建筑外墻分體式空調(diào)安裝平臺的調(diào)研及實驗分析

張龍，鄭振

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

目前，住宅建筑中分體式外機(jī)由于安裝便捷、高效節(jié)能等優(yōu)勢，仍被視為具有應(yīng)用前景的空調(diào)及采暖形式[1-3]。為應(yīng)對日益增長的建筑能耗需求，逐步實現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，國家和行業(yè)出臺了相應(yīng)的空調(diào)能效及居住建筑節(jié)能強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，以逐次20%～30%的節(jié)能目標(biāo)推進(jìn)節(jié)能成果的落實[4-5]。而分體式空調(diào)外機(jī)對平臺散熱效果的要求往往與建筑外墻立面視覺上連續(xù)美觀的需求相沖突，分體式外機(jī)經(jīng)常被安裝在凹槽中或被格柵包圍，實際運(yùn)行能效下降。

由于室外機(jī)安裝平臺對空調(diào)運(yùn)行有重要影響，國內(nèi)外學(xué)者對其展開了相關(guān)研究。徐振坤等[6]指出空調(diào)進(jìn)風(fēng)溫度大于室外空氣溫度的情況大量存在，平臺影響散熱的情況較為普遍。劉萬龍等[7]針對排風(fēng)百葉對空調(diào)運(yùn)行性能的影響進(jìn)行研究，指出通過百葉排出的空氣僅77%，即有23%的空氣出現(xiàn)回流。張春枝等[8]采用仿真軟件對排風(fēng)百葉對空調(diào)性能進(jìn)行研究，指出空調(diào)與百葉間的距離不應(yīng)低于80 mm，角度應(yīng)介于-20°～0°。文獻(xiàn)[9-10]指出空調(diào)能效受凹槽平臺排風(fēng)百葉、機(jī)組與墻間距等因素的影響。于洋等[11]建立平臺上空調(diào)運(yùn)行的數(shù)值模型，指出風(fēng)量衰減系數(shù)β和排風(fēng)回流系數(shù)α是影響空調(diào)性能的關(guān)鍵參數(shù)。由于平臺空間、密封情況等因素疊加出現(xiàn)后的影響仍需探明。

本文基于全國空調(diào)分體式外機(jī)安裝平臺的調(diào)研數(shù)據(jù)，按數(shù)據(jù)分析規(guī)律模擬實際安裝情況進(jìn)行了測試，對空調(diào)在不同室外機(jī)平臺尺寸、格柵角度、墻體封閉時的能效衰減幅度進(jìn)行了評估，為建筑外墻空調(diào)平臺的設(shè)計安裝提供了數(shù)據(jù)及實驗支撐。

1 分體室外機(jī)安裝平臺調(diào)研

收集空調(diào)行業(yè)用戶售后數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)關(guān)于空調(diào)安裝平臺有以下典型問題：1）室外機(jī)平臺的安裝空間過小，外機(jī)無法正常安裝；2）部分安裝在狹窄、封閉平臺的空調(diào)運(yùn)行中頻繁保護(hù)停機(jī)，無法連續(xù)可靠運(yùn)行；3）與正常安裝的外機(jī)相比，安裝在小平臺的空調(diào)器能耗極大，實際運(yùn)行能耗較大。

基于以上售后數(shù)據(jù)，企業(yè)對全國范圍內(nèi)的主要城市住宅建筑展開調(diào)研，對住宅建筑的空調(diào)外機(jī)安裝平臺及尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到如下結(jié)論。

1.1 室外機(jī)平臺尺寸現(xiàn)狀

經(jīng)全國359組數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到的安裝平臺尺寸分布如圖1所示。

圖1 外機(jī)平臺尺寸的分布箱線圖

外機(jī)安裝平臺尺寸中位數(shù)為 1,000 mm×800 mm×500 mm（內(nèi)寬×內(nèi)高×內(nèi)深），對應(yīng)冷量2.6 kW空調(diào)外機(jī)的尺寸為760 mm×540 mm×260 mm（寬×高×深）。由于空調(diào)的進(jìn)風(fēng)量等于排風(fēng)量，而排風(fēng)風(fēng)速遠(yuǎn)高于進(jìn)風(fēng)風(fēng)速，行業(yè)中一般要求進(jìn)風(fēng)的面積須為排風(fēng)面積的4倍以上。統(tǒng)計中的平臺尺寸中位數(shù)的進(jìn)風(fēng)面積為排風(fēng)面積的0.95倍，預(yù)留的空間對于最小的空調(diào)外機(jī)運(yùn)行來說較為惡劣。

1.2 室外機(jī)平臺密封現(xiàn)狀

對空調(diào)安裝平臺的密封情況進(jìn)行調(diào)研的結(jié)果見表1，空調(diào)前側(cè)密封形式主要是格柵，兩側(cè)密封形式是格柵或墻體。空調(diào)外機(jī)對散熱的要求較高，即室外機(jī)排氣流場保持通暢。如前側(cè)百葉窗在水平角度的傾斜率大、格柵孔隙率低，排風(fēng)沖擊百葉時將改變氣流方向，大量排氣出現(xiàn)回流短路[12-13]。

表1 安裝平臺的密封情況

1.2 室外機(jī)平臺與房間面積的相關(guān)性

圖2所示為空調(diào)房間面積與室外機(jī)安裝平臺的相關(guān)性調(diào)研，同時對空調(diào)對應(yīng)的房間面積進(jìn)行了收集，統(tǒng)計中含空調(diào)房間面積的一共有165組，房間面積與外機(jī)平臺面積的相關(guān)系數(shù)僅為0.037，室外機(jī)安裝平臺面積與房間面積相關(guān)性較差，給空調(diào)選型帶來了困難。另外調(diào)研中顯現(xiàn)的平臺尺寸過小、空調(diào)室外機(jī)另選位置加裝空調(diào)支架沒有安裝在建筑預(yù)留平臺上的情況，也影響建筑外立面美觀性。

圖2 空調(diào)房間面積與室外機(jī)安裝平臺的相關(guān)性

通常按照房間的面積確定冷量需求后，空調(diào)外機(jī)的尺寸和質(zhì)量也能對應(yīng)。為避免空調(diào)安裝平臺尺寸過小、過大造成的耗能及浪費(fèi)。室外機(jī)平臺面積和承重水平可以預(yù)先參照房間面積對照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計[14]，通過制定標(biāo)準(zhǔn)對空調(diào)室外機(jī)殼體及外機(jī)平臺尺寸進(jìn)行規(guī)范可為開發(fā)商及用戶提供選型指導(dǎo)。

2 分體式外機(jī)安裝位置對空調(diào)性能影響的測試

2.1 測試平臺的建立

為模擬實際安裝平臺空間尺寸對空調(diào)外機(jī)運(yùn)行的影響，本次測試制作了5組實驗平臺，并在焓差實驗室進(jìn)行了測試。圖3所示為測試平臺與被測樣機(jī)的安裝間隙。安裝臺從小到大尺寸間隙依次增加100 mm，測試臺及外機(jī)尺寸見表2。

圖3 測試平臺與被測樣機(jī)的安裝間隙

表2 模擬安裝臺的測試平臺尺寸（單位：mm）

表中5#平臺剛好足夠室外機(jī)安裝，為最惡劣的平臺尺寸；4#平臺與平臺尺寸接近統(tǒng)計數(shù)據(jù)中位數(shù)，是實際較為常見的平臺尺寸；2#、3#平臺與統(tǒng)計數(shù)據(jù)的上四分位數(shù)接近，是實際較好的平臺尺寸；1#平臺則可視為與平臺尺寸統(tǒng)計數(shù)據(jù)最大值接近的情況，是實際較寬松平臺尺寸。

對于室外機(jī)安裝平臺有兩個關(guān)鍵回風(fēng)尺寸，影響空調(diào)的回風(fēng)風(fēng)量及受百葉阻擋后的空調(diào)吸排氣短路率：1）在空調(diào)左、右側(cè)非密封的情況下，關(guān)鍵回風(fēng)面積主要受空調(diào)后部間隙尺寸c對回風(fēng)量的影響；2）在左、右側(cè)為格柵或墻體、前側(cè)格柵的情況下，關(guān)鍵回風(fēng)面積主要受空調(diào)正面出、回風(fēng)間隙對及格柵吸排氣短路率的影響。

從1號到6號吸排氣流通最佳狀態(tài)逐漸趨向惡劣，回風(fēng)密封性將影響空調(diào)的冷凝溫度[15-16]，選取表1中安裝情況占比較大（98.6%）的1號～5號情況進(jìn)行測試，百葉格柵使用常用55°防雨百葉。

2.2 測試平臺實驗結(jié)果

按照房間空調(diào)器[17]中的名義工況室外工況（干球溫度/濕球溫度）為35 ℃/24 ℃，室內(nèi)工況（干球溫度/濕球溫度）為27 ℃/19 ℃下在焓差室中進(jìn)行測試，監(jiān)控環(huán)境溫度穩(wěn)定后的制冷量、功率和能效比（Energy Efficiency Ratio，EER）等衰減因素得到空調(diào)機(jī)性能變化的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖4測試是在左右、前全通風(fēng)的情況下進(jìn)行，以模擬開放式安裝平臺。由于吸氣僅受關(guān)鍵回風(fēng)面積Ai,1影響，回風(fēng)溫度穩(wěn)定在36 ℃左右，空調(diào)的性能及能效基本無衰減。僅需保證外機(jī)背面與墻面的距離，將關(guān)鍵回風(fēng)面積Ai,1控制在合理的范圍內(nèi)。

圖4 左右和前側(cè)全通風(fēng)的狀態(tài)下的性能數(shù)據(jù)

圖5測試是在全通風(fēng)的基礎(chǔ)上將外機(jī)左右兩側(cè)變更為墻面，以模擬不帶格柵的凹槽安裝平臺?？照{(diào)的吸排氣共用正面空氣流通面積，因此在空間較小的情況下空調(diào)的回氣風(fēng)量和溫度將受到關(guān)鍵回風(fēng)面積Ai,2/A0的影響。從5#平臺擴(kuò)大到4#平臺，關(guān)鍵尺寸Ai,2/A0提升到3.93后。吸氣溫度已降低到37 ℃，空調(diào)制冷量和功率衰減在3%以內(nèi)，EER衰減率在6%以內(nèi)，性能恢復(fù)正常水平。

圖5 左右封閉和前全通風(fēng)狀態(tài)下的性能數(shù)據(jù)

圖6測試在全通風(fēng)的基礎(chǔ)上將左右、前變更為格柵的情況下進(jìn)行，以模擬四周為格柵的安裝平臺。這種情況下吸排氣共用的流通面積減少，但排氣受格柵的影響，部分氣流沖擊格柵后滯留在平臺內(nèi)部影響空調(diào)吸氣。隨著臺尺寸提升，性能衰減率仍保持在10%以上，功率增加率保持在14%以上，EER衰減率保持在21%以上。

圖6 左右格柵和前格柵狀態(tài)下的性能數(shù)據(jù)

圖7測試在左右密封、前通風(fēng)的基礎(chǔ)上增加前側(cè)格柵進(jìn)行，以模擬帶格柵的凹槽安裝平臺。與圖4的測試數(shù)據(jù)對比，5#平臺的室外機(jī)回風(fēng)溫度提升近20 ℃，運(yùn)行期間出現(xiàn)了保護(hù)停機(jī)，嚴(yán)重影響空調(diào)運(yùn)行。平臺尺寸需要達(dá)到2#平臺空調(diào)才保持穩(wěn)定運(yùn)行。隨平臺尺寸提升，性能衰減率仍保持在15%以上，功率增加率保持在22%以上，EER衰減率保持在30%以上。

圖7 左右密封和前格柵不同狀態(tài)下的性能數(shù)據(jù)

綜合上述實驗結(jié)果，如圖8所示，安裝密封情況順序從全通風(fēng)、凹槽不帶格柵、三面格柵、凹槽帶格柵，空調(diào)EER衰減率依次增大。結(jié)合建筑外墻實際情況，室外機(jī)安裝平臺應(yīng)擇優(yōu)選取靠前的密封情況以保證空調(diào)的正常運(yùn)行。

圖8 各安裝尺寸和密封情況的能效比衰減情況

3 規(guī)范室外平臺尺寸及承重的建議

除了提升空調(diào)運(yùn)行性能，在平臺位置、尺寸、承重上進(jìn)行規(guī)范，可在安裝時給安裝維護(hù)人員提供安全的操作空間，在使用期也給空調(diào)維護(hù)、清洗提供便利。施駿業(yè)等[18]指出，空調(diào)放置在大氣環(huán)境中五個月后，顆粒污染物對配置翅片管換熱器及微通道換熱器能效比衰減分別為7.8%及43.1%。提供維護(hù)和清洗的平臺空間和承重能力，對空調(diào)進(jìn)行年度清洗維護(hù)可提升空調(diào)的實際使用能效[19-20]和使用壽命。

以上調(diào)研和實驗結(jié)果顯示平臺尺寸和承重能力對空調(diào)生命周期中的能效有較大影響，規(guī)范平臺尺寸可以在設(shè)計、安裝、維護(hù)和清洗多方面推進(jìn)建筑節(jié)能減排成果的落實。

4 結(jié)論

本文基于空調(diào)室外機(jī)安裝平臺的用戶調(diào)研數(shù)據(jù)，研究了空調(diào)在各種安裝密封情況下的性能衰減情況，得出如下結(jié)論：

1）室外機(jī)安裝平臺調(diào)研結(jié)果表明，不帶格柵的安裝情況有44.5%，在三面為格柵中安裝的情況有18.3，安裝在帶格柵凹槽中的情況有34.6%；室外機(jī)安裝平臺與房間的安裝面積相關(guān)系數(shù)較低僅有0.037；

2）當(dāng)在非凹槽情況下安裝時，不帶格柵的安裝情況僅保留與后部的安裝距離即可；加裝格柵后，性能衰減和功率增加率將分別保持在10%和14%以上，EER衰減將保持在21%以上；

3）當(dāng)在凹槽中安裝時，不帶格柵的需要保持Ai,1/A0、Ai,2/A0（測試4#平臺）在0.97和3.93以上空調(diào)運(yùn)行性能衰減較??；凹槽加裝格柵后，性能衰減和功率增加率將分別保持在15%和22%以上，EER衰減將保持在30%以上。