風(fēng)冷變頻空調(diào)室外機(jī)熱環(huán)境問(wèn)題的研究

何德芳

摘 要：隨著中央空調(diào)行業(yè)的快速發(fā)展，作為新型節(jié)能型中央空調(diào)產(chǎn)品——變頻多聯(lián)中央空調(diào)，由于其高效節(jié)能、穩(wěn)定可靠、操作控制靈活、分戶計(jì)量方便等優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多的客戶青睞，在高層建筑中的應(yīng)用也日趨廣泛。但是在多層建筑或小型工程中也會(huì)有問(wèn)題出現(xiàn)，對(duì)于高層建筑而言，最典型的莫過(guò)于室外機(jī)工作的熱環(huán)境問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：風(fēng)冷；室外機(jī)；氣流；短路

風(fēng)冷熱泵機(jī)組以空氣作為冷熱源，由于空氣的比熱容小以及室外側(cè)蒸發(fā)器的傳熱溫差小等原因，故所需風(fēng)量較大，大部分廠家需1000m3/h/匹，因而環(huán)境空氣應(yīng)保持流暢，不受阻礙，并且排出的熱風(fēng)不形成回流。否則將影響熱泵型機(jī)組的排熱與吸熱，進(jìn)而降低機(jī)組效率，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)箼C(jī)組因高壓或低壓保護(hù)動(dòng)作而停機(jī)。其中又以夏季冷凝器的高壓保護(hù)問(wèn)題更為嚴(yán)重。

空調(diào)系統(tǒng)的室外機(jī)在高層建筑中的放置位置一般有如下三類(lèi)：建筑外側(cè)、一側(cè)開(kāi)放的凹陷處（陽(yáng)臺(tái)）和采光井內(nèi)。根據(jù)已經(jīng)完成的數(shù)百個(gè)實(shí)際工程的模擬結(jié)果，放置在凹陷處和天井內(nèi)的室外機(jī)熱環(huán)境的影響因素包括許多與建筑尺寸有關(guān)而與室外機(jī)組無(wú)關(guān)的因素，例如凹陷處的深度、寬度，天井的尺寸、形狀和面積等等，問(wèn)題千變?nèi)f化，因而不具有一般性的特點(diǎn)。而本研究的主要目的是尋找不同型號(hào)機(jī)組及其組合對(duì)于熱環(huán)境影響的一般規(guī)律，為室外機(jī)的設(shè)計(jì)和選型提供依據(jù)，因而只考慮室外機(jī)放置在平整的外墻面的情況。對(duì)于其他不具普遍性的問(wèn)題將根據(jù)個(gè)別工程的實(shí)際情況進(jìn)行單獨(dú)分析。

在夏季供冷情況下，擺放在下層的室外機(jī)組熱氣排出，熱空氣密度比室外機(jī)空氣小，將在熱壓作用下上升，易被位于上層的機(jī)組進(jìn)風(fēng)面負(fù)壓吸入，使其進(jìn)風(fēng)溫度升高，上升的熱氣流對(duì)上層室外機(jī)的另外一個(gè)影響是氣流的上升速度不斷升高，繼而在氣流通過(guò)的區(qū)域形成較大的負(fù)壓，由于風(fēng)冷變頻空調(diào)系統(tǒng)室外機(jī)風(fēng)扇的壓頭相對(duì)較小，一般不超過(guò)60Pa，該上升氣流產(chǎn)生的負(fù)壓勢(shì)必會(huì)影響風(fēng)扇對(duì)空氣的吸入，使風(fēng)量降低，進(jìn)一步影響冷凝器的換熱效率。熱氣流與上層機(jī)組排出的熱空氣混合，逐層向上，層層疊加，如果機(jī)組層數(shù)較多，將形成較大的溫度梯度，使上層溫度高于下層溫度，在熱壓作用下最終導(dǎo)致上層機(jī)組的工作環(huán)境溫度增高，機(jī)組效率降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組頻繁停機(jī)和啟動(dòng)，甚至設(shè)備保護(hù)停機(jī)。

現(xiàn)以深圳某大廈空調(diào)空調(diào)工程案例室外機(jī)氣流模擬情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 室外機(jī)擺放位置概述

本大廈共24層，為甲級(jí)寫(xiě)字樓，全部采用變頻多聯(lián)中央空調(diào)，共24層。

1.1 1層室外機(jī)位置置于建筑物北側(cè)一層地面。

1.2 2～4層室外機(jī)放在4層?xùn)|、西兩側(cè)裙樓的露臺(tái)上。

1.3 7層?xùn)|、西兩側(cè)室外機(jī)平臺(tái)放置5、6層外機(jī)；9層?xùn)|、西兩側(cè)室外機(jī)平臺(tái)放置7、8層外機(jī)；11層?xùn)|、西兩側(cè)室外機(jī)平臺(tái)放置9、10層外機(jī)；13層?xùn)|、西兩側(cè)室外機(jī)平臺(tái)放置11、12層外機(jī)；15層?xùn)|、西兩側(cè)室外機(jī)平臺(tái)放置13、14層外機(jī)。

1.4 15層及以上室外機(jī)均放置于屋頂。

2 模擬條件

2.1 模擬對(duì)象為4～15層的西側(cè)設(shè)備。本研究選擇西側(cè)設(shè)備作為研究對(duì)象。東側(cè)設(shè)備的情況基本相似。4層和7層機(jī)組平面如圖1所示。

2.2 7、9、11、13、15層布置在設(shè)備平臺(tái)上的所有室外機(jī)均接導(dǎo)風(fēng)管，將設(shè)備上出風(fēng)引導(dǎo)為側(cè)出風(fēng)，排出室外。

2.3 室外計(jì)算溫度33℃，無(wú)風(fēng)。

2.4 室外機(jī)周?chē)鸁o(wú)其他熱源和障礙物。

2.5 模擬假定機(jī)組連續(xù)運(yùn)行并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 模擬工具

模擬工具包含F(xiàn)luent 及AIRPAK。

Fluent 是目前國(guó)際上流行的商用CFD （計(jì)算流體力學(xué)）軟件，能模擬流動(dòng)、傳熱、和化學(xué)反應(yīng)等物理現(xiàn)象。

AIRPAK是Fluent系列中面向HVAC 領(lǐng)域的軟件。提供的模型有強(qiáng)迫對(duì)流、自然對(duì)流和混合對(duì)流模型，熱傳導(dǎo)、流固耦合傳熱模型、熱輻射模型、湍流模型。

4 模擬結(jié)果

為了表述方便，將布置在4層屋面上的室外機(jī)依次編號(hào)為1～8，將布置設(shè)備平臺(tái)上的設(shè)備在垂直向由南向北依次命名為機(jī)組1～4、機(jī)組5～8，將7、9、11、13、15層設(shè)備從低層依次編號(hào)為1～5，如圖1所示。

通過(guò)使用Fluent模擬軟件模擬分析，機(jī)組平均進(jìn)風(fēng)溫度曲線如下圖1、圖2所示：

由以上圖1、圖2曲線可以看出，在模擬工況下，4層裙樓屋面上的室外機(jī)，由于沒(méi)有別的熱源影響，擺放在外層的設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度均在33℃左右（深圳空調(diào)夏季計(jì)算溫度），內(nèi)層的設(shè)備由于受外層設(shè)備的影響，中間兩臺(tái)進(jìn)風(fēng)溫度達(dá)38度，但工況較好，基本不影響設(shè)備正常運(yùn)行；設(shè)備平臺(tái)上設(shè)備工況隨樓層增加而進(jìn)風(fēng)溫度逐漸增高，運(yùn)行工況越來(lái)越惡劣，11層、13層部分設(shè)備接近最高運(yùn)行許可溫度，15層有部分設(shè)備（約3臺(tái)）超出了設(shè)備最高運(yùn)行許可溫度，已不能正常運(yùn)行。（注：機(jī)組夏季工況運(yùn)行溫度范圍：-5℃～43℃）。

通過(guò)模擬分析，我們得到整個(gè)空間的氣流參數(shù)，現(xiàn)截取典型截面，如下所示：

截面圖中，從溫度分析我們可以看出：4層設(shè)備的排風(fēng)通過(guò)與空氣換熱，溫度逐漸由50度降低至38℃左右，被7層設(shè)備進(jìn)風(fēng)口吸收，7層設(shè)備排出的熱風(fēng)又被9層吸收，由于進(jìn)風(fēng)溫度增加，導(dǎo)致設(shè)備的排風(fēng)溫度也增加，下層的排風(fēng)溫度增加，又導(dǎo)致上層設(shè)備的進(jìn)風(fēng)溫度不斷升高，如此惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致15層進(jìn)風(fēng)溫度高達(dá)44℃，設(shè)備已超過(guò)最高允許進(jìn)風(fēng)溫度（43℃），機(jī)組將保護(hù)停機(jī)。

從速度上分析，熱風(fēng)從設(shè)備排出后，速度逐漸降低，但隨著排氣越來(lái)越熱，上升氣流速度越來(lái)越大（熱空氣密度比普通溫度空氣小，會(huì)自然上升），同時(shí)導(dǎo)致外圍的新風(fēng)無(wú)法進(jìn)入，像一床厚厚的被子包裹在設(shè)備外圍空間，最后導(dǎo)致上層設(shè)備只能吸收下層設(shè)備的排風(fēng)，同時(shí)排出的空氣也無(wú)法及時(shí)冷卻，導(dǎo)致上層設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度也不斷上升，直至達(dá)到設(shè)備最高進(jìn)風(fēng)溫度限值（43℃），無(wú)法正常運(yùn)行。

5 分析結(jié)果

從以上模擬結(jié)果來(lái)看，造成部分設(shè)備工況變差的最根本原因是：布置在4層裙樓屋頂?shù)氖彝鈾C(jī)排風(fēng)被其上方設(shè)備平臺(tái)上的設(shè)備吸入，發(fā)生通風(fēng)短路而引起的，設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度隨樓層增加而逐漸增加直至超出設(shè)備運(yùn)行最高允許溫度。因此，避免4層裙樓屋面設(shè)備排風(fēng)被平臺(tái)上設(shè)備吸入是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

建議使用以下辦法：（1）盡量將4層裙樓屋面的室外機(jī)布置在其他離平臺(tái)設(shè)備較遠(yuǎn)的位置。（2）4層屋面的室外機(jī)排風(fēng)口處接導(dǎo)風(fēng)管向外側(cè)排風(fēng)，使其排風(fēng)改變方向，可以有效減小發(fā)生氣流短路的情況。

6 結(jié)束語(yǔ)

氣流短路對(duì)室外機(jī)運(yùn)行將會(huì)有非常不利的影響，可能導(dǎo)致數(shù)百萬(wàn)或數(shù)千萬(wàn)的設(shè)備形同虛設(shè)，涉及該類(lèi)大廈空調(diào)室外機(jī)通常解決的策略是：（1）增大百葉間距，盡量使用15度以下的直百葉，減小排風(fēng)阻力，保證一定的排風(fēng)速度，一般控制在5～7m/s，使排出的熱風(fēng)不被進(jìn)風(fēng)面吸入，盡快將廢熱排向自由空間；（2）加大進(jìn)風(fēng)空間，使新風(fēng)容易進(jìn)入，正常情況下，為保證進(jìn)排風(fēng)順暢，一般進(jìn)風(fēng)速度需控制在1.5m/s左右，減小進(jìn)風(fēng)阻力，排風(fēng)速度5.5m/s左右；（3）加大室外機(jī)之間縱向或橫向距離，使排出的熱風(fēng)能在空氣中冷卻，吸入溫度降低，減小對(duì)上方室外機(jī)的影響；（4）如有條件，盡量將進(jìn)、排風(fēng)口置于不同的建筑立面上，也就是將室外機(jī)置于建筑邊角上，有兩面或者三面墻可做百葉。（5）如下層有其他散發(fā)熱源的設(shè)備，減小下層其他散發(fā)熱源的設(shè)備（如空氣源熱泵等）對(duì)機(jī)組進(jìn)風(fēng)的影響，如有條件可將其他散發(fā)熱源的設(shè)備設(shè)置導(dǎo)風(fēng)罩等，改變其排風(fēng)方向，降低對(duì)空調(diào)機(jī)組的影響。（6）如有條件，盡量將設(shè)備擺放在屋頂、避難層、裙樓頂?shù)韧L(fēng)較好的位置，或者上下層設(shè)備置于不同的平臺(tái)，從根源上降低發(fā)生熱壓效應(yīng)的可能性。

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