室外機(jī)室格柵對(duì)空調(diào)運(yùn)行環(huán)境的影響

谷德軍，王劍波，樸完奎，劉 楊，金梧鳳

(1.天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300134;2.中國(guó)中建設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司天津分公司，天津300134;3.樂金電子天津電器有限公司，天津300134)

1 引言

為保證建筑有良好的外觀，一般采用百葉窗隱藏空調(diào)室外機(jī)，但由于百葉窗的存在，空調(diào)夏季運(yùn)行環(huán)境變得比較惡劣，作為冷凝器工作的室外機(jī)不能良好、充分地與周圍環(huán)境中的冷空氣換熱，回風(fēng)溫度較環(huán)境溫度高，使得室外機(jī)與環(huán)境的換熱越來越困難，進(jìn)而影響整體空調(diào)系統(tǒng)的工作效率，導(dǎo)致COP(Coefficient Of Performance，性能系數(shù))值降低。同時(shí)為了獲得相同的制冷效果，還會(huì)導(dǎo)致耗電量的增加。在某些極端場(chǎng)合，可能因過高的環(huán)境溫度而觸發(fā)壓縮機(jī)的安全保護(hù)裝置，造成空調(diào)設(shè)備運(yùn)行的中斷［1］。在不斷增加的建筑能耗中，空調(diào)能耗約占55%，在整個(gè)建筑能耗中所占的比例最大。研究表明:當(dāng)室外機(jī)作為冷凝器使用時(shí)，其進(jìn)風(fēng)溫度每升高1℃，空調(diào)系統(tǒng)的COP會(huì)降低約3%，當(dāng)進(jìn)口溫度超過45℃時(shí)將會(huì)嚴(yán)重影響空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行［2，3］。如何能滿足建筑立面的美觀要求又能確保空調(diào)效果，室外機(jī)出口的格柵起了很重要的作用，格柵的形狀類型將直接影響機(jī)組的通風(fēng)與換熱性能。

程卓明，黃釗，馬勇利用Fluent軟件對(duì)空調(diào)室外機(jī)夏季運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，側(cè)重點(diǎn)在不同百葉窗安裝開度下的空調(diào)運(yùn)行環(huán)境特性研究［4］，得出當(dāng)百葉外部向下傾斜時(shí)，室外機(jī)的運(yùn)行環(huán)境隨百葉開度的減小而變好;與百葉外部向下傾斜相比，向上傾斜時(shí)的室外機(jī)運(yùn)行環(huán)境更好。姜曉東，蘇秀平用CFD技術(shù)對(duì)空調(diào)室外機(jī)性能做了相關(guān)研究，側(cè)重點(diǎn)在格柵孔隙率的變化對(duì)室外機(jī)的影響［5］，用孔隙率表示格柵流通面積的大小，格柵的孔隙率定義為流通面積與格柵總面積的比值，得出增大格柵的孔隙率會(huì)改善室外機(jī)的氣流組織，有利于降低盤管的進(jìn)口溫度，從而提高空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。當(dāng)孔隙率大于0.6時(shí)，盤管的進(jìn)口截面上的平均溫度低于38.3℃，最高溫度低于47.4℃，從而能夠滿足該空調(diào)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。總的來說，格柵的研究目前大多集中在格柵孔隙率、百葉傾斜方向、對(duì)空調(diào)室外機(jī)性能影響、優(yōu)化吸排風(fēng)速度等方面。而格柵種類及格柵不同的百葉角度對(duì)傳熱效果也有很大的影響，所以有必要進(jìn)行這兩方面的研究。

保證室外機(jī)格柵美觀的同時(shí)，讓室外機(jī)的熱量最大限度通過格柵散發(fā)出去，解決格柵對(duì)熱量散發(fā)的阻礙作用，用Fluent軟件對(duì)不同種類的格柵以及格柵不同百葉角度兩種情況下的場(chǎng)流、溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)模擬結(jié)果分析得出了最佳的格柵類型以及百葉角度。為設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)格柵結(jié)構(gòu)提供參考依據(jù)，為工程的實(shí)際應(yīng)用提供理論參考和優(yōu)化指導(dǎo)，對(duì)系統(tǒng)COP的升高、能耗的降低有重要意義。

2 研究對(duì)象

目前市場(chǎng)上格柵種類主要有，S型、flat(直板)型、崗型格柵，flat型格柵主要是考慮氣流更容易順利排出。S型格柵的設(shè)計(jì)原因大多是為了防雨，更多的是考慮美觀的因素。而崗型格柵由于格柵的厚度較大，影響美觀而且成本較高，現(xiàn)實(shí)中較少采用。因此，本文只對(duì)建筑立面常出現(xiàn)的S型、flat型格柵進(jìn)行研究，其結(jié)構(gòu)見圖1。

本文就圖1兩種不同的格柵進(jìn)行研究，分析比較格柵的散熱、氣流組織影響效果。同時(shí)，針對(duì)散熱效果好的格柵，進(jìn)行不同百葉角度對(duì)冷凝器平均溫度影響的研究。

3 模擬實(shí)驗(yàn)

圖1 多聯(lián)機(jī)室外機(jī)室格柵

本文是對(duì)多聯(lián)機(jī)室外機(jī)室格柵處的氣流溫度場(chǎng)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，需要采用適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ湍M湍流流動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)研究問題的完整描述，便于進(jìn)行數(shù)值求解，清楚的模擬出氣流組織形式，在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上假定一些邊界條件，對(duì)其進(jìn)行研究。

3.1 模擬內(nèi)容

研究?jī)?nèi)容是針對(duì)兩種不同種類的格柵，以及格柵百葉角度的不同，對(duì)冷凝器側(cè)的氣流進(jìn)行的模擬。HVAC領(lǐng)域的流動(dòng)問題滿足連續(xù)性方程，動(dòng)量方程和能量方程［6，7］，通常用不可壓粘性流體流動(dòng)的控制微分方程，模擬時(shí)要求采用的軟件能體現(xiàn)出具體的氣流流動(dòng)方向。本文采用的CFD模擬技術(shù)［8］里的 Fluent軟件，用于計(jì)算復(fù)雜幾何條件下流動(dòng)及傳熱問題，后處理模塊有三維顯示功能來展現(xiàn)流動(dòng)特性，適合分析本文的湍流形式的氣體數(shù)值模擬。因此，選用Fluent［9］進(jìn)行模擬。

研究采用 Mini ARU0141WS的室外機(jī)，尺寸為950mm×1 380mm×330mm，側(cè)出風(fēng)，制冷量為14 000W，第一部分研究不同種類的格柵對(duì)冷凝器散熱的影響效果;第二部分研究格柵不同百葉角度對(duì)冷凝器散熱的影響效果。格柵間距是固定值，為100mm，格柵厚度為50mm，由于室外機(jī)室的空間有限，室外機(jī)是側(cè)向放置，由導(dǎo)風(fēng)罩將氣流引致格柵處排向外界。

3.2 模擬方法

3.2.1 數(shù)學(xué)模型

對(duì)于本文所描述的流場(chǎng)采用的控制方程如下，質(zhì)量守恒方程:

動(dòng)量守恒方程:

紊流能量傳遞方程:

江小白一經(jīng)面世，便打破傳統(tǒng)白酒“厚重”的形象，提出“小聚、小飲、小時(shí)刻和小心情”，重新定義了消費(fèi)場(chǎng)景。白酒不再只與圓桌文化、階層文化相勾連，也可以是簡(jiǎn)單純粹三五好友小聚小飲的小時(shí)刻，只為討好自己的小心情。

紊流能量耗散方程:

能量守恒方程:

上式中，ui=CμρK2/ε;i=1，2，3;j=1，2，3;u 為速度，ρ為密度，μ為分子粘性系數(shù)，K為紊動(dòng)能，ε為紊動(dòng)能耗散率。

本文采用穩(wěn)態(tài)的湍流流動(dòng)進(jìn)行分析，基本控制方程組由雷諾時(shí)均N－S方程，連續(xù)性方程，能量方程組成，基于有限體積的數(shù)值離散格式對(duì)方程組進(jìn)行求解，湍流模型采用k－ε模型，溫度場(chǎng)方程為:

3.2.2 邊界條件

為求解上述方程，采用如下假設(shè)邊界條件:忽略外界風(fēng)速影響，認(rèn)為周圍環(huán)境無風(fēng);模擬夏季室外工況，工作溫度為35℃，工作壓力為101 325 Pa;室外機(jī)設(shè)定為內(nèi)熱源［10］，不考慮壓縮機(jī)及除冷凝器之外的室外機(jī)各部件的影響，內(nèi)熱源定義為，Q=Q+P。其v0中，Qv為室外機(jī)排熱量，Q0為制冷量，P為輸入功率;冷凝器出風(fēng)口采用fan邊界條件，即氣流經(jīng)過風(fēng)扇排出大氣是有一個(gè)壓力的升高過程;冷凝器回風(fēng)面采用多孔介質(zhì)的邊界條件，即在冷凝器回風(fēng)口處有一個(gè)壓力的降低程;空氣密度滿足不可壓理想氣體定律，考慮重力的影響。

4 模擬結(jié)果與分析

應(yīng)用Fluent軟件對(duì)兩種不同種類的格柵進(jìn)行模擬，采用以上數(shù)學(xué)模型、假定的邊界條件研究?jī)煞矫娴膬?nèi)容。針對(duì)MINI ARU0141WS戶式多聯(lián)機(jī)側(cè)出風(fēng)的形式，一方面是研究S型、flat型兩種不同種類的格柵對(duì)冷凝器表面平均溫度的影響;另一方面是研究格柵百葉角度的變化對(duì)冷凝器表面平均溫度的影響，研究格柵內(nèi)外兩側(cè)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。

4.1 空調(diào)格柵種類的模擬結(jié)果及分析

對(duì)空調(diào)室外機(jī)不同種類格柵的流場(chǎng)模擬結(jié)果如圖2所示，采用S型格柵，發(fā)生了高溫輸出氣流再次吸入現(xiàn)象，而且局部回流嚴(yán)重;采用flat型格柵，輸出的氣流未再吸入。對(duì)空調(diào)室外機(jī)不同種類格柵的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果如圖3所示，對(duì)應(yīng)S型格柵冷凝器的平均溫度在50℃以上，而對(duì)應(yīng)flat型格柵冷凝器的平均溫度小于38℃。

圖2 格柵兩側(cè)出風(fēng)氣流模式

由以上結(jié)果得知，在相同的工況環(huán)境下，空調(diào)室外機(jī)格柵采用flat型的排風(fēng)流動(dòng)阻力系數(shù)小，不易發(fā)生回流現(xiàn)象，冷凝器的溫度也相對(duì)較低，能夠確?？照{(diào)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。而S型的格柵發(fā)生排風(fēng)回流現(xiàn)象嚴(yán)重，使得冷凝器的平均溫度較高，使得空調(diào)負(fù)荷增加，不能保證其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

之所以出現(xiàn)上述結(jié)果，原因包括S型格柵自身有角度的彎曲，導(dǎo)致氣流在進(jìn)出格柵時(shí)都會(huì)受到影響，局部阻力損失較大，出風(fēng)阻力較大，使室外機(jī)室的熱氣流不能順利排出，甚至?xí)鹞棚L(fēng)短路現(xiàn)象，從而導(dǎo)致室外機(jī)室內(nèi)的溫度升高。而對(duì)于flat型格柵，在氣流流經(jīng)格柵時(shí)同樣會(huì)有阻力損失，但局部阻力損失較小，熱空氣可順利排出，使冷凝器平均溫度不至于過高而影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由以上分析得出，對(duì)于室外機(jī)室的格柵，flat型格柵的散熱效果優(yōu)于S型格柵。

4.2 格柵百葉角度的模擬結(jié)果及分析

對(duì)以上兩種不同種類格柵的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)模擬結(jié)果得知，不同種類格柵的出風(fēng)效果不同，對(duì)冷凝器的散熱效果影響也不同。由上述分析可知，flat型最為理想。為了更詳細(xì)的分析flat型格柵對(duì)冷凝器散熱效果的影響，選用不同百葉角度的格柵進(jìn)行研究，從而得出最優(yōu)的百葉角度，將選取6種不同的角度進(jìn)行模擬研究。

圖3 熱交換器表面溫度分布

選取連續(xù)3層樓層作為研究對(duì)象，百葉角度分別為 0°、10°、20°、30°、40°、50°的 flat型格柵在同一室內(nèi)外工況和環(huán)境下進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖4。

冷凝器平均溫度隨格柵角度變化的模擬結(jié)果如圖5所示，F(xiàn)lat型格柵百葉角度在小于30°時(shí)，冷凝器平均溫度低于38°，變化幅度不是很大，相鄰室外機(jī)氣流沒有發(fā)生高溫再吸入現(xiàn)象;而百葉角度在大于30°時(shí)，發(fā)生了排風(fēng)再吸入現(xiàn)象，導(dǎo)致熱交換器的平均溫度高于43°，室外機(jī)室外側(cè)的環(huán)境溫度放生了顯著惡化，甚至?xí)?dǎo)致高溫停機(jī)現(xiàn)象。

出風(fēng)量隨格柵角度變化的模擬結(jié)果如圖6所示，隨著格柵角度的增大，室外機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量呈不斷下降趨勢(shì)，格柵角度為50°時(shí)的風(fēng)量，相對(duì)于格柵角度為0°的情況，風(fēng)量減小了10.5%。

格柵百葉角度在大于30°時(shí)，室外機(jī)出風(fēng)明顯向下傾斜，格柵的橫向截面覆蓋率變大，使出風(fēng)阻力變大，對(duì)于多樓層建筑，上層室外機(jī)出風(fēng)容易被下層室外機(jī)吸入，造成樓層間的熱風(fēng)再吸入現(xiàn)象，從而導(dǎo)致出風(fēng)量減小，冷凝器平均溫度急劇上升，甚至超過43°，室外機(jī)室外側(cè)的環(huán)境溫度放生了顯著惡化，導(dǎo)致高溫停機(jī)現(xiàn)象。

圖4 格柵百葉角度的模擬圖示

圖5 冷凝器平均溫度隨格柵角度的變化情況

圖6 出風(fēng)量隨格柵角度的變化情況

5 結(jié)語

本文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)兩種格柵作了模擬計(jì)算，分析了格柵種類及格柵百葉角度對(duì)某空調(diào)室外機(jī)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響，得出如下結(jié)論。

(1)S型格柵由于出風(fēng)阻力較大，一部分出風(fēng)氣流無法有效排出室外機(jī)室，造成熱風(fēng)再吸入現(xiàn)象，flat型格柵的排風(fēng)流動(dòng)阻力系數(shù)小，不易發(fā)生回流現(xiàn)象，冷凝器的平均溫度也相對(duì)較低，能夠確保空調(diào)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

(2)由于格柵對(duì)出風(fēng)氣流的阻力作用，室外機(jī)風(fēng)量隨格柵角度的增加而逐漸減小，格柵角度為50°時(shí)的風(fēng)量，相對(duì)于格柵角度為0°的情況，風(fēng)量減小了10.5%。當(dāng)格柵角度超過30°后，熱風(fēng)再吸入現(xiàn)象開始嚴(yán)重，冷凝器平均溫度高于38°，并呈顯著上升趨勢(shì)。因此，建議采用的格柵角度在30°以下。

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