某高层建筑设备平台高密度安装空调室外机的散热分析与优化

张海波

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

1 前言

随着高层建筑的增多，空调室外机通常安装在建筑设备平台上，同时为了建筑美观性考虑，通常使用百叶或孔板等遮挡物对室外机进行遮挡。然而，遮挡物的形式对空调室外机的通风散热具有较大的影响，使用适当的遮挡物可对空调室外机吹出的热气流进行引导，反之，若选择不当，空调室外机产生的热量不能及时排出，造成室外机回风温度升高，影响其正常运行，有研究表明，夏季空调制冷运行时，其室外机回风温度每升高1℃，空调系统的COP会降低约3%［1］。本文利用数值方法，以工程上一个典型项目为例，对其不同遮挡物情况下的安装方案进行分析，有效解决了室外机的散热问题，取得了很好的效果。

2 工程概况

某建筑4～22层楼高44.9m，每层南北设备平台（设备夹层，高970mm，深880mm）各放置FGR3.5/C外机24～16台不等，并且在设备平台前均设置竖直格栅遮挡，单个格栅高125mm，间距62mm。现选机组密度最大的北向5～9层设备平台作为模拟对象，对以下两种安装方案进行仿真模拟：方案1为原安装方案；方案2将机组前的遮挡物改为薄片百叶（厚度可忽略），百叶宽度125mm，间距187mm，百叶与水平面倾角为斜向下30°。各机组平面布置方案见图1及图2，遮挡物安装方案对比如表1所示。

表1 设备平台遮挡物参数表

图1 建筑平面示意图

图2 建筑立面示意图

3 数值模型与计算工况

CFD技术是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的一门科学技术。本论文采用商业CFD软件——FLUENT进行模拟。

3.1 模型的简化

建立室外机的简化模型，室外机选用实体模型（宽×深×高760×255×540mm），室外机出风、回风面采用循环风模型，室外机出风风量为2500m3/h。由于实际空调的散热量受工况的影响明显，故本文针对最为恶劣的工况，即室外机出风温度为最大50℃时进行模拟，建立如图3所示的室外机模型。分析建筑结构后，在模拟软件中建立其对应的数值模型，如图4所示。

图3 室外机仿真三维模型

图4 建筑整体仿真三维模型

3.2 数值模型

为简化计算，对模拟作如下假设：

（1）空气流动为稳态湍流流动。

（2）空气密度符合Bossinesq假设［2］，同时考虑空气重力及由于温差产生的浮升力，空气视为不可压缩流体，外部大气环境温度在机组运行制冷模式时为35℃，大气压力为101.325KPa。

（3）所有机组夏季均处于制冷模式全负荷运行。

（4）送风口速度、温度分布均匀。

（5）建筑附近无其他热源或者障碍物、且仅考虑制冷模式冷凝器、机组壳体与排风管道发热，不考虑压缩机、电机、管路件等的发热；

（6）假设建筑周围环境无风，忽略太阳辐射、地面辐射传热的影响；

（7）机组制冷运行出风温度50℃。

基于以上假设，其控制方程为［3］：

3.3 边界条件

入口边界条件：速度入口边界；

出口边界条件：采用自由边界，设置为大气压力；

4 模拟结果与分析

图5、图6所示的分别是方案1与方案2两种遮挡物情况下的建筑整体温度场分布云图，图7所示的是方案1与方案2两种遮挡物情况下的局部速度矢量云图，可以看出，在模拟情况下，方案1由于设备夹层通透率过低（仅为33.3%），且竖直的格栅直接将大部分热气流反弹，该摆放方案绝大部分热气流不能顺利对外散热，整体出现严重气流组织短路和热堆积现象，机组整体散热及机组回风情况恶劣，设备平台温度高；方案2机组吹出的热气流通过薄片百叶疏导，大部分能够与外界环境充分换热，无明显气流组织短路现象，但由于机组属于高层高密度的安装摆放方式，局部出现热堆积现象，局部温度偏高。

图5 方案1、方案2建筑竖直截面温度分布云图

图6 方案1、方案2建筑水平截面温度分布云图（第8层）

图7 方案1、方案2建筑竖直截面速度矢量云图（局部）

模拟情况下，各机组具体回风温度数据如图8所示：

图8 方案1、方案2各机组平均回风温度数据

可见方案1机组整体散热及机组回风情况恶劣，平均回风温度全部在40℃以上，且接近出风温度，使用此安装方式，机组在使用时有极大的能效衰减甚至停机保护的可能；对比方案2机组平均回风温度明显降低，局部机组平均回风温度在40℃以上，大部分机组平均回风温度全部在40℃以下。方案1与方案2间温差约为10℃，同比可提升机组COP约30%以上，各机组平均回风温度统计如表2所示。

表2 各机组平均回风温度统计

4 结论

本文以实际项目为研究对象，使用CFD软件进行仿真模拟，分析不同遮挡物情况下设备平台的空调室外机的通风散热情况，并且进行对比，得出如下结论：

（1）安装了室外机的设备平台，需考虑遮挡物对空调室外机散热的影响，需要保证设备平台具有足够的通透率，满足室外机送、回风的需求，使其散发的热气流能够与室外大气实现换热；

（2）使用格栅作为遮挡物，过宽的格栅会对热气流造成阻碍，如同时设备平台通透率过低，则热气流会在设备平台内短路，难以通过格栅与室外大气换热，热量堆积在设备平台，造成空调室外机工作环境恶劣，空调工作效果相应降低；

（3）空调室外机在高层高密度的安装情况下，尤其需要选择合适的遮挡物对热气流进行引导，在同时考虑美观性和实用性的前提下，建议使用合适的百叶倾斜角度和开孔率；

（4）本文应用CFD模拟的方法分析了某建筑设备平台高层高密度安装条件下两种不同遮挡物方案对空调室外机散热的影响，分析了设备平台的气流场和温度场，对于实际工程具有一定的指导意义。