空调室外机安装状态对机组性能影响分析

林伟雪，叶剑，林泳涛

（1.珠海格力机电工程有限公司，广东珠海，519070；2.湖南航天捷诚电子装备有限责任公司，湖南长沙，410205；3.珠海格力电器股份有限公司，广东珠海，519070）

1 仿真方案

本文对样板房涉及的不同室外机安装方案气流组织和机组性能进行仿真模拟分析，模拟内容包含室外机的整机风量衰减、流场分析、不同回风温度下相应的换热量衰减。室外机安装有以下方案：

方案1：空调机组正常安装，即机组处于理想回风状态，机组四周为大气边界条件，此时在机组额定转速700rpm时的风量即为标准风量，如图1（a）；

方案2：机组安装于设备间，主要回风面距离墙面30mm，侧回风面距离墙面100mm，如图1（b）；

方案3：机组安装于设备间，主要回风面距离墙面65mm，侧回风面距离墙面100mm，如图1（c）。

图1 仿真模型

2 流体模拟分析

2.1 流体仿真方法

ANSYS CFD控制方程是质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、组分守恒定律等的数学描述，在流体力学中以相应的连续性方程与Navier-Stockes方程体现。本文模拟气流属于稳态的三维不可压缩紊流流动，运用Navier-Stockes方程，并采用k-εrealizable湍流模型来封闭RANS方程组［1，2］，其求解器是基于有限体积法。该项目采用离散化解析的方法，将计算域离散化为一系列控制体积，在这些控制体上求解质量、动量、能量、组分等的通用守恒方程。偏微分方程组离散化为代数方程组，用数值方法求解代数方程组以获取流场解。

2.2 流体仿真分析条件：

（1）由于出风格栅几何结构复杂且某些几何尺寸很小，整机三维简化时不考虑出风格栅，简化后的机组模型如图2所示。延长计算域尺寸（设备间体积除外）：6000mm×4200mm×1880mm；

图2 简化模型

（2）由于机组三维结构相对复杂，因此采用适用性强的四面体非结构网格，延长计算域结构规则，为减少网格数量，采用六面体结构网格。非结构网格与结构网格交界面采用Interface连接。计算域网格总数约1350万，如图3所示；

图3 计算域网格

（3）本次流体仿真计算仅考虑由于安装距离不足导致的风量衰减，不涉及热量传递，不考虑气流短路引起的回风温度升高；

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（4）边界条件：大气压力：1.0135MPa ；环境温度：不涉及；出风静压：0Pa；风叶转速：700rpm；换热器：Φ7.94-3排-1.8mm片距-波纹片，多孔介质处理；

（5）用方案1确定仿真计算误差：通过对比方案1仿真计算风量与实测风量，修改边界条件参数，使仿真计算风量与实测风量接近。

2.3 流体仿真分析结果

不同方案的整机仿真计算风量如表1所示，方案2仿真风量衰减比例为32.2%，方案3仿真风量衰减比例为11.5%。

表1 不同方案的整机仿真风量

由三个不同方案的换热器表面速度分布云图可知，换热器表面风速存在较大差异：方案2、3的换热器表面风速分布规律与方案1相比，换热器回风面越靠近墙面，换热器表面风速的低速区越大，且速度分布规律呈不均匀化趋势，如图4所示。

图4 换热器表面风量分布云图

图5 截面示意图

由图6、图7和图8可知，机组回风面没有遮挡时，机组吹风距离较远，回风状态理想，未出现风叶出风口的气流被机组回吸的现象；随着回风面距离墙面的距离减小，流道系统阻力上升，回风条件趋于恶劣，机组的吹风距离更短。速度云图、速度矢量图和流线图均显示，方案2和方案3的机组吹风距离明显小于方案1，而方案2的吹风距离小于方案3。此外，由速度矢量图和流线图可知，方案2和方案3中，从机组风叶出口吹出的气流有部分被回风面重新吸走，形成了气流短路（如图9，方框标出），由于机组出风为温度较高的热气流（制冷工况），将造成机组回风温度升高，降低机组性能。

图6 不同计算域截面上速度云图

图8 流线图

3 性能模拟分析

3.1 性能仿真方法：

性能仿真计算为提高仿真精度，将换热器每根铜管作为换热微元分别控制流动参数。换热微元的控制方程包括换热量方程和能量平衡方程。换热量方程计算换热微元内的空气与制冷剂之间的换热量，用于评价室外换热器的换热性能。能量平衡方程是分别基于空气侧热平衡、制冷剂侧热平衡以及空气-制冷剂之间热平衡获得。空气侧温度变化导致的能量变化是由空气与铜管外壁面换热导致的，制冷剂侧焓差的变化是由制冷剂与铜管内壁面换热导致的，在微元换热稳定后，空气侧的能量变化等于制冷剂侧的能量变化［3］。在空气侧，根据流体对换热器表面的风量分布仿真计算结果设置每根管的入口风量值，并设置入口空气状态参数。在制冷剂侧，设置入口制冷剂状态参数，流量在各支路间的分配采用阻力相同的原则。

3.2 性能仿真条件：

（1）回风温度35℃方案仅考虑由于风量分布变化及风量衰减对机组性能的影响，不考虑机组系统参数变化对机组可靠性的影响；

（2）回风温度40℃方案考虑机组气流短路将造成机组回风温度升高，仿真方案增加升高后回风温度作为对比，评估对机组能力的影响，该方案比实际运行情况恶劣；

（3）本次仿真仅对冷凝器换热量进行计算，边界条件：大气压力：1.0135 MPa ；冷媒流量0.0617kg·s-1，其他仿真详细参数见表2.

表2 性能仿真参数

3.3 性能仿真分析结果

各方案的空调换热量仿真计算结果如表3所示。方案1为机组正常安装，认为机组处于理想回风状态，回风温度即为环境温度。根据表3可知，与机组回风面无阻挡时的机组性能相比较，方案2仿真换热量衰减比例在8.7%-24.98%，方案3仿真换热量衰减比例在3.26%-14.95%。

表3 不同方案的换热器仿真计算换热量

空气经冷凝器换热后温度升高，机组气流短路使得温度高的出风被回流至冷能器，导致回风温度升高，空气与换热器的换热温差减小，冷凝换热量也同步减小，且变差的冷凝效果将同步带来机组的可靠性问题［4］。由仿真结果可看出，太小的回风距离将导致严重的风量衰减和气流短路，且气流短路造成的回风温度升高对机组性能的影响远大于风量衰减的影响。

4 分析结论

根据项目对3种不同室外机安装方案完成了流体仿真和性能仿真，经分析可以得出如下结论：

1、与机组回风面无阻挡时的风量相比较，方案2仿真风量衰减比例为32.2%，方案3仿真风量衰减比例为11.5%；对应机组性能方案2衰减比例在8.7%-24.98%，方案3衰减比例在3.26%-14.95%；

2、方案2、3的换热器表面风速分布规律与方案1相比，换热器回风面越靠近墙面，换热器表面风速的低速区越大，且速度分布规律呈不均匀化趋势，因此对于本案例的机组安装而言，保证回风距离最大化才能使得机组风量及性能衰减比例最小；

3、机组安装状态会影响回风条件，使得机组运行时风量衰减、分布不均匀、回风温度提高等问题，最终使得机组运行性能降低；

4、空调室外机的安装状态对空调系统的制冷效率影响显著，本文应用仿真的方法模拟空调室外机的风环境和计算机组性能，对于实际工程具有一定的指导意义。