建筑外墻分體式空調安裝平臺的調研及實驗分析

張龍，鄭振

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

目前，住宅建筑中分體式外機由于安裝便捷、高效節能等優勢，仍被視為具有應用前景的空調及采暖形式[1-3]。為應對日益增長的建筑能耗需求，逐步實現碳達峰目標，國家和行業出臺了相應的空調能效及居住建筑節能強制標準，以逐次20%～30%的節能目標推進節能成果的落實[4-5]。而分體式空調外機對平臺散熱效果的要求往往與建筑外墻立面視覺上連續美觀的需求相沖突，分體式外機經常被安裝在凹槽中或被格柵包圍，實際運行能效下降。

由于室外機安裝平臺對空調運行有重要影響，國內外學者對其展開了相關研究。徐振坤等[6]指出空調進風溫度大于室外空氣溫度的情況大量存在，平臺影響散熱的情況較為普遍。劉萬龍等[7]針對排風百葉對空調運行性能的影響進行研究，指出通過百葉排出的空氣僅77%，即有23%的空氣出現回流。張春枝等[8]采用仿真軟件對排風百葉對空調性能進行研究，指出空調與百葉間的距離不應低于80 mm，角度應介于-20°～0°。文獻[9-10]指出空調能效受凹槽平臺排風百葉、機組與墻間距等因素的影響。于洋等[11]建立平臺上空調運行的數值模型，指出風量衰減系數β和排風回流系數α是影響空調性能的關鍵參數。由于平臺空間、密封情況等因素疊加出現后的影響仍需探明。

本文基于全國空調分體式外機安裝平臺的調研數據，按數據分析規律模擬實際安裝情況進行了測試，對空調在不同室外機平臺尺寸、格柵角度、墻體封閉時的能效衰減幅度進行了評估，為建筑外墻空調平臺的設計安裝提供了數據及實驗支撐。

1 分體室外機安裝平臺調研

收集空調行業用戶售后數據，發現關于空調安裝平臺有以下典型問題：1）室外機平臺的安裝空間過小，外機無法正常安裝；2）部分安裝在狹窄、封閉平臺的空調運行中頻繁保護停機，無法連續可靠運行；3）與正常安裝的外機相比，安裝在小平臺的空調器能耗極大，實際運行能耗較大。

基于以上售后數據，企業對全國范圍內的主要城市住宅建筑展開調研，對住宅建筑的空調外機安裝平臺及尺寸數據進行分析得到如下結論。

1.1 室外機平臺尺寸現狀

經全國359組數據統計得到的安裝平臺尺寸分布如圖1所示。

圖1 外機平臺尺寸的分布箱線圖

外機安裝平臺尺寸中位數為 1,000 mm×800 mm×500 mm（內寬×內高×內深），對應冷量2.6 kW空調外機的尺寸為760 mm×540 mm×260 mm（寬×高×深）。由于空調的進風量等于排風量，而排風風速遠高于進風風速，行業中一般要求進風的面積須為排風面積的4倍以上。統計中的平臺尺寸中位數的進風面積為排風面積的0.95倍，預留的空間對于最小的空調外機運行來說較為惡劣。

1.2 室外機平臺密封現狀

對空調安裝平臺的密封情況進行調研的結果見表1，空調前側密封形式主要是格柵，兩側密封形式是格柵或墻體。空調外機對散熱的要求較高，即室外機排氣流場保持通暢。如前側百葉窗在水平角度的傾斜率大、格柵孔隙率低，排風沖擊百葉時將改變氣流方向，大量排氣出現回流短路[12-13]。

表1 安裝平臺的密封情況

1.2 室外機平臺與房間面積的相關性

圖2所示為空調房間面積與室外機安裝平臺的相關性調研，同時對空調對應的房間面積進行了收集，統計中含空調房間面積的一共有165組，房間面積與外機平臺面積的相關系數僅為0.037，室外機安裝平臺面積與房間面積相關性較差，給空調選型帶來了困難。另外調研中顯現的平臺尺寸過小、空調室外機另選位置加裝空調支架沒有安裝在建筑預留平臺上的情況，也影響建筑外立面美觀性。

圖2 空調房間面積與室外機安裝平臺的相關性

通常按照房間的面積確定冷量需求后，空調外機的尺寸和質量也能對應。為避免空調安裝平臺尺寸過小、過大造成的耗能及浪費。室外機平臺面積和承重水平可以預先參照房間面積對照標準進行設計[14]，通過制定標準對空調室外機殼體及外機平臺尺寸進行規范可為開發商及用戶提供選型指導。

2 分體式外機安裝位置對空調性能影響的測試

2.1 測試平臺的建立

為模擬實際安裝平臺空間尺寸對空調外機運行的影響，本次測試制作了5組實驗平臺，并在焓差實驗室進行了測試。圖3所示為測試平臺與被測樣機的安裝間隙。安裝臺從小到大尺寸間隙依次增加100 mm，測試臺及外機尺寸見表2。

圖3 測試平臺與被測樣機的安裝間隙

表2 模擬安裝臺的測試平臺尺寸（單位：mm）

表中5#平臺剛好足夠室外機安裝，為最惡劣的平臺尺寸；4#平臺與平臺尺寸接近統計數據中位數，是實際較為常見的平臺尺寸；2#、3#平臺與統計數據的上四分位數接近，是實際較好的平臺尺寸；1#平臺則可視為與平臺尺寸統計數據最大值接近的情況，是實際較寬松平臺尺寸。

對于室外機安裝平臺有兩個關鍵回風尺寸，影響空調的回風風量及受百葉阻擋后的空調吸排氣短路率：1）在空調左、右側非密封的情況下，關鍵回風面積主要受空調后部間隙尺寸c對回風量的影響；2）在左、右側為格柵或墻體、前側格柵的情況下，關鍵回風面積主要受空調正面出、回風間隙對及格柵吸排氣短路率的影響。

從1號到6號吸排氣流通最佳狀態逐漸趨向惡劣，回風密封性將影響空調的冷凝溫度[15-16]，選取表1中安裝情況占比較大（98.6%）的1號～5號情況進行測試，百葉格柵使用常用55°防雨百葉。

2.2 測試平臺實驗結果

按照房間空調器[17]中的名義工況室外工況（干球溫度/濕球溫度）為35 ℃/24 ℃，室內工況（干球溫度/濕球溫度）為27 ℃/19 ℃下在焓差室中進行測試，監控環境溫度穩定后的制冷量、功率和能效比（Energy Efficiency Ratio，EER）等衰減因素得到空調機性能變化的測試數據進行分析。

圖4測試是在左右、前全通風的情況下進行，以模擬開放式安裝平臺。由于吸氣僅受關鍵回風面積Ai,1影響，回風溫度穩定在36 ℃左右，空調的性能及能效基本無衰減。僅需保證外機背面與墻面的距離，將關鍵回風面積Ai,1控制在合理的范圍內。

圖4 左右和前側全通風的狀態下的性能數據

圖5測試是在全通風的基礎上將外機左右兩側變更為墻面，以模擬不帶格柵的凹槽安裝平臺。空調的吸排氣共用正面空氣流通面積，因此在空間較小的情況下空調的回氣風量和溫度將受到關鍵回風面積Ai,2/A0的影響。從5#平臺擴大到4#平臺，關鍵尺寸Ai,2/A0提升到3.93后。吸氣溫度已降低到37 ℃，空調制冷量和功率衰減在3%以內，EER衰減率在6%以內，性能恢復正常水平。

圖5 左右封閉和前全通風狀態下的性能數據

圖6測試在全通風的基礎上將左右、前變更為格柵的情況下進行，以模擬四周為格柵的安裝平臺。這種情況下吸排氣共用的流通面積減少，但排氣受格柵的影響，部分氣流沖擊格柵后滯留在平臺內部影響空調吸氣。隨著臺尺寸提升，性能衰減率仍保持在10%以上，功率增加率保持在14%以上，EER衰減率保持在21%以上。

圖6 左右格柵和前格柵狀態下的性能數據

圖7測試在左右密封、前通風的基礎上增加前側格柵進行，以模擬帶格柵的凹槽安裝平臺。與圖4的測試數據對比，5#平臺的室外機回風溫度提升近20 ℃，運行期間出現了保護停機，嚴重影響空調運行。平臺尺寸需要達到2#平臺空調才保持穩定運行。隨平臺尺寸提升，性能衰減率仍保持在15%以上，功率增加率保持在22%以上，EER衰減率保持在30%以上。

圖7 左右密封和前格柵不同狀態下的性能數據

綜合上述實驗結果，如圖8所示，安裝密封情況順序從全通風、凹槽不帶格柵、三面格柵、凹槽帶格柵，空調EER衰減率依次增大。結合建筑外墻實際情況，室外機安裝平臺應擇優選取靠前的密封情況以保證空調的正常運行。

圖8 各安裝尺寸和密封情況的能效比衰減情況

3 規范室外平臺尺寸及承重的建議

除了提升空調運行性能，在平臺位置、尺寸、承重上進行規范，可在安裝時給安裝維護人員提供安全的操作空間，在使用期也給空調維護、清洗提供便利。施駿業等[18]指出，空調放置在大氣環境中五個月后，顆粒污染物對配置翅片管換熱器及微通道換熱器能效比衰減分別為7.8%及43.1%。提供維護和清洗的平臺空間和承重能力，對空調進行年度清洗維護可提升空調的實際使用能效[19-20]和使用壽命。

以上調研和實驗結果顯示平臺尺寸和承重能力對空調生命周期中的能效有較大影響，規范平臺尺寸可以在設計、安裝、維護和清洗多方面推進建筑節能減排成果的落實。

4 結論

本文基于空調室外機安裝平臺的用戶調研數據，研究了空調在各種安裝密封情況下的性能衰減情況，得出如下結論：

1）室外機安裝平臺調研結果表明，不帶格柵的安裝情況有44.5%，在三面為格柵中安裝的情況有18.3，安裝在帶格柵凹槽中的情況有34.6%；室外機安裝平臺與房間的安裝面積相關系數較低僅有0.037；

2）當在非凹槽情況下安裝時，不帶格柵的安裝情況僅保留與后部的安裝距離即可；加裝格柵后，性能衰減和功率增加率將分別保持在10%和14%以上，EER衰減將保持在21%以上；

3）當在凹槽中安裝時，不帶格柵的需要保持Ai,1/A0、Ai,2/A0（測試4#平臺）在0.97和3.93以上空調運行性能衰減較小；凹槽加裝格柵后，性能衰減和功率增加率將分別保持在15%和22%以上，EER衰減將保持在30%以上。