基于CFD模拟分析的深圳某超高层公寓多联机室外机布置研究

夏可超

广东省建筑设计研究院有限公司 广东 广州 510000

随着人们对室内空气品质及舒适性要求的不断提高，越来越多的公寓开始采用户式多联机空调系统，尤其是超高层公寓。超高层建筑往往会对建筑外立面有很高要求，而多联机室外机需要在相应外立面设置百叶，因此，如何平衡好建筑外立面美观和空调室外机散热效果之间的关系成为布置多联机空调室外机的关键[1-3]。超高层公寓户式多联机空调室外机一般被要求设置于建筑立面凹进处，且室外机安装空间狭小，平面同一位置竖向安装室外机的层数多达几十层，这就造成空调室外机运行环境往往较差。在这种情况下，空调室外机的进风温度对其能否正常运行影响很大，而安装在超高层公寓建筑同一凹槽空间内，每层空调室外机的总散热强度则是影响竖向各层空调室外机进风温度的主要因素。本文运用CFD模拟软件Airpak3.0.16对实际工程某超高层公寓的多联机室外机摆放方案进行数值模拟，根据模拟结果对不同室外机摆放方案进行分析和评价，并得出在不破坏建筑外立面效果的前提下最合理的室外机设置方案，指导实际设计。

1 工程概况

1.1 建筑概况

本项目位于广东省深圳市，为一大型商业综合体，集办公、商业、商务公寓等功能为一体，总建筑面积约25.0万m2。本文所讨论的公寓位于其中一栋塔楼的24-46层，共23层，建筑面积约4.0万m2，建筑高度199.2m。标准层每层八户，层高3.6m，避难层层高3.9m。

1.2 气象条件

本项目位于夏热冬暖地区，主要考虑夏季空调室外机的运行情况。当地夏季室外空气设计参数如表1所示：

表1 室外设计参数[4]

1.3 空调系统形式

为便于运行管理和减少室外机百叶对建筑立面的影响，经多方论证后，本项目空调采用户式多联机空调系统，标准层各户的多联机室外机集中设置于本层的建筑凹槽内，其具体设置位置如图1所示。

图1 标准层室外机位设置平面图

从图1可以看出，空调室外机运行环境较差，为验证室外机能否正常运行，需对室外机安装区域热环境进行CFD模拟研究。

2 CFD模拟条件

本模拟采用Fluent airpak3.0.16进行模拟计算，Fluent airpak是面向工程师、建筑师和室内设计师的专业领域工程师的专业人工环境系统分析软件，其计算内核是基于Fluent。

为简化模型，采用以下假设：建筑物外墙绝热平坦，忽略太阳辐射、地面反射及壁面之间的换热，建筑物外立面其他设备对空调室外机运行时的气流温度场、速度场的影响可忽略[5]；室外环境温度采用当地夏季空调室外计算温度33.7℃，考虑夏季主导风向东南东风，平均风速2.7m/s；空气满足理想气体定律，考虑重力对气流的影响。

根据设计选定的空调室外机实际尺寸建立室外机模型。室外机进风口和回风口模型选择Recirc Openning模型，该模型能够模拟气流经过热交换器换热后再送出去的过程，可以模拟出空调室外机的进排风效果。在Recirc Openning中定义出每台空调室外机的循环风量和单位释放的冷凝热即体积热源。

室外机位外立面设置有百叶，本项目室外机位外百叶采用直百叶形式，百叶通风率达到80%，在误差范围许可内本模拟不考虑百叶通风率。

由于户内各房间室内空调器并不是同时开启的，根据相关研究[6-7]，我们取同时使用系数为0.5。

3 室外机布置方案及数值模拟

3.1 室外机布置方案1

标准层各户的空调室外机集中布置在每层的室外机平台上，每层设置8台室外机，其中4台是顶出风（规格均为16HP），4台是侧出风（其中2台规格为7HP，2台规格为12HP），具体的室外机布置如图2所示。

图2 室外机布置方案1

以室外机平台区域为模拟分析区域，搭建CFD模型如图3a所示，典型竖向温度分布如图 3b所示。

图3 CFD模拟结果

从图3b可以看出，除24、36层空调室外机的进风温度小于43℃外，其余楼层的空调室外机的进风温度均超过43℃，从而导致大部分室外机无法正常运行[8-9]。且由于热风热浮力的累积效应，随着楼层的增高，室外机进风温度逐渐增大，39-46层的空调室外机进风温度甚至达到50℃。由模拟结果可见，在该方案下，大部分楼层的空调室外机已无法正常运行。

3.2 室外机布置方案2

从方案1的模拟结果来看，由于每层室外机平台摆放室外机过密，导致室外机进风环境恶化，尤其是随着楼层增加室外机运行环境逐渐恶化。从优化室外机运行环境，减少室外机平台摆放设备数量的角度，同时结合建筑立面效果，考虑将两台小户型的侧出风室外机（规格均为7HP）移至各户室外机平台安装，每层室外机平台集中摆放6台设备，其中4台是顶出风（规格均为16HP），2台是侧出风（规格均为12HP），具体的室外机布置如图4所示。

图4 室外机布置方案2

以室外机平台区域为模拟分析区域，搭建CFD模型如图5a所示，典型竖向温度分布如图5b所示。

从图5b可以看出，相较于方案1，空调室外机的运行环境得到很大改善。24-27、36-37层的空调室外机的进风温度小于43℃，但其余楼层的空调室外机的进风温度均超过43℃，且43-46层的空调室外机进风温度依然达到50℃。由模拟结果可见，在该方案下，仍有部分楼层的空调室外机无法正常运行。

图5 CFD模拟结果

3.3 室外机布置方案3

从方案2的模拟结果来看，大部分室外机的进风温度依旧超过高温保护停机温度，无法满足运行要求。为减少每层室外机平台设备散热量，同时结合建筑立面效果及功能布置，考虑将两台大户型的顶出风室外机（规格均为16HP）移至避难层和屋面安装，每层室外机平台集中摆放6台设备，其中2台是顶出风（规格均为16HP），4台是侧出风（其中2台规格为7HP，2台规格为12HP），具体的室外机布置如图6所示。

图6 室外机布置方案3

以室外机平台区域为模拟分析区域，搭建CFD模型如图7a所示，典型竖向温度分布如图7b所示。

图7 CFD模拟结果

从图7b可以看出，相较于方案2，空调室外机的运行环境进一步得到改善。24-46层的空调室外机进风温度均小于43℃，热风热浮力的累积效应被减弱，所有楼层的空调室外机均能正常运行，该方案能够较好的满足项目需求。

综上所述，对比三种室外机布置方案，方案2和方案3均通过减少凹槽内室外机布置数量来使室外机运行环境得到明显改善，但方案3的改善程度要更优于方案2。这主要是由于方案3减少的凹槽内室外机散热强度要大于方案2。这说明，合理调整各层在同一凹槽空间内室外机总散热强度能够明显改善室外机运行环境。

4 结论

本文结合深圳地区某超高层公寓的实际设计情况，利用CFD模拟软件对楼层布置的室外机不同方案进行模拟研究，对于公寓多联机项目具有一定的指导意义，并将本项目的经验总结如下：

1、在确定超高层公寓多联机室外机布置方案前，利用CFD模拟软件对不同方案进行比较分析有利于减少后期设备运行问题；

2、对于每层空调室外机集中摆放的超高层公寓，需注意热风热浮力的累积效应所造成的上层室外机进风温度过高问题，避免因楼层过高导致室外机无法正常运行；

3、室外机平台的室外机总散热强度直接影响各层室外机的进风温度。换言之，在确定室外机布置方案时，同一建筑凹槽内每层室外机总散热强度需要通过CFD分析确定，其判定准则为所有层的室外机进风温度不能超限。