采用孔板遮蔽对室外机热环境影响分析

廖勇坤

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州，510010）

0 引言

随着高层住宅的建设日益成熟，在建筑设计时不仅注重使用性与功能性，对建筑外立面的整洁度的要求也日益提高，往往会在外墙设置凹槽，预留室外机的位置于凹槽内。有的建筑为了美观，会对家用空调室外机进行遮蔽，常见的遮蔽物为格栅及百叶。但越来越多的建筑设计要求遮蔽物与建筑风格更加融合，提出使用穿孔铝板或土建孔板等作为室外机的遮蔽。空调室外机通风不畅会导致空调的能耗升高，以及进气温度升高导致空调保护停机。因此，研究孔板遮蔽下的空调运行情况，可对空调室外机孔板遮蔽的穿孔率及室外机安装方式提供依据。

图1 各类孔板装饰面示意图

1 工程概况

家用空调最常规使用的型号为1HP与2HP，为考虑最不利的情况，对2HP的进行分析。处于建筑美观的考虑，将室外机安装于凹槽内，外部采用孔板遮蔽，设备安装空间为1.4m（长）×0.6m（宽）×1.2m（高）。某品牌2HP室外机的散热量为6.6kW，风扇排风量为2200CMH，室外机尺寸为840mm（长）×327mm（宽）×550mm（高）。具体安装定位如下图：

图2 本工程室外机安装示意图

2 CFD模拟设计思路

模拟分析时的室外温度取标准工况下干/湿球温度为35℃/24℃，在空调制冷的工况下先按不设置孔板遮蔽直通室外时，对室外机的热环境进行分析，判断在此安装条件下，室外机的最优运行性能。再分别对孔板的穿孔率25%、50%、75%三种情况进行热环境的分析，判断室外机的进风温度是否超过空调出厂规定的室外温度连续运转范围10～46℃。在确定进风温度不超过46℃，空调可以正常运行的情况下，进一步探讨孔板遮蔽对空调能效的影响。根据刘伟雄等人的研究，当室内温度设置在26℃时的运行能效与室外空气干球温度的线性回归关系为y=-0.0834x+6.5368，此处的室外空气干干球温度近似与室外机的进风温度。

3 模型设计

3.1 模型参数

根据室外机凹槽及室外机外形的尺寸，建立模型，凹槽的四周均为绝热的隔板。为更好地划分网格，穿孔率25%的孔板单个孔尺寸为0.1m×0.1m，穿孔率50%的孔板单个孔尺寸为0.15m×0.15m，穿孔率75%的孔板单个孔尺寸为0.18m×0.18m，孔洞按照相应的穿孔率均匀分布。根据2HP室外机排风量及出口尺寸，计算出排风风速为2.5m/s。模型设计如下：

图3 25%穿孔率室外机CFD模型图

3.2 网格划分

网格质量对CFD计算精度和计算效率及收敛性有重要影响。对于复杂的CFD问题，网格生成极为耗时且极易出错，生成网格所需要的时间常常大于实际CFD计算的时间。因此，在划分网格时应该把网格细密的程度直接与物理量在计算区域内的变化进行统一考虑。同时，还应根据计算机硬件条件，对模型的网格数量进行范围控制。

本次研究的室外机尺寸为840mm（长）×327mm（宽）×550mm（高），网格划分控制在网格大小为0.15*0.15*0.15m。对孔板进行局部的加密，孔口周围网格尺寸控制在0.05m。经检验Face alignment和Quality均接近1，说明网格质量良好。网格如下：

图4 25%穿孔率孔板处网格示意图

图5 25%穿孔率室外机剖面网格示意图

3.3 其他设置

1）模拟过程把室内空气视为透明介质。

2）气流为稳态流动。

3）湍流计算模型采用RNG k-ε模型，k-ε模型为工程流场计算中主要的工具，有适用范围广、经济、合理的精度等优点，RNG模型在ε方程中加了一个条件，更是有效的改善了精度。

4）连续性方程和动量方程收敛精度为0.001，能量方程收敛精度为1e-6 。

4 CFD模拟分析

通过模拟结果可知，室外机在35℃的环境温度下，不设置孔板遮蔽时，室外机进风温度为35.2℃，通风条件充足，室外机能在近于标准的工况下运行。

图6 不设置孔板遮蔽剖面温度场

图7 不设置孔板遮蔽进风侧温度场

在设置孔板遮蔽的情况下，由于受到外侧孔板遮挡的影响，进风温度急剧升高，假使室外机进风温度超过限值仍能继续运行，25%、50%、75%的穿孔率下，进风温度分别为72.1℃、49.4℃、39.2℃。25%和50%穿孔率下，超过了室外机的持续运行温度限值46℃，室外机停机不能正常运行。75%的穿孔率下，进风温度分别为39.2℃。由运行能效与室外空气干球温度的线性回归关系y=-0.0834x+6.5368得，室外机能效比为3.27，比不设置孔板遮蔽时能效降低了10%。

图8 25%穿孔率剖面温度场

图9 25%穿孔率进风侧温度场

图10 50%穿孔率剖面温度场

图11 50%穿孔率进风侧温度场

图12 75%穿孔率剖面温度场

图13 75%穿孔率进风侧温度场

为研究保证室外机进风温度不超过46℃时，孔板穿孔率的极限值，增加对60%、65%穿孔率孔板的室外机热环境模拟，模拟结果显示60%穿孔率对应进风温度为41.1℃，65%穿孔率对应进风温度为40.4℃。由于室外空气温度不会稳定与标准工况35℃，查询全国民用建筑供暖通风与空调室外气象参数表《GB50736-2012》，我国大部分城市的极端最高温度为38-40℃之间，为保证在极端的天气下，室外机也能正常运行，确定60%为孔板的极限穿孔率，此时室外机能效比为3.11，比不设置孔板遮蔽时能效降低了15%。

从模拟结果的温度场与速度场可见，造成过低穿孔率的孔板遮蔽下室外机的散热差的原因在于，孔板过密导致室外机排风不畅，处理完室外机冷凝热后排风到达孔板后只有少量能通过孔洞排出室外，大部分积聚于室外机与孔板之间，并由于热空气上升的缘故，与上部35℃的进风混合后被抽入室外机，导致到达室外机背后进风的温度远高于35℃。除此之外，在同等的通透率下的遮蔽物，孔板比百叶的散热效果更差，这是由于两种出风口的风口特性不同，百叶对排风有导向作用，而孔板排风孔口处多为平行流，速度衰减快。风速过快的衰减会使得排风的热气流在较为靠近室外机位的地方与室外空气混合，导致排风与进风的短路，使得进入凹槽的空气温度比室外温度高。

5 改善措施及模拟分析

由上述的模拟结果可得，过低穿孔率孔板遮蔽造成对室外机散热差的因素如下，一为排风受阻导致热空气在凹槽里积聚，二为通过孔口的排风风速衰减过快。其他工程中设置在凹槽内顶出风的多联室外机以及远离外墙的侧出风的室外机，常用增加导风管的方式来加强排风。参照这种形式应用于本工程，在孔板遮蔽穿孔率低于60%时，于室外机出风口处设置挡板，一直延伸至孔板处。下面对设置导风挡板后的室外机在穿孔率25%、50%孔板下的热环境进行模拟分析。

图14 25%穿孔率设置导风挡板剖面温度场

图15 25%穿孔率设置导风挡板进风侧温度场

图16 50%穿孔率设置导风挡板剖面温度场

图17 50%穿孔率设置导风挡板进风侧温度场

通过模拟可以得到设置了导风挡板后，室外机在25%、50%孔板遮蔽时的进气温度分别为35.6℃、38.5℃。

1）设置了导风挡板后，室外机的排风气流能较为顺畅的排出室外，解决了热空气在凹槽内积聚的问题；

2）在导风挡板与孔板能较为密实的相接时，孔口的出口风速比室外机风扇的出口风速大，在风机的机外余压可以负担导风挡板的沿程阻力及孔口处的局部阻力的前提下，风速的增大使得排风衰减减缓，使得排风在较为远离室外机位的地方与室外空气混合，改善排风与进风短路的现象，由此进入凹槽的空气温度更接近室外温度；

3）在不同的穿孔率下，对室外机的进风侧的温度场进行分析，25%穿孔率的孔板比50%的进风温度更低，进风温度并不随着穿孔率的提高而降低。

在设置导风挡板的条件下，低穿孔率的排风风速更高，衰减更慢，但同时也会减少了进风的面积。为了进一步得出对室外机散热最为有利的穿孔率数值，分别进行了15%、20%、30%、35%、40%的穿孔率下室外机的热环境模拟，结果如图所示。

图18 孔板穿孔率与室外机进风温度的关系

由图可知，当孔板穿孔率在25%的时候，室外机进风侧的温度最低，为35.6℃。由运行能效与室外空气干球温度的线性回归关系y=-0.0834x+6.5368得，室外机对外设置25%穿孔率的孔板遮蔽，在使用导风挡板措施后，进风温度为35.6℃，运行能效为3.57，仅下降1.1%。各穿孔率对应室外机的运行能效如图。

图19 孔板穿孔率与室外机运行能效比的关系

6 结论

（1）对于放置在凹槽里的空调室外机设置孔板遮蔽，当穿孔率小于60%时，室外机散热不畅，进风温度均超过室外机能连续运转的极限温度，导致触发停机保护，空调室外机不能正常运行。在建筑设计时，若采用孔板作为室外机的遮蔽物，应该至少保证孔板具有60%以上的穿孔率，室外机才能正常运行，具有75%以上的穿孔率，室外机才可较高能效运行。

（2）当必须采用小于60%穿孔率的孔板遮蔽室外机时，本文提供了设置导风挡板作为改善措施。设置导风挡板时，孔板穿孔率在20%～30%对于室外机的散热最为有利，运行能效比不设置任何遮蔽时下降1.1%。导风挡板的使用效果与连接处的封闭性有极大关系，建议空调厂家可以设置相关配件，以供恶劣条件下的空调运行使用。此结论未考虑震动与噪声的因素，应用时应根据实际的需求进行考虑。