建筑凹槽内空调室外机运行环境数值模拟
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摘要：本文应用CFD数值模拟软件对布置在建筑外墙凹槽内的空调室外机的运行环境进行了模拟，分析了不同凹槽尺寸条件下空调室外机的进风温度，提出了合理的用于布置空调室外机的建筑凹槽尺寸。
关键词：空调室外机；运行环境；数值模拟
中图分类号：TB657文献标识码： A
家用空调具有易于安装、占地面积小等优点，广泛的应用于住宅建筑和部分公共建筑中。在建筑物设计中，通常将室外机安装在预留的凹槽结构内，用百叶进行遮蔽，但不合理的布置方式往往对室外机的正常运行造成严重的影响。如何合理布置室外机、优化室外机运行环境成为现今非常紧迫的课题。
通常情况下，研究空气流动问题有现场测量、实验研究以及数值模拟三种方法，而其中的数值模拟方法由于是最为灵活、快速的方法，应用最为广泛。H. xue等人[1][2]以相似理论为理论基础建立了实验模型，结合CFD分析探讨了现今的高层建筑中室外机与凹槽各面距离、风扇出风速度对室外机运行环境的影响；张珍等[3]利用Fluent软件模拟了不同有限空间下，室外机与建筑物后墙不同间距情况下，流体的流动和温度分布规律；蒋悦波等[4]结合具体工程，对凹槽内室外机散热问题进行了分析，利用Fluent软件对实际工程中室外机运行环境进行了改进。本课题采用Fluent软件针对1.2P空调在不同工况下其室外机运行环境进行了模拟，通过对比分析对室外机的布置、建筑物凹槽的设计提出了合理的建议。
1数值模拟
1.1物理模型
主要研究不同条件下凹槽内室外机的运行环境，首先对模型作适当的简化：不考虑太阳太阳辐射、地面辐射以及传热对室外机运行的影响；认为外墙平坦绝热，忽略其上其他设备如冷凝水管等的影响；认为室外机运行过程是稳态的过程，室外机热释放率为定值；模拟过程中认为空调设备全负荷运行。
根据空调室外机实际安装，选取1.2P空调进行模拟。风扇位于室外机正面的中央偏左，直径为0.48m，热源与多孔装置位于室外机回风口处，室外机三面环墙，一面被百叶遮蔽，百叶为直板型百叶，开度为θ，间距为0.04m，厚度可忽略。为保证室外机排出气流的流动达到充分发展，将数值模拟的区域设置为10m×10m×10m。
1.2数学模型
本文中空调室外机与室外空气换热的过程为湍流流动，采用Fluent中提供的RANS模拟方法，利用平均湍流能量模型k-s双方程湍流模型求解方程组。由于热浮力的作用不能忽略，采用boussinesq假设。控制方程如下：
质量守恒方程：
动量守恒方程：
能量守恒方程：
湍流模型方程：
2模拟结果分析
模拟示意图中采用统一的显示温度范围，取计算区域Y=2.07m的水平截面。
2.1凹槽高度变化对室外机周围环境的影响
图1凹槽高度变化时室外机平均进风温度变化
由图1中可以看出，随着凹槽高度的逐渐增大，室外机平均进风温度逐渐降低，但始终变化幅度不大，且变化趋势减小，，说明凹槽高度的改变是对室外机运行环境影响较小的因素。当凹槽高度增加到0.8m时，室外机平均进风温度基本在33°左右，将0.8m作为凹槽高度的建议值。
2.2凹槽与前百叶距离变化对室外机周围环境的影响
图2室外机与百叶距离变化时室外机平均进风温度变化
由图2中可以看出，随着室外机距百叶的距离的逐渐增大，室外机平均进风温度呈现先降低后增加的变化趋势。此时百叶开度为20°，百叶对室外机散热阻碍作用较小，随着室外机与百叶距离的逐渐增大，凹槽空间逐渐增加，对室外机的通风散热起到有利的影响，室外机平均进风温度随之降低，但当室外机与百叶距离的继续增大时，由于距离较远，室外机风扇的风压不足以支撑室外机排出的高温气体完全排出凹槽，室外机排出的高温气体在凹槽内累计，室外机平均进风温度增大，运行环境变差，将0.3m作为室外机距百叶距离的建议值。
2.3百叶角度变化对室外机周围环境的影响
图3随百叶角度变化室外机平均进风温度变化趋势
由图可以看出，当其他参数不做改变时，随着百叶角度不断增大，室外机所排出的气流所受到的阻碍作用越大，当百叶角度为30°时明显出现了气流回流现象，气流喷射影响的范围变小。百叶角度分别为10°、20°、30°时，室外机平均进风温度分别为31.66℃、33.35℃、34.78℃，呈现逐渐增大的趋势。
在不考虑百叶的前提下，室外机所排出的气体温度较高，密度较小，在热浮力的作用下慢慢上升。而增加百叶后，当百叶开口角度为30°时，室外机最高进风温度高达43℃，室外机所排出的高温气体在空调的抽吸作用下仍被吸入空调冷凝器，严重影响到空调系统的正常运行。百叶角度越小，气流射流所能达到的距离越远。
随着百叶间距的增大，百叶的开口率随之增大，则意味着百叶流通能力增强。随着百叶角度的增大，百叶的开口率减小，室外机排出高温气流受到百叶的阻碍作用，一部分气流产生回流，在百叶后形成涡旋，百叶角度越大，涡旋区域越大，使百叶后形成负压区，百叶的阻力增大，室外机排出气流困难，大量热量在凹槽内堆积，使室外机平均进风温度增大，运行环境变差。室外机进风温度过高会使室外机自动停机保护，当温度下降到一定范围室外机再次工作，其间歇运行不仅导致空调制冷量达不到室内人员的要求，同时过度的高温会影响室外机的正常使用寿命。虽然10°百叶阻力系数很小，是室外机散热的最有利的情况，但是角度较小的百叶无法起到任何挡雨作用，工程上一般不予采用，将百叶角度为20°作为设计百叶时的建议值。
3结论
本文对1.2P空调在不同工况下运行环境进行了模拟讨论。当室外机布置不合理时，空调室外机释放的热量会在凹槽内堆积，使回风口进风温度升高，严重时会导致室外机停机保护。通过模拟分析得到室外机安装时各因素设计建议值：室外机与百叶距离为0.3m，凹槽高度为0.8m。
参考文献
[1] H.Xue,S.K.Chou,X.Q.Zhong. Thermal environment in a confined space of high-rise building with split air conditioning system [J]. Building and Environment, 2004,39:817-823.
[2H.Xue,B.Xu,J.Wu. Prediction of temperature rise near condensing units in the confined space of a high-rise building.Energy and Buildings, 2007, 42:2480-2487.
[3]张珍，董莉葛，尹少武等.空调室外机的最佳安装位置的数值模拟[J].北京市制冷学会2010年论文集・制冷空调，2009,48-54.
[4]蒋悦波，金梧凤，朴完奎.某住宅建筑凹槽内室外机热环境的CFD分析和优化[J].建筑节能，2012，09.
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[6] 贾雪峰，刘东．某高层建筑空调室室外机通风效果模拟研究[J]．建筑热能通风空调，2010，29(1)：69-72
[7] 杭寅，刘东，黄艳．某高层建筑空调室外机的气流模拟及优化[J]．建筑热能通风空调，2006；25(3)：12~16．
作者简介
展萌（1990―），女，山东济南人，硕士研究生，研究方向:低品位能源利用技术。