橫百葉不同開(kāi)度對(duì)室外機(jī)周?chē)鸁岘h(huán)境的影響模擬

馮博 辛軍哲

廣州大學(xué)土木工程學(xué)院

隨著社會(huì)的發(fā)展，建筑的外觀設(shè)計(jì)也層出不窮。室外機(jī)作為家用空調(diào)不可或缺的一大部件， 為了保持住宅的整潔和美觀， 設(shè)計(jì)師往往將室外機(jī)安裝在凹槽之中， 外面加裝百葉， 這樣做雖然可以做到到建筑整體美觀的效果， 但是對(duì)室外機(jī)的換熱卻造成了很大的影響。由于凹槽和百葉的阻擋作用， 從室外機(jī)散出的熱量不能很好的擴(kuò)散至環(huán)境， 從而造成熱量在凹槽里積聚， 加重了室外機(jī)的負(fù)擔(dān)。有研究表明 [1-2] ， 當(dāng)室外機(jī)在夏季使用時(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)風(fēng)溫度超過(guò) 45 ℃時(shí)， 將會(huì)嚴(yán)重影響室外機(jī)的正常運(yùn)行。對(duì)此， 室外機(jī)在凹槽中的安裝位置， 以及百葉的傾角等因素對(duì)室外機(jī)性能的影響成為暖通領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題， 學(xué)術(shù)界對(duì)此作了大量的研究[3-9]， 而這些研究往往都是研究室外機(jī)在凹槽中[3-8]以及有傾角的導(dǎo)流葉片 [8-9] 的散熱情況， 關(guān)于室外機(jī)的其他安裝方式對(duì)室外機(jī)的影響還鮮有涉及。本論文將研究一種傾角為0° 的橫百葉對(duì)室外機(jī)散熱的影響， 這種百葉不帶有傾角， 簡(jiǎn)單容易制作， 造價(jià)也很低， 在當(dāng)前的市場(chǎng)上并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)格， 針對(duì)這種現(xiàn)象， 筆者將對(duì)不同開(kāi)度的橫百葉做相關(guān)的數(shù)值模擬研究， 對(duì)實(shí)際工程中室外機(jī)的安裝以及這種百葉的制作提供參考。

1 物理模型

該室外機(jī)位于距地面兩米的高度，模 型的計(jì)算域?yàn)?0m×10m×10m 的區(qū)域，室外機(jī)處于計(jì)算域水平中間位置，如圖 1 所示。室外機(jī)采用某品牌的KFR-25W，室 外機(jī)的具體參數(shù)如表 1 所示，室 外機(jī)的安裝位置如圖2所示，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)面不設(shè)任何遮擋物，百 葉的形式如圖3所示。圖 2和圖3中的相關(guān)尺寸如表2所示。

表1 室外機(jī)參數(shù)

圖1 模擬計(jì)算區(qū)域

圖2 室外機(jī)安裝立體圖

圖3 室外機(jī)安裝方式

圖4 百葉形式

表2 模擬參數(shù)

2 控制方程及其計(jì)算方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

本論文所討論的問(wèn)題為三維、 穩(wěn)態(tài)、 不可壓縮、 湍流的物理過(guò)程[10]， 利用流體力學(xué)理論建立該物理過(guò)程的數(shù)學(xué)模型， 并對(duì)該模型的溫度場(chǎng)進(jìn)行求解計(jì)算， 控制方程如下：

1） 連續(xù)性方程

2） 動(dòng)量方程

-ρ(')為雷諾應(yīng)力，按 照Boussinesq假設(shè)：

μi為湍流粘性，按 照k-ε模 型：

Si是用來(lái)描述當(dāng)流體通過(guò)冷凝器時(shí)，按照多孔介質(zhì)處理方法， 在動(dòng)量方程中所附加的源項(xiàng)：

3） 能量方程

4）k方程

5）ε方程

式中：ρ為 空氣密度，kg/m3；ui為速度張量，m /s；p為流體微元體上的壓力，P a；α是多孔介質(zhì)的滲透率，m2；C2為慣性阻力系數(shù)；Fi為體積力；Si是動(dòng)量方程源項(xiàng)；ST是能量方程的源項(xiàng)：μt為湍流粘性，μ是動(dòng)力粘度，N·s /m2；T是溫度；Gk為產(chǎn)生項(xiàng)；k是湍動(dòng)能；ε是湍動(dòng)耗散率數(shù)；C1ε=1.44，C2ε=1.44，σε= 1.3，Cμ= 0.09。

2.2 邊界條件及計(jì)算方法

本模擬將地面, 室外機(jī)周?chē)膰o(hù)結(jié)構(gòu)及后壁面均設(shè)置為絕熱壁面， 其他計(jì)算域邊界采用廣州的夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度作為環(huán)境溫度，即 34.2 ℃， 不考慮環(huán)境風(fēng)速的影響， 空氣相對(duì)濕度造成的影響忽略不計(jì)。不考慮室外機(jī)外殼的傳熱， 將冷凝器設(shè)置為具有內(nèi)熱源的多孔介質(zhì)，風(fēng)扇設(shè)置為 fan 邊界條件， 用Boussinesq 假設(shè)近似浮升力項(xiàng)，對(duì)壓力的離散采用PRESTO！能量方程以及動(dòng)量方程采用一階迎風(fēng)格式離散， 采用SIMPLE算法對(duì)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)耦合求解。

3 模擬結(jié)果與分析

以一種L3距離參數(shù)的溫度云圖作為示例，當(dāng)室外機(jī)后面離墻體距離 L3 不變， 即保持 300mm， 風(fēng)扇離百葉距離保持 200mm 不變，百葉間距分別為20/40/60mm， 模擬結(jié)果如圖5-7所示：

圖5 百葉間距為20mm

圖6 百葉間距為40mm

從模擬結(jié)果可以得出， 隨著室外機(jī)離壁面的距離增大， 當(dāng)百葉間距固定一種工況不變時(shí)， 其總體趨勢(shì)是回風(fēng)平均溫度逐漸減小。比如當(dāng)百葉之間的間距保持為 20mm， 室外機(jī)后回風(fēng)面距墻壁的距離從200mm變化至350mm時(shí)， 回風(fēng)平均溫度從42.6 ℃變化至41.34℃， 下降了1.26℃。由于室外機(jī)回風(fēng)面距墻體距離增大時(shí)， 室外機(jī)的回風(fēng)空間增大， 再加上室外機(jī)兩側(cè)與環(huán)境之間無(wú)任何遮擋， 會(huì)有更多來(lái)自環(huán)境的新鮮空氣補(bǔ)充進(jìn)來(lái)。但這種變化并不明顯，當(dāng)百葉間距變?yōu)?0mm時(shí)， 回風(fēng)平均溫度隨著室外機(jī)距壁面距離的增大不會(huì)呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)， 而是在 40 ℃左右的范圍內(nèi)小幅的波動(dòng)， 最高平均回風(fēng)溫度出現(xiàn)在室外機(jī)與墻體距離為 300mm 時(shí)， 為 40.36 ℃， 最低平均回風(fēng)溫度出現(xiàn)在室外機(jī)與墻體距離為350mm，為39.06℃， 最高與最低之間相差1.3℃。 而當(dāng)百葉間距保持40mm 不變時(shí)，L3從 200mm 變化至 300mm，回風(fēng)平均溫度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，從 42.19 ℃逐漸降低至40.44 ℃， 溫度下降了 1.75 ℃， 當(dāng)L3從 300mm 變化至350mm 時(shí)，回風(fēng)平均溫度會(huì)由 40.44 ℃變化至了40.67 ℃， 說(shuō)明當(dāng) L3 大于 300mm 時(shí)， 由 L3 的距離所引起的回風(fēng)平均溫度的變化趨勢(shì)消失。由此可判斷出當(dāng)百葉間距為 40mm時(shí)， 這種安裝方法L3為 300mm最為合適。由以上分析可以得出，對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)通透的這種室外機(jī)安裝方法， 室外機(jī)距離墻體的間距對(duì)于回風(fēng)平均溫度的影響并不明顯， 這與凹槽式安裝方法不同， 從室外機(jī)風(fēng)扇吹出的熱氣流有一部分會(huì)通過(guò)百葉之間的間隙進(jìn)入到環(huán)境中， 而由于百葉無(wú)傾角，不帶有導(dǎo)流作用， 所以會(huì)有很大一部分熱氣流碰到百葉上折回， 由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)無(wú)遮擋， 這部分氣流又有一部分會(huì)擴(kuò)散至環(huán)境， 只有一少部分直接進(jìn)入室外機(jī)回風(fēng)口， 熱量聚積現(xiàn)象不如凹槽式安裝方法的明顯。

圖7 百葉間距為60mm

當(dāng)室外機(jī)距壁面距離不變時(shí)， 以 200mm為例， 室外機(jī)回風(fēng)平均溫度隨著百葉間距的增大而逐漸減小，當(dāng)百葉間距從 20mm變化至 60mm時(shí)，室外機(jī)回風(fēng)平均溫度從42.6 ℃變化至 39.55℃， 下降了3.05 ℃， 相比室外機(jī)與后壁的距離對(duì)回風(fēng)平均溫度的影響， 百葉間距的變化對(duì)回風(fēng)平均溫度的影響更大一些。并且，隨著百葉間距的增大， 室外機(jī)的最高回風(fēng)溫度逐漸相互靠近，百葉間距從40mm變化為 60mm 時(shí)最為明顯。通過(guò)分析可以得知， 隨著百葉間距的增大， 從室外機(jī)吹出的熱氣流會(huì)有更多通過(guò)百葉之間的間隙進(jìn)入到環(huán)境當(dāng)中， 從而保證室外機(jī)的換熱。 圖 8和圖9表示了這種變化趨勢(shì)。從兩圖可以看出，L3的距離并不是影響室外機(jī)出現(xiàn)熱回流的主要因素， 在制作這種百葉時(shí)， 如果不考慮其他情況， 百葉間距應(yīng)當(dāng)大于 40mm為宜。

圖8 室外機(jī)平均回風(fēng)溫度

圖9 室外機(jī)最高回風(fēng)溫度

4 多臺(tái)室外機(jī)共同工作時(shí)的相互影響

由于這種室外機(jī)的安裝方式通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)面與外界換熱占了很大的比例， 所以當(dāng)多臺(tái)室外機(jī)并排工作時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生相互影響， 在此筆者對(duì)這種室外機(jī)并排工作的情況作了數(shù)值模擬， 以L3=350mm， 百葉開(kāi)度為40mm的情況為例。

圖10 多臺(tái)室外機(jī)并排工作溫度云圖俯視圖

圖 10 中的白色長(zhǎng)方形表示室外機(jī)，三臺(tái)室外機(jī)并排放置， 室外機(jī)之間的間距為 1.3m， 從溫度分布云圖可以看出室外機(jī)之間并沒(méi)有出現(xiàn)熱氣流相互影響的現(xiàn)象，其中處于最中間的室外機(jī)平均回風(fēng)溫度為39.84℃， 與單臺(tái)室外機(jī)工作時(shí)的平均回風(fēng)溫度相差不大， 所以使用這種安裝方法， 當(dāng)有多臺(tái)室外機(jī)并排工作時(shí)， 即使室外機(jī)之間的距離比較近， 也不會(huì)出現(xiàn)熱氣流相互影響的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1） 對(duì)于傾角為0° 的橫百葉、 圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)通透的室外機(jī)安裝方式， 室外機(jī)回風(fēng)面與墻體的距離逐漸增大， 回風(fēng)平均溫度總體變化趨勢(shì)是慢慢地減小， 但變化不夠明顯， 并且在某些百葉間距一定的情況下， 此種規(guī)律并不容易觀察， 因此對(duì)于安裝方法， 室外機(jī)回風(fēng)面距墻體的距離并不是越遠(yuǎn)越好， 而應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況， 做到空間的合理應(yīng)用。當(dāng)百葉的間距為40mm時(shí)， 室外機(jī)與墻體的距離L3取為300mm時(shí)最為合適。

2） 相對(duì)于室外機(jī)距后壁之間的距離， 百葉間距對(duì)室外機(jī)散熱的影響更為顯著， 所以安裝室外機(jī)時(shí)如果安裝空間有限， 應(yīng)當(dāng)盡量增大百葉之間的間距， 本論文得出百葉的間距應(yīng)當(dāng)大于40mm為宜。

3） 雖然對(duì)于這種安裝方法， 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)面通透， 是室外機(jī)散熱的一大途徑， 但是室外機(jī)對(duì)其兩側(cè)熱環(huán)境的影響范圍很小， 所以在實(shí)際安裝室外機(jī)時(shí)可以考慮多臺(tái)室外機(jī)并排工作， 本論文采用室外機(jī)之間間距為1.3m進(jìn)行數(shù)值模擬， 其相互影響可以忽略， 對(duì)于實(shí)際工程中室外機(jī)的安裝有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃翔.蒸發(fā)冷卻空調(diào)理論與應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[2] 黃翔,孫鐵柱,汪超.蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的詮釋(1)[J].制冷與空調(diào),2012,12(2):1-6.

[3] 金梧鳳,鄭亞飛,蔣悅波,等.建筑凹槽中室外機(jī)安裝條件對(duì)散熱影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,47(2):282-286.

[4] 蔣悅波.分體式空調(diào)室外機(jī)周?chē)鸁岘h(huán)境研究[D]. 天津: 天津商業(yè)大學(xué),2013.

[5] 楊云鎧, 程予川,劉彬,等. 某商業(yè)建筑凹槽空調(diào)室外機(jī)熱環(huán)境CFD分析與優(yōu)化[J].暖通空調(diào),2016,46(4):33-35.

[6] 周德海,邵曉亮,張曉靈,等. 建筑凹槽中室外機(jī)周?chē)鸁岘h(huán)境的數(shù)值模擬[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,9(6):17-22.

[7] 張燕,金梧鳳,蔣悅波,等.凹槽內(nèi)多臺(tái)室外機(jī)安裝方式的模擬研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2014,(2):93-97.

[8] 蔣悅波,金梧鳳,劉楊,等.不同安裝條件下空調(diào)室外機(jī)周?chē)鸁岘h(huán)境的數(shù)值模擬[J].流體機(jī)械,2013,(9):66-70.

[9] 程卓明, 黃釗, 馬勇. 百葉窗開(kāi)度對(duì)室外機(jī)運(yùn)行環(huán)境影響分析[J]. 暖通空調(diào),2009,39(1):133-135.

[10] 吳兆林, 高濤, 孫稚囡.高層建筑分層設(shè)置多聯(lián)機(jī)室外機(jī)吸排風(fēng)氣流模擬及優(yōu)化[J].暖通空調(diào),2008,38(1):7-10.

[11] 陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2003.