分體空調(diào)室外機熱環(huán)境數(shù)值模擬及運行能效測評

陳蘇坤 張紅 巫朝敏 石峰豪

[摘? 要]：現(xiàn)有住宅建筑為保持外立面美觀，在室外機安裝凹槽結構內(nèi)利用百葉封閉的現(xiàn)象比較普遍。利用CFD流體計算軟件，對分體空調(diào)室外機在不同安裝方式和不同百葉形式下的熱環(huán)境進行數(shù)值模擬，并以某住宅為例，對布置在建筑凹槽中的分體空調(diào)運行能效進行測評。研究結果表明：室外機進風溫度受室外機風扇與百葉間距離的影響較大，當間隔距離為50 mm時，室外機最大進風溫度達到51.3 ℃。當室外機安裝在建筑凹槽結構內(nèi)時，百葉開度宜設置在0°～20°范圍內(nèi)，且方向向下，百葉間距至少為50 mm。當百葉開度為60°時，百葉間距至少為100 mm。

[關鍵詞]：分體空調(diào); 室外機; 運行能效; 數(shù)值模擬

TU831.7A

進入2011年，中國空調(diào)市場持續(xù)增長，分體空調(diào)得到了廣泛應用。2004年我國城鎮(zhèn)住宅空調(diào)總能耗為256億kWh，到2008年達到400億kWh，比2004年增長了56%[1]，因此，提高分體空調(diào)實際運行能效意義重大。分體空調(diào)運行能效受空調(diào)室外機安裝環(huán)境的影響較大，有研究表明，當室外機作為冷凝器使用時，進風溫度每上升1 ℃，空調(diào)系統(tǒng)的能效比下降3%左右，當進風溫度超過45 ℃時，分體式空調(diào)將難以正常運行[2-3]?？紤]到建筑外立面的美觀，設計師常采用帶有百葉封閉的凹槽結構作為室外機位，這使得空調(diào)室外機的散熱效果受到一定程度的影響，導致空調(diào)回風溫度升高，嚴重影響了空調(diào)制冷性能。

目前，針對分體式空調(diào)室外機的熱環(huán)境問題，國內(nèi)眾多學者進行了模擬或實驗研究。張春枝等[4]通過前期調(diào)研以及實驗研究，提出適宜的室外機安裝平臺尺寸。單磊等[5]依據(jù)國家標準對空調(diào)器進行了測試，討論了遮擋物對室外機性能的影響。在數(shù)值模擬研究方面，浙江大學的展圣潔[6]運用正交分析法設計模擬方案，并通過極差值比較得出影響室外機回風口平均溫度的顯著因素為凹槽進深。程卓明等[7]采用標準湍流模型數(shù)值模擬了4種不同百葉開度對室外機運行熱環(huán)境的影響。蔣悅波等[8]運用CFD模擬研究了室外機距百葉不同距離以及不同百葉開度下分體式空調(diào)室外機周圍的溫度場和速度場。天津商業(yè)大學的李義奇[9]的模擬結果表明，當室外機與凹槽后墻距離增大到一定程度時，平均進風溫度不再發(fā)生大的變化，并趨于穩(wěn)定。此外，環(huán)境風速地增加使得室外機平均進風溫度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。大連理工大學的張劍[10]探究了多臺室外機布置的方式，并通過模擬量化了多臺室外機的最小間距。上述研究并未綜合考慮不同室外機安裝方式與百葉形式對室外機熱環(huán)境的影響。

本文運用CFD數(shù)值模擬，研究在不同的分體空調(diào)室外機安裝方式和百葉形式下，以室外機進、出風溫度為代表的室外機熱環(huán)境的變化規(guī)律，并以成都市某住宅建筑為例，對布置在建筑凹槽中的分體空調(diào)的運行能效進行實測評價，并結合相關標準規(guī)范，從提高分體空調(diào)運行能效角度出發(fā)，提出適宜的分體空調(diào)室外機安裝條件，對夏熱冬冷地區(qū)分體空調(diào)室外機的安裝有較大的參考意義。

1 CFD數(shù)值模擬

1.1 物理模型建立

以成都地區(qū)常見的空調(diào)室外機布置建筑凹槽內(nèi)，并用百葉進行封閉的典型安裝方式進行數(shù)值模擬，如圖1所示，室外機左側、后側、右側、前側分別距墻的距離為W1、W2、W3、W4，室外機直接放置于凹槽地面，凹槽高度900 mm;直板型百葉開度和間距分別為δ和h，百葉固定寬度50 mm。模擬的分體空調(diào)采用本項目分體熱泵空調(diào)檢測設備研發(fā)所用的空調(diào)，其室外機具體參數(shù)見表1。

1.2 模擬內(nèi)容

該模擬計算主要分為2個部分，一是室外機距離凹槽墻體間距的不同安裝方式;二是不同百葉散熱形式。通過改變室外機與凹槽的安裝間距以及百葉的不同開度和間距，模擬分析空調(diào)室外機的進出風溫度場和速度場。凹槽墻體情況以及室外機的安裝間距通過不同方向的組合進行對比分析，百葉開度為0～60°，百葉間距為50 mm或100 mm;室外機距離凹槽墻體距離固定，改變百葉開度和百葉間距的組合進行對比分析。

1.3 模擬方法

1.3.1 幾何網(wǎng)格模型

室外機數(shù)值模擬計算的幾何模型，如圖2所示。為保證模擬計算區(qū)域內(nèi)氣流處于流動充分發(fā)展段，室外環(huán)境邊界距凹槽左、右側的長度為8 m，距凹槽前側的長度為12 m。計算網(wǎng)格均為多面體非結構化網(wǎng)格，整個計算域網(wǎng)格數(shù)量共計約30萬個。

1.3.2 邊界條件

采用了國際上廣泛使用的大型流體力學計算軟件Star-CCM+，離散方法為有限容積法，紊流模型為k-ε模型，數(shù)值計算采用SIMPLE方法，自然對流模型采用Boussinesq模型，假設空氣密度為1.2 kg/m3，忽略壓強對流體密度的影響。室外機周圍環(huán)境的數(shù)值計算區(qū)域和室外機劃分采用漸變規(guī)律劃分網(wǎng)格，其他主要邊界條件：

（1）壁面邊界。根據(jù)實際情況，墻體、室外機外殼、百葉均設置為壁面邊界條件，假定壁面為無滑移條件，且壁面與流體無熱量傳遞。

（2）風機邊界。室外機風機采用風機邊界，由于僅已知室外機空曠條件下的風量為1 750 m3/h，因此，采用試算法得到室外機風機壓力與流量的特性曲線。

（3）區(qū)域界面邊界。數(shù)值計算區(qū)域與大氣環(huán)境相鄰，且本研究建立的數(shù)值計算區(qū)域足夠大，因此，區(qū)域界面的邊界設置為實際的大氣環(huán)境邊界，其中包括環(huán)境溫度和環(huán)境壓力等，假定計算環(huán)境溫度35 ℃，風速為0 m/s。

2 模擬結果分析

利用Star-CCM+軟件模擬計算不同工況下室外機進風、回風溫度和速度變化情況，當能量方程殘差值達到10-6時，則認為模型達到收斂條件。模擬計算結果見表2。

2.1 不同安裝方式的模擬分析

模擬工況：A1、A2、A3。從圖3可以看出，當室外機左、右及前方均無遮擋的情況下，不同的室外機后側墻距W2對室外機周圍環(huán)境的溫度范圍為34～44 ℃，出風速度分布范圍1.9～3.6 m/s。從表2可看出，W2對進風和出風的平均溫度以及出風的最高溫度幾乎沒有影響;當W2為150 mm時，進風最高溫度達45.1 ℃，而當W2大于250 mm時，進風最高溫度不再變化。

建筑論壇與建筑設計陳蘇坤， 張紅， 巫朝敏， 等： 分體空調(diào)室外機熱環(huán)境數(shù)值模擬及運行能效測評模擬工況：B1、B2、B3。從圖4可見，當室外機左、右無遮擋時，室外機與百葉之間距離W4增大時，室外機周圍環(huán)境的溫度場范圍不斷增大，出風速度下限值先減少后增大;從表2可以看出，W4對進風和出風的平均溫度幾乎沒有影響;當W4增大時，出風最高溫度逐漸升高，但升高幅度不大;當W4增大時，進風最高溫度經(jīng)歷了先降低后升高的過程，這是因W4過小時，室外機通風空間過小，散熱效果差，而W4過大時，又容易造成通風短路，導致室外機排出的部分氣流回流至進風口處，因此，存在一個最佳的W4距離使得通風效果最優(yōu)（圖4）。

模擬工況：C1～C5。從圖5以及表2可知，當室外機左側墻距W1為100 mm、右側墻距W3為200 mm、后側墻距W22.D2工況同C2工況。

為150 mm時，室外機與百葉之間距離W4從50 mm增大至300 mm時，室外機進風和出風的溫度場范圍先減少后增大，而當W4增大至500 mm時，因如前所述的通風短路問題，室外機進風和出風平均溫度增幅變大，進風平均溫度增幅變大引起進風平均溫度過高會降低室外機的散熱效果，當W4為50 mm時，進風最高溫度高達51.3 ℃，因此可以認為室外機與百葉之間的距離W4宜在100～300 mm之間。

對比工況C6和C2，結合圖5、圖6以及表2可知，當固定室外機后側墻距W2為350 mm，室外機與百葉間距W4為100 mm，室外機右側墻距W3為200 mm時，室外機左側墻距W1從100 mm增大至300 mm，室外機進風和出風平均溫度均降低，但降低幅度較小，且室外機出風平均速度有所升高，但升高的幅度較小。

2.2 不同百葉形式模擬分析

2.2.1 不同百葉開度δ的影響

模擬工況：D1～D4。從圖7和表2可知，當室外機與凹槽墻體間距固定，百葉間距h為50 mm時，百葉開度δ從0°增大到20°時，室外機進風與出風溫度變化較小，但當百葉開度δ大于20°時，室外機進風與出風溫度急劇升高;當百葉開度δ從0°增大到20°時，室外機出風流線為向外的直線型，但當百葉開度δ大于20°時，室外機的出風流線形成回風短路。因此可以認為百葉開度δ宜設置在0°～20°范圍內(nèi)，且方向向下。

2.2.2 不同百葉間距h的影響

模擬工況：D4、D5。綜合圖7（d）、圖8和表2可知，當室外機與凹槽墻體間距固定，百葉開度δ為60°的情況下，當室外機出風口與百葉間距從50 mm增大到100 mm時，室外機進風和出風最高溫度均降低，且出風流線回風短路情況有所改善。

3 運行能效測評

經(jīng)成都市某住宅現(xiàn)場查看，可知該建筑的分體空調(diào)室外機的安裝條件包括4種：

（1）凹槽內(nèi)上、下、左、右均有阻擋，凹槽高度為900 mm（如圖9所示）。

（2）凹槽內(nèi)上、下、右均有阻擋，凹槽高度為1 800 mm。

（3）上、下、左/右均有阻擋，凹槽高度為900 mm。

（4）上、下、左、右均無阻擋。

因第一種安裝環(huán)境下的室外機周圍熱環(huán)境為最差工況，因此對該安裝條件下的分體空調(diào)動態(tài)能效進行實測?，F(xiàn)場測試該凹槽尺寸為長度1 430 mm，進深680 mm，高度900 mm，采用的百葉間距h=120 mm，百葉開度為0°，被測室外機離后墻的距離W2約為150 mm，左、右距W1、W2約為300 mm，距前面百葉約為230 mm。分體空調(diào)現(xiàn)場動態(tài)能效檢測實測的結果可見表3。

從表3可知，分體空調(diào)銘牌的能效比為3.29，而動態(tài)能效實測運行能效比為2.81，為額定值的85%，運行能效較高。根據(jù)前述室外機熱環(huán)境數(shù)值模擬分析，該空調(diào)器室外機的安裝方式及百葉形式符合機組高效運行的技術要求，實測運行能效也是在機組高效運行范圍內(nèi)。

4 結束語

通過CFD數(shù)值模擬分體空調(diào)室外機在不同安裝方式和百葉形式下的室外熱環(huán)境，與實際工程中的分體空調(diào)運行能效進行對比分析，并結合相關標準規(guī)范，為提高分體空調(diào)的運行能效，建議夏熱冬冷地區(qū)室外機采用幾種安裝方式：

（1）當室外機安裝在建筑凹槽結構內(nèi)時，室外機冷凝器進風口距障礙物的距離W1（左距）應至少為100 mm。

（2）室外機冷凝器進風口距障礙物的距離W2（后距）應至少滿足各品牌的最小安裝距離要求。當室外機左、右及前方均無遮擋的情況下，W2（后距）宜在最小安裝距離150～250 mm之間。

（3）當室外機安裝在建筑凹槽結構內(nèi)時，室外機右側距墻的距離W3應大于W1，不宜低于200 mm。

（4）當室外機安裝在建筑凹槽結構內(nèi)時，室外機與百葉之間的距離W4宜在100～300 mm之間。

（5）當室外機安裝在建筑凹槽結構內(nèi)時，百葉開度宜設置在0°～20°范圍內(nèi)，且方向向下，百葉間距至少為50 mm。當百葉開度為60°時，百葉間距至少為100 mm。

參考文獻

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