室外機安裝平臺對房間空調(diào)器性能的影響（一）
——對室外機進風參數(shù)的影響

于洋 楊子旭 石文星

清華大學建筑技術(shù)科學系 北京 100084

1 引言

房間空調(diào)器是一種價格便宜、質(zhì)量可靠、安裝使用方便，并具有行為節(jié)能特征的空氣調(diào)節(jié)裝置，在2012～2017年的6年間，我國的累計銷售量達到9.80億臺[1]。空調(diào)器被廣泛使用，已成為我國住宅建筑的主要耗能設(shè)備之一，因此，降低其運行能耗是實現(xiàn)建筑節(jié)能的重要任務。

室外機安裝平臺（簡稱：平臺）的結(jié)構(gòu)型式關(guān)系到空調(diào)器安裝人員的生命安全、建筑外立面的美觀性，同時還將影響室外機的進風參數(shù)。目前，建筑中采用安全性和美觀性更好的百葉窗平臺越來越多，由此導致的空調(diào)器性能衰減問題也愈發(fā)凸顯。徐振坤等人基于大數(shù)據(jù)方法統(tǒng)計分析了長江流域約10萬臺空調(diào)器的使用習慣及運行能耗，發(fā)現(xiàn)制冷（熱）時室外機進風溫度高（低）于室外溫度的現(xiàn)象普遍存在[2]；丁連銳基于空調(diào)器實際性能測試數(shù)據(jù)指出，不同類型平臺導致的“熱島效應”程度不同[3]；李海平等通過對多聯(lián)機室外機安裝位置的模擬和實測分析，也發(fā)現(xiàn)室外機安裝平臺會導致排風回流，進而影響多聯(lián)機的運行性能[4]。為了探明排風回流程度，蔣浩等人采用CFD模擬方法對室外機的流場進行分析，在所計算案例中，發(fā)現(xiàn)百葉窗導致吹出風量僅為流過冷凝器循環(huán)風量的77%[5]，即出現(xiàn)了近23%的排風回流，進而造成進風溫度升高。為了考察排風回流對空調(diào)器性能的影響，很多學者通過數(shù)值模擬或?qū)嶒灧椒ㄟM行研究，獲得了進風溫度升高（降低）對空調(diào)器制冷（熱）量、制冷能效比EER（制熱性能系數(shù)COP）的定量結(jié)果，但在模擬計算中采用了空調(diào)器室外機的額定風量[6-8]。Avara[9]等人在研究中發(fā)現(xiàn)實際安裝環(huán)境會影響室外機的實際風量，因此安裝平臺除了會造成排風回流外，也會對室外風機的風量產(chǎn)生影響，而現(xiàn)有文獻很少討論這兩個因素對空調(diào)器的綜合影響問題。

基于上述背景，本文將通過對大量實際項目的調(diào)研，探明現(xiàn)有平臺類型及其用量分布，并基于流體網(wǎng)絡(luò)理論定量分析平臺對室外機進風參數(shù)的影響，為房間、住戶、某個區(qū)域甚至全國的空調(diào)器能耗預測提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

2 安裝平臺類型及其特征尺寸

2.1 安裝平臺的類型及其分布

為了摸清我國住宅建筑中采用的室外機平臺結(jié)構(gòu)類型與占比，筆者在2018年1月至2019年3月期間，通過實地考察、網(wǎng)絡(luò)實景地圖統(tǒng)計以及設(shè)計院圖紙調(diào)研三種方式，統(tǒng)計分析了全國15個省、市的主要城市中2232個樓盤的室外機安裝平臺信息，其中既有項目2107個，待建項目125個。經(jīng)過聚類統(tǒng)計，可以將各種安裝平臺歸納為四大類，如圖1所示。四類平臺的占比分別為：百葉窗平臺占63%，帶欄桿的外墻挑出平臺約占22%，空調(diào)罩平臺占6%，三角支架平臺僅占2%左右，這四類平臺型式在既有建筑中占比為93%左右。

從圖1中可以看出，百葉窗平臺在既有項目中占比最高，也是待建項目主要選擇的安裝平臺型式；外墻挑出平臺在既有項目中的用量僅次于百葉窗平臺；空調(diào)罩平臺主要用于外立面美化改造工程中；三角支架平臺則是老舊建筑中的主要安裝平臺型式。此外，圖中“其他”類型是指調(diào)研樣本中未統(tǒng)一規(guī)劃室外機機位的樓盤。可見，在已有和待建項目中，絕大部分都統(tǒng)一設(shè)置了室外機安裝平臺，因此，規(guī)范平臺的幾何結(jié)構(gòu)，對于確保人員安全施工、美化建筑外立面和空調(diào)器節(jié)能運行都具有重要意義。

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2.2 安裝平臺的特征尺寸

安裝平臺對室外機通風條件的影響，主要體現(xiàn)在表征平臺結(jié)構(gòu)的特征尺寸上，如圖2所示。在其合理的特征尺寸基礎(chǔ)上，加上空調(diào)器室外機的外形尺寸（通過調(diào)研統(tǒng)計獲得了各廠家空調(diào)器室外機外形尺寸，1hp與1.5hp空調(diào)器約為800 mm×300 mm×600 mm，2hp與3hp約為900 mm×400 mm×650 mm），即可獲得安裝平臺的具體尺寸。

表1給出了四類平臺的結(jié)構(gòu)特點和相應的特征尺寸。由于百葉窗平臺的結(jié)構(gòu)最復雜，其特征尺寸最多（參見圖2），包括室外機機體到平臺內(nèi)壁的距離L1～L5，還包括平臺的開口率R。對于百葉窗平臺，還需包括百葉間距δ和角度θ。其中，開口率R是平臺中的最小進排風面面積和進排風面的總面積之比，百葉間距δ為兩相鄰平行百葉之間的距離，百葉角度θ是百葉葉片與水平方向的夾角。由于其他類型平臺的結(jié)構(gòu)更為簡單，其特征尺寸數(shù)量也更少，因此，百葉窗平臺可以作為所有平臺的通用模型。

3 安裝平臺對進風參數(shù)的影響分析

安裝平臺對室外機進風參數(shù)的影響體現(xiàn)在兩個方面：一是安裝平臺結(jié)構(gòu)導致的流動阻力增加引起的風機實際風量下降；另一方面是排風回流導致的進風溫度升高（或降低），其進風溫升大小除與平臺結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還取決于室外機排熱量的大小。

圖1空調(diào)器室外機安裝平臺在調(diào)研樣本中的分布

圖2 百葉窗平臺的特征尺寸

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3.1 風量衰減系數(shù)與排風回流系數(shù)

下面結(jié)合圖3、圖4說明安裝平臺對室外機進風參數(shù)的影響特征。

（1）當室外機在沒有任何遮擋物的理想條件下時，如圖3（a）所示，流經(jīng)室外換熱器的風量即為風機的額定風量G0（對應圖4中的A點），其室外機的進風溫度tin與外溫ta相同。

圖3 安裝平臺的空氣流路圖

（2）當室外機安裝在百葉窗等實際平臺內(nèi)時，參見圖3（b），由于平臺結(jié)構(gòu)導致風機的阻力增大，風機的工作狀態(tài)由圖4中的額定工況點（A點）變?yōu)閷嶋H工況點（C點），風量衰減至G（＜G0）；而且因平臺結(jié)構(gòu)導致排風回流（回流風量為G1），故使得室外換熱器與自然環(huán)境的換熱風量減小至G2（G2=G-G1），導致其進風溫度tin偏離室外溫度ta（制冷時tin＞ta，制熱時tin＜ta）。

上述現(xiàn)象可采用如下兩個特征參數(shù)來定量描述：

（1）風量衰減系數(shù)β：平臺導致的室外機風量減少G0-G（m3/h）與風機額定風量G0之比，即

（2）排風回流系數(shù)α[10]：平臺導致的室外機排風回流至進風口的風量G1與室外機風機實際風量G之比，即

根據(jù)圖3（b）和式（1）、（2）可知

圖4 空調(diào)器室外機風扇的性能曲線

圖5 室外機及其安裝平臺構(gòu)成的流體網(wǎng)絡(luò)

顯然，在理想條件下，室外機沒有風量衰減和排風回流，室外機與室外環(huán)境的換熱風量為額定風量G0。當室外機安裝在平臺時，其有效換熱風量G2僅為額定風量G0的(1-α)(1-β)倍。需要說明的是，β和α僅取決于安裝平臺的結(jié)構(gòu)，當給定平臺的特征尺寸后，則可根據(jù)實驗或CFD模擬等方法獲得β和α的具體數(shù)值，進而得到室外風機的實際風量G以及在給定室外溫度ta和室外機排（吸）熱量Qc條件下的室外換熱器進風溫度tin。

3.2 室外機平臺風阻網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

根據(jù)阻力特性S=P/G2[11]可知，室外機風扇在額定狀態(tài)下（圖4中A點）的風量為G0、壓頭為P0，其室外機自身結(jié)構(gòu)的阻力曲線為S0；當將室外機放入平臺內(nèi)時，風扇需克服室外機自身的阻力外，還需克服進出百葉窗以及平臺結(jié)構(gòu)遮擋造成的阻力，如圖5（a）所示，其阻力特性曲線變?yōu)镾，此時風扇的風量衰減為G，風阻增大至P，即圖4中的C點。根據(jù)空氣流動方向，可以得到圖5（b）所示的室外機和安裝平臺構(gòu)成的空氣流動網(wǎng)絡(luò)，其阻力系數(shù)S為：

式中：

S0——包括室外換熱器、網(wǎng)罩在內(nèi)的室外機自身結(jié)構(gòu)的阻力系數(shù)，單位：N·s2/m8；

S1——平臺內(nèi)部空氣回流通道的阻力系數(shù)，單位：N·s2/m8，當沒有安裝平臺時，S1=∞；

S2——平臺進、出口的阻力系數(shù)，S2= S22+S21，單位：N·s2/m8，當沒有安裝平臺時，S2=0。

由于S0取決于室外機結(jié)構(gòu)，S1、S2僅取決于平臺結(jié)構(gòu)，當忽略換熱器臟堵或結(jié)霜引起的附加風阻時，其流體網(wǎng)絡(luò)的阻力系數(shù)S僅取決于平臺結(jié)構(gòu)的特征尺寸。因此，對于給定的室外機安裝平臺和室外機，其總阻抗值S是確定的，進而也決定了β和α的數(shù)值。

4 基于CFD的室外機進風參數(shù)獲取方法

為了獲得室外機設(shè)置在某個具體結(jié)構(gòu)安裝平臺內(nèi)的β和α數(shù)值，對圖5所示的室外機及平臺的流體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以通過CFD流場模擬和風扇特性曲線獲得風機的實際風量G、室外機有效換熱風量G2和回流風量G1，進而獲得室外機的風量衰減系數(shù)β及排風回流系數(shù)α，以及S、S1和S2。

圖6給出了計算流程圖。圖中，風機的實際風量G為模擬結(jié)果中的風機出口風量，可從計算軟件中直接讀取；有效換熱風量G2為百葉窗與環(huán)境交界面上的流出風量，通過CFD后處理軟件并利用圖中公式進行統(tǒng)計計算。

下面以一個百葉窗平臺為例，說明通過CFD模擬獲得β、α等參數(shù)的計算方法。

4.1 室外機及其安裝平臺的網(wǎng)格劃分

計算例中的空調(diào)器外形尺寸、軸流風扇參數(shù)以及安裝平臺的特征尺寸如表2所示。根據(jù)室外機和平臺結(jié)構(gòu)建立其幾何模型，模型的計算區(qū)域分為三個主要部分：（1）由墻體壁面、安裝平臺結(jié)構(gòu)和室外機殼體圍合的進風區(qū)域；（2）出風區(qū)域；（3）室外機內(nèi)部區(qū)域，包括軸流風扇和換熱器兩部分。

在網(wǎng)格劃分時，考慮到安裝平臺及室外機的幾何結(jié)構(gòu)復雜，對整個計算域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式，其中風扇區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在風扇、室外換熱器及百葉處進行局部加密（參見圖7），以反映室外機和平臺區(qū)域內(nèi)空氣流動的真實場景。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，確定計算模型中各部分采用的網(wǎng)格數(shù)量，如表3所示。

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4.2 數(shù)學模型及其驗證

4.2.1 數(shù)值計算模型

采用Fluent流場計算軟件對室外機流場進行模擬計算。基于計算流體力學的原理，軸流風扇驅(qū)動下的室外機周圍空氣的流動可以用一組控制方程描述：連續(xù)性方程、動量方程、能量方程。針對室外機的流場特征，對其控制方程進行了如下簡化：（1）考慮室外風機的轉(zhuǎn)速范圍，流場中空氣視為不可壓縮流體；（2）當室外機穩(wěn)定運行時，其流動可視為定常流動；（3）忽略排風溫度對流動的影響。

圖6室外機進風參數(shù)計算框圖

圖7 室外機及其安裝平臺的網(wǎng)格劃分

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圖8 模擬風量與實際風量的對比

圖9 百葉窗平臺中室外機風量與開口率R的關(guān)系

文獻[12-14]的研究表明，RNG湍流模型在軸流風扇流動模擬上有良好精度，因此，本文在模擬時采用了RNG k-ε湍流模型，并采用標準壁面函數(shù)計算近壁面流動。在計算中，對對流項和擴散項采用二階迎風格式離散，并用SIMPLE算法處理壓力和速度的耦合計算問題。計算收斂準則為項殘差降至10-6且進、出口的體積流量不平衡率低于0.1%。

4.2.2 邊界條件

在軸流風扇區(qū)域，采用MRF風扇模型[15]，設(shè)置為旋轉(zhuǎn)區(qū)域并給定轉(zhuǎn)速，軸流風扇的外部區(qū)域為靜止區(qū)域，將旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域的交界面設(shè)置為“交界面”，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。將換熱器區(qū)域設(shè)置為多孔介質(zhì)[16]，對于室外機殼體及安裝平臺結(jié)構(gòu)均設(shè)置為靜止壁面且滿足無滑移條件；室外機風機的進、出口均為壓力邊界條件，其具體參數(shù)設(shè)置如表4所示。

4.2.3 模型驗證

通過如下三個方面驗證上述模型的合理性和計算精度。

（1）用風機性能特性曲線，驗證風扇采用MRF模型的正確性。以1.5hp空調(diào)器室外機的軸流風扇（型號Z-429-119）為對象，模擬風機在6個不同靜壓取值工況的流場情況，采用上述方法計算風扇的風量，并與性能曲線上的工況點進行對比。6個模擬工況的風量模擬結(jié)果與性能曲線實際值相差均不超過±6%，說明該模型模擬軸流風扇在室外機常用風量范圍的低壓穩(wěn)定工作區(qū)的流動是可靠的。

（2）計算不同容量空調(diào)器室外機的實際風量，以檢驗室外換熱器的多孔介質(zhì)模型的合理性。采用文獻[13]中雙排、φ9.52銅管、平翅片管換熱器的阻力特性測試曲線擬合結(jié)果計算多孔介質(zhì)參數(shù)（參見表4），在該參數(shù)設(shè)置下，計算多種容量空調(diào)器在裸機狀態(tài)下的風量，從圖8的計算結(jié)果可以看出，其風量模擬值與目前實際產(chǎn)品的室外機風量一致，表明用所設(shè)置的多孔介質(zhì)模型參數(shù)描述室外換熱器的阻力特性具有良好計算精度。

（3）計算百葉窗平臺開口率變化時的室外機風量衰減系數(shù)β，并與實驗室內(nèi)的測量結(jié)果進行比較，以檢驗計算結(jié)果的合理性。將室外機設(shè)置在百葉窗平臺內(nèi)，并將百葉角度調(diào)成垂直狀態(tài)，即θ=90°，取不同開口率R，模擬計算風機的實際風量G以及平臺的風量衰減系數(shù)β、排風回流系數(shù)α。從圖9的計算結(jié)果可以看出，隨著開口率R的逐漸增大，室外風機的風量先逐漸減小再逐漸增大，β值從小變大再逐漸減小，而α值則逐漸減小。換言之，當百葉窗完全封死（R=0）或接近封死狀態(tài)（R=0.1，0.2）時，室外機風量衰減程度很小，但幾乎所有的風量都回流至換熱器進風口；當百葉窗開口率很大時（R=1，即拆除正面百葉窗）時，室外機風量接近風機額定風量，且排風短路風量也很小，這與在實驗室內(nèi)搭建安裝平臺的測量結(jié)果趨勢一致，因而也說明采用上述模型能夠描述安裝平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)對室外機實際風量的影響。

4.3 結(jié)果分析

采用圖6所述計算方法，以當前應用量最多的百葉窗為例，建立CFD模型，模擬分析安裝平臺對室外機風量及排風回流的影響。圖10（a）和圖10（b）給出了室外機和平臺區(qū)域的速度場分布，可見，室外機風扇的出流呈一定角度擴散，且存在較多的漩渦和回流；從圖10（c）中可以看出，受百葉結(jié)構(gòu)的阻擋，安裝平臺中的部分排風未能被吹出平臺而在平臺內(nèi)部循環(huán)，導致排風回流。

4.3.1 風量衰減系數(shù)與排風回流系數(shù)

根據(jù)模擬結(jié)果，可以統(tǒng)計得到室外機風機的實際流量。可見，將額定風量G0=2150 m3/h的室外機設(shè)置在百葉窗平臺內(nèi)，百葉窗的附加風阻導致室外機的風量G減小為1894 m3/h，其風量衰減系數(shù)β約為12%；吹出百葉窗的風量為1651.9 m3/h，占室外機總風量G的比例為87.2%，即α=12.8%。

根據(jù)實際風量可從風機特性曲線上確定對應的工作點，進而得到室外機結(jié)構(gòu)的阻力系數(shù)S0=86.91 N·s2·m-8和計算例中百葉窗平臺的阻力系數(shù)S=124.87 N·s2·m-8，可見，百葉窗平臺的結(jié)構(gòu)導致阻抗值的增加。根據(jù)風阻網(wǎng)絡(luò)模型可知，支路風阻比值S1/S2=46.56，結(jié)合公式（4）可知，S1=2309.18 N·s2·m-8，S2=49.60 N·s2·m-8。

對于其他類型的安裝平臺，也可以建立相應的模型進行模擬計算，其計算結(jié)果如圖11所示。從圖中可以看到，各典型平臺與室外機構(gòu)成的風路系統(tǒng)的總阻抗S值存在差異，因而其風量衰減系數(shù)β及排風回流系數(shù)α也不同。百葉窗平臺的阻抗值S、風量衰減系數(shù)β及排風回流系數(shù)α最大，這是由于百葉窗結(jié)構(gòu)及平臺內(nèi)部相對狹窄、百葉窗結(jié)構(gòu)對排風的阻擋作用更大所致。

4.3.2 排風回流對進風溫度的影響

圖10 室外機空氣網(wǎng)絡(luò)計算結(jié)果

圖11 不同平臺的阻力系數(shù)及α、β值對比

圖12 不同排熱量時室外換熱器的平均進風溫升

當室外換熱器有散熱負荷時，排風回流將導致?lián)Q熱器進風溫度高于環(huán)境溫度。圖12給出了不同散熱負荷時，三角支架、外墻挑出平臺、空調(diào)罩平臺、常規(guī)與優(yōu)化百葉窗平臺（平臺特征尺寸參見表5）中換熱器的平均進風溫升情況。可以看出，常規(guī)百葉窗平臺不僅導致室外機風量衰減，而且在風量衰減基礎(chǔ)上還出現(xiàn)了排風回流，使其相對與室外溫度出現(xiàn)了3～5℃的平均進風溫升Δt，而其他三類平臺的Δt分布在0.5～2℃，以三角支架最小。優(yōu)化百葉窗平臺的平均Δt在1.5～2℃之間，基本與外墻挑出平臺持平。

從上述對比結(jié)果可以看出，外墻挑出平臺對進風參數(shù)的影響較小，可以將其β、α數(shù)值為基準對百葉窗平臺的特征尺寸進行優(yōu)化，以避免其幾何結(jié)構(gòu)不合理導致空調(diào)器實際運行能效的嚴重衰減。

5 結(jié)論

室外機安裝平臺是保證安裝人員生命安全、美化建筑外立面的重要設(shè)施。但空調(diào)器室外機的隱蔽安裝導致了空調(diào)器的性能衰減。探明平臺的幾何結(jié)構(gòu)對室外機進風參數(shù)的影響程度，是定量分析安裝平臺對空調(diào)器性能影響的前提。因此，本文對此進行研究，得到了如下結(jié)論：

（1）通過廣泛調(diào)研，探明了目前室外機安裝平臺的主要類型及數(shù)量占比，其中百葉窗平臺約占63%、帶欄桿的外墻挑出平臺約占22%、空調(diào)罩和三角支架平臺分別占6%和2%，進而給出了表征各種平臺結(jié)構(gòu)的特征尺寸。

（2）安裝平臺影響空調(diào)器性能的本質(zhì)原因是安裝平臺造成室外機的風量衰減以及排風回流，進而導致進風溫度偏離室外溫度，提出采用風量衰減系數(shù)β和排風回流系數(shù)α定量描述二者對進風參數(shù)的影響。

（3）以百葉窗平臺為例，闡述了基于CFD流場模擬和風機特性曲線的β和α數(shù)值的求解方法，給出了四種主要類型安裝平臺的β和α數(shù)值，以此反映室外機換熱風量的衰減程度以及在不同排熱量下因排風回流導致的進風溫升。