無錫地鐵控制中心VRV外機(jī)組熱環(huán)境分析及應(yīng)用

印書紅撒世忠蔡久蘭

1江蘇無錫二建建設(shè)集團(tuán)有限公司

2合肥萬科置業(yè)有限公司

3約克（中國）商貿(mào)有限公司

0 引言

近年來變頻多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)因其系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝簡便，室內(nèi)機(jī)布置靈活，空調(diào)系統(tǒng)電力計(jì)費(fèi)簡便，運(yùn)行管理簡便，部分負(fù)荷節(jié)能效果好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。而大型空調(diào)系統(tǒng)成排室外機(jī)組的平面設(shè)計(jì)布置及安裝間距，通風(fēng)換熱的好壞將會(huì)直接影響到室外機(jī)組和系統(tǒng)的正常高效運(yùn)行以及機(jī)組的效能。因此大型商用建筑在有多臺(tái)空調(diào)室外機(jī)集中成排布置時(shí)室外機(jī)組的平面布置設(shè)計(jì)，室外機(jī)組安裝環(huán)境，周圍通風(fēng)換熱的條件將是變頻多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。實(shí)際工程中，有許多項(xiàng)目因?yàn)闄C(jī)組排風(fēng)布局不合理，導(dǎo)致機(jī)組能效下降，甚至影響到機(jī)組正常工作。當(dāng)較多數(shù)量的機(jī)組大量布置在有限范圍內(nèi)時(shí)，其排風(fēng)的組織尤為重要。

本文根據(jù)地鐵控制中心項(xiàng)目的空調(diào)室外機(jī)組平面布置設(shè)計(jì)，進(jìn)行了相關(guān)的安裝熱環(huán)境CFD模擬分析計(jì)算。根據(jù)CFD模擬得到的相關(guān)計(jì)算結(jié)果，應(yīng)用到項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)和工程安裝中。獲得了較好的運(yùn)行效果。同時(shí)也期望可為類似工程項(xiàng)目提供實(shí)例參考。

1 項(xiàng)目簡介

無錫地鐵控制中心大廈及配套工程是無錫市政府近年開發(fā)的大型民生項(xiàng)目。地鐵控制中心是對(duì)全線列車運(yùn)行、電力供應(yīng)、車站設(shè)備運(yùn)行、防災(zāi)報(bào)警、環(huán)境監(jiān)控、票務(wù)管理、乘客服務(wù)等地鐵運(yùn)營工作全程進(jìn)行調(diào)度、指揮和監(jiān)控的中樞。無錫地鐵控制中心大廈承擔(dān)無錫地鐵1號(hào)線至6號(hào)線的控制指揮調(diào)度管理任務(wù)，地鐵線路的運(yùn)營、調(diào)度、指揮、管理均在于此。

無錫地鐵控制中心及配套工程為一類高層建筑，由地鐵公司運(yùn)營管理主樓（C區(qū)，28層，建筑高度128 m）及南側(cè)綜合功能架空裙樓（D區(qū)，2層，下設(shè)架空層，屋頂距地24.9 m），塔樓北側(cè)貼鄰建設(shè)地鐵控制中心大樓（B區(qū)，7層，屋頂距地39.1 m），及北側(cè)地鐵派出所（3層），交通公安分局（9層，建筑高度38.5 m），110 kV變電站裙房（A區(qū)）共同連體組成。地下室共二層，地下二層為車庫及設(shè)備用房，地下一層為車庫及物業(yè)開發(fā)。總用地面積21,967.25 m2，總建筑面積119,990.13 m2。

無錫地鐵控制中心大廈項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)，安裝的是“約克”YSE系列變頻多聯(lián)機(jī)。控制中心大廈及配套工程項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)共安裝“約克”YVOH變頻多聯(lián)室外機(jī)234臺(tái)，總制冷量10,107.5 kW。安裝YDCK卡式吸頂式室內(nèi)機(jī)和YDCP暗裝風(fēng)管式室內(nèi)機(jī)1321臺(tái)、分體式空調(diào)35臺(tái)、全熱交換新風(fēng)機(jī)組56臺(tái)。

2 控制中心空調(diào)室外機(jī)安裝環(huán)境

控制中心空調(diào)系統(tǒng)共安裝“約克”YVOH100-340室外機(jī)36臺(tái)（566匹），室外機(jī)組安裝在大廈七層裙房屋頂平臺(tái)，這里同時(shí)安裝有控制中心30臺(tái)“約頓”機(jī)房專用空調(diào)的室外機(jī)。空調(diào)室外機(jī)組安裝的位置如圖1所示。

圖1 地鐵控制中心樓頂機(jī)組分布圖

多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)室外機(jī)的安裝，要求環(huán)境空氣應(yīng)保持流暢、不受阻礙，并且不形成回流或短路，否則將影響機(jī)組的排熱與吸熱，進(jìn)而降低機(jī)組效率，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)箼C(jī)組因高壓或低壓保護(hù)動(dòng)作而停機(jī)。其中夏季冷凝器的高壓保護(hù)問題尤為嚴(yán)重。

控制中心空調(diào)設(shè)備室外機(jī)安裝平臺(tái)位于大廈七層裙房樓頂，平臺(tái)四周為高4 m的玻璃幕墻，平臺(tái)中部為4 m高的圓形網(wǎng)架屋面（安裝完工后,機(jī)組地面與玻璃幕墻和網(wǎng)架屋面落差為3 m左右）。空調(diào)多聯(lián)機(jī)室外機(jī)組和機(jī)房空調(diào)冷凝器安放在幕墻和網(wǎng)架屋面之間的一塊空地上，為一東西短、南北長的區(qū)域。由于幕墻和屋面的阻擋，可能存在通風(fēng)不暢的隱患，因此在項(xiàng)目深化設(shè)計(jì)時(shí)通過CFD流體仿真技術(shù)進(jìn)行空氣風(fēng)場的模擬分析計(jì)算。

3 CFD仿真模擬

3.1 空調(diào)室外設(shè)計(jì)條件

本項(xiàng)目位于江蘇省無錫市，北緯31.75°，東經(jīng)119.93°，室外空調(diào)計(jì)算參數(shù)：

夏季空調(diào)干球計(jì)算溫度34.6℃，濕球計(jì)算溫度28.1℃，夏季空調(diào)計(jì)算日平均溫度31.5℃，夏季通風(fēng)干球計(jì)算溫度31.3℃，夏季平均風(fēng)速2.8 m/s。

冬季空調(diào)干球計(jì)算溫度-3.5℃，冬季通風(fēng)干球計(jì)算溫度3.1℃，冬季空調(diào)室外相對(duì)濕度75%，冬季平均風(fēng)速2.8 m/s。

由于夏季通風(fēng)環(huán)境換熱條件較差，所以本次僅以最不利的夏季通風(fēng)工況進(jìn)行熱模擬分析計(jì)算。

3.2 CFD仿真計(jì)算中的邊界條件設(shè)定

環(huán)境參數(shù)：夏季大氣環(huán)境溫度為34.6℃，壓力為1個(gè)大氣壓，由于機(jī)組平臺(tái)四周為高4 m的玻璃幕墻及網(wǎng)架屋面，所以周圍不考慮環(huán)境有風(fēng)狀態(tài)，且室外機(jī)組附近無其他熱源，計(jì)算中也不考慮太陽輻射的影響。計(jì)算對(duì)象：設(shè)備平臺(tái)上的“約克”變頻多聯(lián)機(jī)室外機(jī)組及“約頓”機(jī)房空調(diào)室外機(jī)，其排風(fēng)量和排熱量如表1所示。機(jī)組類型：“約克”YVOH80-160為上出風(fēng)機(jī)型，“約頓”HCE18-25機(jī)房空調(diào)冷凝器為上出風(fēng)機(jī)型。

3.3 計(jì)算網(wǎng)格

考慮到計(jì)算的精度，整個(gè)模型中全部使用高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格，并對(duì)空調(diào)機(jī)組附近的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密（圖2），以更準(zhǔn)確地模擬機(jī)組進(jìn)風(fēng)換熱狀態(tài)。

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格示意圖

3.4 流體仿真模型

根據(jù)樓頂平臺(tái)機(jī)組安裝設(shè)計(jì)圖紙，以及室外機(jī)組等相關(guān)信息，建立了CFD流體仿真的模型[1]，如圖3所示。計(jì)算區(qū)域包含了變頻多聯(lián)機(jī)機(jī)組和機(jī)房空調(diào)機(jī)組的放置區(qū)域。并且計(jì)算中考慮了周圍玻璃幕墻和網(wǎng)架屋面遮擋對(duì)機(jī)組回風(fēng)的影響。

圖3 仿真模型三維示意圖

3.5 仿真結(jié)果

圖4、圖5為計(jì)算的空氣進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)的流場分布，由分布圖可見，區(qū)域A由于處于很多機(jī)組的中心地帶，機(jī)組很難吸到溫度較低的新風(fēng)，回風(fēng)溫度要明顯高于其他區(qū)域，最高處已經(jīng)接近52℃左右。由于此處機(jī)組的出風(fēng)速度較低，出現(xiàn)了部分回流（短路）現(xiàn)象。

如圖6和圖7中切面圖所示，區(qū)域A處的回風(fēng)溫度為整個(gè)區(qū)域最高（約50～52℃），區(qū)域B由于處于兩排機(jī)組的中間，因此回風(fēng)溫度也較其余區(qū)域高（最高有46.5℃）。

圖5 出風(fēng)空氣流場

圖6 離地面0.5 m處水平橫截面空氣溫度分布圖

圖7 東西向、南北向切面溫度分布圖

4 模擬結(jié)論和建議

圖6和圖7中的區(qū)域A，由于處于機(jī)組群落的中心位置，機(jī)組很難得到溫度較低的新風(fēng)，造成這個(gè)區(qū)域的回風(fēng)溫度普遍很高，機(jī)組回風(fēng)溫度最高50～52℃，而區(qū)域B中的回風(fēng)溫度最高到46.5℃，對(duì)空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行有一定的影響[2]。

目前空調(diào)方案設(shè)計(jì)中，局部位置在運(yùn)行中可能出現(xiàn)的較高回風(fēng)溫度，從而影響劇組的制冷能效，甚至導(dǎo)致空調(diào)機(jī)組壓縮機(jī)高壓保護(hù)。

5 應(yīng)用及結(jié)果

根據(jù)CFD仿真模擬結(jié)果，在空調(diào)系統(tǒng)深化設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)空調(diào)室外機(jī)組的布置進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)區(qū)域A和區(qū)域B的室外機(jī)組布置作了以下改進(jìn)[3-4]：

1）拉大成排機(jī)組排列間隔，相鄰成排機(jī)組間距≥800 mm。

2）將大容量室外機(jī)組置于外圍的區(qū)域。

3）提高室外機(jī)組離地面的安裝高度。將機(jī)組安裝高度提高到離地面600 mm以上，且機(jī)組底座做成架空支架，以利機(jī)組進(jìn)風(fēng)。

4）取消部分玻璃幕墻，更換為百葉格柵，有利于空氣流動(dòng)，充分利用自然風(fēng)。

5）設(shè)計(jì)特殊的玻璃幕墻,幕墻底部留空300 mm，幕墻中間連接處留空200 mm，達(dá)到自然通風(fēng)。

機(jī)組安裝調(diào)試完成后已運(yùn)行2年，運(yùn)行狀況良好，未發(fā)生諸如通風(fēng)不暢、散熱不良、機(jī)組高低壓保護(hù)等的故障。而且此項(xiàng)目獲得了建設(shè)工程國優(yōu)金獎(jiǎng)“魯班獎(jiǎng)”。

6 結(jié)語

變頻多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組室外機(jī)進(jìn)行平面布置時(shí)一定要考慮機(jī)組周圍安裝的熱環(huán)境，特別是多臺(tái)室外機(jī)組成排集中布置時(shí)，一定要考慮通風(fēng)換熱條件。

成排機(jī)組平行布置時(shí)，需拉大成排機(jī)組排列間隔，相鄰成排機(jī)組間距≥800 mm。

將成排機(jī)組安裝高度提高到機(jī)組底部離地面≥600mm以上，且機(jī)組底座做成架空支架。

機(jī)組周邊外圍女兒墻高度超過機(jī)組頂高時(shí)，機(jī)組離女兒墻間距≥800mm以上。

如機(jī)組外圍女兒墻高度超過機(jī)組頂高時(shí)，機(jī)組離女兒墻間距小于800mm，在女兒墻上設(shè)置面積足夠的進(jìn)排風(fēng)百葉。