基于CFD的高層建筑空調(diào)外機(jī)熱環(huán)境優(yōu)化研究

劉權(quán)熠

中國建筑設(shè)計研究院有限公司

近年來，隨著人們對舒適性要求的提升，家用空調(diào)尤其是戶式多聯(lián)機(jī)得到了快速的發(fā)展。伴隨著戶式多聯(lián)機(jī)一拖二到一拖十六等匹配居家戶型以及小型辦公場所系列產(chǎn)品的推出，加上城市樓盤戶外空調(diào)外機(jī)擺放位置的標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一管理，越來越多的家庭也開始選用多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)。多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)不同于簡單的家用一拖一空調(diào)，除了需要考慮冷媒的合理分配以及配管長度衰減等問題外，合理布置和優(yōu)化分析室外機(jī)的熱環(huán)境也是保證多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)良好運(yùn)行的重要條件。本文以蘇州金雞湖CBD辦公區(qū)某超高層辦公建筑為例，利用CFD軟件，對影響空調(diào)外機(jī)排風(fēng)熱環(huán)境的各種因素進(jìn)行分析并對分析結(jié)果進(jìn)行合理優(yōu)化，為類似的高層建筑空調(diào)外機(jī)布置，提供參考。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于蘇州金雞湖CBD辦公區(qū)，總建筑面積166796.80 m2，地下4層，地上54層，建筑高度249.90 m。地下4層為停車場，地面1-6層商業(yè)裙房，7-54層為辦公樓。沒有統(tǒng)一安裝中央空調(diào)，辦公樓內(nèi)各租賃企業(yè)各自獨(dú)立安裝空調(diào)系統(tǒng)。

2 空調(diào)系統(tǒng)

項(xiàng)目功能為辦公、商業(yè)、地下車庫及配套設(shè)施，本項(xiàng)目僅研究辦公場所即7～54層采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)樓層。該樓層每層空調(diào)面積約1800 m2，共分為8個單元對外出租，即每個單元設(shè)一套獨(dú)立多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)。室外機(jī)統(tǒng)一放置在每一層的專用天臺，作為機(jī)房，與該層其他辦公室通過門墻隔斷。每層設(shè)置一臺新風(fēng)機(jī)組。

3 室外機(jī)熱環(huán)境優(yōu)化分析

由于城市高層建筑室外追求統(tǒng)一的造型及市容整潔，設(shè)計中需要處理好空調(diào)系統(tǒng)室外機(jī)排熱要求與建筑立面效果追求的矛盾[1]，本文中的項(xiàng)目大樓每層單獨(dú)設(shè)置了天臺情況稍好，很多大樓為了追求建筑立面效果，空調(diào)室外機(jī)全部集中放置在樓頂，室外機(jī)間隔小，通風(fēng)換熱極其不暢。

通常情況下，高層建筑的空調(diào)室外熱環(huán)境通常存在以下問題：

①進(jìn)出風(fēng)短路，如室外機(jī)密度過高，造成進(jìn)風(fēng)溫度升高。

②外機(jī)面板格柵面積或建筑構(gòu)件遮擋，如為了追求建筑立面效果而統(tǒng)一設(shè)置的圍墻欄桿等，影響室外機(jī)換熱。

③下層室外機(jī)出風(fēng)影響上層室外機(jī)散熱。

本文以中間層第30層空調(diào)室外機(jī)天臺為例，室外機(jī)布置圖如圖1，利用CFD軟件對室外機(jī)是否安裝排風(fēng)管、外機(jī)面板格柵通透率等進(jìn)行分析，為改善室外機(jī)熱環(huán)境提供參考。

圖1 第30層空調(diào)室外機(jī)天臺布置圖

3.1 室外機(jī)設(shè)置排風(fēng)管分析

在實(shí)際生活中，為了節(jié)省成本起見，幾乎所有的家用空調(diào)室外機(jī)都沒有考慮設(shè)置排風(fēng)管。但是對于大型多聯(lián)機(jī)空調(diào)外機(jī)尤其是很多臺外機(jī)擺放在一個天臺上的實(shí)際應(yīng)用場景來說，適當(dāng)?shù)呐棚L(fēng)管還是很有必要的。本文設(shè)計每臺室外機(jī)的排風(fēng)通過750 mm×1000 mm風(fēng)管接入靜壓箱后排出室外，采用CFD模擬軟件，對室外機(jī)有無設(shè)置排風(fēng)管的天臺環(huán)境溫度、排風(fēng)縱向溫度分布進(jìn)行分析得出結(jié)果如圖2～3所示。

圖2 有無排風(fēng)管情況下的天臺環(huán)境溫度分布對比

圖3 有無排風(fēng)管情況下的室外機(jī)排風(fēng)縱向溫度分布對比

從圖3可以看出：室外機(jī)未設(shè)置排風(fēng)管時，天臺地面溫度較高，與之對應(yīng)的地面以上環(huán)境溫度也高，空調(diào)的室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度高，換熱效果差，隨著空調(diào)室外機(jī)的持續(xù)運(yùn)行，換熱效果持續(xù)變差，帶來室內(nèi)的制冷效果變差，影響用戶舒適性。

室外機(jī)增加排風(fēng)管后，天臺地面及環(huán)境溫度有了明顯的改善，環(huán)境溫度降低5 ℃左右，能夠有效地改善空調(diào)室外機(jī)的換熱效果。

室外機(jī)未設(shè)置排風(fēng)管時，室外機(jī)縱向排風(fēng)除了整體溫度較高之外，縱向溫度分布混亂，上下兩層氣流相互干擾情況非常明顯；

室外機(jī)增加排風(fēng)管后，室外機(jī)縱向排風(fēng)整體溫度降低3～5 ℃，空間溫度分布更加合理，同時，室外機(jī)縱向排風(fēng)有更好的氣流組織，上下兩層氣流相互干擾明顯降低。

3.2 空調(diào)外機(jī)面板格柵優(yōu)化分析

多聯(lián)機(jī)的空調(diào)外機(jī)，沿用了家用一拖一小機(jī)型的設(shè)計，考慮到防止落葉等雜物飄入、小孩子觸碰安全等等因素，面板格柵密度大，實(shí)際有效通風(fēng)率不高。而本文中的多聯(lián)機(jī)空調(diào)室外機(jī)，放置在6層以上的專用天臺，用門墻隔開，面板格柵密度完全不需要太高，因此，本文采用CFD模擬軟件，對空調(diào)室外機(jī)面板格柵的通風(fēng)透過率50%和75%的情況分別進(jìn)行排風(fēng)管溫度分布和排風(fēng)氣流組織分析，如圖4～5所示。

圖4 室外機(jī)排風(fēng)管溫度分布

圖5 室外機(jī)排風(fēng)管氣流組織分布

從圖4～5可以得出：

①在空調(diào)室外機(jī)面板格柵通風(fēng)透過率為50%時，排風(fēng)口壓力較大，排風(fēng)阻力大，風(fēng)向轉(zhuǎn)變快。當(dāng)空調(diào)室外機(jī)面板格柵通風(fēng)透過率為75%時，排風(fēng)口壓力明顯減小，排風(fēng)阻力減小，從而排風(fēng)較為順暢，排風(fēng)換熱量增加。

②在空調(diào)室外機(jī)面板格柵通風(fēng)透過率為50%時，室外機(jī)排熱不暢，室外機(jī)周邊環(huán)境溫度較高。當(dāng)空調(diào)室外機(jī)面板格柵通風(fēng)透過率為75%時，室外機(jī)排熱得到較大改善，室外及周邊環(huán)境溫度明顯下降2～3 ℃。

③在空調(diào)室外機(jī)面板格柵通風(fēng)透過率為50%時，室外機(jī)上下層的排風(fēng)速度不一致，上下混風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致溫度不均勻，局部溫度較高。而當(dāng)空調(diào)室外機(jī)面板格柵通風(fēng)透過率為75%時，室外機(jī)上下層的排風(fēng)速度基本一致，上下混風(fēng)現(xiàn)象基本消除。

4 結(jié)語

隨著多聯(lián)機(jī)空調(diào)越來越受到人們的親睞，多聯(lián)機(jī)空調(diào)的換熱效果也逐漸引起人們的重視?？照{(diào)室外機(jī)的換熱受到環(huán)境溫度、室外風(fēng)環(huán)境、建筑立面效果等多種因素制約，采用傳統(tǒng)設(shè)計方法較難進(jìn)行綜合判斷。本文采用CFD分析軟件對室外熱環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得出以下結(jié)論：

1）很多大樓為了追求建筑立面效果，空調(diào)室外機(jī)全部集中放置在樓頂或每一層的天臺，室外機(jī)間隔小，通風(fēng)換熱極其不暢，嚴(yán)重時甚至影響空調(diào)室內(nèi)制冷制熱效果，因此，空調(diào)室外機(jī)增加設(shè)置排風(fēng)管是非常有必要的。

2）本文CFD模擬分析結(jié)果顯示，空調(diào)室外機(jī)增加排風(fēng)管后，室外機(jī)周邊環(huán)境溫度整體下降5 ℃左右，空間溫度分布更加合理，同時，室外機(jī)縱向排風(fēng)有更好的氣流組織，上下兩層氣流相互干擾明顯降低。

3）本文CFD模擬分析結(jié)果顯示，當(dāng)空調(diào)室外機(jī)面板格柵通風(fēng)透過率為75%時，排風(fēng)口壓力明顯減小，排風(fēng)阻力減小，從而排風(fēng)較為順暢，排風(fēng)換熱量增加，同時室外機(jī)排熱得到較大改善，室外及周邊環(huán)境溫度明顯下降2～3 ℃，室外機(jī)上下層的排風(fēng)速度基本一致，上下混風(fēng)現(xiàn)象基本消除。

因此，空調(diào)室外機(jī)增加設(shè)置排風(fēng)管以及適當(dāng)提高室外機(jī)面板格柵通風(fēng)透過率，能較好地改善空調(diào)室外機(jī)熱環(huán)境，提高換熱效率，從而節(jié)能減排，提升空調(diào)室內(nèi)舒適度。在以后類似的高層建筑空調(diào)外機(jī)布置中，可以借鑒。