建筑群風場環境下空調室外機周圍熱環境分析

李璐瑤 張 艷 解海衛 敖 虎

（天津商業大學 天津市制冷技術重點實驗室 天津 300133）

引言

隨著城鎮化進程的加快，高密度的建筑群日益增多[1]，空調設備的使用量也呈現出上漲的態勢，同時，空調設備本身也面臨了艱難的挑戰。在炎熱的夏天，這些設備通常都會同時運行，由于這些設備釋放的熱能使周圍環境的空氣溫度上升，從而引起空氣和熱的垂直自然對流，造成上部樓層的環境溫度升高[2,3]，上層空調設備因高溫帶導致散熱效率下降，電能消耗增加。研究表明，空調冷凝器的進口溫度每升高1 ℃，空調的COP降低3 %[4]。另一方面，城市建筑邊界層中的梯度風場處于較為復雜的運動狀態[5]，受城市建筑的阻擋，而形成各種湍流，從而出現局部擾動增大、建筑群內流場發生畸變以及空間氣流出現不均勻性等異常變化，這一系列復雜的流態將會進一步影響室外機周圍空氣的流動狀態，加劇外部風流場和室外機散熱流場之間的紊亂，嚴重干擾室外機的運行環境和本身效能。綜合熱浮力和建筑群風場環境的共同影響，室外機運行的散熱問題將會更加復雜。

近年來，國內外很多研究者對建筑空調室外機散熱時的熱環境問題進行了研究。在室外機結構布置排列方面，蔣悅波等[6]研究了不同室外機安裝條件對空調運行產生的影響。K RYU等[7]模擬分析了安裝在墻邊頂部位置處室外機的熱環境變化。C-H CHOI等[8]針對高層建筑凹槽內不同的室外機布置方式，模擬了不同風向以及無風條件下空調的COP變化和CGPI值。W JIN等[9]采用實驗研究的方法，以焓差試驗室平臺為基礎評價了室外機的安裝位置和百葉窗形式對空調能耗和能效比的影響。在外部環境方面，P DOIPHODE等[10]利用CFD模擬方法對1臺空調室外機進行了相關的熱環境研究，指出外界風速的增加會導致進風溫度升高，系統性能下降。L TONG等[11]研究了側方來流風條件下不同安裝距離對室外機運行時的熱環境影響。張卓等[12]研究了不同環境風速下空調室外機散熱的熱環境，分析了側面和正前方風向下室外機的運行散熱情況。胡軍等[13]對不同風速條件下的空調室外機的運行狀況進行了研究，分析了風速對室外機吹風距離的影響。

上述關于室外機運行熱環境的研究主要以單體建筑為研究對象，集中于單體建筑附近較小的空間尺度和湍流尺度內分析室外機散熱問題，忽視了整個建筑群風的運動特性和軌跡，從而使研究結果具有一定的局限性。現實來說，在實際的建筑群中，由于建筑對來流風的遮擋和聚集作用，使得建筑群內風場環境與單體建筑存在明顯差異，使得不同建筑位置處室外機的熱環境產生一定差異。因此借助CFD軟件模擬了建筑群周圍的風場環境對空調室外機散熱的影響，為室外機安裝布置提供一定的參考。

1 數值模型

1.1 物理模型

本文研究的建筑群由6棟呈行列式布置的建筑組合而成，每層樓高3 m，總高度為H=30 m。在中間兩棟建筑逐層布置室外機，每層布置3臺，均位于建筑立面的凹槽中，如圖1（a）（b）所示，模擬區域的范圍采用J M HERBERT等[14]提出的經典建構模型方案來確定，即來流入口邊界距離建筑群為2 H，出流考慮到流場的充分發展，計算域出口邊界距建筑物的距離為5 H，計算域左右兩側距建筑群的距離均為L/2，計算域頂部邊界到底部邊界總高度為4 H。室外機所在的凹槽寬1 m，進深為2 m，室外機后側和左側距離壁面0.2 m，具體的出風方式如圖1（c）所示。

圖1 建筑群及室外機布置圖

1.2 數學模型

模型假設：忽略太陽輻射、地面反射以及傳熱的影響。假設外墻平坦絕熱，忽略外墻窗戶對空氣流動的影響[15]，空調室外機全負荷穩態運行，周圍無干擾氣流。

假設建筑群內空氣流動屬于不可壓縮三維穩態湍流，湍流模型采用Realizable模型，對應的控制方程由連續性方程、動量方程、能量方程、k-ε方程組成，用Boussinesq[16]假設模擬溫差產生的浮升力對室外機周圍空氣流動的影響。

連續性方程:

動量方程：

能量方程：

K方程：

ε方程：

式中：

ρ—空氣密度，kg/m3；

u—速度矢量，m/s；

μ—動力粘度，N·S/m3；

h—焓；

K—湍動能；

ε—湍動耗散率；

μt—湍流粘性。

采用FLUENT軟件進行計算，模擬中采用壓力-速度耦合的SIMPLE算法，壓力項的離散采用PRESTO格式。將室外機設置成值為56 385 W/m3的體積熱源，室外機出風風扇采用fan邊界條件，用壓力躍升值與流動方向來定義室外機風扇模型，其中壓力躍升值設為48 Pa，用多孔介質模擬室外機內部的換熱盤管，多孔介質模型的參數設置[17]如表1所示。

表1 多孔介質參數設置

建筑外墻、地面、室外機外殼均采用光滑無滑移邊界條件，計算域頂部和四周設為對稱邊界條件，出口設置壓力出口邊界條件，當室外風速大于0時，入口采用速度入口邊界條件，速度隨高度的分布采用指數律來模擬，如下所示，

式中：

Z—高度；

U0—10m處的風速；

α—地面粗糙度指數，取0.22[18]。

為研究處于建筑群風場環境下室外機的散熱情況，本文模擬了正面吹風和后面吹風風向下的建筑群風場，具體模擬工況如表2所示。

表2 模擬工況設定

2 正面風向下的結果分析

2.1 不同風速下的散熱差異

圖2所示為工況1-3條件下，即正面風向下風速為1 m/s、2 m/s、3 m/s時A、B棟建筑各個樓層和位置處室外機的進風溫度變化曲線圖。根據圖2（a）（b）（c）來看，風速越高越不利于室外機的散熱。這是由于來流風速較大時，流場中的氣流分布更加不均勻，氣流分布的差異度較大，給室外機運行的熱環境帶來一定壓力，使得室外機本身的運行性能受外界干擾明顯。依據圖3不同風速條件下室外機運行的熱環境來看，隨著風速的增大，室外機的散熱范圍變小，溫度疊加程度加重，這是由于室外機出風的方向與來流風的方向相反，室外機的出風氣流、進風流量受到外部風速的限制，處于不平衡的發展狀態，使得室外機釋放的相當一部分熱量回灌，加劇了循環熱氣流的發展，導致溫度升高，效率下降。

圖2 室外機進風溫度變化圖

圖3 不同風速下建筑群2單元處室外機運行的熱環境

2.2 隨樓層高度的散熱差異

根據圖2來看，從建筑A處的室外機的進風溫度隨樓層高度的變化趨勢來看，整體上呈現“上升-下降-上升”的變化，依據圖4來看，這是由于在風的作用下，建筑底層出現循環渦流，加劇了建筑高度三分之一附近的氣流擾動，將4～7樓層室外機釋放的部分熱氣流帶到了1～3層，因此1～3層呈現上升趨勢，溫度相對來說較高。在4～7層出現較低的溫度則是由于在來流風的作用下迎風點的產生，在上升氣流和熱浮力的共同影響下，帶走了4～7層室外機釋放的部分熱量，因此溫度相對較低，且4～7層室外機釋放的部分熱量在在上升氣流的作用下不斷向上層積聚，導致8～10層溫度較高。

圖4 縱剖面速度矢量圖

從建筑B處的室外機的進風溫度隨樓層高度的變化趨勢來看，整體上呈現“上升-下降”的變化趨勢，1～8層左右室外機進風溫度逐層上升，但在9～10層左右時，溫度突然開始下降，如圖4所示，1～8層室外機進風溫度升高是由于在熱浮力和兩樓層間渦流的雙重加持下，將下樓層熱氣流逐漸匯聚到8層，使之出現最大值；而9～10層室外機進風溫度的下降是由于在建筑頂層渦流團的循環流動過程中產生了向下的沖擊氣流，將9～10層室外機釋放的部分熱量帶到下層，加入到新的渦流循環，另外則是受來流環境風的影響，使室外機釋放的相當一部分熱量散失掉，因此溫度下降。

2.3 不同單元位置處的散熱差異

圖5為不同風速下各單元室外機進風溫度平均值的變化曲線圖，從圖中來看，A、B棟2單元布置的室外機的進風溫度總體上要高于1、3單元處室外機的進風溫度。依據圖6來看，主要由于建筑上風向氣流在運動過程中遇到封閉界面的遮擋后向兩邊分流，建筑群表面的熱羽流特性增強，熱氣流通過向上運動且在中間匯集，熱量積聚，散熱范圍受到限制，使得氣流流動性和外部環境的運行條件較差，因此2單元處室外機的進風溫度較高；另外A棟建筑的東西兩側在來流風的作用下，形成了相當程度的繞流，帶走了1、3單元處室外機釋放的相當一部分熱量，而B棟建筑兩側則受建筑“街谷風”的影響，熱量跟隨風場氣流流動方向繼續向前運動，在此過程中相當部分熱量也被釋放掉，因此1、3單元溫度相對較低。

圖5 不同單元位置處室外機的進風溫度平均值變化

圖6 橫剖面速度矢量圖

2.4 迎風建筑與下風向建筑對比

對比A、B棟建筑布置的室外機的進風溫度的差異，依據圖2和圖5綜合來看，下風向建筑B處布置的室外機運行時整體的進風溫度較高，而迎風建筑A處室外機運行時的整體溫度相對較低。依據圖6來看，A棟建筑位于迎風面，其中相當一部分熱量在來流風的作用下被帶到B棟范圍，加劇了B棟建筑周圍熱空氣的再循環。另外建筑B處位于來流風向的下風向，由于建筑A處的遮擋，造成相當程度的負壓，氣流的流動性變差，且B棟建筑受到復雜渦流團的影響，周圍運行的熱環境變差，熱流循環加劇，氣流呈現紊亂性發展，同時又伴隨熱浮力的影響，兩者因素的疊加加劇了室外機運行熱環境的惡化，從而降低了室外機的運行效能。

3 后面風向下的結果分析

3.1 隨樓層高度的散熱差異

圖7所示為工況4條件下，即后面來流風下A、B棟建筑處室外機在各個樓層和位置處的進風溫度變化曲線圖。從圖7（a）（b）來看，后面來風時，A、B棟建筑各處室外機運行時的進風溫度都呈現出逐層升高的變化。圖8為后面風向下室外機運行時的熱環境，從圖中來看，在熱浮力的主導作用下，凹槽內部的熱量大量積聚，熱量貼附壁面流動，惡性熱循環效應加強，出風散熱范圍大大減少。并且下層室外機釋放的冷凝熱對上層產生較大影響，使得上層室外機的動力系統對下層室外機釋放熱量的吸入效應增強，長時間運行情況下，不僅導致上層室外機的運行效能大大降低，而且會加劇其“熱島效應”。

圖7 后面風向下室外機進風溫度變化圖

圖8 后面風向下室外機運行的熱環境

3.2 不同單元位置處的散熱差異

圖9為后面風向條件下各單元室外機進風溫度平均值的變化曲線圖，從圖中來看，建筑A、B棟2單元布置的室外機的進風溫度總體上同樣也要高于1、3單元處室外機的進風溫度。這是由于室外機同處于來流風的背風向，建筑1、3單元受到建筑中間“街谷風”的影響明顯，將室外機釋放的相當部分熱量帶走，而2單元位置處于負壓閉合循環氣流區，受來流環境風氣流影響小，熱量不易散失。

圖9 后面風向下各單元室外機的進風溫度平均值變化圖

3.3 迎風建筑與下風向建筑對比

依據圖9來看，建筑A處布置的室外機運行時的進風溫度較高，運行效率要低于建筑B處室外機的運行效率。在來流風的影響下，建筑A、B處的室外機同時處于建筑的背風面位置，但建筑A位于下風向建筑處的背風面，此時的氣流密度和風量減弱，空氣的熱羽流效應增強，散熱空間相對來說較為封閉，熱氣流的上升匯集速度加快，此時氣流流動方向呈現單一性，熱氣流疊加效應較強，凹槽內部熱量堆積嚴重，加劇了各層室外機之間的熱影響，使得外部運行熱環境惡劣，造成室外機散熱不及時，效能降低。

4 結論

本文以建筑群凹槽內布置的空調室外機為研究對象，研究了兩種風向下建筑群風場下的室外機運行時的熱環境，并對比分析了隨樓層高度、不同單元位置處室外機的散熱差異，同時比較了迎風建筑和下風向建筑處室外機運行效率的不同，具體結論如下：

1）建筑群風場環境中存在的水平和垂直渦流等復雜的氣流特征會對室外機的散熱產生較大的影響，會改變室外機散熱氣流的走向，相當程度上會影響室外機的進風溫度和運行效能。

2）正面來流風下，風速越高，室外機的散熱效率越差。

3）正面來流風下，在隨樓高的變化上，建筑A處室外機的進風溫度呈現“上升-下降-上升”的變化趨勢，建筑B處室外機的進風溫度呈現“上升-下降”的變化趨勢。在不同單元位置處，建筑A、B處2單元布置的室外機的進風溫度較高。在迎風建筑和下風向建筑的對比差異下，處于下風向的建筑B處布置的室外機的進風溫度更高。

4）后面風向下，在隨樓高的變化上，建筑A、B處室外機的進風溫度都呈現出逐層上升的變化趨勢，主要是由于熱浮力的主導作用。在迎風建筑和下風向建筑的對比差異下，處于下風向背風面建筑的建筑A處布置的室外機的進風溫度較高，效能較差。