車輛環境試驗設施載冷劑監測控制系統研究

杜洪亮, 曹 陽*, 王云祥, 周 文

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

氣候環境模擬試驗設施主要用于實現不同氣候條件下的車輛環境模擬試驗。我國汽車工業起步較晚，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的發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。

從目前發展情況來看，這種試驗設施分為單試驗艙車輛環境模擬風洞和多試驗艙組合式車輛環境模擬風洞。國內外典型的先進汽車環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技術，將試驗艙內的循環空氣通過低溫的蒸發器或通過高溫發熱的換熱器以實現試驗艙的降溫或升溫[2-3]。這種系統結構不適合組合式車輛環境模擬風洞，由于無試驗時單個風洞制冷系統設備閑置，造成了系統資源浪費，須采用共用制冷系統進行多艙溫度調節，以實現能源和設備利用的最大化。

采用共用制冷系統實現不同用冷終端位置能耗監測，進而實現最優分配，通常在樓宇中央空調系統中應用較多，在大型組合式車輛環境模擬風洞中，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境模擬設施內共用一套大型制冷系統實現溫度調節，國內外罕見。

通過對共用制冷系統的不同終端位置載冷劑流量監測，根據介質低溫度、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量式原理和楔形差壓式原理，獲得了終端位置的流量監測特性曲線變化規律，給出了能源分配控制策略的基本分析考量。

通過采用基于動態規劃法的分配控制策略，結合系統固有特征劃分了3種類型的優先級數組，利用已獲得的用冷量數據，開展了最優化冷量分配策略設計，應用該策略，比較了控制系統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制冷負荷3種實驗，測試了本系統對于效率提升的情況。

實驗研究結果表明：通過針對性地選擇流量測量方式，能夠實現對低溫大黏性不同載冷劑終端的用冷量的精準獲取；通過獲取的用冷數據，應用所設計的能源分配控制策略，能夠實現共用制冷系統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境模擬風洞、監測高黏性載冷劑流量以及最優能源分配提供了借鑒參考。

1 共用制冷系統組成和工作原理

1.1 系統組成

環境模擬試驗設施由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，由載冷劑一次循環系統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系統，根據試驗需要取用相應類型載冷劑至終端換熱設備，從而實現溫度調節，系統組成如圖1所示。

圖1 車輛環境模擬試驗設施系統組成圖

共用制冷系統由3種不同出液溫度制冷機組構成，二次循環載冷劑分為常溫、中溫和低溫載冷劑系統，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特性簡單、監測相對容易，低溫載冷劑系統使用端單一、無須終端監測，這里著重對中溫載冷劑系統進行研究分析。

1.2 工作原理

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

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

圖2 共用制冷系統工作原理圖

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)。

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

m=ρf′

(1)

Q=cmΔt=cfΔt

(2)

終端設備在時間t(h)內累計用冷量Q′(kJ)為

(3)

2 載冷劑特性分析

中溫載冷劑系統采用的載冷劑為美國Dynalene公司生產的HC-50載冷劑，它是一種甲酸鹽/水基熱交換劑，在整個溫度范圍內性能優于乙二醇和氯化鈣。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在橫軸溫度區間范圍內，熱傳導值明顯優于其他載冷劑，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 ℃區間范圍內，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 能源監測儀表選擇

3.1 流量計選擇與比較

中溫載冷劑系統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，一次循環管道壓力為0.2 bar[9-10](1 bar=100 kPa)。

3.1.1 DN200流量監測

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

表2 HC-50 DN200管路流量儀表計算結果

由表2計算結果可知，-50 ℃流量增加時，流量計壓損增加，在常規流量240 m3/h時壓損達到1740 mbar，二次循環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時，測量準確度較低，此時測得值僅作為系統參考值，制冷負荷的機組供應端控制系統應預留一定比例余量(經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，在常規流量以上的工況使用時，應尤其關注二次循環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，常規的流量儀表難以測量，經過選型，確定楔形差壓式流量儀表適合該位置監測，計算結果如表3所示。

表3 HC-50 DN300管路流量儀表計算結果

楔形流量計使用 V 型節流元件，在差壓值和體積流量之間產生一個平方根的關系，通過測量差壓值可計算得到流量值。經過出廠標定，測試范圍內精度達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僅憑儀表測量難以實現，須通過對制冷機組端熱負荷分配經驗值預留、監測實際用冷終端取液狀態(閥門開度、管道壓力和換熱器溫度)和監測最終目標區域的溫度參數綜合判斷。

3.2 溫度計選擇

4 能源分配策略

共用制冷系統的載冷劑監測，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、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，達到整個系統制冷負荷的最優利用。

4.1 機組不同出液狀態

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在-40 ℃溫度點，而最低出液溫度-50 ℃的制冷能力為2007 kW，低溫區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。當執行出液溫度Ti請求時，機組出液狀態改變,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為用冷申請優先級隊列。由圖5可知，對于某用冷請求優先級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，放入數組A1；當j=2時，該請求排序移至整個隊列首位，放入數組A2，即最先對其請求進行分配。

圖5 用冷申請優先級隊列

控制系統只對新的用冷申請優先級標記為0和1，操作者可根據需要手動調整某用冷申請j值為0，1，2，通過優先級標記值的改變，實現機組端與用冷端的動態排序和最優匹配。通過調整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 動態規劃法具體策略

共用制冷系統能源分配采用動態規劃法的策略實現。每次決策依賴于當前申請i狀態隊列qi，新申請i+1變化又隨即引起狀態的轉移，一個決策序列qi+1就是在變化的狀態中產生出來，所以，這種多階段最優化決策過程適合動態規劃法[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，維持試驗艙內溫度不變，浸車48 h以上，進行車輛的靜態降溫試驗，取得車輛靜態降溫的用冷負荷。維持艙內溫度，車輛點火啟動、發動機最大功率運轉，取得車輛動態試驗的用冷負荷。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”移至數組A1，并按溫度請求值降序排列，若無則往下執行；

② 對于請求序號i，j=0，插入隊列數組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”移至數組A1，并按溫度請求值降序排列，若無則往下執行；

④ 重復執行過程①和過程②；

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

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

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出允許指令，打開二次載冷劑系統閥門。

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值發生變化，由壓縮機的功率、轉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 ℃區間內，制冷量相對穩定，COP值也隨之穩定。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。不論是否采用動態規劃法，機組都以出液狀態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為采用常規的順序分配法時各艙的平均降溫時間，圖8為采用動態規劃法的降溫時間。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 ℃區間內斜率變化較大、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 能源分配策略執行前的降溫時間

圖8 能源分配策略執行后的降溫時間

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整時間為180 min，介入后的調整時間為135 min，提升了利用效率。

5.3 低功耗和保冷設備狀態

對于已執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、被試件發動機特性決定。對于能源分配，此前采用的10%經驗值預留，隨著試驗車輛的不同應有適當調整，根據具體車輛熱負荷標定值確定。

6 結束語

本文對含有組合式車輛風洞環境模擬試驗設施共用制冷系統能源監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，并結合用冷監測和能源分配提出了不同參數區段的使用方法考量；

② 采用動態規劃法，將共用制冷系統降溫時間提高，采用不同組別的優先級標記，使新的用冷申請以較短的等待時間獲得用冷申請，實現試驗單元降溫；

③ 對于試驗設施采用動態規劃法的效果進行了分析，根據試驗數據得出該設施的固有特性，將能源分配策略介入后的狀態特性進行了比較分析，得出了控制系統后續可調整的參數。

對于相關的理論規律進行了應用和檢驗，得出了以下結論：

① 對于小口徑、大流量、大黏性、低溫度、低導電性的介質監測，采用科里奧利質量流量原理測量，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、低導電性的介質監測，采用楔形差壓式流量測量原理，相比質量式、金屬浮子式、渦街式等，實現流量可測量；

③ 對于能源分配問題，驗證了動態規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 能源監測終端，對于大流量、低溫、大管徑、大黏度的低流量監測效果不太理想，可進一步探討采用多分支管路加裝調節閥的方式，采用壓損較小的金屬浮子式流量監測方法加以改進，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。