風(fēng)冷變頻空調(diào)室外機熱環(huán)境問題的研究

何德芳

摘 要：隨著中央空調(diào)行業(yè)的快速發(fā)展，作為新型節(jié)能型中央空調(diào)產(chǎn)品——變頻多聯(lián)中央空調(diào)，由于其高效節(jié)能、穩(wěn)定可靠、操作控制靈活、分戶計量方便等優(yōu)點，受到越來越多的客戶青睞，在高層建筑中的應(yīng)用也日趨廣泛。但是在多層建筑或小型工程中也會有問題出現(xiàn)，對于高層建筑而言，最典型的莫過于室外機工作的熱環(huán)境問題。

關(guān)鍵詞：風(fēng)冷；室外機；氣流；短路

風(fēng)冷熱泵機組以空氣作為冷熱源，由于空氣的比熱容小以及室外側(cè)蒸發(fā)器的傳熱溫差小等原因，故所需風(fēng)量較大，大部分廠家需1000m3/h/匹，因而環(huán)境空氣應(yīng)保持流暢，不受阻礙，并且排出的熱風(fēng)不形成回流。否則將影響熱泵型機組的排熱與吸熱，進而降低機組效率，嚴重時甚至?xí)箼C組因高壓或低壓保護動作而停機。其中又以夏季冷凝器的高壓保護問題更為嚴重。

空調(diào)系統(tǒng)的室外機在高層建筑中的放置位置一般有如下三類：建筑外側(cè)、一側(cè)開放的凹陷處（陽臺）和采光井內(nèi)。根據(jù)已經(jīng)完成的數(shù)百個實際工程的模擬結(jié)果，放置在凹陷處和天井內(nèi)的室外機熱環(huán)境的影響因素包括許多與建筑尺寸有關(guān)而與室外機組無關(guān)的因素，例如凹陷處的深度、寬度，天井的尺寸、形狀和面積等等，問題千變?nèi)f化，因而不具有一般性的特點。而本研究的主要目的是尋找不同型號機組及其組合對于熱環(huán)境影響的一般規(guī)律，為室外機的設(shè)計和選型提供依據(jù)，因而只考慮室外機放置在平整的外墻面的情況。對于其他不具普遍性的問題將根據(jù)個別工程的實際情況進行單獨分析。

在夏季供冷情況下，擺放在下層的室外機組熱氣排出，熱空氣密度比室外機空氣小，將在熱壓作用下上升，易被位于上層的機組進風(fēng)面負壓吸入，使其進風(fēng)溫度升高，上升的熱氣流對上層室外機的另外一個影響是氣流的上升速度不斷升高，繼而在氣流通過的區(qū)域形成較大的負壓，由于風(fēng)冷變頻空調(diào)系統(tǒng)室外機風(fēng)扇的壓頭相對較小，一般不超過60Pa，該上升氣流產(chǎn)生的負壓勢必會影響風(fēng)扇對空氣的吸入，使風(fēng)量降低，進一步影響冷凝器的換熱效率。熱氣流與上層機組排出的熱空氣混合，逐層向上，層層疊加，如果機組層數(shù)較多，將形成較大的溫度梯度，使上層溫度高于下層溫度，在熱壓作用下最終導(dǎo)致上層機組的工作環(huán)境溫度增高，機組效率降低，嚴重時會導(dǎo)致機組頻繁停機和啟動，甚至設(shè)備保護停機。

現(xiàn)以深圳某大廈空調(diào)空調(diào)工程案例室外機氣流模擬情況進行詳細分析。

1 室外機擺放位置概述

本大廈共24層，為甲級寫字樓，全部采用變頻多聯(lián)中央空調(diào)，共24層。

1.1 1層室外機位置置于建筑物北側(cè)一層地面。

1.2 2～4層室外機放在4層?xùn)|、西兩側(cè)裙樓的露臺上。

1.3 7層?xùn)|、西兩側(cè)室外機平臺放置5、6層外機；9層?xùn)|、西兩側(cè)室外機平臺放置7、8層外機；11層?xùn)|、西兩側(cè)室外機平臺放置9、10層外機；13層?xùn)|、西兩側(cè)室外機平臺放置11、12層外機；15層?xùn)|、西兩側(cè)室外機平臺放置13、14層外機。

1.4 15層及以上室外機均放置于屋頂。

2 模擬條件

2.1 模擬對象為4～15層的西側(cè)設(shè)備。本研究選擇西側(cè)設(shè)備作為研究對象。東側(cè)設(shè)備的情況基本相似。4層和7層機組平面如圖1所示。

2.2 7、9、11、13、15層布置在設(shè)備平臺上的所有室外機均接導(dǎo)風(fēng)管，將設(shè)備上出風(fēng)引導(dǎo)為側(cè)出風(fēng)，排出室外。

2.3 室外計算溫度33℃，無風(fēng)。

2.4 室外機周圍無其他熱源和障礙物。

2.5 模擬假定機組連續(xù)運行并達到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 模擬工具

模擬工具包含F(xiàn)luent 及AIRPAK。

Fluent 是目前國際上流行的商用CFD （計算流體力學(xué)）軟件，能模擬流動、傳熱、和化學(xué)反應(yīng)等物理現(xiàn)象。

AIRPAK是Fluent系列中面向HVAC 領(lǐng)域的軟件。提供的模型有強迫對流、自然對流和混合對流模型，熱傳導(dǎo)、流固耦合傳熱模型、熱輻射模型、湍流模型。

4 模擬結(jié)果

為了表述方便，將布置在4層屋面上的室外機依次編號為1～8，將布置設(shè)備平臺上的設(shè)備在垂直向由南向北依次命名為機組1～4、機組5～8，將7、9、11、13、15層設(shè)備從低層依次編號為1～5，如圖1所示。

通過使用Fluent模擬軟件模擬分析，機組平均進風(fēng)溫度曲線如下圖1、圖2所示：

由以上圖1、圖2曲線可以看出，在模擬工況下，4層裙樓屋面上的室外機，由于沒有別的熱源影響，擺放在外層的設(shè)備進風(fēng)溫度均在33℃左右（深圳空調(diào)夏季計算溫度），內(nèi)層的設(shè)備由于受外層設(shè)備的影響，中間兩臺進風(fēng)溫度達38度，但工況較好，基本不影響設(shè)備正常運行；設(shè)備平臺上設(shè)備工況隨樓層增加而進風(fēng)溫度逐漸增高，運行工況越來越惡劣，11層、13層部分設(shè)備接近最高運行許可溫度，15層有部分設(shè)備（約3臺）超出了設(shè)備最高運行許可溫度，已不能正常運行。（注：機組夏季工況運行溫度范圍：-5℃～43℃）。

通過模擬分析，我們得到整個空間的氣流參數(shù)，現(xiàn)截取典型截面，如下所示：

截面圖中，從溫度分析我們可以看出：4層設(shè)備的排風(fēng)通過與空氣換熱，溫度逐漸由50度降低至38℃左右，被7層設(shè)備進風(fēng)口吸收，7層設(shè)備排出的熱風(fēng)又被9層吸收，由于進風(fēng)溫度增加，導(dǎo)致設(shè)備的排風(fēng)溫度也增加，下層的排風(fēng)溫度增加，又導(dǎo)致上層設(shè)備的進風(fēng)溫度不斷升高，如此惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致15層進風(fēng)溫度高達44℃，設(shè)備已超過最高允許進風(fēng)溫度（43℃），機組將保護停機。

從速度上分析，熱風(fēng)從設(shè)備排出后，速度逐漸降低，但隨著排氣越來越熱，上升氣流速度越來越大（熱空氣密度比普通溫度空氣小，會自然上升），同時導(dǎo)致外圍的新風(fēng)無法進入，像一床厚厚的被子包裹在設(shè)備外圍空間，最后導(dǎo)致上層設(shè)備只能吸收下層設(shè)備的排風(fēng)，同時排出的空氣也無法及時冷卻，導(dǎo)致上層設(shè)備進風(fēng)溫度也不斷上升，直至達到設(shè)備最高進風(fēng)溫度限值（43℃），無法正常運行。

5 分析結(jié)果

從以上模擬結(jié)果來看，造成部分設(shè)備工況變差的最根本原因是：布置在4層裙樓屋頂?shù)氖彝鈾C排風(fēng)被其上方設(shè)備平臺上的設(shè)備吸入，發(fā)生通風(fēng)短路而引起的，設(shè)備進風(fēng)溫度隨樓層增加而逐漸增加直至超出設(shè)備運行最高允許溫度。因此，避免4層裙樓屋面設(shè)備排風(fēng)被平臺上設(shè)備吸入是解決問題的關(guān)鍵。

建議使用以下辦法：（1）盡量將4層裙樓屋面的室外機布置在其他離平臺設(shè)備較遠的位置。（2）4層屋面的室外機排風(fēng)口處接導(dǎo)風(fēng)管向外側(cè)排風(fēng)，使其排風(fēng)改變方向，可以有效減小發(fā)生氣流短路的情況。

6 結(jié)束語

氣流短路對室外機運行將會有非常不利的影響，可能導(dǎo)致數(shù)百萬或數(shù)千萬的設(shè)備形同虛設(shè)，涉及該類大廈空調(diào)室外機通常解決的策略是：（1）增大百葉間距，盡量使用15度以下的直百葉，減小排風(fēng)阻力，保證一定的排風(fēng)速度，一般控制在5～7m/s，使排出的熱風(fēng)不被進風(fēng)面吸入，盡快將廢熱排向自由空間；（2）加大進風(fēng)空間，使新風(fēng)容易進入，正常情況下，為保證進排風(fēng)順暢，一般進風(fēng)速度需控制在1.5m/s左右，減小進風(fēng)阻力，排風(fēng)速度5.5m/s左右；（3）加大室外機之間縱向或橫向距離，使排出的熱風(fēng)能在空氣中冷卻，吸入溫度降低，減小對上方室外機的影響；（4）如有條件，盡量將進、排風(fēng)口置于不同的建筑立面上，也就是將室外機置于建筑邊角上，有兩面或者三面墻可做百葉。（5）如下層有其他散發(fā)熱源的設(shè)備，減小下層其他散發(fā)熱源的設(shè)備（如空氣源熱泵等）對機組進風(fēng)的影響，如有條件可將其他散發(fā)熱源的設(shè)備設(shè)置導(dǎo)風(fēng)罩等，改變其排風(fēng)方向，降低對空調(diào)機組的影響。（6）如有條件，盡量將設(shè)備擺放在屋頂、避難層、裙樓頂?shù)韧L(fēng)較好的位置，或者上下層設(shè)備置于不同的平臺，從根源上降低發(fā)生熱壓效應(yīng)的可能性。

參考文獻

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