避難層室外機(jī)布置方式對(duì)熱環(huán)境的影響研究

薛覆陸,姚桂菊,黃志祥,李 麗,周孝清

(廣州大學(xué)建筑節(jié)能研究院廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州510006)

0 引 言

變制冷劑流量 (VRV)空調(diào)系統(tǒng)目前被廣泛應(yīng)用于高層住宅及辦公樓。制冷工況下,室外機(jī)換熱器依靠空氣冷凝制冷劑蒸汽,其產(chǎn)生的熱空氣使其工作環(huán)境溫度升高,影響冷凝效果,室外機(jī)換熱器的冷凝溫度提高1℃,系統(tǒng)的COP值降低3%,機(jī)組制冷能力下降,系統(tǒng)能耗增加。熱氣流排放到大氣中亦會(huì)改變建筑周圍大氣熱環(huán)境,形成局部地區(qū)的 “熱島效應(yīng)”。

怎樣保證VRV空調(diào)系統(tǒng)良好的工作性能,降低對(duì)建筑周圍大氣的熱環(huán)境的影響,合理布置室外機(jī)位置,優(yōu)化氣流組織是重要的改善措施之一。革非、畢海泉等[10]研究安裝在多層建筑設(shè)備陽(yáng)臺(tái)內(nèi)室外機(jī)周圍的氣流速度和溫度分布及室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度,分析浮升力因素對(duì)室外機(jī)散熱的影響,并給出如何合理布置的建議;陳大宏[9]等分析多層住宅建筑室外機(jī)排出的冷凝熱受浮升力作用而形成的流動(dòng)模式、特性及其對(duì)上層空調(diào)設(shè)備運(yùn)行的影響。Chow[2]等研究了高層建筑中安裝在凹角內(nèi)的室外機(jī)散熱情況及其周圍環(huán)境溫度,考慮熱氣流浮升力影響因素,分析建筑的凹角形狀對(duì)空調(diào)設(shè)備制冷能力的影響。

對(duì)室外機(jī)布置方式的探討,研究者大多考慮熱氣流浮升力作用對(duì)室外機(jī)制冷能力的影響,即在浮升力作用下,下層的室外機(jī)釋放的熱空氣上升到上層空間,加熱上層空氣溫度,使上層室外機(jī)進(jìn)口端吸入了較高溫度的空氣,為獲得相同制冷效果,需要消耗更多的電能。在某些極端場(chǎng)合,可能因過高的冷凝溫度而觸發(fā)壓縮機(jī)的安全保護(hù)裝置,造成空調(diào)設(shè)備運(yùn)行的中斷。因此,熱氣流浮升力作用對(duì)于布置室外機(jī)尤其是對(duì)于逐層分散安裝在多層建筑的設(shè)備陽(yáng)臺(tái)或是凹角內(nèi)的室外機(jī)來(lái)說,是尤為重要的考慮因素。目前越來(lái)越多的高層建筑出現(xiàn),高層建筑中特有的避難層越來(lái)越多被作為室外機(jī)的安放位置,對(duì)于集中布置在建筑避難層或類似開敞空間的室外機(jī)來(lái)說,建筑的布局、環(huán)境主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速對(duì)室外機(jī)良好的散熱起著至關(guān)重要的作用,應(yīng)該被列入布置方案的考慮范疇。

本文以深圳市某商住樓項(xiàng)目為例,應(yīng)用CFD計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法,結(jié)合建筑布局、環(huán)境主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速等因素分析布置在高層建筑避難層的室外機(jī)周圍的氣流流動(dòng)和傳熱情況,分析并優(yōu)化室外機(jī)的布置方案,改善室外機(jī)工作環(huán)境及周圍大氣熱環(huán)境,降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。

1 工程概況

深圳市某商住樓建筑群,包括六座辦公塔樓、一座架空商業(yè)連廊以及一座住宅樓,選取其中一棟辦公塔樓 (五號(hào)樓)作為分析對(duì)象,其建筑高度為174.9m,地上共42層,其中第16層和第30層為避難層,標(biāo)高分別為63.8m和120.8m。

項(xiàng)目選用變制冷劑流量 (VRV)空調(diào)系統(tǒng),欲將空調(diào)室外機(jī)布置在避難層內(nèi),單臺(tái)室外機(jī)型號(hào)為16HP,室外機(jī)出風(fēng)量為15000m3/h,制冷量45kW,制冷時(shí)額定功率15.9kW;按額定工況COP計(jì)算,室外機(jī)的冷凝熱是60.9kW,體積熱源為38976W/m3。室外機(jī)組合成模塊放置,將模塊均勻放置在避難層?xùn)|西兩端,本文對(duì)此種布置方式稱為方案一(參照?qǐng)D2)。模塊內(nèi)部室外機(jī)的具體組合形式已給定并具有相應(yīng)隔離措施,本文忽略熱氣流對(duì)模塊內(nèi)部室外機(jī)的影響,將室外機(jī)組合成的模塊作為單元分析對(duì)象,討論在夏季制冷工況下,室外機(jī)的擺放位置對(duì)工作環(huán)境及外界大氣環(huán)境的影響。

2 數(shù)值模擬理論模型

將室外機(jī)設(shè)定為內(nèi)熱源?；诳諝馕闪魈匦缘奈⒂^解析,采用平均湍流能量模型—k-ε雙方程湍流模型求解方程組[3]。由于熱浮力的作用不能忽略,采用boussinesq假設(shè)[2]?？刂品匠探M如下所示:

模型常數(shù)分別為:C1ε=1.44 C2ε=1.92 C3ε=1 Cμ=0.09 σk=1.0 σε=1.3

3 模擬及分析

3.1 方案一模擬

深圳室外計(jì)算干球溫度35℃,室外濕球溫度27.9℃,室外平均風(fēng)速2.1m/s,夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng),其中7～8月多為西南風(fēng),頻率小于13%。

參照深圳市夏季氣象參數(shù)以及風(fēng)玫瑰圖,確定模擬的工況為:東南風(fēng)環(huán)境風(fēng)速2.1m/s、西南風(fēng)環(huán)境風(fēng)速2.1m/s。風(fēng)玫瑰圖見圖1。

圖1 深圳風(fēng)玫瑰圖

3.1.1 東南風(fēng)環(huán)境風(fēng)速2.1m/s的條件下

室外機(jī)冷凝器排出高于環(huán)境溫度的熱空氣,如圖3右下角小圖所示,熱氣流對(duì)一～四號(hào)樓以及六號(hào)樓均無(wú)影響,但對(duì)七號(hào)樓略有影響,使七號(hào)樓周圍環(huán)境溫度升高至41℃。

避難層?xùn)|側(cè)熱氣流回流到避難層內(nèi)部,回流向避難層內(nèi)部擴(kuò)散距離6m,受此熱氣回流的影響,避難層?xùn)|側(cè)進(jìn)深6m范圍內(nèi)的環(huán)境平均溫度43℃。西側(cè)處于背風(fēng)向,室外機(jī)出風(fēng)口射流明顯,氣流在東南風(fēng)影響下排向樓體外部,無(wú)回流現(xiàn)象。室外機(jī)熱氣流的具體參數(shù)見表1。

表1 方案一室外機(jī)熱氣流對(duì)避難層的影響 (東南風(fēng)情況)——以16F避難層為例

對(duì)于室外機(jī)來(lái)說,當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度超過20℃時(shí),制冷量隨著溫度的升高而降低,輸入功率大幅度增加。因此當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度過高,增加能耗,對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。制冷工況下,室外機(jī)的允許進(jìn)風(fēng)溫度為10～43℃[11],圖2為室外機(jī)制冷量及輸入功率隨進(jìn)風(fēng)溫度變化的曲線圖[11]。

圖2 室外機(jī)制冷量及輸入功率歲進(jìn)風(fēng)溫度的變化

由圖2可知,室外機(jī)布置使室外機(jī)工作環(huán)境溫度即機(jī)組進(jìn)口溫度達(dá)到43～46℃,室外機(jī)工作效率降低,甚至?xí)闺妱?dòng)機(jī)保護(hù)性停機(jī)。

3.1.2 西南風(fēng)環(huán)境風(fēng)速2.1m/s的條件下

模擬方案一中室外機(jī)在環(huán)境風(fēng)速2.1m/s的西南風(fēng)情況下對(duì)熱環(huán)境的影響,避難層?xùn)|側(cè)室外機(jī)排出的熱氣流很好地?cái)U(kuò)散到大氣中,基本無(wú)縱向擴(kuò)散,五號(hào)樓位于建筑群東北角,室外機(jī)散熱對(duì)其他建筑無(wú)影響。

五號(hào)樓西面各標(biāo)準(zhǔn)層壁面附近有大量的熱氣流聚集,該熱氣流溫度在37.2～41℃之間,這一現(xiàn)象是因?yàn)槭艿搅?hào)樓室外機(jī)的散熱影響。六號(hào)樓位于五號(hào)樓的西南方向,其室外機(jī)放置在樓內(nèi)三個(gè)避難層內(nèi),其標(biāo)高分別為27.4m、88.2m、145.2m,三個(gè)避難層內(nèi)的室外機(jī)熱氣流在西南風(fēng)作用下吹向五號(hào)樓的西面,如圖3所示。

表2所示為西南風(fēng)情況下室外機(jī)的相關(guān)參數(shù)。

因此,在風(fēng)頻較低的西南風(fēng)情況下,方案一使避難層環(huán)境溫度即機(jī)組進(jìn)口溫度升高至40℃,室外機(jī)工作效率明顯降低。

表2 方案一室外機(jī)熱氣流對(duì)避難層的影響 (西南風(fēng)情況)——以 16F為例

圖3 六號(hào)樓熱氣流對(duì)五號(hào)樓的影響情況(西南風(fēng)情況)

3.2 分析與改進(jìn)

(1)分析

根據(jù)模擬結(jié)果,東南風(fēng)情況下,七號(hào)樓環(huán)境溫度升高;西南風(fēng)情況下,避難層西側(cè)內(nèi)部,環(huán)境溫度升高。這與五號(hào)樓的建筑布局有直接關(guān)系,五號(hào)樓位于建筑群的東北角,與位于其西邊的七號(hào)樓距離較近,直線距離約為24m,其西南方是六號(hào)樓,與五號(hào)樓對(duì)角線距離約為47m。于是,在主導(dǎo)風(fēng)向東南風(fēng)下,五號(hào)樓西側(cè)室外機(jī)產(chǎn)生的熱氣流會(huì)向七號(hào)樓蔓延,在風(fēng)頻較低的西南風(fēng)下,來(lái)自六號(hào)樓的熱流會(huì)吹向五號(hào)樓,因此,室外機(jī)應(yīng)該避免安放在避難層的西側(cè)。結(jié)合環(huán)境風(fēng)向、風(fēng)速的作用來(lái)分析,東南風(fēng)影響熱流向北部蔓延擴(kuò)散,隨著風(fēng)力衰減,熱流會(huì)在東北側(cè)慢慢積聚,于是東北側(cè)環(huán)境溫度較高,不利于室外機(jī)散熱效果及制冷能力,因此室外機(jī)應(yīng)該避免放置在東北側(cè)。

(2)方案改進(jìn)

考慮建筑布局、主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速的影響,結(jié)合避難層北側(cè)略寬于南側(cè)的梯形形狀,將室外機(jī)均勻放置在南、北兩側(cè),其余四組機(jī)組放置在避難層?xùn)|南角,形成方案二。

在東南風(fēng)2.1m/s條件下,熱氣流向西北方向散去,熱氣流空氣團(tuán)邊界與七號(hào)樓間距達(dá)11.2m,使得熱氣流冷卻而不影響七號(hào)樓的熱環(huán)境;避難層?xùn)|南側(cè)和南側(cè),熱氣流有部分回流,東南側(cè)環(huán)境平均溫度升高到36.2℃,南側(cè)環(huán)境平均溫度升高到38℃,北側(cè)為背風(fēng)向,東南風(fēng)將熱氣流吹向外界大氣,受到東南側(cè)室外機(jī)排出的熱氣流向北貼壁流動(dòng)現(xiàn)象的影響,北側(cè)環(huán)境平均溫度37.8℃。室外機(jī)的具體參數(shù)如表3所示,相較于方案一,方案二的環(huán)境溫升僅達(dá)到38℃,室外機(jī)工作效率提高。

(3)方案對(duì)比

方案一中五號(hào)樓的熱氣流影響七號(hào)樓外界大氣的熱環(huán)境,六號(hào)樓的熱氣流使五號(hào)樓外界大氣的熱環(huán)境變差,方案二的布置避免了上述影響。

圖4為東南風(fēng)情況下方案一與方案二的熱流流場(chǎng)對(duì)比圖。

兩套方案對(duì)避難層內(nèi)的環(huán)境影響對(duì)比見表4。

表3 方案二室外機(jī)熱氣流對(duì)避難層的影響 (東南風(fēng)情況)——以 16F為例

表4 兩套布置方案對(duì)避難層工作環(huán)境的影響(東南風(fēng)2.1m/s)

圖4 方案一與方案二的對(duì)比——東南風(fēng)情況

4 結(jié)論

本文討論通過合理布置室外機(jī),設(shè)計(jì)科學(xué)合理的氣流組織,減少對(duì)建筑熱環(huán)境的影響和破壞,使室外機(jī)進(jìn)行良好散熱,保證室外機(jī)良好的制冷能力。對(duì)于安裝在高層建筑避難層或類似高大開敞空間的室外機(jī)來(lái)說,欲設(shè)計(jì)合理的布置方案,要著重考慮建筑布局、環(huán)境主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速對(duì)熱氣流擴(kuò)散的影響。

以本文實(shí)例來(lái)說,由上文可知,五號(hào)樓位于建筑群的東北角,與位于其西邊的七號(hào)樓直線距離約為24m,其西南方是六號(hào)樓,二者對(duì)角線距離約為47m,于是五號(hào)樓避難層西側(cè)在主導(dǎo)風(fēng)向東南風(fēng)情況下,對(duì)七號(hào)樓的熱環(huán)境產(chǎn)生影響,在風(fēng)頻較低的西南風(fēng)情況下,五號(hào)樓西側(cè)受到六號(hào)樓的熱氣流影響。為降低室外機(jī)對(duì)五號(hào)樓熱環(huán)境的影響程度,室外機(jī)避免安放在西向,而是安放在南北向。在主導(dǎo)風(fēng)向東南風(fēng)影響下,熱氣流向北側(cè)蔓延擴(kuò)散,逐漸在東北側(cè)積聚,東北側(cè)環(huán)境溫度高于東南側(cè),因此考慮風(fēng)速和風(fēng)向的作用后,室外機(jī)盡量避免布置在東北側(cè)。

通過模擬結(jié)果的分析,我們發(fā)現(xiàn),建筑布局的規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)建筑熱環(huán)境的影響也是很大的,建筑間距要做綜合考慮,不僅僅要符合規(guī)范要求,還要考慮建筑之間間距的大小是否會(huì)使建筑的熱環(huán)境受到其他建筑的影響,如上文討論分析,五、六、七號(hào)樓間距存在問題,建筑熱環(huán)境遭到破壞,不僅建筑自身的能耗增加,而且降低室外機(jī)工作能力,引起設(shè)備能耗的增加。所以設(shè)計(jì)師在規(guī)劃建筑布局時(shí),要考慮建筑熱環(huán)境的因素,借助數(shù)值分析手段,適當(dāng)增大建筑間距,盡量避免建筑熱環(huán)境遭到破壞。

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