基于CFD模擬分析的深圳某超高層公寓多聯(lián)機(jī)室外機(jī)布置研究

夏可超

廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東 廣州 510000

隨著人們對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)及舒適性要求的不斷提高，越來(lái)越多的公寓開(kāi)始采用戶式多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，尤其是超高層公寓。超高層建筑往往會(huì)對(duì)建筑外立面有很高要求，而多聯(lián)機(jī)室外機(jī)需要在相應(yīng)外立面設(shè)置百葉，因此，如何平衡好建筑外立面美觀和空調(diào)室外機(jī)散熱效果之間的關(guān)系成為布置多聯(lián)機(jī)空調(diào)室外機(jī)的關(guān)鍵[1-3]。超高層公寓戶式多聯(lián)機(jī)空調(diào)室外機(jī)一般被要求設(shè)置于建筑立面凹進(jìn)處，且室外機(jī)安裝空間狹小，平面同一位置豎向安裝室外機(jī)的層數(shù)多達(dá)幾十層，這就造成空調(diào)室外機(jī)運(yùn)行環(huán)境往往較差。在這種情況下，空調(diào)室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)其能否正常運(yùn)行影響很大，而安裝在超高層公寓建筑同一凹槽空間內(nèi)，每層空調(diào)室外機(jī)的總散熱強(qiáng)度則是影響豎向各層空調(diào)室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度的主要因素。本文運(yùn)用CFD模擬軟件Airpak3.0.16對(duì)實(shí)際工程某超高層公寓的多聯(lián)機(jī)室外機(jī)擺放方案進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)不同室外機(jī)擺放方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，并得出在不破壞建筑外立面效果的前提下最合理的室外機(jī)設(shè)置方案，指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)。

1 工程概況

1.1 建筑概況

本項(xiàng)目位于廣東省深圳市，為一大型商業(yè)綜合體，集辦公、商業(yè)、商務(wù)公寓等功能為一體，總建筑面積約25.0萬(wàn)m2。本文所討論的公寓位于其中一棟塔樓的24-46層，共23層，建筑面積約4.0萬(wàn)m2，建筑高度199.2m。標(biāo)準(zhǔn)層每層八戶，層高3.6m，避難層層高3.9m。

1.2 氣象條件

本項(xiàng)目位于夏熱冬暖地區(qū)，主要考慮夏季空調(diào)室外機(jī)的運(yùn)行情況。當(dāng)?shù)叵募臼彝饪諝庠O(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示：

表1 室外設(shè)計(jì)參數(shù)[4]

1.3 空調(diào)系統(tǒng)形式

為便于運(yùn)行管理和減少室外機(jī)百葉對(duì)建筑立面的影響，經(jīng)多方論證后，本項(xiàng)目空調(diào)采用戶式多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)層各戶的多聯(lián)機(jī)室外機(jī)集中設(shè)置于本層的建筑凹槽內(nèi)，其具體設(shè)置位置如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層室外機(jī)位設(shè)置平面圖

從圖1可以看出，空調(diào)室外機(jī)運(yùn)行環(huán)境較差，為驗(yàn)證室外機(jī)能否正常運(yùn)行，需對(duì)室外機(jī)安裝區(qū)域熱環(huán)境進(jìn)行CFD模擬研究。

2 CFD模擬條件

本模擬采用Fluent airpak3.0.16進(jìn)行模擬計(jì)算，F(xiàn)luent airpak是面向工程師、建筑師和室內(nèi)設(shè)計(jì)師的專業(yè)領(lǐng)域工程師的專業(yè)人工環(huán)境系統(tǒng)分析軟件，其計(jì)算內(nèi)核是基于Fluent。

為簡(jiǎn)化模型，采用以下假設(shè)：建筑物外墻絕熱平坦，忽略太陽(yáng)輻射、地面反射及壁面之間的換熱，建筑物外立面其他設(shè)備對(duì)空調(diào)室外機(jī)運(yùn)行時(shí)的氣流溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的影響可忽略[5]；室外環(huán)境溫度采用當(dāng)?shù)叵募究照{(diào)室外計(jì)算溫度33.7℃，考慮夏季主導(dǎo)風(fēng)向東南東風(fēng)，平均風(fēng)速2.7m/s；空氣滿足理想氣體定律，考慮重力對(duì)氣流的影響。

根據(jù)設(shè)計(jì)選定的空調(diào)室外機(jī)實(shí)際尺寸建立室外機(jī)模型。室外機(jī)進(jìn)風(fēng)口和回風(fēng)口模型選擇Recirc Openning模型，該模型能夠模擬氣流經(jīng)過(guò)熱交換器換熱后再送出去的過(guò)程，可以模擬出空調(diào)室外機(jī)的進(jìn)排風(fēng)效果。在Recirc Openning中定義出每臺(tái)空調(diào)室外機(jī)的循環(huán)風(fēng)量和單位釋放的冷凝熱即體積熱源。

室外機(jī)位外立面設(shè)置有百葉，本項(xiàng)目室外機(jī)位外百葉采用直百葉形式，百葉通風(fēng)率達(dá)到80%，在誤差范圍許可內(nèi)本模擬不考慮百葉通風(fēng)率。

由于戶內(nèi)各房間室內(nèi)空調(diào)器并不是同時(shí)開(kāi)啟的，根據(jù)相關(guān)研究[6-7]，我們?nèi)⊥瑫r(shí)使用系數(shù)為0.5。

3 室外機(jī)布置方案及數(shù)值模擬

3.1 室外機(jī)布置方案1

標(biāo)準(zhǔn)層各戶的空調(diào)室外機(jī)集中布置在每層的室外機(jī)平臺(tái)上，每層設(shè)置8臺(tái)室外機(jī)，其中4臺(tái)是頂出風(fēng)（規(guī)格均為16HP），4臺(tái)是側(cè)出風(fēng)（其中2臺(tái)規(guī)格為7HP，2臺(tái)規(guī)格為12HP），具體的室外機(jī)布置如圖2所示。

圖2 室外機(jī)布置方案1

以室外機(jī)平臺(tái)區(qū)域?yàn)槟M分析區(qū)域，搭建CFD模型如圖3a所示，典型豎向溫度分布如圖 3b所示。

圖3 CFD模擬結(jié)果

從圖3b可以看出，除24、36層空調(diào)室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度小于43℃外，其余樓層的空調(diào)室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度均超過(guò)43℃，從而導(dǎo)致大部分室外機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行[8-9]。且由于熱風(fēng)熱浮力的累積效應(yīng)，隨著樓層的增高，室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度逐漸增大，39-46層的空調(diào)室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度甚至達(dá)到50℃。由模擬結(jié)果可見(jiàn)，在該方案下，大部分樓層的空調(diào)室外機(jī)已無(wú)法正常運(yùn)行。

3.2 室外機(jī)布置方案2

從方案1的模擬結(jié)果來(lái)看，由于每層室外機(jī)平臺(tái)擺放室外機(jī)過(guò)密，導(dǎo)致室外機(jī)進(jìn)風(fēng)環(huán)境惡化，尤其是隨著樓層增加室外機(jī)運(yùn)行環(huán)境逐漸惡化。從優(yōu)化室外機(jī)運(yùn)行環(huán)境，減少室外機(jī)平臺(tái)擺放設(shè)備數(shù)量的角度，同時(shí)結(jié)合建筑立面效果，考慮將兩臺(tái)小戶型的側(cè)出風(fēng)室外機(jī)（規(guī)格均為7HP）移至各戶室外機(jī)平臺(tái)安裝，每層室外機(jī)平臺(tái)集中擺放6臺(tái)設(shè)備，其中4臺(tái)是頂出風(fēng)（規(guī)格均為16HP），2臺(tái)是側(cè)出風(fēng)（規(guī)格均為12HP），具體的室外機(jī)布置如圖4所示。

圖4 室外機(jī)布置方案2

以室外機(jī)平臺(tái)區(qū)域?yàn)槟M分析區(qū)域，搭建CFD模型如圖5a所示，典型豎向溫度分布如圖5b所示。

從圖5b可以看出，相較于方案1，空調(diào)室外機(jī)的運(yùn)行環(huán)境得到很大改善。24-27、36-37層的空調(diào)室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度小于43℃，但其余樓層的空調(diào)室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度均超過(guò)43℃，且43-46層的空調(diào)室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度依然達(dá)到50℃。由模擬結(jié)果可見(jiàn)，在該方案下，仍有部分樓層的空調(diào)室外機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行。

圖5 CFD模擬結(jié)果

3.3 室外機(jī)布置方案3

從方案2的模擬結(jié)果來(lái)看，大部分室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度依舊超過(guò)高溫保護(hù)停機(jī)溫度，無(wú)法滿足運(yùn)行要求。為減少每層室外機(jī)平臺(tái)設(shè)備散熱量，同時(shí)結(jié)合建筑立面效果及功能布置，考慮將兩臺(tái)大戶型的頂出風(fēng)室外機(jī)（規(guī)格均為16HP）移至避難層和屋面安裝，每層室外機(jī)平臺(tái)集中擺放6臺(tái)設(shè)備，其中2臺(tái)是頂出風(fēng)（規(guī)格均為16HP），4臺(tái)是側(cè)出風(fēng)（其中2臺(tái)規(guī)格為7HP，2臺(tái)規(guī)格為12HP），具體的室外機(jī)布置如圖6所示。

圖6 室外機(jī)布置方案3

以室外機(jī)平臺(tái)區(qū)域?yàn)槟M分析區(qū)域，搭建CFD模型如圖7a所示，典型豎向溫度分布如圖7b所示。

圖7 CFD模擬結(jié)果

從圖7b可以看出，相較于方案2，空調(diào)室外機(jī)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)一步得到改善。24-46層的空調(diào)室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度均小于43℃，熱風(fēng)熱浮力的累積效應(yīng)被減弱，所有樓層的空調(diào)室外機(jī)均能正常運(yùn)行，該方案能夠較好的滿足項(xiàng)目需求。

綜上所述，對(duì)比三種室外機(jī)布置方案，方案2和方案3均通過(guò)減少凹槽內(nèi)室外機(jī)布置數(shù)量來(lái)使室外機(jī)運(yùn)行環(huán)境得到明顯改善，但方案3的改善程度要更優(yōu)于方案2。這主要是由于方案3減少的凹槽內(nèi)室外機(jī)散熱強(qiáng)度要大于方案2。這說(shuō)明，合理調(diào)整各層在同一凹槽空間內(nèi)室外機(jī)總散熱強(qiáng)度能夠明顯改善室外機(jī)運(yùn)行環(huán)境。

4 結(jié)論

本文結(jié)合深圳地區(qū)某超高層公寓的實(shí)際設(shè)計(jì)情況，利用CFD模擬軟件對(duì)樓層布置的室外機(jī)不同方案進(jìn)行模擬研究，對(duì)于公寓多聯(lián)機(jī)項(xiàng)目具有一定的指導(dǎo)意義，并將本項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

1、在確定超高層公寓多聯(lián)機(jī)室外機(jī)布置方案前，利用CFD模擬軟件對(duì)不同方案進(jìn)行比較分析有利于減少后期設(shè)備運(yùn)行問(wèn)題；

2、對(duì)于每層空調(diào)室外機(jī)集中擺放的超高層公寓，需注意熱風(fēng)熱浮力的累積效應(yīng)所造成的上層室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度過(guò)高問(wèn)題，避免因樓層過(guò)高導(dǎo)致室外機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行；

3、室外機(jī)平臺(tái)的室外機(jī)總散熱強(qiáng)度直接影響各層室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度。換言之，在確定室外機(jī)布置方案時(shí)，同一建筑凹槽內(nèi)每層室外機(jī)總散熱強(qiáng)度需要通過(guò)CFD分析確定，其判定準(zhǔn)則為所有層的室外機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度不能超限。