分體空調(diào)室外機(jī)熱環(huán)境數(shù)值模擬及運(yùn)行能效測評(píng)

陳蘇坤 張紅 巫朝敏 石峰豪

[摘? 要]：現(xiàn)有住宅建筑為保持外立面美觀，在室外機(jī)安裝凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)利用百葉封閉的現(xiàn)象比較普遍。利用CFD流體計(jì)算軟件，對分體空調(diào)室外機(jī)在不同安裝方式和不同百葉形式下的熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，并以某住宅為例，對布置在建筑凹槽中的分體空調(diào)運(yùn)行能效進(jìn)行測評(píng)。研究結(jié)果表明：室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度受室外機(jī)風(fēng)扇與百葉間距離的影響較大，當(dāng)間隔距離為50 mm時(shí)，室外機(jī)最大進(jìn)風(fēng)溫度達(dá)到51.3 ℃。當(dāng)室外機(jī)安裝在建筑凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)時(shí)，百葉開度宜設(shè)置在0°～20°范圍內(nèi)，且方向向下，百葉間距至少為50 mm。當(dāng)百葉開度為60°時(shí)，百葉間距至少為100 mm。

[關(guān)鍵詞]：分體空調(diào); 室外機(jī); 運(yùn)行能效; 數(shù)值模擬

TU831.7A

進(jìn)入2011年，中國空調(diào)市場持續(xù)增長，分體空調(diào)得到了廣泛應(yīng)用。2004年我國城鎮(zhèn)住宅空調(diào)總能耗為256億kWh，到2008年達(dá)到400億kWh，比2004年增長了56%[1]，因此，提高分體空調(diào)實(shí)際運(yùn)行能效意義重大。分體空調(diào)運(yùn)行能效受空調(diào)室外機(jī)安裝環(huán)境的影響較大，有研究表明，當(dāng)室外機(jī)作為冷凝器使用時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度每上升1 ℃，空調(diào)系統(tǒng)的能效比下降3%左右，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度超過45 ℃時(shí)，分體式空調(diào)將難以正常運(yùn)行[2-3]。考慮到建筑外立面的美觀，設(shè)計(jì)師常采用帶有百葉封閉的凹槽結(jié)構(gòu)作為室外機(jī)位，這使得空調(diào)室外機(jī)的散熱效果受到一定程度的影響，導(dǎo)致空調(diào)回風(fēng)溫度升高，嚴(yán)重影響了空調(diào)制冷性能。

目前，針對分體式空調(diào)室外機(jī)的熱環(huán)境問題，國內(nèi)眾多學(xué)者進(jìn)行了模擬或?qū)嶒?yàn)研究。張春枝等[4]通過前期調(diào)研以及實(shí)驗(yàn)研究，提出適宜的室外機(jī)安裝平臺(tái)尺寸。單磊等[5]依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對空調(diào)器進(jìn)行了測試，討論了遮擋物對室外機(jī)性能的影響。在數(shù)值模擬研究方面，浙江大學(xué)的展圣潔[6]運(yùn)用正交分析法設(shè)計(jì)模擬方案，并通過極差值比較得出影響室外機(jī)回風(fēng)口平均溫度的顯著因素為凹槽進(jìn)深。程卓明等[7]采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型數(shù)值模擬了4種不同百葉開度對室外機(jī)運(yùn)行熱環(huán)境的影響。蔣悅波等[8]運(yùn)用CFD模擬研究了室外機(jī)距百葉不同距離以及不同百葉開度下分體式空調(diào)室外機(jī)周圍的溫度場和速度場。天津商業(yè)大學(xué)的李義奇[9]的模擬結(jié)果表明，當(dāng)室外機(jī)與凹槽后墻距離增大到一定程度時(shí)，平均進(jìn)風(fēng)溫度不再發(fā)生大的變化，并趨于穩(wěn)定。此外，環(huán)境風(fēng)速地增加使得室外機(jī)平均進(jìn)風(fēng)溫度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。大連理工大學(xué)的張劍[10]探究了多臺(tái)室外機(jī)布置的方式，并通過模擬量化了多臺(tái)室外機(jī)的最小間距。上述研究并未綜合考慮不同室外機(jī)安裝方式與百葉形式對室外機(jī)熱環(huán)境的影響。

本文運(yùn)用CFD數(shù)值模擬，研究在不同的分體空調(diào)室外機(jī)安裝方式和百葉形式下，以室外機(jī)進(jìn)、出風(fēng)溫度為代表的室外機(jī)熱環(huán)境的變化規(guī)律，并以成都市某住宅建筑為例，對布置在建筑凹槽中的分體空調(diào)的運(yùn)行能效進(jìn)行實(shí)測評(píng)價(jià)，并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從提高分體空調(diào)運(yùn)行能效角度出發(fā)，提出適宜的分體空調(diào)室外機(jī)安裝條件，對夏熱冬冷地區(qū)分體空調(diào)室外機(jī)的安裝有較大的參考意義。

1 CFD數(shù)值模擬

1.1 物理模型建立

以成都地區(qū)常見的空調(diào)室外機(jī)布置建筑凹槽內(nèi)，并用百葉進(jìn)行封閉的典型安裝方式進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖1所示，室外機(jī)左側(cè)、后側(cè)、右側(cè)、前側(cè)分別距墻的距離為W1、W2、W3、W4，室外機(jī)直接放置于凹槽地面，凹槽高度900 mm;直板型百葉開度和間距分別為δ和h，百葉固定寬度50 mm。模擬的分體空調(diào)采用本項(xiàng)目分體熱泵空調(diào)檢測設(shè)備研發(fā)所用的空調(diào)，其室外機(jī)具體參數(shù)見表1。

1.2 模擬內(nèi)容

該模擬計(jì)算主要分為2個(gè)部分，一是室外機(jī)距離凹槽墻體間距的不同安裝方式;二是不同百葉散熱形式。通過改變室外機(jī)與凹槽的安裝間距以及百葉的不同開度和間距，模擬分析空調(diào)室外機(jī)的進(jìn)出風(fēng)溫度場和速度場。凹槽墻體情況以及室外機(jī)的安裝間距通過不同方向的組合進(jìn)行對比分析，百葉開度為0～60°，百葉間距為50 mm或100 mm;室外機(jī)距離凹槽墻體距離固定，改變百葉開度和百葉間距的組合進(jìn)行對比分析。

1.3 模擬方法

1.3.1 幾何網(wǎng)格模型

室外機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算的幾何模型，如圖2所示。為保證模擬計(jì)算區(qū)域內(nèi)氣流處于流動(dòng)充分發(fā)展段，室外環(huán)境邊界距凹槽左、右側(cè)的長度為8 m，距凹槽前側(cè)的長度為12 m。計(jì)算網(wǎng)格均為多面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量共計(jì)約30萬個(gè)。

1.3.2 邊界條件

采用了國際上廣泛使用的大型流體力學(xué)計(jì)算軟件Star-CCM+，離散方法為有限容積法，紊流模型為k-ε模型，數(shù)值計(jì)算采用SIMPLE方法，自然對流模型采用Boussinesq模型，假設(shè)空氣密度為1.2 kg/m3，忽略壓強(qiáng)對流體密度的影響。室外機(jī)周圍環(huán)境的數(shù)值計(jì)算區(qū)域和室外機(jī)劃分采用漸變規(guī)律劃分網(wǎng)格，其他主要邊界條件：

（1）壁面邊界。根據(jù)實(shí)際情況，墻體、室外機(jī)外殼、百葉均設(shè)置為壁面邊界條件，假定壁面為無滑移條件，且壁面與流體無熱量傳遞。

（2）風(fēng)機(jī)邊界。室外機(jī)風(fēng)機(jī)采用風(fēng)機(jī)邊界，由于僅已知室外機(jī)空曠條件下的風(fēng)量為1 750 m3/h，因此，采用試算法得到室外機(jī)風(fēng)機(jī)壓力與流量的特性曲線。

（3）區(qū)域界面邊界。數(shù)值計(jì)算區(qū)域與大氣環(huán)境相鄰，且本研究建立的數(shù)值計(jì)算區(qū)域足夠大，因此，區(qū)域界面的邊界設(shè)置為實(shí)際的大氣環(huán)境邊界，其中包括環(huán)境溫度和環(huán)境壓力等，假定計(jì)算環(huán)境溫度35 ℃，風(fēng)速為0 m/s。

2 模擬結(jié)果分析

利用Star-CCM+軟件模擬計(jì)算不同工況下室外機(jī)進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)溫度和速度變化情況，當(dāng)能量方程殘差值達(dá)到10-6時(shí)，則認(rèn)為模型達(dá)到收斂條件。模擬計(jì)算結(jié)果見表2。

2.1 不同安裝方式的模擬分析

模擬工況：A1、A2、A3。從圖3可以看出，當(dāng)室外機(jī)左、右及前方均無遮擋的情況下，不同的室外機(jī)后側(cè)墻距W2對室外機(jī)周圍環(huán)境的溫度范圍為34～44 ℃，出風(fēng)速度分布范圍1.9～3.6 m/s。從表2可看出，W2對進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)的平均溫度以及出風(fēng)的最高溫度幾乎沒有影響;當(dāng)W2為150 mm時(shí)，進(jìn)風(fēng)最高溫度達(dá)45.1 ℃，而當(dāng)W2大于250 mm時(shí)，進(jìn)風(fēng)最高溫度不再變化。

建筑論壇與建筑設(shè)計(jì)陳蘇坤， 張紅， 巫朝敏， 等： 分體空調(diào)室外機(jī)熱環(huán)境數(shù)值模擬及運(yùn)行能效測評(píng)模擬工況：B1、B2、B3。從圖4可見，當(dāng)室外機(jī)左、右無遮擋時(shí)，室外機(jī)與百葉之間距離W4增大時(shí)，室外機(jī)周圍環(huán)境的溫度場范圍不斷增大，出風(fēng)速度下限值先減少后增大;從表2可以看出，W4對進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)的平均溫度幾乎沒有影響;當(dāng)W4增大時(shí)，出風(fēng)最高溫度逐漸升高，但升高幅度不大;當(dāng)W4增大時(shí)，進(jìn)風(fēng)最高溫度經(jīng)歷了先降低后升高的過程，這是因W4過小時(shí)，室外機(jī)通風(fēng)空間過小，散熱效果差，而W4過大時(shí)，又容易造成通風(fēng)短路，導(dǎo)致室外機(jī)排出的部分氣流回流至進(jìn)風(fēng)口處，因此，存在一個(gè)最佳的W4距離使得通風(fēng)效果最優(yōu)（圖4）。

模擬工況：C1～C5。從圖5以及表2可知，當(dāng)室外機(jī)左側(cè)墻距W1為100 mm、右側(cè)墻距W3為200 mm、后側(cè)墻距W22.D2工況同C2工況。

為150 mm時(shí)，室外機(jī)與百葉之間距離W4從50 mm增大至300 mm時(shí)，室外機(jī)進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)的溫度場范圍先減少后增大，而當(dāng)W4增大至500 mm時(shí)，因如前所述的通風(fēng)短路問題，室外機(jī)進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)平均溫度增幅變大，進(jìn)風(fēng)平均溫度增幅變大引起進(jìn)風(fēng)平均溫度過高會(huì)降低室外機(jī)的散熱效果，當(dāng)W4為50 mm時(shí)，進(jìn)風(fēng)最高溫度高達(dá)51.3 ℃，因此可以認(rèn)為室外機(jī)與百葉之間的距離W4宜在100～300 mm之間。

對比工況C6和C2，結(jié)合圖5、圖6以及表2可知，當(dāng)固定室外機(jī)后側(cè)墻距W2為350 mm，室外機(jī)與百葉間距W4為100 mm，室外機(jī)右側(cè)墻距W3為200 mm時(shí)，室外機(jī)左側(cè)墻距W1從100 mm增大至300 mm，室外機(jī)進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)平均溫度均降低，但降低幅度較小，且室外機(jī)出風(fēng)平均速度有所升高，但升高的幅度較小。

2.2 不同百葉形式模擬分析

2.2.1 不同百葉開度δ的影響

模擬工況：D1～D4。從圖7和表2可知，當(dāng)室外機(jī)與凹槽墻體間距固定，百葉間距h為50 mm時(shí)，百葉開度δ從0°增大到20°時(shí)，室外機(jī)進(jìn)風(fēng)與出風(fēng)溫度變化較小，但當(dāng)百葉開度δ大于20°時(shí)，室外機(jī)進(jìn)風(fēng)與出風(fēng)溫度急劇升高;當(dāng)百葉開度δ從0°增大到20°時(shí)，室外機(jī)出風(fēng)流線為向外的直線型，但當(dāng)百葉開度δ大于20°時(shí)，室外機(jī)的出風(fēng)流線形成回風(fēng)短路。因此可以認(rèn)為百葉開度δ宜設(shè)置在0°～20°范圍內(nèi)，且方向向下。

2.2.2 不同百葉間距h的影響

模擬工況：D4、D5。綜合圖7（d）、圖8和表2可知，當(dāng)室外機(jī)與凹槽墻體間距固定，百葉開度δ為60°的情況下，當(dāng)室外機(jī)出風(fēng)口與百葉間距從50 mm增大到100 mm時(shí)，室外機(jī)進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)最高溫度均降低，且出風(fēng)流線回風(fēng)短路情況有所改善。

3 運(yùn)行能效測評(píng)

經(jīng)成都市某住宅現(xiàn)場查看，可知該建筑的分體空調(diào)室外機(jī)的安裝條件包括4種：

（1）凹槽內(nèi)上、下、左、右均有阻擋，凹槽高度為900 mm（如圖9所示）。

（2）凹槽內(nèi)上、下、右均有阻擋，凹槽高度為1 800 mm。

（3）上、下、左/右均有阻擋，凹槽高度為900 mm。

（4）上、下、左、右均無阻擋。

因第一種安裝環(huán)境下的室外機(jī)周圍熱環(huán)境為最差工況，因此對該安裝條件下的分體空調(diào)動(dòng)態(tài)能效進(jìn)行實(shí)測。現(xiàn)場測試該凹槽尺寸為長度1 430 mm，進(jìn)深680 mm，高度900 mm，采用的百葉間距h=120 mm，百葉開度為0°，被測室外機(jī)離后墻的距離W2約為150 mm，左、右距W1、W2約為300 mm，距前面百葉約為230 mm。分體空調(diào)現(xiàn)場動(dòng)態(tài)能效檢測實(shí)測的結(jié)果可見表3。

從表3可知，分體空調(diào)銘牌的能效比為3.29，而動(dòng)態(tài)能效實(shí)測運(yùn)行能效比為2.81，為額定值的85%，運(yùn)行能效較高。根據(jù)前述室外機(jī)熱環(huán)境數(shù)值模擬分析，該空調(diào)器室外機(jī)的安裝方式及百葉形式符合機(jī)組高效運(yùn)行的技術(shù)要求，實(shí)測運(yùn)行能效也是在機(jī)組高效運(yùn)行范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

通過CFD數(shù)值模擬分體空調(diào)室外機(jī)在不同安裝方式和百葉形式下的室外熱環(huán)境，與實(shí)際工程中的分體空調(diào)運(yùn)行能效進(jìn)行對比分析，并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為提高分體空調(diào)的運(yùn)行能效，建議夏熱冬冷地區(qū)室外機(jī)采用幾種安裝方式：

（1）當(dāng)室外機(jī)安裝在建筑凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)時(shí)，室外機(jī)冷凝器進(jìn)風(fēng)口距障礙物的距離W1（左距）應(yīng)至少為100 mm。

（2）室外機(jī)冷凝器進(jìn)風(fēng)口距障礙物的距離W2（后距）應(yīng)至少滿足各品牌的最小安裝距離要求。當(dāng)室外機(jī)左、右及前方均無遮擋的情況下，W2（后距）宜在最小安裝距離150～250 mm之間。

（3）當(dāng)室外機(jī)安裝在建筑凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)時(shí)，室外機(jī)右側(cè)距墻的距離W3應(yīng)大于W1，不宜低于200 mm。

（4）當(dāng)室外機(jī)安裝在建筑凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)時(shí)，室外機(jī)與百葉之間的距離W4宜在100～300 mm之間。

（5）當(dāng)室外機(jī)安裝在建筑凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)時(shí)，百葉開度宜設(shè)置在0°～20°范圍內(nèi)，且方向向下，百葉間距至少為50 mm。當(dāng)百葉開度為60°時(shí)，百葉間距至少為100 mm。

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