學(xué)生公寓陽臺(tái)空調(diào)室外機(jī)運(yùn)行熱環(huán)境模擬與優(yōu)化*

劉 雨，萬中碩，謝艷萍，張雯琦

（重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

隨著人們生活需求的上升，多聯(lián)機(jī)空調(diào)已在高校學(xué)生公寓建筑中得到普及。學(xué)生公寓空調(diào)外機(jī)大多安裝在陽臺(tái)內(nèi)或側(cè)掛于陽臺(tái)內(nèi)墻，陽臺(tái)有限的空間容易出現(xiàn)熱積聚，導(dǎo)致室外機(jī)運(yùn)行熱環(huán)境惡化，對機(jī)組性能產(chǎn)生不利影響的同時(shí)也影響了學(xué)生公寓陽臺(tái)的使用體驗(yàn)[1-4]。本文以某學(xué)校學(xué)生公寓為例，利用CFD技術(shù)，通過對不同安裝方式下的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，提出改善室外機(jī)運(yùn)行熱環(huán)境的優(yōu)化方案。

1 模擬設(shè)定

1.1 項(xiàng)目概況

該建筑為高校學(xué)生公寓，共七層，層高為3.5 m，陽臺(tái)長2.5 m，寬2m。室外機(jī)尺寸為0.85 m×0.55 m×0.25 m（長×高×厚），室外機(jī)的散熱量為5950w（制冷量3500w，輸入功率2450w），室外機(jī)現(xiàn)有落地式、側(cè)掛式和凹槽+百葉式三種安裝方式。

1.2 CFD模擬設(shè)定

本文采用CFD模擬軟件Airpak進(jìn)行室外機(jī)散熱過程模擬，室外機(jī)散熱過程的流體流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程[5-6]，室外機(jī)排風(fēng)散熱屬于三維不可壓縮湍流的物理過程，描述其流體流動(dòng)的偏微分方程是納維斯托克斯方程，對于湍流流動(dòng)，本文采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型進(jìn)行數(shù)值分析[7-8]并引入布辛涅斯克近似[9]，同時(shí)考慮重力對流體流動(dòng)的影響。本文對部分邊界條件進(jìn)行了簡化，即模擬過程空調(diào)處于夏季全負(fù)荷運(yùn)行工況，忽略輻射和熱傳導(dǎo)的影響，來流邊界條件認(rèn)為是恒定的，設(shè)定室外溫度為32.3 ℃[10]。

2 數(shù)值模擬

2.1 對現(xiàn)有安裝方式的模擬

根據(jù)實(shí)際按鉆過方案建立物理模型進(jìn)如圖1所示（依次為落地式、側(cè)掛式、凹槽式）。

圖1 現(xiàn)有安裝方案的CFD模型

對現(xiàn)有的三種安裝方式進(jìn)行軟件模擬，模擬結(jié)果依次取室外機(jī)排風(fēng)口處縱向溫度分布、陽臺(tái)外立面縱向溫度分布和陽臺(tái)內(nèi)部水平溫度分布如圖2所示。

圖2 現(xiàn)有方案的模擬結(jié)果

從溫度分布可以看出，在現(xiàn)有的三種安裝方式下，室外機(jī)排出的熱風(fēng)一方面會(huì)對自身所處散熱環(huán)境（即陽臺(tái)區(qū)域）產(chǎn)生影響，引起該區(qū)域溫度上升；另一方面在熱力浮升作用的影響下不斷上升，從而對上面一層室外機(jī)所處散熱環(huán)境產(chǎn)生影響，引起其溫度上升[1-4]，且該現(xiàn)象有縱向的累計(jì)效應(yīng)，樓層越高影響越強(qiáng)烈。取排風(fēng)口中心點(diǎn)處溫度，進(jìn)風(fēng)口中心點(diǎn)處溫度和陽臺(tái)主要活動(dòng)區(qū)域溫度（取洗漱臺(tái)0.8 m高度平均溫度）反映以上兩方面作用對各層室外機(jī)散熱環(huán)境的影響，并計(jì)算各監(jiān)測點(diǎn)位累計(jì)平均溫升T*如表1所示。

表1 各監(jiān)測點(diǎn)位溫度逐層變化值

可以看出：三種安裝方案下各監(jiān)測點(diǎn)位溫度均逐層上升，其中落地式安裝方式逐層累計(jì)平均溫升最高，說明熱力浮升作用對該方案下室外機(jī)運(yùn)行熱環(huán)境的影響是主要的；由于側(cè)掛式安裝方案下室外機(jī)排風(fēng)吹向陽臺(tái)內(nèi)，所以主要活動(dòng)區(qū)域溫度和進(jìn)風(fēng)口逐層累計(jì)平均溫升最明顯；對于凹槽式安裝，由于凹槽起到的分隔作用，所以陽臺(tái)主要活動(dòng)區(qū)域的累計(jì)平均溫升相比進(jìn)排風(fēng)口變化并不明顯，但進(jìn)排風(fēng)口累計(jì)平均溫升也較高，說明凹槽和百葉對室外機(jī)運(yùn)行熱環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響。

2.2 提出優(yōu)化方案

通過上一節(jié)的分析可以得出：對落地式安裝，可以通過減弱熱力浮升的縱向累計(jì)作用實(shí)現(xiàn)對室外機(jī)散熱環(huán)境的優(yōu)化；對于側(cè)掛式安裝，考慮改變排風(fēng)方向以改善室外機(jī)散熱環(huán)境[10-11]；而對于凹槽式安裝，則著重考慮百葉的開合角度對室外機(jī)散熱環(huán)境的影響[9，12]制定以下的優(yōu)化方案：對落地式安裝方式采取上下層錯(cuò)位安裝的措施；對側(cè)掛式安裝方式采取增加導(dǎo)流罩以改變排風(fēng)方向的措施；對凹槽式安裝方式，通過從15°到60°每隔15°改變百葉角度，根據(jù)模擬結(jié)果確定最佳百葉角度。

2.3 對優(yōu)化方案的模擬

分別對上節(jié)提出的三種優(yōu)化措施建立CFD模型如圖3所示，進(jìn)行優(yōu)化方案的模擬。

圖3 優(yōu)化方案的CFD模型

圖4為優(yōu)化方案的模擬結(jié)果，各方案模擬結(jié)果取室外機(jī)排風(fēng)口處縱向溫度分布、陽臺(tái)外立面縱向溫度分布和陽臺(tái)內(nèi)部水平溫度分布云圖。

圖4 優(yōu)化方案模擬結(jié)果

其中錯(cuò)位式安裝增加了上下層陽臺(tái)內(nèi)部溫度分布對比。同樣的，對各監(jiān)測點(diǎn)位溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)以便于分析優(yōu)化效果，如表2和表3所示。

表2 不同百葉角度下各監(jiān)測點(diǎn)溫度

表3 落地式和側(cè)裝式優(yōu)化后各監(jiān)測點(diǎn)溫度

2.4 優(yōu)化前后對比

比較優(yōu)化前后各監(jiān)測點(diǎn)位溫度值?？梢缘贸觯簩Π疾凼桨惭b而言，當(dāng)百葉角度不斷變大時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)位的溫度在不斷減小。百葉角度越小，百葉遮蔽能力越強(qiáng)，但冷凝風(fēng)過流面積減小，冷凝風(fēng)容易回流引起凹槽內(nèi)熱堆積，同時(shí)引發(fā)陽臺(tái)內(nèi)部溫度上升；百葉角度越大，百葉遮蔽能力越弱，冷凝風(fēng)過流面積增大，有利于凹槽散熱，考慮到設(shè)置百葉的目的在于防雨擋雨，故百葉角度不能過大，所以最佳角度確定在45°。

對落地式安裝而言，采用錯(cuò)位安裝，不同層數(shù)的監(jiān)測點(diǎn)位溫度下降明顯，這主要是由于錯(cuò)位安裝增大了上下層室外機(jī)間距，減弱了熱力浮升縱向累計(jì)效應(yīng)，從而減弱了其對上下兩層室外機(jī)運(yùn)行熱環(huán)境的影響。

對側(cè)掛式安裝而言，增加導(dǎo)流罩后，各層監(jiān)測點(diǎn)位的溫度明顯減小，這是由于導(dǎo)流罩改變了冷凝風(fēng)吹射方向，使得熱風(fēng)通過陽臺(tái)外立面吹向外部，減少了陽臺(tái)內(nèi)部熱積聚，改善了室外機(jī)運(yùn)行熱環(huán)境。

3 結(jié)論

（1）該模擬優(yōu)化針對實(shí)際建筑，針對該建筑三種不同的外機(jī)安裝方式分析了其問題所在，提出了現(xiàn)有條件下的改進(jìn)建議，對改進(jìn)后的安裝方式也進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果顯示出良好的效果。

（2）對于熱力浮升效應(yīng)的影響，最主要的解決辦法是增大上下兩臺(tái)室外機(jī)的間距，減弱其縱向累積效應(yīng)，本模擬采用的錯(cuò)位安裝形式本質(zhì)上也是如此，要研究最佳距離，需要根據(jù)機(jī)型、建筑形式等綜合考慮，本文沒有深入研究。