵向分布于座舱顶部，位于送风口(301)之间，5个顶部温度传感器(303)的测量值的均值作为座舱顶部温度Tu；
设置测量座舱底部温度的5个底部温度传感器(304)，该5个底部温度传感器设置于座舱底部，其中3个纵向分布于客舱过道中间，另外两个分别位于左右两侧座椅下方，5个底部温度传感器(304)的测量值的均值作为座舱底部温度Tf；
设置所述座舱温度传感器(205)，包括：
于左侧座舱机窗上设置2个温度传感器，其测量数据分别记为TL1和TL2，
于左侧机窗下方的左侧舱壁上设置3个温度传感器，其测量数据分别记为TL3、TL4和TL5，
于右侧座舱机窗上设置2个温度传感器，其测量数据分别记为TR1和TR2，
于右侧机窗下方的右侧舱壁上设置3个温度传感器，其测量数据分别记为TR3、TR4和TR5，
于左舱中间乘客前方和右舱中间乘客前方分别设置一个测量乘客周围环境温度的温度传感器，左舱中间乘客前方的温度传感器的测得温度记为TL,右舱中间乘客前方的温度传感器的测得温度记为TR。
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