居住建筑室外機(jī)平臺(tái)散熱能力評(píng)價(jià)探討

【摘 要】通過(guò)分析研究影響因素，注重操作簡(jiǎn)單、精度適度的需求，對(duì)比CFD模擬結(jié)果及項(xiàng)目案例運(yùn)行效果，創(chuàng)新性地提出外機(jī)“四維散熱評(píng)價(jià)”方法，可有效解決難以評(píng)價(jià)外機(jī)平臺(tái)散熱能力的問(wèn)題。對(duì)項(xiàng)目后期空調(diào)及空氣源熱水等室外機(jī)的低碳運(yùn)行有重要意義。

【關(guān)鍵詞】居住建筑； 設(shè)備平臺(tái)； 低碳研究； 四維散熱評(píng)價(jià)

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU831.7【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

隨著我經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，居住建筑空調(diào)普及率提高，截止2020年，全國(guó)居民平均百戶(hù)空調(diào)擁有量已經(jīng)達(dá)到117.7臺(tái)，并呈現(xiàn)繼續(xù)增加的趨勢(shì)。近20年來(lái)城鎮(zhèn)住宅的總用電量提高4倍，其中空調(diào)電耗增長(zhǎng)10倍［1］。我國(guó)全面推行“雙碳”戰(zhàn)略的大背景下，居住建筑空調(diào)能耗日益受到關(guān)注?？照{(diào)系統(tǒng)設(shè)備隨著我們生產(chǎn)制造水平的提升，設(shè)備能效大大提升，但設(shè)計(jì)階段僅重視項(xiàng)目的外立面，設(shè)備平臺(tái)的散熱性能沒(méi)有引起足夠重視。同時(shí)設(shè)備平臺(tái)的散熱能力因影響因素眾多，暖通設(shè)計(jì)師沒(méi)有工具評(píng)價(jià)設(shè)備平臺(tái)的散熱能力，而無(wú)法清晰明確地對(duì)外機(jī)平臺(tái)提出合理建議，而屈從于建筑方案建筑立面的美觀(guān)需求，從而導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)后期運(yùn)行出現(xiàn)低效運(yùn)行，甚至在極端天氣下宕機(jī)的現(xiàn)象。

1 外機(jī)散熱能力的影響因素評(píng)價(jià)

關(guān)于空調(diào)外機(jī)的散熱條件，住宅設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)室外機(jī)要求：①能通暢地向室外排放空氣和自室外吸入空氣；②在排出空氣一側(cè)不應(yīng)有遮擋物［2］。規(guī)范提出相應(yīng)要求，但是在設(shè)計(jì)執(zhí)行時(shí)，避免模糊，建筑方案端通常為了迎合規(guī)劃部門(mén)，弱化設(shè)備平臺(tái)對(duì)建筑立面的影響，忽視室外機(jī)散熱需求，設(shè)備專(zhuān)業(yè)沒(méi)有量化工具評(píng)判設(shè)備平臺(tái)的散熱性能，而無(wú)法說(shuō)服土建按著較優(yōu)的方式布置設(shè)備平臺(tái)，從而影響后期設(shè)備高效運(yùn)行。

外機(jī)散熱的影響因素較多，平臺(tái)朝外數(shù)量、凹槽、平臺(tái)所處的環(huán)境、百葉的通透率等，大致分為幾類(lèi)。

1.1 通風(fēng)面

針對(duì)通風(fēng)面數(shù)對(duì)外機(jī)散熱能力的影響，閆藝文等［3］作了CFD模擬及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表面，通風(fēng)面的數(shù)量越大，越有利于外機(jī)形成通暢的氣流組織。三個(gè)通風(fēng)面，其中一面作為出風(fēng)面，另外兩個(gè)面同時(shí)作為補(bǔ)風(fēng)，基本不受外部風(fēng)向?qū)Φ挠绊?，通風(fēng)條件最好；兩個(gè)通風(fēng)面，僅有一個(gè)面可以補(bǔ)風(fēng)，通風(fēng)條件稍差；外機(jī)只有一個(gè)面時(shí)，需要在一個(gè)面同時(shí)進(jìn)行排熱和補(bǔ)風(fēng)，此時(shí)需要考慮外機(jī)與周邊有足夠的間距，不然對(duì)外機(jī)會(huì)吸入補(bǔ)風(fēng)吹出熱空氣，影響系統(tǒng)的效率。

1.2 環(huán)境因素

外機(jī)平臺(tái)所在的位置對(duì)，散熱性能影響最大。宣晨晨等［4］將建筑內(nèi)天井的熱環(huán)境進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)天井只有擴(kuò)大一定尺寸后，空調(diào)外機(jī)放開(kāi)正常運(yùn)行。另外天井，底部是封死的話(huà)，夏季無(wú)法補(bǔ)風(fēng)，冬季冷空氣無(wú)法外出，導(dǎo)致冷熱堆積，嚴(yán)重影響空調(diào)效率。在天井里面設(shè)置設(shè)備平臺(tái)，特別需要關(guān)注底部是否足夠的通風(fēng)面積，在建筑層高和面積協(xié)調(diào)較好的情況，可以形成煙囪效應(yīng)，對(duì)外機(jī)散熱有利。

劉萬(wàn)龍等［5］通過(guò)調(diào)研及CFD模擬分析，得出結(jié)論：外機(jī)平臺(tái)凹槽寬度越寬，進(jìn)深越小，對(duì)空調(diào)散熱越有利。周德海等［6］，探討了設(shè)備處建筑凹槽內(nèi)時(shí)，會(huì)發(fā)生熱堆積現(xiàn)象，嚴(yán)重影響空調(diào)的正常運(yùn)行?？偨Y(jié)來(lái)看，凹槽的進(jìn)深與寬度比越小，散熱條件越好，另外凹槽內(nèi)設(shè)置多臺(tái)外機(jī)會(huì)給散熱帶來(lái)不利影響。

1.3 出風(fēng)影響

外機(jī)需要把處理后空氣，釋放到空氣中，如果釋放不利，可能會(huì)減少吸入的新鮮空氣。圖1是采用CFD模擬軟件分析11層建筑，外機(jī)開(kāi)啟率為80%，外機(jī)對(duì)吹，外機(jī)溫度場(chǎng)的分布情況，外機(jī)空氣有部分回流，外機(jī)最高溫度達(dá)到45.59 ℃，小于常規(guī)產(chǎn)品廠(chǎng)家的極限值46 ℃，外機(jī)不會(huì)出現(xiàn)宕機(jī)，但是運(yùn)行效率會(huì)產(chǎn)生一定影響。相關(guān)行業(yè)規(guī)范規(guī)定，外機(jī)對(duì)吹距離不應(yīng)小于4 m［7］。另外外機(jī)位置還有呈90°吹影響出風(fēng)，及外機(jī)對(duì)墻吹的情況影響外機(jī)運(yùn)行。

1.4 其他

機(jī)散熱還受到百葉設(shè)置情況的影響。張海波［8］結(jié)合具體工程，利用CFD模擬軟件，分析了通風(fēng)百葉寬度、通透率對(duì)散熱效果的影響。張春枝等［9］采用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和專(zhuān)業(yè)模擬軟件分析了百葉安裝角度、百葉間距對(duì)外機(jī)周?chē)鸁岘h(huán)境的影響。總體來(lái)看，百葉通透率是關(guān)鍵的影響因素，百葉間距及百葉寬度體現(xiàn)主因也是通透率，當(dāng)通透率0.5以下禁止設(shè)置，達(dá)到0.8以上基本可以不考慮百葉的影響。

另外，外機(jī)本層疊放對(duì)室外機(jī)的性能影響較大，姚穎等［10］運(yùn)用CFD軟件模擬某小區(qū)住宅樓室外機(jī)的周?chē)鲌?chǎng)分布及堆疊對(duì)運(yùn)行熱環(huán)境的影響，結(jié)果表明：室外機(jī)疊放對(duì)外機(jī)運(yùn)行影響較大，間隔0.4 m疊放時(shí)，回風(fēng)溫度到達(dá)46.51 ℃，COP下降11.4%，只有加大豎向間隔，才能降低影響，但是對(duì)于住宅項(xiàng)目會(huì)受到層高的限制，故外機(jī)疊放通常會(huì)帶來(lái)不利影響。

2 外機(jī)散熱能力評(píng)價(jià)方法的建立

目前對(duì)外機(jī)平臺(tái)散熱的研究層面，主要采用平臺(tái)測(cè)試及CFD模擬的手段，難以應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中去。工程設(shè)計(jì)安裝應(yīng)用層面，普遍的執(zhí)行規(guī)范、規(guī)程，規(guī)范規(guī)程中要求相對(duì)模糊，少有明確要求，也僅是主機(jī)運(yùn)行的下限，難滿(mǎn)足外機(jī)平臺(tái)的散熱性能評(píng)價(jià)需求。為了解決上述問(wèn)題，本文調(diào)研了相關(guān)論文及工程資料，提出針對(duì)外機(jī)平臺(tái)散熱能力的評(píng)價(jià)方法，本文稱(chēng)為“四維散熱評(píng)價(jià)”。

為了提高便捷性，評(píng)價(jià)方法的采用抓大放小的原則，主要考慮四方面方面評(píng)價(jià)維度，第一為通風(fēng)面因素，考慮一、二、三個(gè)通風(fēng)面的情況，最不利情況下扣20分；第二為外機(jī)平臺(tái)所處的環(huán)境影響，分為天井和凹槽，天井需要區(qū)分底部是否封死，凹槽需要考慮進(jìn)深比及外機(jī)臺(tái)數(shù)，最不利情況下扣40分；第三為對(duì)出風(fēng)口的影響因素，主要包括設(shè)備正向?qū)Υ怠?0°對(duì)吹、對(duì)墻吹三種形式，其中正向?qū)Υ涤绊懽畲螅渌来螠p弱，最不利情況下扣25分；第四類(lèi)包括百葉及外機(jī)疊放等影響，最不利情況扣15分。評(píng)價(jià)方法的實(shí)施細(xì)則詳見(jiàn)表1。

按著表1對(duì)特定外機(jī)平臺(tái)按著四個(gè)維度統(tǒng)計(jì)分?jǐn)?shù)并合計(jì)，根據(jù)得分區(qū)間，預(yù)判外機(jī)散熱能力，詳見(jiàn)表2。

3 “四維散熱評(píng)價(jià)”調(diào)試與驗(yàn)證

為調(diào)試驗(yàn)證“四維散熱評(píng)價(jià)”方法的準(zhǔn)確性，本文通過(guò)軟件Airpak3.0建模，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)反饋情況，采用下列案例進(jìn)行驗(yàn)證分析。

案例1如圖2左側(cè)圖顯示外機(jī)布置，住宅40層、兩臺(tái)外機(jī)90°對(duì)吹、兩個(gè)通風(fēng)面、百葉通透率0.7，采用綜合評(píng)價(jià)法得分62分，通過(guò)軟件模擬顯示回風(fēng)溫度在21層達(dá)到45.34 ℃，結(jié)論均為勉強(qiáng)運(yùn)行，機(jī)組效率不高。

案例2如圖2左側(cè)圖所示外機(jī)布置，住宅29層、天井、外機(jī)對(duì)吹、百葉通透率0.7，采用綜合評(píng)價(jià)法得分47分，通過(guò)軟件模擬顯示回風(fēng)溫度在14層達(dá)到49.77 ℃，結(jié)論均為無(wú)法正常運(yùn)行，禁止采用。

案例3如圖4左側(cè)圖所示外機(jī)布置，住宅29層、凹槽內(nèi)布置兩臺(tái)外機(jī)、百葉通透率0.7，采用綜合評(píng)價(jià)法得分45分，通過(guò)軟件模擬顯示回風(fēng)溫度在12層達(dá)到49.81 ℃，結(jié)論均為無(wú)法正常運(yùn)行，禁止采用。

受篇幅所限本文僅展示為部分案例，通過(guò)大量哪里對(duì)比驗(yàn)證調(diào)試，“四維散熱能力評(píng)價(jià)”方法與模擬結(jié)果具備較好的一致性。特別是針對(duì)疑難情況，傳統(tǒng)定性的判斷無(wú)法給出結(jié)果，采用“四維散熱能力評(píng)價(jià)”方法，可以給出清晰且相對(duì)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)外機(jī)平臺(tái)的散熱能力作出快速判斷。

4 總結(jié)

本文針對(duì)散熱設(shè)備室外機(jī)影響因素進(jìn)行研究，創(chuàng)新性地提出針對(duì)外機(jī)平臺(tái)散熱能力進(jìn)行評(píng)價(jià)的“四維散熱能力評(píng)價(jià)”方法，并對(duì)該方法做了調(diào)試與驗(yàn)證，保證評(píng)價(jià)方法的可行性和準(zhǔn)確性。該評(píng)價(jià)方法，可應(yīng)用于居住項(xiàng)目的方案階段，結(jié)合方案的里面需求，評(píng)價(jià)各種外機(jī)平臺(tái)方案的散熱能力，對(duì)保證設(shè)備室外機(jī)正常高效運(yùn)行，具有重大意義。

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［作者簡(jiǎn)介］辛玉廣（1985—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槊裼媒ㄖㄔO(shè)計(jì)及綠色建筑咨詢(xún)。