横百叶不同开度对室外机周围热环境的影响模拟

冯博 辛军哲

广州大学土木工程学院

随着社会的发展，建筑的外观设计也层出不穷。室外机作为家用空调不可或缺的一大部件， 为了保持住宅的整洁和美观， 设计师往往将室外机安装在凹槽之中， 外面加装百叶， 这样做虽然可以做到到建筑整体美观的效果， 但是对室外机的换热却造成了很大的影响。由于凹槽和百叶的阻挡作用， 从室外机散出的热量不能很好的扩散至环境， 从而造成热量在凹槽里积聚， 加重了室外机的负担。有研究表明 [1-2] ， 当室外机在夏季使用时，其进风温度每升高1 ℃，空调系统的COP 会降低约 3%， 当进风温度超过 45 ℃时， 将会严重影响室外机的正常运行。对此， 室外机在凹槽中的安装位置， 以及百叶的倾角等因素对室外机性能的影响成为暖通领域的热点话题， 学术界对此作了大量的研究[3-9]， 而这些研究往往都是研究室外机在凹槽中[3-8]以及有倾角的导流叶片 [8-9] 的散热情况， 关于室外机的其他安装方式对室外机的影响还鲜有涉及。本论文将研究一种倾角为0° 的横百叶对室外机散热的影响， 这种百叶不带有倾角， 简单容易制作， 造价也很低， 在当前的市场上并没有统一的规格， 针对这种现象， 笔者将对不同开度的横百叶做相关的数值模拟研究， 对实际工程中室外机的安装以及这种百叶的制作提供参考。

1 物理模型

该室外机位于距地面两米的高度，模 型的计算域为10m×10m×10m 的区域，室外机处于计算域水平中间位置，如图 1 所示。室外机采用某品牌的KFR-25W，室 外机的具体参数如表 1 所示，室 外机的安装位置如图2所示，其中围护结构的侧面不设任何遮挡物，百 叶的形式如图3所示。图 2和图3中的相关尺寸如表2所示。

表1 室外机参数

图1 模拟计算区域

图2 室外机安装立体图

图3 室外机安装方式

图4 百叶形式

表2 模拟参数

2 控制方程及其计算方法

2.1 数学模型

本论文所讨论的问题为三维、 稳态、 不可压缩、 湍流的物理过程[10]， 利用流体力学理论建立该物理过程的数学模型， 并对该模型的温度场进行求解计算， 控制方程如下：

1） 连续性方程

2） 动量方程

-ρ(')为雷诺应力，按 照Boussinesq假设：

μi为湍流粘性，按 照k-ε模 型：

Si是用来描述当流体通过冷凝器时，按照多孔介质处理方法， 在动量方程中所附加的源项：

3） 能量方程

4）k方程

5）ε方程

式中：ρ为 空气密度，kg/m3；ui为速度张量，m /s；p为流体微元体上的压力，P a；α是多孔介质的渗透率，m2；C2为惯性阻力系数；Fi为体积力；Si是动量方程源项；ST是能量方程的源项：μt为湍流粘性，μ是动力粘度，N·s /m2；T是温度；Gk为产生项；k是湍动能；ε是湍动耗散率数；C1ε=1.44，C2ε=1.44，σε= 1.3，Cμ= 0.09。

2.2 边界条件及计算方法

本模拟将地面, 室外机周围的围护结构及后壁面均设置为绝热壁面， 其他计算域边界采用广州的夏季空调室外计算干球温度作为环境温度，即 34.2 ℃， 不考虑环境风速的影响， 空气相对湿度造成的影响忽略不计。不考虑室外机外壳的传热， 将冷凝器设置为具有内热源的多孔介质，风扇设置为 fan 边界条件， 用Boussinesq 假设近似浮升力项，对压力的离散采用PRESTO！能量方程以及动量方程采用一阶迎风格式离散， 采用SIMPLE算法对压力场和速度场耦合求解。

3 模拟结果与分析

以一种L3距离参数的温度云图作为示例，当室外机后面离墙体距离 L3 不变， 即保持 300mm， 风扇离百叶距离保持 200mm 不变，百叶间距分别为20/40/60mm， 模拟结果如图5-7所示：

图5 百叶间距为20mm

图6 百叶间距为40mm

从模拟结果可以得出， 随着室外机离壁面的距离增大， 当百叶间距固定一种工况不变时， 其总体趋势是回风平均温度逐渐减小。比如当百叶之间的间距保持为 20mm， 室外机后回风面距墙壁的距离从200mm变化至350mm时， 回风平均温度从42.6 ℃变化至41.34℃， 下降了1.26℃。由于室外机回风面距墙体距离增大时， 室外机的回风空间增大， 再加上室外机两侧与环境之间无任何遮挡， 会有更多来自环境的新鲜空气补充进来。但这种变化并不明显，当百叶间距变为60mm时， 回风平均温度随着室外机距壁面距离的增大不会呈现出逐渐降低的趋势， 而是在 40 ℃左右的范围内小幅的波动， 最高平均回风温度出现在室外机与墙体距离为 300mm 时， 为 40.36 ℃， 最低平均回风温度出现在室外机与墙体距离为350mm，为39.06℃， 最高与最低之间相差1.3℃。 而当百叶间距保持40mm 不变时，L3从 200mm 变化至 300mm，回风平均温度呈现出逐渐降低的趋势，从 42.19 ℃逐渐降低至40.44 ℃， 温度下降了 1.75 ℃， 当L3从 300mm 变化至350mm 时，回风平均温度会由 40.44 ℃变化至了40.67 ℃， 说明当 L3 大于 300mm 时， 由 L3 的距离所引起的回风平均温度的变化趋势消失。由此可判断出当百叶间距为 40mm时， 这种安装方法L3为 300mm最为合适。由以上分析可以得出，对于围护结构两侧通透的这种室外机安装方法， 室外机距离墙体的间距对于回风平均温度的影响并不明显， 这与凹槽式安装方法不同， 从室外机风扇吹出的热气流有一部分会通过百叶之间的间隙进入到环境中， 而由于百叶无倾角，不带有导流作用， 所以会有很大一部分热气流碰到百叶上折回， 由于围护结构两侧无遮挡， 这部分气流又有一部分会扩散至环境， 只有一少部分直接进入室外机回风口， 热量聚积现象不如凹槽式安装方法的明显。

图7 百叶间距为60mm

当室外机距壁面距离不变时， 以 200mm为例， 室外机回风平均温度随着百叶间距的增大而逐渐减小，当百叶间距从 20mm变化至 60mm时，室外机回风平均温度从42.6 ℃变化至 39.55℃， 下降了3.05 ℃， 相比室外机与后壁的距离对回风平均温度的影响， 百叶间距的变化对回风平均温度的影响更大一些。并且，随着百叶间距的增大， 室外机的最高回风温度逐渐相互靠近，百叶间距从40mm变化为 60mm 时最为明显。通过分析可以得知， 随着百叶间距的增大， 从室外机吹出的热气流会有更多通过百叶之间的间隙进入到环境当中， 从而保证室外机的换热。 图 8和图9表示了这种变化趋势。从两图可以看出，L3的距离并不是影响室外机出现热回流的主要因素， 在制作这种百叶时， 如果不考虑其他情况， 百叶间距应当大于 40mm为宜。

图8 室外机平均回风温度

图9 室外机最高回风温度

4 多台室外机共同工作时的相互影响

由于这种室外机的安装方式通过围护结构侧面与外界换热占了很大的比例， 所以当多台室外机并排工作时可能会产生相互影响， 在此笔者对这种室外机并排工作的情况作了数值模拟， 以L3=350mm， 百叶开度为40mm的情况为例。

图10 多台室外机并排工作温度云图俯视图

图 10 中的白色长方形表示室外机，三台室外机并排放置， 室外机之间的间距为 1.3m， 从温度分布云图可以看出室外机之间并没有出现热气流相互影响的现象，其中处于最中间的室外机平均回风温度为39.84℃， 与单台室外机工作时的平均回风温度相差不大， 所以使用这种安装方法， 当有多台室外机并排工作时， 即使室外机之间的距离比较近， 也不会出现热气流相互影响的现象。

5 结论

1） 对于倾角为0° 的横百叶、 围护结构两侧通透的室外机安装方式， 室外机回风面与墙体的距离逐渐增大， 回风平均温度总体变化趋势是慢慢地减小， 但变化不够明显， 并且在某些百叶间距一定的情况下， 此种规律并不容易观察， 因此对于安装方法， 室外机回风面距墙体的距离并不是越远越好， 而应当结合实际情况， 做到空间的合理应用。当百叶的间距为40mm时， 室外机与墙体的距离L3取为300mm时最为合适。

2） 相对于室外机距后壁之间的距离， 百叶间距对室外机散热的影响更为显著， 所以安装室外机时如果安装空间有限， 应当尽量增大百叶之间的间距， 本论文得出百叶的间距应当大于40mm为宜。

3） 虽然对于这种安装方法， 围护结构侧面通透， 是室外机散热的一大途径， 但是室外机对其两侧热环境的影响范围很小， 所以在实际安装室外机时可以考虑多台室外机并排工作， 本论文采用室外机之间间距为1.3m进行数值模拟， 其相互影响可以忽略， 对于实际工程中室外机的安装有一定的参考意义。

参考文献

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