避难层室外机布置方式对热环境的影响研究

薛覆陆,姚桂菊,黄志祥,李 丽,周孝清

(广州大学建筑节能研究院广东省建筑节能与应用技术重点实验室,广州510006)

0 引 言

变制冷剂流量 (VRV)空调系统目前被广泛应用于高层住宅及办公楼。制冷工况下,室外机换热器依靠空气冷凝制冷剂蒸汽,其产生的热空气使其工作环境温度升高,影响冷凝效果,室外机换热器的冷凝温度提高1℃,系统的COP值降低3%,机组制冷能力下降,系统能耗增加。热气流排放到大气中亦会改变建筑周围大气热环境,形成局部地区的 “热岛效应”。

怎样保证VRV空调系统良好的工作性能,降低对建筑周围大气的热环境的影响,合理布置室外机位置,优化气流组织是重要的改善措施之一。革非、毕海泉等[10]研究安装在多层建筑设备阳台内室外机周围的气流速度和温度分布及室外机进风温度,分析浮升力因素对室外机散热的影响,并给出如何合理布置的建议;陈大宏[9]等分析多层住宅建筑室外机排出的冷凝热受浮升力作用而形成的流动模式、特性及其对上层空调设备运行的影响。Chow[2]等研究了高层建筑中安装在凹角内的室外机散热情况及其周围环境温度,考虑热气流浮升力影响因素,分析建筑的凹角形状对空调设备制冷能力的影响。

对室外机布置方式的探讨,研究者大多考虑热气流浮升力作用对室外机制冷能力的影响,即在浮升力作用下,下层的室外机释放的热空气上升到上层空间,加热上层空气温度,使上层室外机进口端吸入了较高温度的空气,为获得相同制冷效果,需要消耗更多的电能。在某些极端场合,可能因过高的冷凝温度而触发压缩机的安全保护装置,造成空调设备运行的中断。因此,热气流浮升力作用对于布置室外机尤其是对于逐层分散安装在多层建筑的设备阳台或是凹角内的室外机来说,是尤为重要的考虑因素。目前越来越多的高层建筑出现,高层建筑中特有的避难层越来越多被作为室外机的安放位置,对于集中布置在建筑避难层或类似开敞空间的室外机来说,建筑的布局、环境主导风向及风速对室外机良好的散热起着至关重要的作用,应该被列入布置方案的考虑范畴。

本文以深圳市某商住楼项目为例,应用CFD计算机数值模拟方法,结合建筑布局、环境主导风向及风速等因素分析布置在高层建筑避难层的室外机周围的气流流动和传热情况,分析并优化室外机的布置方案,改善室外机工作环境及周围大气热环境,降低空调系统能耗。

1 工程概况

深圳市某商住楼建筑群,包括六座办公塔楼、一座架空商业连廊以及一座住宅楼,选取其中一栋办公塔楼 (五号楼)作为分析对象,其建筑高度为174.9m,地上共42层,其中第16层和第30层为避难层,标高分别为63.8m和120.8m。

项目选用变制冷剂流量 (VRV)空调系统,欲将空调室外机布置在避难层内,单台室外机型号为16HP,室外机出风量为15000m3/h,制冷量45kW,制冷时额定功率15.9kW;按额定工况COP计算,室外机的冷凝热是60.9kW,体积热源为38976W/m3。室外机组合成模块放置,将模块均匀放置在避难层东西两端,本文对此种布置方式称为方案一(参照图2)。模块内部室外机的具体组合形式已给定并具有相应隔离措施,本文忽略热气流对模块内部室外机的影响,将室外机组合成的模块作为单元分析对象,讨论在夏季制冷工况下,室外机的摆放位置对工作环境及外界大气环境的影响。

2 数值模拟理论模型

将室外机设定为内热源。基于空气紊流特性的微观解析,采用平均湍流能量模型—k-ε双方程湍流模型求解方程组[3]。由于热浮力的作用不能忽略,采用boussinesq假设[2]。控制方程组如下所示:

模型常数分别为:C1ε=1.44 C2ε=1.92 C3ε=1 Cμ=0.09 σk=1.0 σε=1.3

3 模拟及分析

3.1 方案一模拟

深圳室外计算干球温度35℃,室外湿球温度27.9℃,室外平均风速2.1m/s,夏季主导风向为东南风,其中7～8月多为西南风,频率小于13%。

参照深圳市夏季气象参数以及风玫瑰图,确定模拟的工况为:东南风环境风速2.1m/s、西南风环境风速2.1m/s。风玫瑰图见图1。

图1 深圳风玫瑰图

3.1.1 东南风环境风速2.1m/s的条件下

室外机冷凝器排出高于环境温度的热空气,如图3右下角小图所示,热气流对一～四号楼以及六号楼均无影响,但对七号楼略有影响,使七号楼周围环境温度升高至41℃。

避难层东侧热气流回流到避难层内部,回流向避难层内部扩散距离6m,受此热气回流的影响,避难层东侧进深6m范围内的环境平均温度43℃。西侧处于背风向,室外机出风口射流明显,气流在东南风影响下排向楼体外部,无回流现象。室外机热气流的具体参数见表1。

表1 方案一室外机热气流对避难层的影响 (东南风情况)——以16F避难层为例

对于室外机来说,当进风温度超过20℃时,制冷量随着温度的升高而降低,输入功率大幅度增加。因此当进风温度过高,增加能耗,对电动机运行产生不利影响。制冷工况下,室外机的允许进风温度为10～43℃[11],图2为室外机制冷量及输入功率随进风温度变化的曲线图[11]。

图2 室外机制冷量及输入功率岁进风温度的变化

由图2可知,室外机布置使室外机工作环境温度即机组进口温度达到43～46℃,室外机工作效率降低,甚至会使电动机保护性停机。

3.1.2 西南风环境风速2.1m/s的条件下

模拟方案一中室外机在环境风速2.1m/s的西南风情况下对热环境的影响,避难层东侧室外机排出的热气流很好地扩散到大气中,基本无纵向扩散,五号楼位于建筑群东北角,室外机散热对其他建筑无影响。

五号楼西面各标准层壁面附近有大量的热气流聚集,该热气流温度在37.2～41℃之间,这一现象是因为受到六号楼室外机的散热影响。六号楼位于五号楼的西南方向,其室外机放置在楼内三个避难层内,其标高分别为27.4m、88.2m、145.2m,三个避难层内的室外机热气流在西南风作用下吹向五号楼的西面,如图3所示。

表2所示为西南风情况下室外机的相关参数。

因此,在风频较低的西南风情况下,方案一使避难层环境温度即机组进口温度升高至40℃,室外机工作效率明显降低。

表2 方案一室外机热气流对避难层的影响 (西南风情况)——以 16F为例

图3 六号楼热气流对五号楼的影响情况(西南风情况)

3.2 分析与改进

(1)分析

根据模拟结果,东南风情况下,七号楼环境温度升高;西南风情况下,避难层西侧内部,环境温度升高。这与五号楼的建筑布局有直接关系,五号楼位于建筑群的东北角,与位于其西边的七号楼距离较近,直线距离约为24m,其西南方是六号楼,与五号楼对角线距离约为47m。于是,在主导风向东南风下,五号楼西侧室外机产生的热气流会向七号楼蔓延,在风频较低的西南风下,来自六号楼的热流会吹向五号楼,因此,室外机应该避免安放在避难层的西侧。结合环境风向、风速的作用来分析,东南风影响热流向北部蔓延扩散,随着风力衰减,热流会在东北侧慢慢积聚,于是东北侧环境温度较高,不利于室外机散热效果及制冷能力,因此室外机应该避免放置在东北侧。

(2)方案改进

考虑建筑布局、主导风向及风速的影响,结合避难层北侧略宽于南侧的梯形形状,将室外机均匀放置在南、北两侧,其余四组机组放置在避难层东南角,形成方案二。

在东南风2.1m/s条件下,热气流向西北方向散去,热气流空气团边界与七号楼间距达11.2m,使得热气流冷却而不影响七号楼的热环境;避难层东南侧和南侧,热气流有部分回流,东南侧环境平均温度升高到36.2℃,南侧环境平均温度升高到38℃,北侧为背风向,东南风将热气流吹向外界大气,受到东南侧室外机排出的热气流向北贴壁流动现象的影响,北侧环境平均温度37.8℃。室外机的具体参数如表3所示,相较于方案一,方案二的环境温升仅达到38℃,室外机工作效率提高。

(3)方案对比

方案一中五号楼的热气流影响七号楼外界大气的热环境,六号楼的热气流使五号楼外界大气的热环境变差,方案二的布置避免了上述影响。

图4为东南风情况下方案一与方案二的热流流场对比图。

两套方案对避难层内的环境影响对比见表4。

表3 方案二室外机热气流对避难层的影响 (东南风情况)——以 16F为例

表4 两套布置方案对避难层工作环境的影响(东南风2.1m/s)

图4 方案一与方案二的对比——东南风情况

4 结论

本文讨论通过合理布置室外机,设计科学合理的气流组织,减少对建筑热环境的影响和破坏,使室外机进行良好散热,保证室外机良好的制冷能力。对于安装在高层建筑避难层或类似高大开敞空间的室外机来说,欲设计合理的布置方案,要着重考虑建筑布局、环境主导风向及风速对热气流扩散的影响。

以本文实例来说,由上文可知,五号楼位于建筑群的东北角,与位于其西边的七号楼直线距离约为24m,其西南方是六号楼,二者对角线距离约为47m,于是五号楼避难层西侧在主导风向东南风情况下,对七号楼的热环境产生影响,在风频较低的西南风情况下,五号楼西侧受到六号楼的热气流影响。为降低室外机对五号楼热环境的影响程度,室外机避免安放在西向,而是安放在南北向。在主导风向东南风影响下,热气流向北侧蔓延扩散,逐渐在东北侧积聚,东北侧环境温度高于东南侧,因此考虑风速和风向的作用后,室外机尽量避免布置在东北侧。

通过模拟结果的分析,我们发现,建筑布局的规划设计对建筑热环境的影响也是很大的,建筑间距要做综合考虑,不仅仅要符合规范要求,还要考虑建筑之间间距的大小是否会使建筑的热环境受到其他建筑的影响,如上文讨论分析,五、六、七号楼间距存在问题,建筑热环境遭到破坏,不仅建筑自身的能耗增加,而且降低室外机工作能力,引起设备能耗的增加。所以设计师在规划建筑布局时,要考虑建筑热环境的因素,借助数值分析手段,适当增大建筑间距,尽量避免建筑热环境遭到破坏。

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(1)MITSUBISHI ELECTRIC数据手册——变频多联分离式空调机,2002