采用孔板遮蔽對室外機(jī)熱環(huán)境影響分析

廖勇坤

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州，510010）

0 引言

隨著高層住宅的建設(shè)日益成熟，在建筑設(shè)計(jì)時(shí)不僅注重使用性與功能性，對建筑外立面的整潔度的要求也日益提高，往往會(huì)在外墻設(shè)置凹槽，預(yù)留室外機(jī)的位置于凹槽內(nèi)。有的建筑為了美觀，會(huì)對家用空調(diào)室外機(jī)進(jìn)行遮蔽，常見的遮蔽物為格柵及百葉。但越來越多的建筑設(shè)計(jì)要求遮蔽物與建筑風(fēng)格更加融合，提出使用穿孔鋁板或土建孔板等作為室外機(jī)的遮蔽?？照{(diào)室外機(jī)通風(fēng)不暢會(huì)導(dǎo)致空調(diào)的能耗升高，以及進(jìn)氣溫度升高導(dǎo)致空調(diào)保護(hù)停機(jī)。因此，研究孔板遮蔽下的空調(diào)運(yùn)行情況，可對空調(diào)室外機(jī)孔板遮蔽的穿孔率及室外機(jī)安裝方式提供依據(jù)。

圖1 各類孔板裝飾面示意圖

1 工程概況

家用空調(diào)最常規(guī)使用的型號為1HP與2HP，為考慮最不利的情況，對2HP的進(jìn)行分析。處于建筑美觀的考慮，將室外機(jī)安裝于凹槽內(nèi)，外部采用孔板遮蔽，設(shè)備安裝空間為1.4m（長）×0.6m（寬）×1.2m（高）。某品牌2HP室外機(jī)的散熱量為6.6kW，風(fēng)扇排風(fēng)量為2200CMH，室外機(jī)尺寸為840mm（長）×327mm（寬）×550mm（高）。具體安裝定位如下圖：

圖2 本工程室外機(jī)安裝示意圖

2 CFD模擬設(shè)計(jì)思路

模擬分析時(shí)的室外溫度取標(biāo)準(zhǔn)工況下干/濕球溫度為35℃/24℃，在空調(diào)制冷的工況下先按不設(shè)置孔板遮蔽直通室外時(shí)，對室外機(jī)的熱環(huán)境進(jìn)行分析，判斷在此安裝條件下，室外機(jī)的最優(yōu)運(yùn)行性能。再分別對孔板的穿孔率25%、50%、75%三種情況進(jìn)行熱環(huán)境的分析，判斷室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度是否超過空調(diào)出廠規(guī)定的室外溫度連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍10～46℃。在確定進(jìn)風(fēng)溫度不超過46℃，空調(diào)可以正常運(yùn)行的情況下，進(jìn)一步探討孔板遮蔽對空調(diào)能效的影響。根據(jù)劉偉雄等人的研究，當(dāng)室內(nèi)溫度設(shè)置在26℃時(shí)的運(yùn)行能效與室外空氣干球溫度的線性回歸關(guān)系為y=-0.0834x+6.5368，此處的室外空氣干干球溫度近似與室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度。

3 模型設(shè)計(jì)

3.1 模型參數(shù)

根據(jù)室外機(jī)凹槽及室外機(jī)外形的尺寸，建立模型，凹槽的四周均為絕熱的隔板。為更好地劃分網(wǎng)格，穿孔率25%的孔板單個(gè)孔尺寸為0.1m×0.1m，穿孔率50%的孔板單個(gè)孔尺寸為0.15m×0.15m，穿孔率75%的孔板單個(gè)孔尺寸為0.18m×0.18m，孔洞按照相應(yīng)的穿孔率均勻分布。根據(jù)2HP室外機(jī)排風(fēng)量及出口尺寸，計(jì)算出排風(fēng)風(fēng)速為2.5m/s。模型設(shè)計(jì)如下：

圖3 25%穿孔率室外機(jī)CFD模型圖

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量對CFD計(jì)算精度和計(jì)算效率及收斂性有重要影響。對于復(fù)雜的CFD問題，網(wǎng)格生成極為耗時(shí)且極易出錯(cuò)，生成網(wǎng)格所需要的時(shí)間常常大于實(shí)際CFD計(jì)算的時(shí)間。因此，在劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)該把網(wǎng)格細(xì)密的程度直接與物理量在計(jì)算區(qū)域內(nèi)的變化進(jìn)行統(tǒng)一考慮。同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件條件，對模型的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行范圍控制。

本次研究的室外機(jī)尺寸為840mm（長）×327mm（寬）×550mm（高），網(wǎng)格劃分控制在網(wǎng)格大小為0.15*0.15*0.15m。對孔板進(jìn)行局部的加密，孔口周圍網(wǎng)格尺寸控制在0.05m。經(jīng)檢驗(yàn)Face alignment和Quality均接近1，說明網(wǎng)格質(zhì)量良好。網(wǎng)格如下：

圖4 25%穿孔率孔板處網(wǎng)格示意圖

圖5 25%穿孔率室外機(jī)剖面網(wǎng)格示意圖

3.3 其他設(shè)置

1）模擬過程把室內(nèi)空氣視為透明介質(zhì)。

2）氣流為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

3）湍流計(jì)算模型采用RNG k-ε模型，k-ε模型為工程流場計(jì)算中主要的工具，有適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)、合理的精度等優(yōu)點(diǎn)，RNG模型在ε方程中加了一個(gè)條件，更是有效的改善了精度。

4）連續(xù)性方程和動(dòng)量方程收斂精度為0.001，能量方程收斂精度為1e-6 。

4 CFD模擬分析

通過模擬結(jié)果可知，室外機(jī)在35℃的環(huán)境溫度下，不設(shè)置孔板遮蔽時(shí)，室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度為35.2℃，通風(fēng)條件充足，室外機(jī)能在近于標(biāo)準(zhǔn)的工況下運(yùn)行。

圖6 不設(shè)置孔板遮蔽剖面溫度場

圖7 不設(shè)置孔板遮蔽進(jìn)風(fēng)側(cè)溫度場

在設(shè)置孔板遮蔽的情況下，由于受到外側(cè)孔板遮擋的影響，進(jìn)風(fēng)溫度急劇升高，假使室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度超過限值仍能繼續(xù)運(yùn)行，25%、50%、75%的穿孔率下，進(jìn)風(fēng)溫度分別為72.1℃、49.4℃、39.2℃。25%和50%穿孔率下，超過了室外機(jī)的持續(xù)運(yùn)行溫度限值46℃，室外機(jī)停機(jī)不能正常運(yùn)行。75%的穿孔率下，進(jìn)風(fēng)溫度分別為39.2℃。由運(yùn)行能效與室外空氣干球溫度的線性回歸關(guān)系y=-0.0834x+6.5368得，室外機(jī)能效比為3.27，比不設(shè)置孔板遮蔽時(shí)能效降低了10%。

圖8 25%穿孔率剖面溫度場

圖9 25%穿孔率進(jìn)風(fēng)側(cè)溫度場

圖10 50%穿孔率剖面溫度場

圖11 50%穿孔率進(jìn)風(fēng)側(cè)溫度場

圖12 75%穿孔率剖面溫度場

圖13 75%穿孔率進(jìn)風(fēng)側(cè)溫度場

為研究保證室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度不超過46℃時(shí)，孔板穿孔率的極限值，增加對60%、65%穿孔率孔板的室外機(jī)熱環(huán)境模擬，模擬結(jié)果顯示60%穿孔率對應(yīng)進(jìn)風(fēng)溫度為41.1℃，65%穿孔率對應(yīng)進(jìn)風(fēng)溫度為40.4℃。由于室外空氣溫度不會(huì)穩(wěn)定與標(biāo)準(zhǔn)工況35℃，查詢?nèi)珖裼媒ㄖ┡L(fēng)與空調(diào)室外氣象參數(shù)表《GB50736-2012》，我國大部分城市的極端最高溫度為38-40℃之間，為保證在極端的天氣下，室外機(jī)也能正常運(yùn)行，確定60%為孔板的極限穿孔率，此時(shí)室外機(jī)能效比為3.11，比不設(shè)置孔板遮蔽時(shí)能效降低了15%。

從模擬結(jié)果的溫度場與速度場可見，造成過低穿孔率的孔板遮蔽下室外機(jī)的散熱差的原因在于，孔板過密導(dǎo)致室外機(jī)排風(fēng)不暢，處理完室外機(jī)冷凝熱后排風(fēng)到達(dá)孔板后只有少量能通過孔洞排出室外，大部分積聚于室外機(jī)與孔板之間，并由于熱空氣上升的緣故，與上部35℃的進(jìn)風(fēng)混合后被抽入室外機(jī)，導(dǎo)致到達(dá)室外機(jī)背后進(jìn)風(fēng)的溫度遠(yuǎn)高于35℃。除此之外，在同等的通透率下的遮蔽物，孔板比百葉的散熱效果更差，這是由于兩種出風(fēng)口的風(fēng)口特性不同，百葉對排風(fēng)有導(dǎo)向作用，而孔板排風(fēng)孔口處多為平行流，速度衰減快。風(fēng)速過快的衰減會(huì)使得排風(fēng)的熱氣流在較為靠近室外機(jī)位的地方與室外空氣混合，導(dǎo)致排風(fēng)與進(jìn)風(fēng)的短路，使得進(jìn)入凹槽的空氣溫度比室外溫度高。

5 改善措施及模擬分析

由上述的模擬結(jié)果可得，過低穿孔率孔板遮蔽造成對室外機(jī)散熱差的因素如下，一為排風(fēng)受阻導(dǎo)致熱空氣在凹槽里積聚，二為通過孔口的排風(fēng)風(fēng)速衰減過快。其他工程中設(shè)置在凹槽內(nèi)頂出風(fēng)的多聯(lián)室外機(jī)以及遠(yuǎn)離外墻的側(cè)出風(fēng)的室外機(jī)，常用增加導(dǎo)風(fēng)管的方式來加強(qiáng)排風(fēng)。參照這種形式應(yīng)用于本工程，在孔板遮蔽穿孔率低于60%時(shí)，于室外機(jī)出風(fēng)口處設(shè)置擋板，一直延伸至孔板處。下面對設(shè)置導(dǎo)風(fēng)擋板后的室外機(jī)在穿孔率25%、50%孔板下的熱環(huán)境進(jìn)行模擬分析。

圖14 25%穿孔率設(shè)置導(dǎo)風(fēng)擋板剖面溫度場

圖15 25%穿孔率設(shè)置導(dǎo)風(fēng)擋板進(jìn)風(fēng)側(cè)溫度場

圖16 50%穿孔率設(shè)置導(dǎo)風(fēng)擋板剖面溫度場

圖17 50%穿孔率設(shè)置導(dǎo)風(fēng)擋板進(jìn)風(fēng)側(cè)溫度場

通過模擬可以得到設(shè)置了導(dǎo)風(fēng)擋板后，室外機(jī)在25%、50%孔板遮蔽時(shí)的進(jìn)氣溫度分別為35.6℃、38.5℃。

1）設(shè)置了導(dǎo)風(fēng)擋板后，室外機(jī)的排風(fēng)氣流能較為順暢的排出室外，解決了熱空氣在凹槽內(nèi)積聚的問題；

2）在導(dǎo)風(fēng)擋板與孔板能較為密實(shí)的相接時(shí)，孔口的出口風(fēng)速比室外機(jī)風(fēng)扇的出口風(fēng)速大，在風(fēng)機(jī)的機(jī)外余壓可以負(fù)擔(dān)導(dǎo)風(fēng)擋板的沿程阻力及孔口處的局部阻力的前提下，風(fēng)速的增大使得排風(fēng)衰減減緩，使得排風(fēng)在較為遠(yuǎn)離室外機(jī)位的地方與室外空氣混合，改善排風(fēng)與進(jìn)風(fēng)短路的現(xiàn)象，由此進(jìn)入凹槽的空氣溫度更接近室外溫度；

3）在不同的穿孔率下，對室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)側(cè)的溫度場進(jìn)行分析，25%穿孔率的孔板比50%的進(jìn)風(fēng)溫度更低，進(jìn)風(fēng)溫度并不隨著穿孔率的提高而降低。

在設(shè)置導(dǎo)風(fēng)擋板的條件下，低穿孔率的排風(fēng)風(fēng)速更高，衰減更慢，但同時(shí)也會(huì)減少了進(jìn)風(fēng)的面積。為了進(jìn)一步得出對室外機(jī)散熱最為有利的穿孔率數(shù)值，分別進(jìn)行了15%、20%、30%、35%、40%的穿孔率下室外機(jī)的熱環(huán)境模擬，結(jié)果如圖所示。

圖18 孔板穿孔率與室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度的關(guān)系

由圖可知，當(dāng)孔板穿孔率在25%的時(shí)候，室外機(jī)進(jìn)風(fēng)側(cè)的溫度最低，為35.6℃。由運(yùn)行能效與室外空氣干球溫度的線性回歸關(guān)系y=-0.0834x+6.5368得，室外機(jī)對外設(shè)置25%穿孔率的孔板遮蔽，在使用導(dǎo)風(fēng)擋板措施后，進(jìn)風(fēng)溫度為35.6℃，運(yùn)行能效為3.57，僅下降1.1%。各穿孔率對應(yīng)室外機(jī)的運(yùn)行能效如圖。

圖19 孔板穿孔率與室外機(jī)運(yùn)行能效比的關(guān)系

6 結(jié)論

（1）對于放置在凹槽里的空調(diào)室外機(jī)設(shè)置孔板遮蔽，當(dāng)穿孔率小于60%時(shí)，室外機(jī)散熱不暢，進(jìn)風(fēng)溫度均超過室外機(jī)能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的極限溫度，導(dǎo)致觸發(fā)停機(jī)保護(hù)，空調(diào)室外機(jī)不能正常運(yùn)行。在建筑設(shè)計(jì)時(shí)，若采用孔板作為室外機(jī)的遮蔽物，應(yīng)該至少保證孔板具有60%以上的穿孔率，室外機(jī)才能正常運(yùn)行，具有75%以上的穿孔率，室外機(jī)才可較高能效運(yùn)行。

（2）當(dāng)必須采用小于60%穿孔率的孔板遮蔽室外機(jī)時(shí)，本文提供了設(shè)置導(dǎo)風(fēng)擋板作為改善措施。設(shè)置導(dǎo)風(fēng)擋板時(shí)，孔板穿孔率在20%～30%對于室外機(jī)的散熱最為有利，運(yùn)行能效比不設(shè)置任何遮蔽時(shí)下降1.1%。導(dǎo)風(fēng)擋板的使用效果與連接處的封閉性有極大關(guān)系，建議空調(diào)廠家可以設(shè)置相關(guān)配件，以供惡劣條件下的空調(diào)運(yùn)行使用。此結(jié)論未考慮震動(dòng)與噪聲的因素，應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際的需求進(jìn)行考慮。