建筑凹槽中室外機(jī)安裝條件對(duì)散熱影響的實(shí)驗(yàn)研究

金梧鳳，鄭亞飛，蔣悅波，白賢三

（1.天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300134；2.浙江清華長(zhǎng)三角研究院，浙江 杭州310012；3.樂金電子（天津）有限公司，天津300400）

在現(xiàn)有的建筑中，分體式空調(diào)室外機(jī)常被直接安裝在建筑外立面上，用支架進(jìn)行支撐，這樣的擺放不利于建筑外立面的美觀性，同時(shí)也會(huì)帶來安全隱患．為了克服以上缺陷，建筑設(shè)計(jì)師把空調(diào)室外機(jī)機(jī)位擺放至凹槽內(nèi)，并采用百葉等構(gòu)件進(jìn)行遮蔽，如圖1所示，在這種情況下，空調(diào)室外機(jī)的散熱效果取決于室外機(jī)和墻體,室外機(jī)距百葉之間的距離以及百葉的形式．

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)室外機(jī)的周圍熱環(huán)境進(jìn)行了大量的相關(guān)研究．周德海等人[1]針對(duì)室外風(fēng)速、溫度等影響因素對(duì)凹槽內(nèi)室外機(jī)周圍熱環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，指出室外風(fēng)速對(duì)室外機(jī)散熱影響較大，室外溫度影響較?。故ソ軐?duì)凹槽的高度、寬度、進(jìn)深進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、模擬研究，指出凹槽的進(jìn)深宜大于 90 cm,寬度應(yīng)大于 220 cm，高度大于 70 cm[2]．T.T.Chow[3-5]等人對(duì)放置在建筑凹槽內(nèi)的室外機(jī)的散熱情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，以COP的平均下降值分析了多臺(tái)室外機(jī)的散熱情況．CAC Laboratory, LG Electronics[6]等用數(shù)值方法分析了室外機(jī)距墻體最優(yōu)位置比，同時(shí)分析了最壞的情況．韓國漢陽大學(xué)的Seok-Ho Choi等人[7]針對(duì)建筑凹槽內(nèi)六種不同的室外機(jī)布置方式，通過數(shù)值模擬和數(shù)學(xué)計(jì)算研究了室外自然風(fēng)從正面吹、側(cè)面吹和無室外自然風(fēng)三種情況下冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度及室外機(jī)的COP值和CGPI值，研究表明室外自然風(fēng)從正面吹使得室外機(jī)風(fēng)扇吹出的氣流上升，導(dǎo)致熱空氣進(jìn)入上層設(shè)備，影響上層空調(diào)設(shè)備散熱．美的公司的程卓明[8]用實(shí)驗(yàn)和模擬的方法分析了百葉安裝開度對(duì)夏季空調(diào)運(yùn)行的影響，發(fā)現(xiàn)百葉開度為45°時(shí),室外機(jī)冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度達(dá)到35.9～38.3℃．

可以看出，目前關(guān)于凹槽內(nèi)室外機(jī)周圍熱環(huán)境的研究大多集中在數(shù)值模擬上，側(cè)重于室外環(huán)境對(duì)空調(diào)性能的影響，實(shí)驗(yàn)研究方面對(duì)凹槽的大小、百葉開度進(jìn)行了研究，兩者都沒對(duì)凹槽內(nèi)室外機(jī)最佳安裝位置和凹槽最佳百葉開度進(jìn)行研究．本文以凹槽內(nèi)某型號(hào)室外機(jī)為研究對(duì)象，改變室外機(jī)在凹槽內(nèi)的位置及凹槽的百葉角度，對(duì)室外機(jī)的進(jìn)出口溫度、散熱量及EER并進(jìn)行了研究分析，本研究成果為凹槽內(nèi)室外機(jī)的通用安裝條件研究提供研究方法和基礎(chǔ)依據(jù)．

圖1 凹槽內(nèi)室外機(jī)擺放形式Fig1. The form of the outdoor unit placed in the groove

1 實(shí)驗(yàn)原理與裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

GB/T7725-2004[9]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，有兩種空調(diào)器性能測(cè)試方法：①為平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)法；②為空調(diào)器焓差法．其中，焓差法測(cè)試精度較高，能測(cè)試房間空調(diào)器的制冷能力和制熱能力，另外，還可以針對(duì)房間空調(diào)器季節(jié)節(jié)能能效比測(cè)定間歇啟停狀態(tài)下空調(diào)器的制冷量和輸入功率，因此，本次實(shí)驗(yàn)采用焓差法測(cè)量熱泵型空調(diào)器的制冷性能．空氣焓差法測(cè)試方法包括：室外機(jī)出風(fēng)外接風(fēng)管法、出風(fēng)采樣法、出風(fēng)多點(diǎn)測(cè)試法和室內(nèi)機(jī)空氣焓差法．本文中采用室外機(jī)出風(fēng)多點(diǎn)測(cè)試法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即直接測(cè)試室外機(jī)的進(jìn)、排風(fēng)口位置的多點(diǎn)風(fēng)速、風(fēng)溫，計(jì)算室外機(jī)的散熱量；測(cè)量壓縮機(jī)的功率，兩者之差為該空調(diào)的制冷量．如圖2所示，左邊為室內(nèi)側(cè)測(cè)試房間，右側(cè)為室外側(cè)測(cè)試房間，在做實(shí)驗(yàn)過程中，把室外機(jī)放置在室外側(cè)房間，室內(nèi)機(jī)放置在室內(nèi)側(cè)房間．

圖2 焓差室原理圖Fig.2 Schematic diagram of the enthalpy different laboratory

室外機(jī)散熱量及空調(diào)器制冷量以及能效比可以用下式表示：

式中： Q0室外機(jī)散熱量，W； tc為出口溫度，℃；ti為進(jìn)口溫度，℃；c為空氣比熱容，J/kg·℃；m為質(zhì)量流量，kg/s； Qa為室外機(jī)制冷量，W； PE為壓縮機(jī)輸入功率，W；．EER為制冷性能系數(shù)，W/W．

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

為了得到可控制的室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)環(huán)境，本實(shí)驗(yàn)選擇在天津商業(yè)大學(xué)焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，圖3為焓差實(shí)驗(yàn)室照片，其中包括分別模擬室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境的模擬小室，這兩個(gè)小室相鄰且壁面為保溫墻；焓差室包括兩套用于室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)小室的制冷系統(tǒng)和空氣處理系統(tǒng)，以及自身的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備．實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)焓差實(shí)驗(yàn)室的各個(gè)系統(tǒng)將室內(nèi)側(cè)小室和室外側(cè)小室調(diào)整至所需狀態(tài)．

圖3 焓差實(shí)驗(yàn)室Fig.3 The enthalpy difference lab

實(shí)驗(yàn)裝置中包括室外機(jī)、凹槽和溫濕度傳感器，熱點(diǎn)耦測(cè)點(diǎn)在凹槽內(nèi)，通過數(shù)據(jù)采集裝置連接至室外計(jì)算機(jī)中，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行記錄．本實(shí)驗(yàn)使用厚度為5 mm的三合板代替凹槽結(jié)構(gòu)，封閉百葉采用角度可調(diào)、百葉間距分別為50 mm、100 mm的兩種鋁合金百葉，其尺寸為1400 mm×1100 mm，百葉葉片寬度為50 mm．實(shí)驗(yàn)中選用的空調(diào)器室外機(jī)的型號(hào)為 LS-83541AT,尺寸為 0.72 m×0.23 m×0.483 m(長(zhǎng)×寬×高),制冷量為3 500 W,最大輸入功率1 850 W．

實(shí)驗(yàn)開始前，室外環(huán)境溫度設(shè)為35℃，室內(nèi)機(jī)設(shè)定溫度為18℃，焓差室室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)模擬房間工況達(dá)到穩(wěn)定以后開啟實(shí)驗(yàn)空調(diào)器，待其運(yùn)行 15 min后記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．采用多點(diǎn)風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速，T型熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量，采用功率表測(cè)得輸入功率，結(jié)合以上裝置測(cè)得的數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出室外機(jī)在不同安裝條件工況下的制冷量及EER變化．

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作之前 ，進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值模擬和資料分析[10-13]，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)采用的是典型的家用分體式空調(diào)，冷凝器形狀為L(zhǎng)型，因此室外機(jī)有兩側(cè)進(jìn)風(fēng)口，圖4所示左側(cè)和上側(cè)為進(jìn)風(fēng)口，a點(diǎn)為出風(fēng)口測(cè)點(diǎn)，b和c點(diǎn)為進(jìn)風(fēng)口測(cè)點(diǎn)，d點(diǎn)為凹槽內(nèi)室外機(jī)周圍環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)．圖5為百葉形式，上面已經(jīng)說明，這里不再贅述．

圖4 凹槽內(nèi)室外機(jī)安裝位置Fig.4 Outdoor unit installation position in the groov e

根據(jù)以上分析，制定實(shí)驗(yàn)工況表，見表1．

1.4 研究范圍

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)某一型號(hào)的分體式空調(diào)室外機(jī)進(jìn)行研究，其容量和外形尺寸前面已經(jīng)給出．因?yàn)榭照{(diào)廠家眾多，生產(chǎn)的空調(diào)器類型也相對(duì)較多，而且不同型號(hào)的空調(diào)器性能參數(shù)和室外機(jī)尺寸不同，并且室外機(jī)的散熱強(qiáng)度也是不同的，本研究的范圍限于2.2中描述的某型號(hào)室外機(jī)凹槽內(nèi)安裝條件對(duì)其冷凝器散熱影響的研究，但其研究成果可為凹槽內(nèi)室外機(jī)的通用安裝條件的研究提供研究方法以及基礎(chǔ)性研究依據(jù)．

圖5 百葉形式Fig.5 Louver form

表1 實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Experimental conditions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 室外機(jī)距墻距離的影響

首先研究不同室外機(jī)距墻位置對(duì)室外機(jī)周圍熱環(huán)境的影響，具體實(shí)驗(yàn)工況如表1中A1-A4所示．

圖6 室外機(jī)與墻的距離不同時(shí)室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度Fig.6 Inlet temperature of outdoor unit of different distance from the wall to the condenser

圖7 冷凝器與墻的距離不同時(shí)的散熱量、制冷量、壓縮機(jī)輸入功率以及EERFig.7 Heat dissipating capacity, outdoor unit refrigerating capacity and the input power of the compressor and EER under various conditions

圖6 是對(duì)比工況A1、A2、A3和A4 情況下室外機(jī)進(jìn)口平均溫度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖．可以看出，隨著室外機(jī)距墻距離的增大，室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度顯著減小，當(dāng)L1、L2=80 mm時(shí)，室外機(jī)進(jìn)口平均溫度為42.3℃；當(dāng)增大至100 mm、200 mm、300 mm時(shí)，室外機(jī)進(jìn)口平均溫度分別為 39.3℃、38.3℃、37.2℃，從80 mm至100 mm時(shí)變化比較明顯．從圖7中可以看出隨著間距的增大，散熱量和制冷量也隨之增大，當(dāng)冷凝器距墻距離為300 mm時(shí)，散熱量和制冷量分別比距離為80 mm時(shí)增大了20.2%和30.8%，EER增大了30.4%，這種情況下室外機(jī)散熱最好．

這是因?yàn)楫?dāng)室外機(jī)距墻的距離增大時(shí)，室外機(jī)的回風(fēng)空間隨之增大，室外空氣可以順利的進(jìn)入并與冷凝器進(jìn)行熱交換，因此散熱效果得以優(yōu)化；最高溫度在間距最小時(shí)，最低溫度出現(xiàn)在間距最大時(shí)，而且當(dāng)間距達(dá)到100 mm及以上時(shí)，溫度變化幅度減小，這是因?yàn)楫?dāng)間距很小時(shí)，室外機(jī)的回風(fēng)空間小，進(jìn)口氣流流動(dòng)受到阻礙，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)口的溫度最大，而隨著間距的增大，并達(dá)到一定距離時(shí)，回風(fēng)空間增大，進(jìn)口空氣流通順暢，能有效吸入室外空氣，以致進(jìn)風(fēng)口溫度減小幅度變?。?/p>

從以上分析結(jié)果可知，當(dāng)室外機(jī)與墻的間距大于80 mm時(shí)，溫度變化幅度減小，制冷量和散熱量變化趨勢(shì)減緩，因此從上述分析結(jié)果建議室外機(jī)距墻距離應(yīng)大于80 mm．

2.2 室外機(jī)距百葉距離的影響

下面研究室外機(jī)與百葉之間距離對(duì)室外機(jī)周圍熱環(huán)境的影響，A2、A5為實(shí)驗(yàn)工況．

圖8 室外機(jī)與百葉距離不同時(shí)室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度Fig.8 Inlet temperature of outdoor unit of different distance from the wall to the louver

圖9 室外機(jī)與百葉距離不同時(shí)的散熱量、制冷量、壓縮機(jī)輸入功率以及EERFig.9 Heat dissipating capacity, outdoor unit refrigerating capacity and the input power of the compressor and EER under various conditions

圖8 為對(duì)比工況A2和A5下室外機(jī)平均進(jìn)風(fēng)溫度隨時(shí)間變化的均勢(shì)圖，從圖中可以看出，當(dāng)間距為300 mm時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度最低，平均溫度為37.7℃，間距為100 mm最大，平均溫度為39.3℃，間距為500 mm時(shí)，平均溫度為38.3℃．從圖9中可以看出，EER先升高再減小，出風(fēng)口距百葉為300 mm時(shí)EER比出風(fēng)口距百葉為100 mm時(shí)增大了7.8%；而散熱量和制冷量則呈現(xiàn)先增大后平緩的趨勢(shì)，即出風(fēng)口距百葉為300 mm時(shí)和出風(fēng)口距百葉為500 mm時(shí)，散熱量和制冷量差別很小，可視為無變化．

這是因?yàn)殡S著風(fēng)扇距百葉距離的增大，通風(fēng)空間隨之增大，因此室外機(jī)散熱效果變好，EER增大，但是當(dāng)風(fēng)扇與百葉之間的距離超過某一限值時(shí)，由于室外機(jī)出風(fēng)靜壓有限，室外機(jī)排出的熱氣流不能夠完全排出凹槽，甚至?xí)苯舆M(jìn)入冷凝器造成“氣流短路”現(xiàn)象，造成室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度又呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，所以會(huì)出現(xiàn)EER降低的現(xiàn)象．

從上述分析可以得出室外機(jī)與百葉之間則存在最佳距離，即在300 mm左右時(shí)室外機(jī)散熱效果最好，EER最高．

2.3 百葉形式的影響

為了維持建筑外立面的整齊，室外機(jī)常被安裝在凹槽內(nèi)并以百葉進(jìn)行遮蔽，因此百葉形式對(duì)室外機(jī)周圍的熱環(huán)境同樣起著至關(guān)重要的作用．具體實(shí)驗(yàn)工況如A6和A7所示．

圖10 不同百葉開度下室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度Fig.10 Inlet temperature of outdoor unit of different louver angle

圖 10為不同百葉開度下室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)圖，從圖中可以看出，當(dāng)百葉開度為40°時(shí)，室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度最大，平均溫度為42.3℃，百葉開度為 0°和 30°時(shí)分別為 39.4℃和39.3℃．從圖11中可以看出，散熱量和制冷量隨著百葉開度的增大，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，即百葉開度為30°時(shí)空調(diào)運(yùn)行狀況最好，同時(shí)隨著百葉開度的增大，EER也呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，30°時(shí)比 0°和 40°時(shí) EER 分別增大 0.9%和6.9%．百葉間距為100 mm時(shí)室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度、散熱量、制冷量和EER的變化規(guī)律與50 mm時(shí)類似，故不做詳細(xì)說明．

圖11 不同百葉開度下的散熱量、制冷量、壓縮機(jī)輸入功率和EERFig.11 Heat dissipating capacity, outdoor unit refrigerating capacity and the input power of the compressor and EER under different lover angle

圖12 不同百葉間距下室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度Fig.12 Inlet temperature of outdoor unit of different louver space

圖13 不同百葉間距下的散熱量、制冷量、壓縮機(jī)輸入功率和EERFig.13 Heat dissipating capacity, outdoor unit refrigerating capacity and the input power of the compressor and EER under different lover space

研究不同百葉間距對(duì)室外機(jī)周圍熱環(huán)境的影響，圖12和13所示為百葉開度為30°時(shí)的不同百葉間距下室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度、散熱量、制冷量和EER，從圖中可以看出百葉間距為50 mm時(shí)室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度遠(yuǎn)大于間距為100 mm時(shí)的進(jìn)風(fēng)溫度，即隨著百葉間距的增大，室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度顯著降低，散熱量、制冷量和EER也隨之升高，其中EER約上升15.3%．百葉角度為0°和40°時(shí)各參數(shù)的變化規(guī)律相似，在此不做贅述．

以上種工況下導(dǎo)致的不同散熱量及制冷量是因?yàn)槭彝鈾C(jī)排出的熱風(fēng)需要經(jīng)過百葉排放到大氣中，如果百葉開度過大，排出的熱風(fēng)將與百葉進(jìn)行碰撞，使得排風(fēng)能量減小，造成部分熱氣流堵塞在凹槽內(nèi)，甚至發(fā)生回流現(xiàn)象，影響室外機(jī)散熱；而百葉間距的增大則會(huì)使排風(fēng)空間變大，室外機(jī)的通風(fēng)狀況得到改善，進(jìn)而使得空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況得以優(yōu)化．

從上述分析結(jié)果可以得出，當(dāng)百葉開度設(shè)為30°左右時(shí)散熱效果最好，同時(shí)在選擇百葉時(shí)，百葉間距滿足美觀要求的前提下越大越好．

3 結(jié)論

本文針對(duì)某一型號(hào)家用分體式空調(diào)室外機(jī)，以其在凹槽內(nèi)的周圍熱環(huán)境為切入點(diǎn)，對(duì)影響其周圍熱環(huán)境的安裝位置及百葉形式進(jìn)行分析，得出了以下結(jié)論：

(1)室外機(jī)與墻之間距離越大，室外機(jī)散熱效果越好，能效比越高，結(jié)合凹槽占用面積，建議室外機(jī)距墻距離應(yīng)大于80 mm；

(2)風(fēng)扇與百葉之間則存在最佳距離，即在300 mm左右時(shí)室外機(jī)的散熱效果最好，EER最高．

(3)當(dāng)百葉間距一定時(shí)，存在著最佳百葉角度，即30°左右時(shí)空調(diào)能效比最高；隨著百葉間距的增大，室外機(jī)的散熱量、制冷量和能效比也隨之增大，因此建議住宅用空調(diào)系統(tǒng)在不影響建筑外立面美觀性的前提下，盡量增大百葉的間距，并使百葉角度維持在30°左右．

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