凹槽內多臺室外機安裝方式的模擬研究

張 燕 金梧鳳 蔣悅波 樸完奎

1天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室

2浙江清華長三角研究院

3樂金電子（天津）電器有限公司

凹槽內多臺室外機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天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室

2浙江清華長三角研究院

3樂金電子（天津）電器有限公司

本文應用FLUENT軟件對凹槽內同時安裝多臺室外機時應采用的安裝距離及角度進行了研究；并以室外熱環境、氣流場和凹槽占有面積為評判標準對室外機的不同安裝形式進行了比較，結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境。

室外機安裝距離及角度室外熱環境凹槽占有面積

住宅建筑中，分體式空調以其安裝簡單、維修方便等優點得到了越來越廣泛的應用，但室外機的安裝方式對建筑外立面的美觀性來說是一大挑戰。因此將室外機安裝在凹槽內并以百葉進行遮蔽的方式廣受青睞。然而當凹槽內同時容納多臺室外機時，彼此之間的熱交換會造成環境溫度升高，進而影響空調系統的運行[1～2]。有研究表明：若進入冷凝器盤管的冷卻空氣的溫度升高1℃，空調系統的COP值將下降3%[3]；當氣候環境溫度超過43℃時,空調器的自動保護系統則會啟動,壓縮機停止運行[4]。因此研究凹槽內多臺室外機在不同安裝形式下的熱環境具有重要意義。同時，在凹槽內安裝多臺室外機時常需更大的凹槽面積，而這會造成住宅面積減小，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運行狀態是本文研究的主要內容。

1 物理模型

為舒適起見，現在的住宅建筑多選擇在每個房間都安裝空調，其中每層凹槽內同時容納兩臺室外機的情形最為常見。因此本文以兩臺室外機為例，對其在不同安裝方式下的熱環境進行數值模擬。

選用現行建筑常用的凹槽結構，層高為2.9m，室外機位為三面環墻，一面被百葉遮蔽。由于單臺室外機的安裝距離及百葉角度已經有很多學者進行了研究，故本文對此不做贅述，直接采用蔣悅波[5]對單臺室外機周圍熱環境模擬所得的最佳安裝距離，具體參數如表1

表1 室外機的安裝距離

本模擬將兩臺相同的室外機放置在建筑凹槽內，室外機型號為LSUA35B41，尺寸為720mm×230mm× 483mm，風量為1620m3/h，制冷量為3500W，其原理圖如圖1所示。

圖1 室外機原理圖

2 數值模擬

2.1 模擬方法

本文應用FLUENT軟件研究凹槽內兩臺室外機的相對安裝位置對室外機周圍熱環境的影響，并對其溫度場和氣流場進行分析。假定室外機運行時計算域的流場為三維穩態流場，室外機排風為湍流流動，采用k-ε兩方程模型，對應的控制方程[6]如下：

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

2.2 邊界條件

為了簡化計算過程，對模型做了如下假設：認為室外機運行過程為穩態，即散熱量恒定；認為空調設備全負荷運行；忽略太陽輻射、地面反射及凹槽壁面之間換熱的影響；認為凹槽壁面上其它設備對溫度場和氣流場的影響可忽略。

數值模擬過程中，將室外機設置為體積熱源，根據其制冷量和壓縮機功率得到室外機的熱釋放率為56385W/m3；室外機排風扇采用fan邊界條件，通過風量驗證，將壓力躍升值設置為48Pa；冷凝器采用多孔介質模型，根據熱交換器的結構參數對所需參數進行確定，具體設置如表2所示。另外凹槽外計算區域各個面采用Pressure Outlet邊界條件，設置湍動能和湍流耗散率為常數；將操作溫度設為環境溫度；由于室外機排出的氣體與周圍環境存在溫度差，考慮到浮升力項和重力作用，認為氣流的密度變化符合Boussineq假設。

表2 邊界條件的具體設置

2.3 模擬工況

通過對現行住宅建筑多臺室外機的安裝形式進行調查，發現住宅建筑單層凹槽內同時容納兩臺室外機，其安裝形式可分為：1）室外機處于同一水平面內，相互呈α角安裝（90°<α≤180°），簡稱“夾角安裝”（圖2）；2）室外機處于同一水平面的同一直線上，簡稱“水平安裝”（圖3）；3）室外機處于同一水平面內，呈90°安裝，簡稱“平面垂直安裝”（圖4）；4）室外機處于同一垂直面內，即相互疊加安裝，簡稱“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

本文中對這些安裝方式下不同的距離及角度進行模擬，具體工況如表3。

表3 室外機不同安裝方式的模擬工況

3 模擬結果分析

空調運行性能的優劣與室外機周圍的熱環境息息相關，所以本文通過對上述幾種安裝方式進行數值模擬得到其溫度場和速度場，并與凹槽面積相結合，共同作為評價指標來找出適用性最好的室外機安裝方式。

3.1 不同安裝方式下幾何距離及角度的分析

對夾角安裝方式下兩臺室外機的回風溫度進行對比，如圖6所示，可以看出隨著夾角角度的增大，兩臺室外機的回風溫度大體呈減小趨勢，并且室外機2的回風溫度要低于室外機1。當夾角為120°時，室外機1的回風溫度曲線出現拐點，由模擬結果可知在此角度下室外機1的回風溫度與排風溫度差值小于1°；當夾角為160°時，室外機2的回風溫度曲線出現最低點，隨后緩慢升高。這是因為在夾角安裝時，兩臺室外機的排風會相互對吹；當夾角為120°時，對吹作用會使室外機1排出的熱風進入它的回風口，從而造成氣流短路，所以在使用該安裝方式時，建議夾角最好大于120°。同時，對吹作用會對室外機2的排風起到促進作用，使其偏向百葉方向，熱風更易送出凹槽；在夾角大于160°之后，對吹作用減弱，室外機2的回風溫度受到排風的影響會有所升高。結合回風溫度曲線綜合考慮，由于夾角越大回風溫度越低，當夾角為180°時兩臺室外機的回風溫度之差最小，兩者之間的相互影響最低，故可以認為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溫度

觀察水平安裝方式下兩臺室外機的回風溫度，如圖7所示，可以看出室外機1的回風溫度隨著距離的增大出現波動，當水平距離大于70mm時，溫度值趨于穩定；室外機2的回風溫度隨距離的增大總體呈現下降趨勢，但當水平距離大于70mm時，溫度值會有所上升，隨后趨于穩定；室外機2的回風溫度值要高于室外機1。這是因為室外機2的右側回風口與室外機1相鄰，水平距離越大，室外機2的回風溫度受兩臺室外機排風的影響就越小，溫度也就越低。在水平距離大于70mm之后，由于兩臺室外機之間氣流場的相互作用造成了室外機2的回風溫度出現了波動，但其最大波動值僅為0.12℃，所以可以認為水平距離大于70mm之后室外機2的回風溫度基本穩定。結合回風溫度曲線綜合考慮，可以認為水平安裝時兩臺室外機之間的距離最好大于70mm。

圖7 水平安裝方式下的平均回風溫度

如圖8所示為平面垂直安裝方式下沿d1方向變化時兩臺室外機的回風溫度曲線，從圖中可以看出，隨著兩臺室外機之間距離的增大回風溫度呈下降趨勢；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，所以可以認為當距離大于350mm時兩臺室外機的回風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，兩臺室外機之間的相互影響就越小。故綜上所述，可認為兩臺室外機平面垂直安裝且沿著d1方向變化時，相互之間的距離最好大于350mm。

圖8 平面垂直安裝方式下d1方向的平均回風溫度

如圖9所示為平面垂直安裝方式下沿d2方向變化時兩臺室外機的回風溫度曲線，從圖中可以看出，隨著兩臺室外機之間距離的增大溫度出現先升高后下降的趨勢；且室外機1的回風溫度高于室外機2。對上述現象進行分析，是由于室外機1的回風溫度受室外機2的排風及室外機1距百葉距離的影響。隨著距離的增大，室外機1距百葉越來越遠，加上室外機2的影響，使得排風越來越困難，故溫度迅速升高；當距離增大到一定程度之后，室外機2的排風對室外機1回風溫度的影響變弱，故溫度有所降低。但是可以預測隨著距離的繼續增大，室外機1的排風將無法到達百葉，而是會充滿整個凹槽，造成凹槽內溫度升高，甚至引起壓縮機停機。綜合上述分析，可以認為對于平面垂直安裝方式而言，當沿著d2方向變化時，室外機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方向的平均回風溫度

對比垂直安裝方式下兩臺室外機的回風溫度，如圖10所示，可以看出隨著垂直距離的增加，回風溫度呈現減小～增大～減小～穩定的趨勢。在垂直距離為50mm和100mm時，回風溫度曲線出現拐點；在垂直距離大于150mm之后，回風溫度緩慢減小并趨于穩定。分析上述情況，當垂直距離大于0mm時，兩臺室外機之間的換熱方式由導熱加對流換熱變為對流換熱，熱阻增大，換熱量減小，故回風溫度有所降低；到達谷值之后，隨著距離的增大，兩臺室外機之間的氣流發生擾動，進而造成了回風溫度出現波動；當垂直距離大于150mm時，室外機的回風溫度受垂直距離及氣流場擾動的影響變弱，回風溫度值趨于穩定。故綜合考慮，建議使用垂直安裝方式時垂直距離最好大于150mm。

圖10 垂直安裝方式下的平均回風溫度

通常情況下，空調用戶認為只要按照使用說明安裝室外機就可以達到其運行的最佳效果，而常常忽視了多臺室外機同時工作時造成的相互影響。但實際上空調的運行效率與室外機的回風溫度之間關系頗重，所以本文對兩臺室外機在不同安裝方式下的回風溫度進行了分析，以期為室外機的實際安裝提供一些理論基礎，得出的結論如下：當采用夾角安裝時，角度越大越好；當采用水平安裝時，水平距離大于70mm之后溫度趨于穩定；當采用垂直安裝時，垂直距離大于150mm之后距離的影響可忽略；當采用平面垂直安裝方式且沿著d1方向變化時，相互之間的距離最好大于350mm，當沿著d2方向變化時，相互之間的距離越小越好。

3.2 室外機周圍溫度場和氣流場的分析

室外機周圍熱環境的優劣是保證空調良好運行的先決條件，所以將上述不同安裝方式下較好幾何距離及角度（如表4）所得的室外機平均回風溫度進行對比，并與氣流組織相結合，得出最理想室外熱環境所對應的安裝方式。

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溫度

對比不同安裝方式下室外機的平均回風溫度（如圖11），可以看出平面垂直安裝方式下的溫度遠遠高于其它三種安裝方式，且由模擬結果可知當d2為0mm時，最大回風溫度為47°，在該溫度下會造成壓縮機停機，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排風口和回風口的氣流場流線圖，從圖中可以看出在水平安裝和垂直安裝時兩臺室外機之間的氣流幾乎不發生干擾，流場情況良好；而相對安裝和夾角安裝時，室外機排風對吹，會造成熱氣流擾動，進而充滿整個凹槽，使室外機的回風口溫度升高，從而影響空調系統的運行。

圖12 不同安裝方式下的氣流場

通過對不同安裝方式下室外機周圍的溫度場和氣流場進行分析，可知水平安裝和垂直安裝可得較好的溫度場和氣流場。

3.3 凹槽占有面積比較

隨著室外機數量的增加，建筑凹槽的占有面積也在不斷攀升，這種情況直接導致了住宅面積的減小，是人們所不樂見的，同時也不符合節能減排、合理利用資源的政策方針。圖13對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行了對比，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 結論

當多個室外機同時在凹槽內運行時，為了用最小的凹槽面積達到最好的空調運行效果，本文以兩臺室外機為例，對它們的幾種安裝方式進行了數值模擬，得出了以下結論：

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方向的安裝距離應越小越好，最好為0mm。

2）將不同安裝方式下室外機周圍的熱環境、氣流場和凹槽占有面積進行比較，可知垂直安裝方式不僅回風溫度低，氣流場穩定，其凹槽占有面積也最小，故可以認為垂直安裝方式是經濟性、適用性最好的安裝方式。

[1]白羽.冷凝熱釋放對環境及自然通風的影響研究[D].長沙:湖南大學,2007

[2]革非,雷波,徐明.多層建筑變制冷劑流量空調室外機安放與其性能的數值研究[J].暖通空調,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.住宅分體式空調器室外機的設置問題[J].暖通空調,2010, 40(10):54-56

[5]蔣悅波.分體式空調室外機周圍熱環境研究[D].天津:天津商業大學,2013

[6]陶文銓.數值傳熱學[M].西安:西安交通大學出版社,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：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大學機械工程學院制冷空調系（300134）；E-mail:276374962@qq.com.cn