郭坤

(中南建筑設計院股份有限公司，武漢 430064)

1 引言

隨著時代的發(fā)展，超高層建筑應運而生。最近幾年，特別是一線城市，出現(xiàn)越來越多的超高層公寓。在越來越注重立面造型的建筑時代，室外機的設置是一個很大的挑戰(zhàn)。因此，將變制冷劑流量空調(diào)室外機設置在凹槽內(nèi)并以百葉進行遮擋的方式受廣大建筑師青睞。建筑師通常設置凹槽空間，供空調(diào)室外機安裝使用，由于凹槽空間狹小，通風效果差，變制冷劑流量空調(diào)室外機所產(chǎn)生的熱量很難有效排出室外，導致室外機經(jīng)常停機，嚴重影響空調(diào)的制冷效果[1]?，F(xiàn)如今，CFD數(shù)值模擬技術(shù)得以廣泛應用[2-4]，可以利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對受限區(qū)域的空調(diào)室外機進行數(shù)值模擬分析，優(yōu)化空調(diào)室外機的安裝位置[5-6]。

2 工程概況

深圳市某工程建筑高度為141.75 m，共41層，1～4層為裙房，公寓標準層從5層開始，14層和27層為避難層，采用變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)，初始方案在標準層設置凹槽用于外置空調(diào)室外機，且豎向有35層空調(diào)室外機。標準層設置在此區(qū)域戶型的建筑面積為99 m2，戶型朝向西面，選用制冷量為15.5 kW的空調(diào)室外機，室外機平臺在凹槽深處，貼墻設置，并采用通透率85%的百葉遮擋，具體布置如圖1所示。

圖1 室外機布置平面圖

3 數(shù)值模擬方法及邊界條件

使用Fluent前處理軟件——Gambit軟件進行建模[7]，如圖2和圖3所示。

圖2 模型

圖3 網(wǎng)格劃分

將室外機設置為體積熱源，根據(jù)其制冷量和壓縮機功率得到室外機的熱釋放率為38 551.14 W/m3。室外機排風扇采用Fan邊界條件，通風量驗證，有力躍升值為48 Pa；冷凝器采用多孔介質(zhì)模型，根據(jù)熱交換器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對所需參數(shù)進行確認。另外，凹槽外計算區(qū)域各個面采用Pressure outlet邊界；將操作溫度設為環(huán)境溫度；由于室外機排出的氣體與周圍環(huán)境存在溫度差，考慮到浮升力項和重力作用，認為氣流的密度變化符合Boussineq假設。具體如表1所示。

表1 邊界條件設置（夏季工況）

數(shù)值模擬是在最不利的條件下進行的：室外無風、冷負荷最大時刻、同時使用系數(shù)為1。

4 CFD數(shù)值模擬結(jié)果

利用Fluent軟件進行數(shù)值模擬，空調(diào)室外機豎向溫度和橫向溫度分布見表2和表3。

表2 空調(diào)室外機豎向溫度分布表

表3 空調(diào)室外機橫向溫度分布表

通過模擬結(jié)果可知：（1）豎向第5臺室外機(建筑第9層)以上凹槽內(nèi)的溫度超過影響空調(diào)室外機工作效率的臨界點43℃；豎向第9臺室外機（建筑第13層）以上凹槽內(nèi)的溫度超過了70℃；豎向第35臺機（建筑第41層）凹槽內(nèi)的溫度達到了80℃；（2）溫度的分布趨勢隨著豎向布置的臺數(shù)增加而升高，熱浮升效應非常明顯。

經(jīng)分析可知，由于空調(diào)室外機設置在非常深的凹槽之內(nèi)，排風不暢，且豎向布置空調(diào)室外機較多，導致熱量大量聚集，且熱浮升效應明顯，建筑第9層以上均不能滿足空調(diào)室外機工作環(huán)境溫度的要求，所以，該室外機布置方案不合理。

5 優(yōu)化方案的數(shù)值模擬分析

5.1 優(yōu)化方案

由于初始空調(diào)室外機設置方案不合理，結(jié)合建筑條件，對空調(diào)室外機設置方案進行優(yōu)化，室外機平臺由凹槽最深處修改到貼近建筑外輪廓設置，具體如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后平面布置圖

5.2 優(yōu)化后模擬結(jié)果

優(yōu)化后空調(diào)室外機豎向溫度分布和橫向溫度分布見表4和表5。

表4 優(yōu)化后空調(diào)室外機豎向溫度分布表

表5 優(yōu)化后空調(diào)室外機橫向溫度分布表

通過模擬結(jié)果可知：（1）豎向第26臺室外機(建筑第32層)以上凹槽內(nèi)的溫度區(qū)間在42～44℃，處于影響空調(diào)室外機工作效率的臨界點43℃；（2）凹槽內(nèi)室外機右側(cè)靠近墻壁出的溫度較高；（3）溫度的分布趨勢隨著豎向布置的臺數(shù)增加而升高，熱浮升效應非常明顯。

經(jīng)分析可知，室外機從凹槽深處調(diào)整到凹槽口部，豎向第26臺以下室外機周圍環(huán)境溫度滿足使用需求，但豎向第26臺以上室外機右側(cè)靠近墻壁處的溫度較高，處于室外機停機臨界點，其原因是設置室外機的空間狹小，且豎向設置室外機臺數(shù)較多，熱量很難排出，需要進一步優(yōu)化室外機的設置空間。

調(diào)整方案：把現(xiàn)有室外機布置空間寬度由2.2 m調(diào)整為2.45 m。

對調(diào)整后的室外機布置方案進行數(shù)值模擬計算，模擬結(jié)果顯示，最頂層室外機周圍溫度最高為42.5℃，滿足空調(diào)室外機使用需求。

6 項目實測

（1）項目投入使用以后，進行現(xiàn)場實測，實測時氣象參數(shù)見表6，實測室外機周圍溫度見表7。

表6 實測氣象參數(shù)

表7 實測結(jié)果

實測結(jié)果顯示：（1）所有樓層室外機均正常運行；（2）實測溫度低于數(shù)值模擬溫度；（3）室外機周圍溫度的分布趨勢隨著豎向布置的臺數(shù)增加而升高，熱浮升效應非常明顯。

對比分析數(shù)值模擬和實測數(shù)據(jù)可知，實測室外機周邊溫度小于數(shù)值模擬值，其原因為：（1）實測當天的同時使用率小于1；（2）空調(diào)室外機沒有滿負荷運行；（3）室外風的影響。

7 結(jié)論

通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測可以得出以下結(jié)論：

1）凹槽內(nèi)設置空調(diào)室外機，溫度的分布趨勢隨著豎向臺數(shù)增加而升高，存在嚴重的熱浮升效應。

2）遮擋百葉通透率在85%以上基本不影響室外機的正常工作。

3）室外風對空調(diào)室外機散熱起到有利的作用。

4）空調(diào)室外機設置在凹槽時，空調(diào)室外機排風排出建筑輪廓外，有利于空調(diào)室外機正常運行。