風冷變頻空調室外機熱環境問題的研究

何德芳

摘 要：隨著中央空調行業的快速發展，作為新型節能型中央空調產品——變頻多聯中央空調，由于其高效節能、穩定可靠、操作控制靈活、分戶計量方便等優點，受到越來越多的客戶青睞，在高層建筑中的應用也日趨廣泛。但是在多層建筑或小型工程中也會有問題出現，對于高層建筑而言，最典型的莫過于室外機工作的熱環境問題。

關鍵詞：風冷；室外機；氣流；短路

風冷熱泵機組以空氣作為冷熱源，由于空氣的比熱容小以及室外側蒸發器的傳熱溫差小等原因，故所需風量較大，大部分廠家需1000m3/h/匹，因而環境空氣應保持流暢，不受阻礙，并且排出的熱風不形成回流。否則將影響熱泵型機組的排熱與吸熱，進而降低機組效率，嚴重時甚至會使機組因高壓或低壓保護動作而停機。其中又以夏季冷凝器的高壓保護問題更為嚴重。

空調系統的室外機在高層建筑中的放置位置一般有如下三類：建筑外側、一側開放的凹陷處（陽臺）和采光井內。根據已經完成的數百個實際工程的模擬結果，放置在凹陷處和天井內的室外機熱環境的影響因素包括許多與建筑尺寸有關而與室外機組無關的因素，例如凹陷處的深度、寬度，天井的尺寸、形狀和面積等等，問題千變萬化，因而不具有一般性的特點。而本研究的主要目的是尋找不同型號機組及其組合對于熱環境影響的一般規律，為室外機的設計和選型提供依據，因而只考慮室外機放置在平整的外墻面的情況。對于其他不具普遍性的問題將根據個別工程的實際情況進行單獨分析。

在夏季供冷情況下，擺放在下層的室外機組熱氣排出，熱空氣密度比室外機空氣小，將在熱壓作用下上升，易被位于上層的機組進風面負壓吸入，使其進風溫度升高，上升的熱氣流對上層室外機的另外一個影響是氣流的上升速度不斷升高，繼而在氣流通過的區域形成較大的負壓，由于風冷變頻空調系統室外機風扇的壓頭相對較小，一般不超過60Pa，該上升氣流產生的負壓勢必會影響風扇對空氣的吸入，使風量降低，進一步影響冷凝器的換熱效率。熱氣流與上層機組排出的熱空氣混合，逐層向上，層層疊加，如果機組層數較多，將形成較大的溫度梯度，使上層溫度高于下層溫度，在熱壓作用下最終導致上層機組的工作環境溫度增高，機組效率降低，嚴重時會導致機組頻繁停機和啟動，甚至設備保護停機。

現以深圳某大廈空調空調工程案例室外機氣流模擬情況進行詳細分析。

1 室外機擺放位置概述

本大廈共24層，為甲級寫字樓，全部采用變頻多聯中央空調，共24層。

1.1 1層室外機位置置于建筑物北側一層地面。

1.2 2～4層室外機放在4層東、西兩側裙樓的露臺上。

1.3 7層東、西兩側室外機平臺放置5、6層外機；9層東、西兩側室外機平臺放置7、8層外機；11層東、西兩側室外機平臺放置9、10層外機；13層東、西兩側室外機平臺放置11、12層外機；15層東、西兩側室外機平臺放置13、14層外機。

1.4 15層及以上室外機均放置于屋頂。

2 模擬條件

2.1 模擬對象為4～15層的西側設備。本研究選擇西側設備作為研究對象。東側設備的情況基本相似。4層和7層機組平面如圖1所示。

2.2 7、9、11、13、15層布置在設備平臺上的所有室外機均接導風管，將設備上出風引導為側出風，排出室外。

2.3 室外計算溫度33℃，無風。

2.4 室外機周圍無其他熱源和障礙物。

2.5 模擬假定機組連續運行并達到穩定狀態。

3 模擬工具

模擬工具包含Fluent 及AIRPAK。

Fluent 是目前國際上流行的商用CFD （計算流體力學）軟件，能模擬流動、傳熱、和化學反應等物理現象。

AIRPAK是Fluent系列中面向HVAC 領域的軟件。提供的模型有強迫對流、自然對流和混合對流模型，熱傳導、流固耦合傳熱模型、熱輻射模型、湍流模型。

4 模擬結果

為了表述方便，將布置在4層屋面上的室外機依次編號為1～8，將布置設備平臺上的設備在垂直向由南向北依次命名為機組1～4、機組5～8，將7、9、11、13、15層設備從低層依次編號為1～5，如圖1所示。

通過使用Fluent模擬軟件模擬分析，機組平均進風溫度曲線如下圖1、圖2所示：

由以上圖1、圖2曲線可以看出，在模擬工況下，4層裙樓屋面上的室外機，由于沒有別的熱源影響，擺放在外層的設備進風溫度均在33℃左右（深圳空調夏季計算溫度），內層的設備由于受外層設備的影響，中間兩臺進風溫度達38度，但工況較好，基本不影響設備正常運行；設備平臺上設備工況隨樓層增加而進風溫度逐漸增高，運行工況越來越惡劣，11層、13層部分設備接近最高運行許可溫度，15層有部分設備（約3臺）超出了設備最高運行許可溫度，已不能正常運行。（注：機組夏季工況運行溫度范圍：-5℃～43℃）。

通過模擬分析，我們得到整個空間的氣流參數，現截取典型截面，如下所示：

截面圖中，從溫度分析我們可以看出：4層設備的排風通過與空氣換熱，溫度逐漸由50度降低至38℃左右，被7層設備進風口吸收，7層設備排出的熱風又被9層吸收，由于進風溫度增加，導致設備的排風溫度也增加，下層的排風溫度增加，又導致上層設備的進風溫度不斷升高，如此惡性循環，最終導致15層進風溫度高達44℃，設備已超過最高允許進風溫度（43℃），機組將保護停機。

從速度上分析，熱風從設備排出后，速度逐漸降低，但隨著排氣越來越熱，上升氣流速度越來越大（熱空氣密度比普通溫度空氣小，會自然上升），同時導致外圍的新風無法進入，像一床厚厚的被子包裹在設備外圍空間，最后導致上層設備只能吸收下層設備的排風，同時排出的空氣也無法及時冷卻，導致上層設備進風溫度也不斷上升，直至達到設備最高進風溫度限值（43℃），無法正常運行。

5 分析結果

從以上模擬結果來看，造成部分設備工況變差的最根本原因是：布置在4層裙樓屋頂的室外機排風被其上方設備平臺上的設備吸入，發生通風短路而引起的，設備進風溫度隨樓層增加而逐漸增加直至超出設備運行最高允許溫度。因此，避免4層裙樓屋面設備排風被平臺上設備吸入是解決問題的關鍵。

建議使用以下辦法：（1）盡量將4層裙樓屋面的室外機布置在其他離平臺設備較遠的位置。（2）4層屋面的室外機排風口處接導風管向外側排風，使其排風改變方向，可以有效減小發生氣流短路的情況。

6 結束語

氣流短路對室外機運行將會有非常不利的影響，可能導致數百萬或數千萬的設備形同虛設，涉及該類大廈空調室外機通常解決的策略是：（1）增大百葉間距，盡量使用15度以下的直百葉，減小排風阻力，保證一定的排風速度，一般控制在5～7m/s，使排出的熱風不被進風面吸入，盡快將廢熱排向自由空間；（2）加大進風空間，使新風容易進入，正常情況下，為保證進排風順暢，一般進風速度需控制在1.5m/s左右，減小進風阻力，排風速度5.5m/s左右；（3）加大室外機之間縱向或橫向距離，使排出的熱風能在空氣中冷卻，吸入溫度降低，減小對上方室外機的影響；（4）如有條件，盡量將進、排風口置于不同的建筑立面上，也就是將室外機置于建筑邊角上，有兩面或者三面墻可做百葉。（5）如下層有其他散發熱源的設備，減小下層其他散發熱源的設備（如空氣源熱泵等）對機組進風的影響，如有條件可將其他散發熱源的設備設置導風罩等，改變其排風方向，降低對空調機組的影響。（6）如有條件，盡量將設備擺放在屋頂、避難層、裙樓頂等通風較好的位置，或者上下層設備置于不同的平臺，從根源上降低發生熱壓效應的可能性。

參考文獻

[1]鄭國良.CFD技術在室內空氣品質預測中的運用[D].山東科技大學，2009年.

[2]賈寶榮.空冷凝汽器空氣流動傳熱特性的數值模擬[D].華北電力大學（北京），2009年.