建筑凹槽中室外机安装条件对散热影响的实验研究

金梧凤，郑亚飞，蒋悦波，白贤三

（1.天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津300134；2.浙江清华长三角研究院，浙江 杭州310012；3.乐金电子（天津）有限公司，天津300400）

在现有的建筑中，分体式空调室外机常被直接安装在建筑外立面上，用支架进行支撑，这样的摆放不利于建筑外立面的美观性，同时也会带来安全隐患．为了克服以上缺陷，建筑设计师把空调室外机机位摆放至凹槽内，并采用百叶等构件进行遮蔽，如图1所示，在这种情况下，空调室外机的散热效果取决于室外机和墙体,室外机距百叶之间的距离以及百叶的形式．

目前，国内外学者针对室外机的周围热环境进行了大量的相关研究．周德海等人[1]针对室外风速、温度等影响因素对凹槽内室外机周围热环境进行了数值模拟分析，指出室外风速对室外机散热影响较大，室外温度影响较小．展圣杰对凹槽的高度、宽度、进深进行实验、模拟研究，指出凹槽的进深宜大于 90 cm,宽度应大于 220 cm，高度大于 70 cm[2]．T.T.Chow[3-5]等人对放置在建筑凹槽内的室外机的散热情况进行了数值模拟分析，以COP的平均下降值分析了多台室外机的散热情况．CAC Laboratory, LG Electronics[6]等用数值方法分析了室外机距墙体最优位置比，同时分析了最坏的情况．韩国汉阳大学的Seok-Ho Choi等人[7]针对建筑凹槽内六种不同的室外机布置方式，通过数值模拟和数学计算研究了室外自然风从正面吹、侧面吹和无室外自然风三种情况下冷凝器的进风温度及室外机的COP值和CGPI值，研究表明室外自然风从正面吹使得室外机风扇吹出的气流上升，导致热空气进入上层设备，影响上层空调设备散热．美的公司的程卓明[8]用实验和模拟的方法分析了百叶安装开度对夏季空调运行的影响，发现百叶开度为45°时,室外机冷凝器的进风温度达到35.9～38.3℃．

可以看出，目前关于凹槽内室外机周围热环境的研究大多集中在数值模拟上，侧重于室外环境对空调性能的影响，实验研究方面对凹槽的大小、百叶开度进行了研究，两者都没对凹槽内室外机最佳安装位置和凹槽最佳百叶开度进行研究．本文以凹槽内某型号室外机为研究对象，改变室外机在凹槽内的位置及凹槽的百叶角度，对室外机的进出口温度、散热量及EER并进行了研究分析，本研究成果为凹槽内室外机的通用安装条件研究提供研究方法和基础依据．

图1 凹槽内室外机摆放形式Fig1. The form of the outdoor unit placed in the groove

1 实验原理与装置

1.1 实验原理

GB/T7725-2004[9]标准规定，有两种空调器性能测试方法：①为平衡环境型房间量热计法；②为空调器焓差法．其中，焓差法测试精度较高，能测试房间空调器的制冷能力和制热能力，另外，还可以针对房间空调器季节节能能效比测定间歇启停状态下空调器的制冷量和输入功率，因此，本次实验采用焓差法测量热泵型空调器的制冷性能．空气焓差法测试方法包括：室外机出风外接风管法、出风采样法、出风多点测试法和室内机空气焓差法．本文中采用室外机出风多点测试法进行实验，即直接测试室外机的进、排风口位置的多点风速、风温，计算室外机的散热量；测量压缩机的功率，两者之差为该空调的制冷量．如图2所示，左边为室内侧测试房间，右侧为室外侧测试房间，在做实验过程中，把室外机放置在室外侧房间，室内机放置在室内侧房间．

图2 焓差室原理图Fig.2 Schematic diagram of the enthalpy different laboratory

室外机散热量及空调器制冷量以及能效比可以用下式表示：

式中： Q0室外机散热量，W； tc为出口温度，℃；ti为进口温度，℃；c为空气比热容，J/kg·℃；m为质量流量，kg/s； Qa为室外机制冷量，W； PE为压缩机输入功率，W；．EER为制冷性能系数，W/W．

1.2 实验装置及实验方法

为了得到可控制的室内侧和室外侧环境，本实验选择在天津商业大学焓差实验室进行，图3为焓差实验室照片，其中包括分别模拟室内环境和室外环境的模拟小室，这两个小室相邻且壁面为保温墙；焓差室包括两套用于室内侧和室外侧小室的制冷系统和空气处理系统，以及自身的控制系统和数据采集设备．实验中通过调节焓差实验室的各个系统将室内侧小室和室外侧小室调整至所需状态．

图3 焓差实验室Fig.3 The enthalpy difference lab

实验装置中包括室外机、凹槽和温湿度传感器，热点耦测点在凹槽内，通过数据采集装置连接至室外计算机中，对实验进行记录．本实验使用厚度为5 mm的三合板代替凹槽结构，封闭百叶采用角度可调、百叶间距分别为50 mm、100 mm的两种铝合金百叶，其尺寸为1400 mm×1100 mm，百叶叶片宽度为50 mm．实验中选用的空调器室外机的型号为 LS-83541AT,尺寸为 0.72 m×0.23 m×0.483 m(长×宽×高),制冷量为3 500 W,最大输入功率1 850 W．

实验开始前，室外环境温度设为35℃，室内机设定温度为18℃，焓差室室内侧和室外侧模拟房间工况达到稳定以后开启实验空调器，待其运行 15 min后记录实验数据．采用多点风速仪测量风速，T型热电偶进行温度测量，采用功率表测得输入功率，结合以上装置测得的数据，进而得出室外机在不同安装条件工况下的制冷量及EER变化．

1.3 实验工况

在进行实验工作之前 ，进行了相关的数值模拟和资料分析[10-13]，因为实验采用的是典型的家用分体式空调，冷凝器形状为L型，因此室外机有两侧进风口，图4所示左侧和上侧为进风口，a点为出风口测点，b和c点为进风口测点，d点为凹槽内室外机周围环境温度测点．图5为百叶形式，上面已经说明，这里不再赘述．

图4 凹槽内室外机安装位置Fig.4 Outdoor unit installation position in the groov e

根据以上分析，制定实验工况表，见表1．

1.4 研究范围

本实验针对某一型号的分体式空调室外机进行研究，其容量和外形尺寸前面已经给出．因为空调厂家众多，生产的空调器类型也相对较多，而且不同型号的空调器性能参数和室外机尺寸不同，并且室外机的散热强度也是不同的，本研究的范围限于2.2中描述的某型号室外机凹槽内安装条件对其冷凝器散热影响的研究，但其研究成果可为凹槽内室外机的通用安装条件的研究提供研究方法以及基础性研究依据．

图5 百叶形式Fig.5 Louver form

表1 实验工况Tab.1 Experimental conditions

2 实验结果分析

2.1 室外机距墙距离的影响

首先研究不同室外机距墙位置对室外机周围热环境的影响，具体实验工况如表1中A1-A4所示．

图6 室外机与墙的距离不同时室外机的进风温度Fig.6 Inlet temperature of outdoor unit of different distance from the wall to the condenser

图7 冷凝器与墙的距离不同时的散热量、制冷量、压缩机输入功率以及EERFig.7 Heat dissipating capacity, outdoor unit refrigerating capacity and the input power of the compressor and EER under various conditions

图6 是对比工况A1、A2、A3和A4 情况下室外机进口平均温度随时间变化的趋势图．可以看出，随着室外机距墙距离的增大，室外机进风温度显著减小，当L1、L2=80 mm时，室外机进口平均温度为42.3℃；当增大至100 mm、200 mm、300 mm时，室外机进口平均温度分别为 39.3℃、38.3℃、37.2℃，从80 mm至100 mm时变化比较明显．从图7中可以看出随着间距的增大，散热量和制冷量也随之增大，当冷凝器距墙距离为300 mm时，散热量和制冷量分别比距离为80 mm时增大了20.2%和30.8%，EER增大了30.4%，这种情况下室外机散热最好．

这是因为当室外机距墙的距离增大时，室外机的回风空间随之增大，室外空气可以顺利的进入并与冷凝器进行热交换，因此散热效果得以优化；最高温度在间距最小时，最低温度出现在间距最大时，而且当间距达到100 mm及以上时，温度变化幅度减小，这是因为当间距很小时，室外机的回风空间小，进口气流流动受到阻碍，导致进风口的温度最大，而随着间距的增大，并达到一定距离时，回风空间增大，进口空气流通顺畅，能有效吸入室外空气，以致进风口温度减小幅度变小．

从以上分析结果可知，当室外机与墙的间距大于80 mm时，温度变化幅度减小，制冷量和散热量变化趋势减缓，因此从上述分析结果建议室外机距墙距离应大于80 mm．

2.2 室外机距百叶距离的影响

下面研究室外机与百叶之间距离对室外机周围热环境的影响，A2、A5为实验工况．

图8 室外机与百叶距离不同时室外机的进风温度Fig.8 Inlet temperature of outdoor unit of different distance from the wall to the louver

图9 室外机与百叶距离不同时的散热量、制冷量、压缩机输入功率以及EERFig.9 Heat dissipating capacity, outdoor unit refrigerating capacity and the input power of the compressor and EER under various conditions

图8 为对比工况A2和A5下室外机平均进风温度随时间变化的均势图，从图中可以看出，当间距为300 mm时，进风温度最低，平均温度为37.7℃，间距为100 mm最大，平均温度为39.3℃，间距为500 mm时，平均温度为38.3℃．从图9中可以看出，EER先升高再减小，出风口距百叶为300 mm时EER比出风口距百叶为100 mm时增大了7.8%；而散热量和制冷量则呈现先增大后平缓的趋势，即出风口距百叶为300 mm时和出风口距百叶为500 mm时，散热量和制冷量差别很小，可视为无变化．

这是因为随着风扇距百叶距离的增大，通风空间随之增大，因此室外机散热效果变好，EER增大，但是当风扇与百叶之间的距离超过某一限值时，由于室外机出风静压有限，室外机排出的热气流不能够完全排出凹槽，甚至会直接进入冷凝器造成“气流短路”现象，造成室外机的进风温度又呈现升高的趋势，所以会出现EER降低的现象．

从上述分析可以得出室外机与百叶之间则存在最佳距离，即在300 mm左右时室外机散热效果最好，EER最高．

2.3 百叶形式的影响

为了维持建筑外立面的整齐，室外机常被安装在凹槽内并以百叶进行遮蔽，因此百叶形式对室外机周围的热环境同样起着至关重要的作用．具体实验工况如A6和A7所示．

图10 不同百叶开度下室外机的进风温度Fig.10 Inlet temperature of outdoor unit of different louver angle

图 10为不同百叶开度下室外机进风温度随时间的变化趋势图，从图中可以看出，当百叶开度为40°时，室外机进风温度最大，平均温度为42.3℃，百叶开度为 0°和 30°时分别为 39.4℃和39.3℃．从图11中可以看出，散热量和制冷量随着百叶开度的增大，呈现先升高后降低的趋势，即百叶开度为30°时空调运行状况最好，同时随着百叶开度的增大，EER也呈现先增大后降低的趋势，30°时比 0°和 40°时 EER 分别增大 0.9%和6.9%．百叶间距为100 mm时室外机进风温度、散热量、制冷量和EER的变化规律与50 mm时类似，故不做详细说明．

图11 不同百叶开度下的散热量、制冷量、压缩机输入功率和EERFig.11 Heat dissipating capacity, outdoor unit refrigerating capacity and the input power of the compressor and EER under different lover angle

图12 不同百叶间距下室外机的进风温度Fig.12 Inlet temperature of outdoor unit of different louver space

图13 不同百叶间距下的散热量、制冷量、压缩机输入功率和EERFig.13 Heat dissipating capacity, outdoor unit refrigerating capacity and the input power of the compressor and EER under different lover space

研究不同百叶间距对室外机周围热环境的影响，图12和13所示为百叶开度为30°时的不同百叶间距下室外机的进风温度、散热量、制冷量和EER，从图中可以看出百叶间距为50 mm时室外机的进风温度远大于间距为100 mm时的进风温度，即随着百叶间距的增大，室外机进风温度显著降低，散热量、制冷量和EER也随之升高，其中EER约上升15.3%．百叶角度为0°和40°时各参数的变化规律相似，在此不做赘述．

以上种工况下导致的不同散热量及制冷量是因为室外机排出的热风需要经过百叶排放到大气中，如果百叶开度过大，排出的热风将与百叶进行碰撞，使得排风能量减小，造成部分热气流堵塞在凹槽内，甚至发生回流现象，影响室外机散热；而百叶间距的增大则会使排风空间变大，室外机的通风状况得到改善，进而使得空调系统的运行状况得以优化．

从上述分析结果可以得出，当百叶开度设为30°左右时散热效果最好，同时在选择百叶时，百叶间距满足美观要求的前提下越大越好．

3 结论

本文针对某一型号家用分体式空调室外机，以其在凹槽内的周围热环境为切入点，对影响其周围热环境的安装位置及百叶形式进行分析，得出了以下结论：

(1)室外机与墙之间距离越大，室外机散热效果越好，能效比越高，结合凹槽占用面积，建议室外机距墙距离应大于80 mm；

(2)风扇与百叶之间则存在最佳距离，即在300 mm左右时室外机的散热效果最好，EER最高．

(3)当百叶间距一定时，存在着最佳百叶角度，即30°左右时空调能效比最高；随着百叶间距的增大，室外机的散热量、制冷量和能效比也随之增大，因此建议住宅用空调系统在不影响建筑外立面美观性的前提下，尽量增大百叶的间距，并使百叶角度维持在30°左右．

References

[1] 周德海, 邵晓亮, 张晓灵, 等. 建筑凹槽中室外机周围热环境的数值模拟[J].广州大学学报: 自然科学版,2010, 9(6): 17-22.ZHOU Dehai, SHAO Xiaoliang, ZHANG Xiaoling, et al.Numerical simulation of the thermal environment around buildings groove in the outdoor machine[J]. Journal of Guangzhou University:NATURAL SCIENCE EDITION,2010, 9(6): 17-22.

[2] 展圣杰.民用分体式空调室外机安装条件对散热影响的研究[D].杭州: 浙江大学, 2012.ZHAN Shengjie. Study on civil outdoor unit of split type air conditioner affected by installation conditions on thermal effect[D].Hangzhou: Zhejiang University,2012.

[3] CHOW T T, LIN Z. Predietion of on-coil temperature of condensers installed at tall building re-entrant[J]. APPlied Thermal Engineering, 1999,(19):117-132.

[4] CHOW T.T, LIN Z, LIU J.P. Effect of building re-entrant shape on performance of air-cooled condensing units [J].Energy and building, 2000,(32): 143-152.

[5] CHOW T T, LIN Z, LIU J P. Effect of condensing unit layout at building re-entrant on split-type air-conditioner performance[J].Energy and Buildings,2002(34):237-244.

[6] CAC Laboratory, LG Electronics Inc. Optimum placement of top discharge outdoor unit installed near a wall[J]. Energy and buildings, 2013(59): 228-235.

[7] CHOI SeokHo, LEE KwanSoo, KIM Byung-Soon. Effects of stacked condensers in a high-rise apartment building[J].Energy,2004(30):968-981.

[8] 程卓明, 黄钊, 马勇, 等. 百叶窗开度对室外机运行环境影响的分析[J]. 暖通空调,2009, 39(1): 133-1.CHENG Zhuoming, Huang Zhao, Ma Yong，et al. Analysis of impact of shutters opening on the outdoor unit run environmental impact[J]. HVAC, 2009, 39(1): 133-1.

[9] GB/T7725-2004. 房间空气调节器[S].北京: 中国标准出版社, 2005.GB/T7725-2004.Room air conditioners[S].Beijing: China standard press, 2005.

[10] 蒋悦波.分体式空调室外机周围热环境研究[D].天津:天津商业大学, 2013.JIANG Yuebo. Study on the thermal environment around the outdoor unit of air conditioner [D]. Tianjin: Tianjin University of Commerce, 2013.

[11] 谷德军, 金梧凤, 王剑波, 等.室外机室格栅对空调运行环境的影响[J].绿色科技,2012,6(6): 271-274.GU Dejun, JIN Wufeng, WANG Jianbo, et al. Effect of outdoor machine room grille on the operating environment of air conditioner[J]. Green technology, 2012, 6(6):271-274.

[12] 姜晓东, 苏秀平. 格栅孔隙率对某空调室外机性能影响的CFD研究[J].制冷与空调, 2010,10(3): 25-29.JIANG Xiaodong, SU Xiuping. Studies on the effect of CFD grille porosity on the outdoor unit performance[J].Refrigeration and air conditioning, 2010,10(3): 25-29.

[13] 中国气象局气象信息中心气象资料室.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京: 中国建筑工业出版社,2005.China Meteorological Information Center meteorological data room. China building thermal environment analysis of meteorological data[M].Beijing: Chinese Building Industry Press,2005.