某高層建筑設備平臺高密度安裝空調室外機的散熱分析與優化

張海波

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

1 前言

隨著高層建筑的增多，空調室外機通常安裝在建筑設備平臺上，同時為了建筑美觀性考慮，通常使用百葉或孔板等遮擋物對室外機進行遮擋。然而，遮擋物的形式對空調室外機的通風散熱具有較大的影響，使用適當的遮擋物可對空調室外機吹出的熱氣流進行引導，反之，若選擇不當，空調室外機產生的熱量不能及時排出，造成室外機回風溫度升高，影響其正常運行，有研究表明，夏季空調制冷運行時，其室外機回風溫度每升高1℃，空調系統的COP會降低約3%［1］。本文利用數值方法，以工程上一個典型項目為例，對其不同遮擋物情況下的安裝方案進行分析，有效解決了室外機的散熱問題，取得了很好的效果。

2 工程概況

某建筑4～22層樓高44.9m，每層南北設備平臺（設備夾層，高970mm，深880mm）各放置FGR3.5/C外機24～16臺不等，并且在設備平臺前均設置豎直格柵遮擋，單個格柵高125mm，間距62mm。現選機組密度最大的北向5～9層設備平臺作為模擬對象，對以下兩種安裝方案進行仿真模擬：方案1為原安裝方案；方案2將機組前的遮擋物改為薄片百葉（厚度可忽略），百葉寬度125mm，間距187mm，百葉與水平面傾角為斜向下30°。各機組平面布置方案見圖1及圖2，遮擋物安裝方案對比如表1所示。

表1 設備平臺遮擋物參數表

圖1 建筑平面示意圖

圖2 建筑立面示意圖

3 數值模型與計算工況

CFD技術是利用計算機求解流體流動的各種守恒控制偏微分方程組的一門科學技術。本論文采用商業CFD軟件——FLUENT進行模擬。

3.1 模型的簡化

建立室外機的簡化模型，室外機選用實體模型（寬×深×高760×255×540mm），室外機出風、回風面采用循環風模型，室外機出風風量為2500m3/h。由于實際空調的散熱量受工況的影響明顯，故本文針對最為惡劣的工況，即室外機出風溫度為最大50℃時進行模擬，建立如圖3所示的室外機模型。分析建筑結構后，在模擬軟件中建立其對應的數值模型，如圖4所示。

圖3 室外機仿真三維模型

圖4 建筑整體仿真三維模型

3.2 數值模型

為簡化計算，對模擬作如下假設：

（1）空氣流動為穩態湍流流動。

（2）空氣密度符合Bossinesq假設［2］，同時考慮空氣重力及由于溫差產生的浮升力，空氣視為不可壓縮流體，外部大氣環境溫度在機組運行制冷模式時為35℃，大氣壓力為101.325KPa。

（3）所有機組夏季均處于制冷模式全負荷運行。

（4）送風口速度、溫度分布均勻。

（5）建筑附近無其他熱源或者障礙物、且僅考慮制冷模式冷凝器、機組殼體與排風管道發熱，不考慮壓縮機、電機、管路件等的發熱；

（6）假設建筑周圍環境無風，忽略太陽輻射、地面輻射傳熱的影響；

（7）機組制冷運行出風溫度50℃。

基于以上假設，其控制方程為［3］：

3.3 邊界條件

入口邊界條件：速度入口邊界；

出口邊界條件：采用自由邊界，設置為大氣壓力；

4 模擬結果與分析

圖5、圖6所示的分別是方案1與方案2兩種遮擋物情況下的建筑整體溫度場分布云圖，圖7所示的是方案1與方案2兩種遮擋物情況下的局部速度矢量云圖，可以看出，在模擬情況下，方案1由于設備夾層通透率過低（僅為33.3%），且豎直的格柵直接將大部分熱氣流反彈，該擺放方案絕大部分熱氣流不能順利對外散熱，整體出現嚴重氣流組織短路和熱堆積現象，機組整體散熱及機組回風情況惡劣，設備平臺溫度高；方案2機組吹出的熱氣流通過薄片百葉疏導，大部分能夠與外界環境充分換熱，無明顯氣流組織短路現象，但由于機組屬于高層高密度的安裝擺放方式，局部出現熱堆積現象，局部溫度偏高。

圖5 方案1、方案2建筑豎直截面溫度分布云圖

圖6 方案1、方案2建筑水平截面溫度分布云圖（第8層）

圖7 方案1、方案2建筑豎直截面速度矢量云圖（局部）

模擬情況下，各機組具體回風溫度數據如圖8所示：

圖8 方案1、方案2各機組平均回風溫度數據

可見方案1機組整體散熱及機組回風情況惡劣，平均回風溫度全部在40℃以上，且接近出風溫度，使用此安裝方式，機組在使用時有極大的能效衰減甚至停機保護的可能；對比方案2機組平均回風溫度明顯降低，局部機組平均回風溫度在40℃以上，大部分機組平均回風溫度全部在40℃以下。方案1與方案2間溫差約為10℃，同比可提升機組COP約30%以上，各機組平均回風溫度統計如表2所示。

表2 各機組平均回風溫度統計

4 結論

本文以實際項目為研究對象，使用CFD軟件進行仿真模擬，分析不同遮擋物情況下設備平臺的空調室外機的通風散熱情況，并且進行對比，得出如下結論：

（1）安裝了室外機的設備平臺，需考慮遮擋物對空調室外機散熱的影響，需要保證設備平臺具有足夠的通透率，滿足室外機送、回風的需求，使其散發的熱氣流能夠與室外大氣實現換熱；

（2）使用格柵作為遮擋物，過寬的格柵會對熱氣流造成阻礙，如同時設備平臺通透率過低，則熱氣流會在設備平臺內短路，難以通過格柵與室外大氣換熱，熱量堆積在設備平臺，造成空調室外機工作環境惡劣，空調工作效果相應降低；

（3）空調室外機在高層高密度的安裝情況下，尤其需要選擇合適的遮擋物對熱氣流進行引導，在同時考慮美觀性和實用性的前提下，建議使用合適的百葉傾斜角度和開孔率；

（4）本文應用CFD模擬的方法分析了某建筑設備平臺高層高密度安裝條件下兩種不同遮擋物方案對空調室外機散熱的影響，分析了設備平臺的氣流場和溫度場，對于實際工程具有一定的指導意義。