室外機室格柵對空調運行環境的影響

谷德軍，王劍波，樸完奎，劉 楊，金梧鳳

(1.天津商業大學機械工程學院，天津300134;2.中國中建設計集團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室外機，但由于百葉窗的存在，空調夏季運行環境變得比較惡劣，作為冷凝器工作的室外機不能良好、充分地與周圍環境中的冷空氣換熱，回風溫度較環境溫度高，使得室外機與環境的換熱越來越困難，進而影響整體空調系統的工作效率，導致COP(Coefficient Of Performance，性能系數)值降低。同時為了獲得相同的制冷效果，還會導致耗電量的增加。在某些極端場合，可能因過高的環境溫度而觸發壓縮機的安全保護裝置，造成空調設備運行的中斷［1］。在不斷增加的建筑能耗中，空調能耗約占55%，在整個建筑能耗中所占的比例最大。研究表明:當室外機作為冷凝器使用時，其進風溫度每升高1℃，空調系統的COP會降低約3%，當進口溫度超過45℃時將會嚴重影響空調系統的正常運行［2，3］。如何能滿足建筑立面的美觀要求又能確保空調效果，室外機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組的通風與換熱性能。

程卓明，黃釗，馬勇利用Fluent軟件對空調室外機夏季運行環境進行了數值模擬研究，側重點在不同百葉窗安裝開度下的空調運行環境特性研究［4］，得出當百葉外部向下傾斜時，室外機的運行環境隨百葉開度的減小而變好;與百葉外部向下傾斜相比，向上傾斜時的室外機運行環境更好。姜曉東，蘇秀平用CFD技術對空調室外機性能做了相關研究，側重點在格柵孔隙率的變化對室外機的影響［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改善室外機的氣流組織，有利于降低盤管的進口溫度，從而提高空調系統運行的經濟性和可靠性。當孔隙率大于0.6時，盤管的進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系統的可靠運行。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、對空調室外機性能影響、優化吸排風速度等方面。而格柵種類及格柵不同的百葉角度對傳熱效果也有很大的影響，所以有必要進行這兩方面的研究。

保證室外機格柵美觀的同時，讓室外機的熱量最大限度通過格柵散發出去，解決格柵對熱量散發的阻礙作用，用Fluent軟件對不同種類的格柵以及格柵不同百葉角度兩種情況下的場流、溫度場進行了數值模擬，對模擬結果分析得出了最佳的格柵類型以及百葉角度。為設計人員設計格柵結構提供參考依據，為工程的實際應用提供理論參考和優化指導，對系統COP的升高、能耗的降低有重要意義。

2 研究對象

目前市場上格柵種類主要有，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型格柵的設計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，現實中較少采用。因此，本文只對建筑立面常出現的S型、flat型格柵進行研究，其結構見圖1。

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

3 模擬實驗

圖1 多聯機室外機室格柵

本文是對多聯機室外機室格柵處的氣流溫度場模型進行了數值模擬，需要采用適當的湍流模型模擬湍流流動才能實現對研究問題的完整描述，便于進行數值求解，清楚的模擬出氣流組織形式，在數學模型基礎上假定一些邊界條件，對其進行研究。

3.1 模擬內容

研究內容是針對兩種不同種類的格柵，以及格柵百葉角度的不同，對冷凝器側的氣流進行的模擬。HVAC領域的流動問題滿足連續性方程，動量方程和能量方程［6，7］，通常用不可壓粘性流體流動的控制微分方程，模擬時要求采用的軟件能體現出具體的氣流流動方向。本文采用的CFD模擬技術［8］里的 Fluent軟件，用于計算復雜幾何條件下流動及傳熱問題，后處理模塊有三維顯示功能來展現流動特性，適合分析本文的湍流形式的氣體數值模擬。因此，選用Fluent［9］進行模擬。

研究采用 Mini ARU0141WS的室外機，尺寸為950mm×1 380mm×330mm，側出風，制冷量為14 000W，第一部分研究不同種類的格柵對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，由于室外機室的空間有限，室外機是側向放置，由導風罩將氣流引致格柵處排向外界。

3.2 模擬方法

3.2.1 數學模型

對于本文所描述的流場采用的控制方程如下，質量守恒方程:

動量守恒方程:

紊流能量傳遞方程:

江小白一經面世，便打破傳統白酒“厚重”的形象，提出“小聚、小飲、小時刻和小心情”，重新定義了消費場景。白酒不再只與圓桌文化、階層文化相勾連，也可以是簡單純粹三五好友小聚小飲的小時刻，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，K為紊動能，ε為紊動能耗散率。

本文采用穩態的湍流流動進行分析，基本控制方程組由雷諾時均N－S方程，連續性方程，能量方程組成，基于有限體積的數值離散格式對方程組進行求解，湍流模型采用k－ε模型，溫度場方程為:

3.2.2 邊界條件

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

4 模擬結果與分析

應用Fluent軟件對兩種不同種類的格柵進行模擬，采用以上數學模型、假定的邊界條件研究兩方面的內容。針對MINI ARU0141WS戶式多聯機側出風的形式，一方面是研究S型、flat型兩種不同種類的格柵對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冷凝器表面平均溫度的影響，研究格柵內外兩側的流場和溫度場。

4.1 空調格柵種類的模擬結果及分析

對空調室外機不同種類格柵的流場模擬結果如圖2所示，采用S型格柵，發生了高溫輸出氣流再次吸入現象，而且局部回流嚴重;采用flat型格柵，輸出的氣流未再吸入。對空調室外機不同種類格柵的溫度場模擬結果如圖3所示，對應S型格柵冷凝器的平均溫度在50℃以上，而對應flat型格柵冷凝器的平均溫度小于38℃。

圖2 格柵兩側出風氣流模式

由以上結果得知，在相同的工況環境下，空調室外機格柵采用flat型的排風流動阻力系數小，不易發生回流現象，冷凝器的溫度也相對較低，能夠確保空調經濟運行。而S型的格柵發生排風回流現象嚴重，使得冷凝器的平均溫度較高，使得空調負荷增加，不能保證其經濟運行。

之所以出現上述結果，原因包括S型格柵自身有角度的彎曲，導致氣流在進出格柵時都會受到影響，局部阻力損失較大，出風阻力較大，使室外機室的熱氣流不能順利排出，甚至會引起吸排風短路現象，從而導致室外機室內的溫度升高。而對于flat型格柵，在氣流流經格柵時同樣會有阻力損失，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轉。由以上分析得出，對于室外機室的格柵，flat型格柵的散熱效果優于S型格柵。

4.2 格柵百葉角度的模擬結果及分析

對以上兩種不同種類格柵的流場、溫度場模擬結果得知，不同種類格柵的出風效果不同，對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。為了更詳細的分析flat型格柵對冷凝器散熱效果的影響，選用不同百葉角度的格柵進行研究，從而得出最優的百葉角度，將選取6種不同的角度進行模擬研究。

圖3 熱交換器表面溫度分布

選取連續3層樓層作為研究對象，百葉角度分別為 0°、10°、20°、30°、40°、50°的 flat型格柵在同一室內外工況和環境下進行模擬，結果見圖4。

冷凝器平均溫度隨格柵角度變化的模擬結果如圖5所示，Flat型格柵百葉角度在小于30°時，冷凝器平均溫度低于38°，變化幅度不是很大，相鄰室外機氣流沒有發生高溫再吸入現象;而百葉角度在大于30°時，發生了排風再吸入現象，導致熱交換器的平均溫度高于43°，室外機室外側的環境溫度放生了顯著惡化，甚至會導致高溫停機現象。

出風量隨格柵角度變化的模擬結果如圖6所示，隨著格柵角度的增大，室外機出風口風量呈不斷下降趨勢，格柵角度為50°時的風量，相對于格柵角度為0°的情況，風量減小了10.5%。

格柵百葉角度在大于30°時，室外機出風明顯向下傾斜，格柵的橫向截面覆蓋率變大，使出風阻力變大，對于多樓層建筑，上層室外機出風容易被下層室外機吸入，造成樓層間的熱風再吸入現象，從而導致出風量減小，冷凝器平均溫度急劇上升，甚至超過43°，室外機室外側的環境溫度放生了顯著惡化，導致高溫停機現象。

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 出風量隨格柵角度的變化情況

5 結語

本文采用計算流體力學軟件Fluent對兩種格柵作了模擬計算，分析了格柵種類及格柵百葉角度對某空調室外機的流場和溫度場的影響，得出如下結論。

(1)S型格柵由于出風阻力較大，一部分出風氣流無法有效排出室外機室，造成熱風再吸入現象，flat型格柵的排風流動阻力系數小，不易發生回流現象，冷凝器的平均溫度也相對較低，能夠確保空調經濟運行。

(2)由于格柵對出風氣流的阻力作用，室外機風量隨格柵角度的增加而逐漸減小，格柵角度為50°時的風量，相對于格柵角度為0°的情況，風量減小了10.5%。當格柵角度超過30°后，熱風再吸入現象開始嚴重，冷凝器平均溫度高于38°，并呈顯著上升趨勢。因此，建議采用的格柵角度在30°以下。

［1］吳兆林，高 濤，孫稚囡.高層建筑分層設置多聯機室外機吸排風氣流模擬及優化［J］.暖通空調，2008，38(1):7～10.

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［4］程卓明，黃 釗，馬 勇.百葉窗開度對室外機運行環境影響分析［J］.暖通空調，2009，39(1):133～35.

［5］姜曉東，蘇秀平.格柵孔隙率對某空調室外機性能影響的CFD研究［J］.制冷與空調，2010(4)，25 ～29.

［6］王福軍.計算流體動力學分析－CFD軟件原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2004.

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［10］程卓明，黃 釗，馬 勇.百葉窗開度對室外機運行環境影響分析［J］.暖通空調，2009，39(1):133 ～135.