某超高层公寓变制冷剂流量空调室外机周围热环境数值模拟研究

郭坤

(中南建筑设计院股份有限公司，武汉 430064)

1 引言

随着时代的发展，超高层建筑应运而生。最近几年，特别是一线城市，出现越来越多的超高层公寓。在越来越注重立面造型的建筑时代，室外机的设置是一个很大的挑战。因此，将变制冷剂流量空调室外机设置在凹槽内并以百叶进行遮挡的方式受广大建筑师青睐。建筑师通常设置凹槽空间，供空调室外机安装使用，由于凹槽空间狭小，通风效果差，变制冷剂流量空调室外机所产生的热量很难有效排出室外，导致室外机经常停机，严重影响空调的制冷效果[1]。现如今，CFD数值模拟技术得以广泛应用[2-4]，可以利用CFD数值模拟技术对受限区域的空调室外机进行数值模拟分析，优化空调室外机的安装位置[5-6]。

2 工程概况

深圳市某工程建筑高度为141.75 m，共41层，1～4层为裙房，公寓标准层从5层开始，14层和27层为避难层，采用变制冷剂流量空调系统，初始方案在标准层设置凹槽用于外置空调室外机，且竖向有35层空调室外机。标准层设置在此区域户型的建筑面积为99 m2，户型朝向西面，选用制冷量为15.5 kW的空调室外机，室外机平台在凹槽深处，贴墙设置，并采用通透率85%的百叶遮挡，具体布置如图1所示。

图1 室外机布置平面图

3 数值模拟方法及边界条件

使用Fluent前处理软件——Gambit软件进行建模[7]，如图2和图3所示。

图2 模型

图3 网格划分

将室外机设置为体积热源，根据其制冷量和压缩机功率得到室外机的热释放率为38 551.14 W/m3。室外机排风扇采用Fan边界条件，通风量验证，有力跃升值为48 Pa；冷凝器采用多孔介质模型，根据热交换器的结构参数对所需参数进行确认。另外，凹槽外计算区域各个面采用Pressure outlet边界；将操作温度设为环境温度；由于室外机排出的气体与周围环境存在温度差，考虑到浮升力项和重力作用，认为气流的密度变化符合Boussineq假设。具体如表1所示。

表1 边界条件设置（夏季工况）

数值模拟是在最不利的条件下进行的：室外无风、冷负荷最大时刻、同时使用系数为1。

4 CFD数值模拟结果

利用Fluent软件进行数值模拟，空调室外机竖向温度和横向温度分布见表2和表3。

表2 空调室外机竖向温度分布表

表3 空调室外机横向温度分布表

通过模拟结果可知：（1）竖向第5台室外机(建筑第9层)以上凹槽内的温度超过影响空调室外机工作效率的临界点43℃；竖向第9台室外机（建筑第13层）以上凹槽内的温度超过了70℃；竖向第35台机（建筑第41层）凹槽内的温度达到了80℃；（2）温度的分布趋势随着竖向布置的台数增加而升高，热浮升效应非常明显。

经分析可知，由于空调室外机设置在非常深的凹槽之内，排风不畅，且竖向布置空调室外机较多，导致热量大量聚集，且热浮升效应明显，建筑第9层以上均不能满足空调室外机工作环境温度的要求，所以，该室外机布置方案不合理。

5 优化方案的数值模拟分析

5.1 优化方案

由于初始空调室外机设置方案不合理，结合建筑条件，对空调室外机设置方案进行优化，室外机平台由凹槽最深处修改到贴近建筑外轮廓设置，具体如图4所示。

图4 优化后平面布置图

5.2 优化后模拟结果

优化后空调室外机竖向温度分布和横向温度分布见表4和表5。

表4 优化后空调室外机竖向温度分布表

表5 优化后空调室外机横向温度分布表

通过模拟结果可知：（1）竖向第26台室外机(建筑第32层)以上凹槽内的温度区间在42～44℃，处于影响空调室外机工作效率的临界点43℃；（2）凹槽内室外机右侧靠近墙壁出的温度较高；（3）温度的分布趋势随着竖向布置的台数增加而升高，热浮升效应非常明显。

经分析可知，室外机从凹槽深处调整到凹槽口部，竖向第26台以下室外机周围环境温度满足使用需求，但竖向第26台以上室外机右侧靠近墙壁处的温度较高，处于室外机停机临界点，其原因是设置室外机的空间狭小，且竖向设置室外机台数较多，热量很难排出，需要进一步优化室外机的设置空间。

调整方案：把现有室外机布置空间宽度由2.2 m调整为2.45 m。

对调整后的室外机布置方案进行数值模拟计算，模拟结果显示，最顶层室外机周围温度最高为42.5℃，满足空调室外机使用需求。

6 项目实测

（1）项目投入使用以后，进行现场实测，实测时气象参数见表6，实测室外机周围温度见表7。

表6 实测气象参数

表7 实测结果

实测结果显示：（1）所有楼层室外机均正常运行；（2）实测温度低于数值模拟温度；（3）室外机周围温度的分布趋势随着竖向布置的台数增加而升高，热浮升效应非常明显。

对比分析数值模拟和实测数据可知，实测室外机周边温度小于数值模拟值，其原因为：（1）实测当天的同时使用率小于1；（2）空调室外机没有满负荷运行；（3）室外风的影响。

7 结论

通过数值模拟和现场实测可以得出以下结论：

1）凹槽内设置空调室外机，温度的分布趋势随着竖向台数增加而升高，存在严重的热浮升效应。

2）遮挡百叶通透率在85%以上基本不影响室外机的正常工作。

3）室外风对空调室外机散热起到有利的作用。

4）空调室外机设置在凹槽时，空调室外机排风排出建筑轮廓外，有利于空调室外机正常运行。