某超高層公寓變制冷劑流量空調室外機周圍熱環(huán)境數(shù)值模擬研究

郭坤

(中南建筑設計院股份有限公司，武漢 430064)

1 引言

隨著時代的發(fā)展，超高層建筑應運而生。最近幾年，特別是一線城市，出現(xiàn)越來越多的超高層公寓。在越來越注重立面造型的建筑時代，室外機的設置是一個很大的挑戰(zhàn)。因此，將變制冷劑流量空調室外機設置在凹槽內并以百葉進行遮擋的方式受廣大建筑師青睞。建筑師通常設置凹槽空間，供空調室外機安裝使用，由于凹槽空間狹小，通風效果差，變制冷劑流量空調室外機所產生的熱量很難有效排出室外，導致室外機經常停機，嚴重影響空調的制冷效果[1]?，F(xiàn)如今，CFD數(shù)值模擬技術得以廣泛應用[2-4]，可以利用CFD數(shù)值模擬技術對受限區(qū)域的空調室外機進行數(shù)值模擬分析，優(yōu)化空調室外機的安裝位置[5-6]。

2 工程概況

深圳市某工程建筑高度為141.75 m，共41層，1～4層為裙房，公寓標準層從5層開始，14層和27層為避難層，采用變制冷劑流量空調系統(tǒng)，初始方案在標準層設置凹槽用于外置空調室外機，且豎向有35層空調室外機。標準層設置在此區(qū)域戶型的建筑面積為99 m2，戶型朝向西面，選用制冷量為15.5 kW的空調室外機，室外機平臺在凹槽深處，貼墻設置，并采用通透率85%的百葉遮擋，具體布置如圖1所示。

圖1 室外機布置平面圖

3 數(shù)值模擬方法及邊界條件

使用Fluent前處理軟件——Gambit軟件進行建模[7]，如圖2和圖3所示。

圖2 模型

圖3 網格劃分

將室外機設置為體積熱源，根據(jù)其制冷量和壓縮機功率得到室外機的熱釋放率為38 551.14 W/m3。室外機排風扇采用Fan邊界條件，通風量驗證，有力躍升值為48 Pa；冷凝器采用多孔介質模型，根據(jù)熱交換器的結構參數(shù)對所需參數(shù)進行確認。另外，凹槽外計算區(qū)域各個面采用Pressure outlet邊界；將操作溫度設為環(huán)境溫度；由于室外機排出的氣體與周圍環(huán)境存在溫度差，考慮到浮升力項和重力作用，認為氣流的密度變化符合Boussineq假設。具體如表1所示。

表1 邊界條件設置（夏季工況）

數(shù)值模擬是在最不利的條件下進行的：室外無風、冷負荷最大時刻、同時使用系數(shù)為1。

4 CFD數(shù)值模擬結果

利用Fluent軟件進行數(shù)值模擬，空調室外機豎向溫度和橫向溫度分布見表2和表3。

表2 空調室外機豎向溫度分布表

表3 空調室外機橫向溫度分布表

通過模擬結果可知：（1）豎向第5臺室外機(建筑第9層)以上凹槽內的溫度超過影響空調室外機工作效率的臨界點43℃；豎向第9臺室外機（建筑第13層）以上凹槽內的溫度超過了70℃；豎向第35臺機（建筑第41層）凹槽內的溫度達到了80℃；（2）溫度的分布趨勢隨著豎向布置的臺數(shù)增加而升高，熱浮升效應非常明顯。

經分析可知，由于空調室外機設置在非常深的凹槽之內，排風不暢，且豎向布置空調室外機較多，導致熱量大量聚集，且熱浮升效應明顯，建筑第9層以上均不能滿足空調室外機工作環(huán)境溫度的要求，所以，該室外機布置方案不合理。

5 優(yōu)化方案的數(shù)值模擬分析

5.1 優(yōu)化方案

由于初始空調室外機設置方案不合理，結合建筑條件，對空調室外機設置方案進行優(yōu)化，室外機平臺由凹槽最深處修改到貼近建筑外輪廓設置，具體如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后平面布置圖

5.2 優(yōu)化后模擬結果

優(yōu)化后空調室外機豎向溫度分布和橫向溫度分布見表4和表5。

表4 優(yōu)化后空調室外機豎向溫度分布表

表5 優(yōu)化后空調室外機橫向溫度分布表

通過模擬結果可知：（1）豎向第26臺室外機(建筑第32層)以上凹槽內的溫度區(qū)間在42～44℃，處于影響空調室外機工作效率的臨界點43℃；（2）凹槽內室外機右側靠近墻壁出的溫度較高；（3）溫度的分布趨勢隨著豎向布置的臺數(shù)增加而升高，熱浮升效應非常明顯。

經分析可知，室外機從凹槽深處調整到凹槽口部，豎向第26臺以下室外機周圍環(huán)境溫度滿足使用需求，但豎向第26臺以上室外機右側靠近墻壁處的溫度較高，處于室外機停機臨界點，其原因是設置室外機的空間狹小，且豎向設置室外機臺數(shù)較多，熱量很難排出，需要進一步優(yōu)化室外機的設置空間。

調整方案：把現(xiàn)有室外機布置空間寬度由2.2 m調整為2.45 m。

對調整后的室外機布置方案進行數(shù)值模擬計算，模擬結果顯示，最頂層室外機周圍溫度最高為42.5℃，滿足空調室外機使用需求。

6 項目實測

（1）項目投入使用以后，進行現(xiàn)場實測，實測時氣象參數(shù)見表6，實測室外機周圍溫度見表7。

表6 實測氣象參數(shù)

表7 實測結果

實測結果顯示：（1）所有樓層室外機均正常運行；（2）實測溫度低于數(shù)值模擬溫度；（3）室外機周圍溫度的分布趨勢隨著豎向布置的臺數(shù)增加而升高，熱浮升效應非常明顯。

對比分析數(shù)值模擬和實測數(shù)據(jù)可知，實測室外機周邊溫度小于數(shù)值模擬值，其原因為：（1）實測當天的同時使用率小于1；（2）空調室外機沒有滿負荷運行；（3）室外風的影響。

7 結論

通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測可以得出以下結論：

1）凹槽內設置空調室外機，溫度的分布趨勢隨著豎向臺數(shù)增加而升高，存在嚴重的熱浮升效應。

2）遮擋百葉通透率在85%以上基本不影響室外機的正常工作。

3）室外風對空調室外機散熱起到有利的作用。

4）空調室外機設置在凹槽時，空調室外機排風排出建筑輪廓外，有利于空調室外機正常運行。