凹槽內(nèi)多臺(tái)室外機(jī)安裝方式的模擬研究

張 燕 金梧鳳 蔣悅波 樸完奎

1天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2浙江清華長(zhǎng)三角研究院

3樂金電子（天津）電器有限公司

凹槽內(nèi)多臺(tái)室外機(jī)安裝方式的模擬研究

張 燕1金梧鳳1蔣悅波2樸完奎3

1天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2浙江清華長(zhǎng)三角研究院

3樂金電子（天津）電器有限公司

本文應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)凹槽內(nèi)同時(shí)安裝多臺(tái)室外機(jī)時(shí)應(yīng)采用的安裝距離及角度進(jìn)行了研究；并以室外熱環(huán)境、氣流場(chǎng)和凹槽占有面積為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)室外機(jī)的不同安裝形式進(jìn)行了比較，結(jié)果表明垂直安裝方式不僅凹槽占有面積小，而且能夠得到良好的室外熱環(huán)境。

室外機(jī)安裝距離及角度室外熱環(huán)境凹槽占有面積

住宅建筑中，分體式空調(diào)以其安裝簡(jiǎn)單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但室外機(jī)的安裝方式對(duì)建筑外立面的美觀性來說是一大挑戰(zhàn)。因此將室外機(jī)安裝在凹槽內(nèi)并以百葉進(jìn)行遮蔽的方式廣受青睞。然而當(dāng)凹槽內(nèi)同時(shí)容納多臺(tái)室外機(jī)時(shí)，彼此之間的熱交換會(huì)造成環(huán)境溫度升高，進(jìn)而影響空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行[1～2]。有研究表明：若進(jìn)入冷凝器盤管的冷卻空氣的溫度升高1℃，空調(diào)系統(tǒng)的COP值將下降3%[3]；當(dāng)氣候環(huán)境溫度超過43℃時(shí),空調(diào)器的自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)則會(huì)啟動(dòng),壓縮機(jī)停止運(yùn)行[4]。因此研究凹槽內(nèi)多臺(tái)室外機(jī)在不同安裝形式下的熱環(huán)境具有重要意義。同時(shí)，在凹槽內(nèi)安裝多臺(tái)室外機(jī)時(shí)常需更大的凹槽面積，而這會(huì)造成住宅面積減小，是人們所不樂見的，所以如何使用最小的凹槽面積得到最好的空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)是本文研究的主要內(nèi)容。

1 物理模型

為舒適起見，現(xiàn)在的住宅建筑多選擇在每個(gè)房間都安裝空調(diào)，其中每層凹槽內(nèi)同時(shí)容納兩臺(tái)室外機(jī)的情形最為常見。因此本文以兩臺(tái)室外機(jī)為例，對(duì)其在不同安裝方式下的熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬。

選用現(xiàn)行建筑常用的凹槽結(jié)構(gòu)，層高為2.9m，室外機(jī)位為三面環(huán)墻，一面被百葉遮蔽。由于單臺(tái)室外機(jī)的安裝距離及百葉角度已經(jīng)有很多學(xué)者進(jìn)行了研究，故本文對(duì)此不做贅述，直接采用蔣悅波[5]對(duì)單臺(tái)室外機(jī)周圍熱環(huán)境模擬所得的最佳安裝距離，具體參數(shù)如表1

表1 室外機(jī)的安裝距離

本模擬將兩臺(tái)相同的室外機(jī)放置在建筑凹槽內(nèi)，室外機(jī)型號(hào)為L(zhǎng)SUA35B41，尺寸為720mm×230mm× 483mm，風(fēng)量為1620m3/h，制冷量為3500W，其原理圖如圖1所示。

圖1 室外機(jī)原理圖

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬方法

本文應(yīng)用FLUENT軟件研究凹槽內(nèi)兩臺(tái)室外機(jī)的相對(duì)安裝位置對(duì)室外機(jī)周圍熱環(huán)境的影響，并對(duì)其溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)進(jìn)行分析。假定室外機(jī)運(yùn)行時(shí)計(jì)算域的流場(chǎng)為三維穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，室外機(jī)排風(fēng)為湍流流動(dòng)，采用k-ε兩方程模型，對(duì)應(yīng)的控制方程[6]如下：

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；u為速度，m/s；η為動(dòng)力粘度，Ns/m2；Sui和Sh分別為動(dòng)量方程和能量方程的源項(xiàng)；h為焓；ηt為湍流動(dòng)力粘度；k為湍動(dòng)能；ε為湍流耗散率；在這些方程中引入了三個(gè)系數(shù)和三個(gè)常數(shù)，其經(jīng)驗(yàn)取值分別為c1=1.44，c2=1.92，cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3，σT=0.9。

2.2 邊界條件

為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，對(duì)模型做了如下假設(shè)：認(rèn)為室外機(jī)運(yùn)行過程為穩(wěn)態(tài)，即散熱量恒定；認(rèn)為空調(diào)設(shè)備全負(fù)荷運(yùn)行；忽略太陽輻射、地面反射及凹槽壁面之間換熱的影響；認(rèn)為凹槽壁面上其它設(shè)備對(duì)溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)的影響可忽略。

數(shù)值模擬過程中，將室外機(jī)設(shè)置為體積熱源，根據(jù)其制冷量和壓縮機(jī)功率得到室外機(jī)的熱釋放率為56385W/m3；室外機(jī)排風(fēng)扇采用fan邊界條件，通過風(fēng)量驗(yàn)證，將壓力躍升值設(shè)置為48Pa；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(duì)所需參數(shù)進(jìn)行確定，具體設(shè)置如表2所示。另外凹槽外計(jì)算區(qū)域各個(gè)面采用Pressure Outlet邊界條件，設(shè)置湍動(dòng)能和湍流耗散率為常數(shù)；將操作溫度設(shè)為環(huán)境溫度；由于室外機(jī)排出的氣體與周圍環(huán)境存在溫度差，考慮到浮升力項(xiàng)和重力作用，認(rèn)為氣流的密度變化符合Boussineq假設(shè)。

表2 邊界條件的具體設(shè)置

2.3 模擬工況

通過對(duì)現(xiàn)行住宅建筑多臺(tái)室外機(jī)的安裝形式進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)住宅建筑單層凹槽內(nèi)同時(shí)容納兩臺(tái)室外機(jī)，其安裝形式可分為：1）室外機(jī)處于同一水平面內(nèi)，相互呈α角安裝（90°<α≤180°），簡(jiǎn)稱“夾角安裝”（圖2）；2）室外機(jī)處于同一水平面的同一直線上，簡(jiǎn)稱“水平安裝”（圖3）；3）室外機(jī)處于同一水平面內(nèi)，呈90°安裝，簡(jiǎn)稱“平面垂直安裝”（圖4）；4）室外機(jī)處于同一垂直面內(nèi)，即相互疊加安裝，簡(jiǎn)稱“垂直安裝”（圖5）。

圖2 呈夾角安裝

圖3 水平安裝

圖4 平面垂直安裝

圖5 垂直安裝

本文中對(duì)這些安裝方式下不同的距離及角度進(jìn)行模擬，具體工況如表3。

表3 室外機(jī)不同安裝方式的模擬工況

3 模擬結(jié)果分析

空調(diào)運(yùn)行性能的優(yōu)劣與室外機(jī)周圍的熱環(huán)境息息相關(guān)，所以本文通過對(duì)上述幾種安裝方式進(jìn)行數(shù)值模擬得到其溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，并與凹槽面積相結(jié)合，共同作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來找出適用性最好的室外機(jī)安裝方式。

3.1 不同安裝方式下幾何距離及角度的分析

對(duì)夾角安裝方式下兩臺(tái)室外機(jī)的回風(fēng)溫度進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示，可以看出隨著夾角角度的增大，兩臺(tái)室外機(jī)的回風(fēng)溫度大體呈減小趨勢(shì)，并且室外機(jī)2的回風(fēng)溫度要低于室外機(jī)1。當(dāng)夾角為120°時(shí)，室外機(jī)1的回風(fēng)溫度曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，由模擬結(jié)果可知在此角度下室外機(jī)1的回風(fēng)溫度與排風(fēng)溫度差值小于1°；當(dāng)夾角為160°時(shí)，室外機(jī)2的回風(fēng)溫度曲線出現(xiàn)最低點(diǎn)，隨后緩慢升高。這是因?yàn)樵趭A角安裝時(shí)，兩臺(tái)室外機(jī)的排風(fēng)會(huì)相互對(duì)吹；當(dāng)夾角為120°時(shí)，對(duì)吹作用會(huì)使室外機(jī)1排出的熱風(fēng)進(jìn)入它的回風(fēng)口，從而造成氣流短路，所以在使用該安裝方式時(shí)，建議夾角最好大于120°。同時(shí)，對(duì)吹作用會(huì)對(duì)室外機(jī)2的排風(fēng)起到促進(jìn)作用，使其偏向百葉方向，熱風(fēng)更易送出凹槽；在夾角大于160°之后，對(duì)吹作用減弱，室外機(jī)2的回風(fēng)溫度受到排風(fēng)的影響會(huì)有所升高。結(jié)合回風(fēng)溫度曲線綜合考慮，由于夾角越大回風(fēng)溫度越低，當(dāng)夾角為180°時(shí)兩臺(tái)室外機(jī)的回風(fēng)溫度之差最小，兩者之間的相互影響最低，故可以認(rèn)為180°是夾角安裝方式下的最佳安裝距離。

圖6 夾角安裝方式下的平均回風(fēng)溫度

觀察水平安裝方式下兩臺(tái)室外機(jī)的回風(fēng)溫度，如圖7所示，可以看出室外機(jī)1的回風(fēng)溫度隨著距離的增大出現(xiàn)波動(dòng)，當(dāng)水平距離大于70mm時(shí)，溫度值趨于穩(wěn)定；室外機(jī)2的回風(fēng)溫度隨距離的增大總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但當(dāng)水平距離大于70mm時(shí)，溫度值會(huì)有所上升，隨后趨于穩(wěn)定；室外機(jī)2的回風(fēng)溫度值要高于室外機(jī)1。這是因?yàn)槭彝鈾C(jī)2的右側(cè)回風(fēng)口與室外機(jī)1相鄰，水平距離越大，室外機(jī)2的回風(fēng)溫度受兩臺(tái)室外機(jī)排風(fēng)的影響就越小，溫度也就越低。在水平距離大于70mm之后，由于兩臺(tái)室外機(jī)之間氣流場(chǎng)的相互作用造成了室外機(jī)2的回風(fēng)溫度出現(xiàn)了波動(dòng)，但其最大波動(dòng)值僅為0.12℃，所以可以認(rèn)為水平距離大于70mm之后室外機(jī)2的回風(fēng)溫度基本穩(wěn)定。結(jié)合回風(fēng)溫度曲線綜合考慮，可以認(rèn)為水平安裝時(shí)兩臺(tái)室外機(jī)之間的距離最好大于70mm。

圖7 水平安裝方式下的平均回風(fēng)溫度

如圖8所示為平面垂直安裝方式下沿d1方向變化時(shí)兩臺(tái)室外機(jī)的回風(fēng)溫度曲線，從圖中可以看出，隨著兩臺(tái)室外機(jī)之間距離的增大回風(fēng)溫度呈下降趨勢(shì)；且距離由350mm增加到450mm的溫度變化值與距離由450mm增加到1000mm的溫度變化值幾乎相等，都在0.2℃左右，所以可以認(rèn)為當(dāng)距離大于350mm時(shí)兩臺(tái)室外機(jī)的回風(fēng)溫度受距離變化的影響可忽略。分析其原因，是由于距離越大，兩臺(tái)室外機(jī)之間的相互影響就越小。故綜上所述，可認(rèn)為兩臺(tái)室外機(jī)平面垂直安裝且沿著d1方向變化時(shí)，相互之間的距離最好大于350mm。

圖8 平面垂直安裝方式下d1方向的平均回風(fēng)溫度

如圖9所示為平面垂直安裝方式下沿d2方向變化時(shí)兩臺(tái)室外機(jī)的回風(fēng)溫度曲線，從圖中可以看出，隨著兩臺(tái)室外機(jī)之間距離的增大溫度出現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)；且室外機(jī)1的回風(fēng)溫度高于室外機(jī)2。對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行分析，是由于室外機(jī)1的回風(fēng)溫度受室外機(jī)2的排風(fēng)及室外機(jī)1距百葉距離的影響。隨著距離的增大，室外機(jī)1距百葉越來越遠(yuǎn)，加上室外機(jī)2的影響，使得排風(fēng)越來越困難，故溫度迅速升高；當(dāng)距離增大到一定程度之后，室外機(jī)2的排風(fēng)對(duì)室外機(jī)1回風(fēng)溫度的影響變?nèi)?，故溫度有所降低。但是可以預(yù)測(cè)隨著距離的繼續(xù)增大，室外機(jī)1的排風(fēng)將無法到達(dá)百葉，而是會(huì)充滿整個(gè)凹槽，造成凹槽內(nèi)溫度升高，甚至引起壓縮機(jī)停機(jī)。綜合上述分析，可以認(rèn)為對(duì)于平面垂直安裝方式而言，當(dāng)沿著d2方向變化時(shí)，室外機(jī)1距離百葉越近越好，即0mm為其最佳安裝距離。

圖9 平面垂直安裝方式下d2方向的平均回風(fēng)溫度

對(duì)比垂直安裝方式下兩臺(tái)室外機(jī)的回風(fēng)溫度，如圖10所示，可以看出隨著垂直距離的增加，回風(fēng)溫度呈現(xiàn)減小～增大～減小～穩(wěn)定的趨勢(shì)。在垂直距離為50mm和100mm時(shí)，回風(fēng)溫度曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)；在垂直距離大于150mm之后，回風(fēng)溫度緩慢減小并趨于穩(wěn)定。分析上述情況，當(dāng)垂直距離大于0mm時(shí)，兩臺(tái)室外機(jī)之間的換熱方式由導(dǎo)熱加對(duì)流換熱變?yōu)閷?duì)流換熱，熱阻增大，換熱量減小，故回風(fēng)溫度有所降低；到達(dá)谷值之后，隨著距離的增大，兩臺(tái)室外機(jī)之間的氣流發(fā)生擾動(dòng)，進(jìn)而造成了回風(fēng)溫度出現(xiàn)波動(dòng)；當(dāng)垂直距離大于150mm時(shí)，室外機(jī)的回風(fēng)溫度受垂直距離及氣流場(chǎng)擾動(dòng)的影響變?nèi)?，回風(fēng)溫度值趨于穩(wěn)定。故綜合考慮，建議使用垂直安裝方式時(shí)垂直距離最好大于150mm。

圖10 垂直安裝方式下的平均回風(fēng)溫度

通常情況下，空調(diào)用戶認(rèn)為只要按照使用說明安裝室外機(jī)就可以達(dá)到其運(yùn)行的最佳效果，而常常忽視了多臺(tái)室外機(jī)同時(shí)工作時(shí)造成的相互影響。但實(shí)際上空調(diào)的運(yùn)行效率與室外機(jī)的回風(fēng)溫度之間關(guān)系頗重，所以本文對(duì)兩臺(tái)室外機(jī)在不同安裝方式下的回風(fēng)溫度進(jìn)行了分析，以期為室外機(jī)的實(shí)際安裝提供一些理論基礎(chǔ)，得出的結(jié)論如下：當(dāng)采用夾角安裝時(shí)，角度越大越好；當(dāng)采用水平安裝時(shí)，水平距離大于70mm之后溫度趨于穩(wěn)定；當(dāng)采用垂直安裝時(shí)，垂直距離大于150mm之后距離的影響可忽略；當(dāng)采用平面垂直安裝方式且沿著d1方向變化時(shí)，相互之間的距離最好大于350mm，當(dāng)沿著d2方向變化時(shí)，相互之間的距離越小越好。

3.2 室外機(jī)周圍溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)的分析

室外機(jī)周圍熱環(huán)境的優(yōu)劣是保證空調(diào)良好運(yùn)行的先決條件，所以將上述不同安裝方式下較好幾何距離及角度（如表4）所得的室外機(jī)平均回風(fēng)溫度進(jìn)行對(duì)比，并與氣流組織相結(jié)合，得出最理想室外熱環(huán)境所對(duì)應(yīng)的安裝方式。

表4 不同安裝方式下的較好幾何距離及角度

圖11 不同安裝方式下較好幾何距離及角度的平均回風(fēng)溫度

對(duì)比不同安裝方式下室外機(jī)的平均回風(fēng)溫度（如圖11），可以看出平面垂直安裝方式下的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它三種安裝方式，且由模擬結(jié)果可知當(dāng)d2為0mm時(shí)，最大回風(fēng)溫度為47°，在該溫度下會(huì)造成壓縮機(jī)停機(jī)，故平面垂直安裝方式不可取。

圖12為不同安裝方式下室外機(jī)排風(fēng)口和回風(fēng)口的氣流場(chǎng)流線圖，從圖中可以看出在水平安裝和垂直安裝時(shí)兩臺(tái)室外機(jī)之間的氣流幾乎不發(fā)生干擾，流場(chǎng)情況良好；而相對(duì)安裝和夾角安裝時(shí)，室外機(jī)排風(fēng)對(duì)吹，會(huì)造成熱氣流擾動(dòng)，進(jìn)而充滿整個(gè)凹槽，使室外機(jī)的回風(fēng)口溫度升高，從而影響空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行。

圖12 不同安裝方式下的氣流場(chǎng)

通過對(duì)不同安裝方式下室外機(jī)周圍的溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)進(jìn)行分析，可知水平安裝和垂直安裝可得較好的溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)。

3.3 凹槽占有面積比較

隨著室外機(jī)數(shù)量的增加，建筑凹槽的占有面積也在不斷攀升，這種情況直接導(dǎo)致了住宅面積的減小，是人們所不樂見的，同時(shí)也不符合節(jié)能減排、合理利用資源的政策方針。圖13對(duì)不同安裝方式下較好幾何距離及角度所占用的凹槽面積進(jìn)行了對(duì)比，從圖中可以看出垂直安裝方式所占用的凹槽面積最小，為0.59m2；水平安裝和呈夾角安裝方式次之，約為垂直安裝方式的2倍；平面垂直安裝（d1方向）最大，約為垂直安裝方式的3倍。

圖13 不同安裝方式下較好幾何距離及角度所占用的凹槽面積

4 結(jié)論

當(dāng)多個(gè)室外機(jī)同時(shí)在凹槽內(nèi)運(yùn)行時(shí)，為了用最小的凹槽面積達(dá)到最好的空調(diào)運(yùn)行效果，本文以兩臺(tái)室外機(jī)為例，對(duì)它們的幾種安裝方式進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了以下結(jié)論：

1）每種安裝方式均存在著較好的安裝距離及角度，如夾角安裝方式的安裝角度應(yīng)該越大越好，最好為180°；水平安裝方式下的安裝距離最好大于70mm；垂直安裝方式的安裝距離最好大于150mm；平面垂直安裝方式下d1方向的安裝距離最好大于350mm，d2方向的安裝距離應(yīng)越小越好，最好為0mm。

2）將不同安裝方式下室外機(jī)周圍的熱環(huán)境、氣流場(chǎng)和凹槽占有面積進(jìn)行比較，可知垂直安裝方式不僅回風(fēng)溫度低，氣流場(chǎng)穩(wěn)定，其凹槽占有面積也最小，故可以認(rèn)為垂直安裝方式是經(jīng)濟(jì)性、適用性最好的安裝方式。

[1]白羽.冷凝熱釋放對(duì)環(huán)境及自然通風(fēng)的影響研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2007

[2]革非,雷波,徐明.多層建筑變制冷劑流量空調(diào)室外機(jī)安放與其性能的數(shù)值研究[J].暖通空調(diào),2007,37(5):97-100

[3]Chun-M ing Hsieh,Toshiya Aramaki,Keisuke Hanaki.The feedback of heat rejection to air conditioning load during thenight time in subtropical climate[J].Energy and Buildings,2007,39:1175-1182

[4]文彪.住宅分體式空調(diào)器室外機(jī)的設(shè)置問題[J].暖通空調(diào),2010, 40(10):54-56

[5]蔣悅波.分體式空調(diào)室外機(jī)周圍熱環(huán)境研究[D].天津:天津商業(yè)大學(xué),2013

[6]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1988

The Sim u la tion Re sea rc h o f the M u ltip le Ou td oo r Un its Ins ta lla tion w ith in the Lim ited Spa c e

ZHANG Yan1,JINWu-feng1,JIANG Yue-bo2,PIAOWan-kui3
1 Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology,Tianjin University of Commerce
2Yangtze DeltaRegion Instituteof Tsinghua University
3 LG Electronics(Tianjin)Electric ApplianceCompany

Thispaperapplied FLUENT software to study themounting distance and angle of themultiple outdoorunits which installed in the same groove;and used the outdoor thermalenvironment,airflow field and the groove area as the judgment criteria to compare the different outdoor installation types.Then the results show that the type of vertical installation notonly hassmalloccupied area,butalso can getgood outdoor thermalenvironment.

outdoorunit,mounting distance and angle,outdoor thermalenvironment,groove area

文章編號(hào)：1003-0344（2014）02-093-5

2013-3-28

張燕（1991～），女，碩士研究生；天津市津霸公路東口天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院制冷空調(diào)系（300134）；E-mail:276374962@qq.com.cn