基于Fluent軟件在變頻多聯機設計中的應用分析

雷婭蓉

摘 要：隨著社會經濟的不斷發展，人們對居住環境的舒適性要求越來越高。多聯機空調具有安裝靈活、方便等優點，在建筑工程中得到了廣泛的應用。在空調運行過程中，如果運行時間過長，會使空調中的電子元件溫度升高，甚至會導致電子元件失效，所以，對空調系統散熱風道進行分析研究具有重要意義。文章基于Fluent軟件，對變頻多聯機空調散熱情況進行了整機建模分析，并對各個散熱片、出風口的流場進行了分析，確定出了最佳的排風速度和排風角度，可供參考。

關鍵詞：Fluent軟件；變頻多聯機；模擬軟件

中圖分類號：TB657.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）24-0151-02

Abstract： With the continuous development of social economy， people have higher and higher requirements for the comfort of the living environment. Multi-on-line air conditioning has been widely used in building engineering because of its flexible and convenient installation. In the process of air conditioning operation， if the operation time is too long， the temperature of electronic components in air conditioning will rise， even lead to electronic components failure， so it is of great significance to analyze the cooling duct of air conditioning system. Based on Fluent software， the heat dissipation of variable-frequency multi-online air conditioning is modeled and analyzed in this paper， and the flow field of each heat sink and outlet is analyzed， and the optimum exhaust velocity and exhaust angle are determined， which can be used as a reference.

Keywords： Fluent software； variable frequency multi-line； simulation software

1 工程概況

某項目位于廣州市南沙區，E、F組團為工業化住宅，由8棟高層建筑組成，建筑面積為103281m2。為了保證建筑有良好的外觀，一般采用百葉隱藏空調室外機，但由于百葉窗的存在以及空調設備的運行散熱，使周圍環境的空氣溫度上升，導致空調夏季運行環境變得很惡劣，這是由于回風溫度較環境溫度高，使室外機與環境的換熱越來越困難，同時可能造成冷凝器因高溫保護而停機，導致空調性能降低，消耗更多的電能。因此，重視上升熱及空氣流動現象，并且在住宅設計中采取合理布局，減小其最不利的影響，將有利于減少能源的能耗，因此，需要采用模擬軟件分析空調系統中空氣流動情況和上升情況。

2 模擬軟件的選擇

當前，在對建筑舒適性進行分析和評價時，主要采用數值模擬和試驗測量兩種方法進行分析。其中試驗測量測量費用較高、試驗周期長，不適用于設計階段方案的分析。數值模擬式在計算流體力學（CFD）基礎上，通過對傳熱學方程組和求解流體力學，然后利用計算機圖形將空間流場的溫度、風速等物理參數直觀地描述出來。具有易于模擬、模擬周期短、模擬成本低等優點，因此，本項目采用CFD三維仿真軟件Fluent對目標建筑進行中庭熱壓自然通風模擬分析。采用Fluent可以對從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動進行模擬，具有良好的求解速度和收斂速度，是當前一個非常權威的商用CFD軟件[1]。

3 Fluent軟件的特點

Fluent軟件是在CFD計算機軟件群的基礎上通過運用合適的數值解法來保證精度、穩定性和計算速度達到最佳。Fluent軟件主要由三大模塊構成，分別為前處理模塊、求解器模塊和后處理模塊。在采用Fluent軟件對三維流動進行分析時可以生成三角柱、六面體等網格，在對二位流動進行分析時，可以生成矩形網絡、三角形等。根據具體的計算，還可以生產混合網絡，并且具有自適應功能，可以實現網格的粗化或細分。其中納維-斯托克斯方程式Fluent軟件的核心求解模塊。通過使用有限體積離散方程進行計算分析，計算的穩定性和精確度都優于常規編程采用的有限差分法。其優點有下述幾個方面：

（1）Fluent軟件中物理模型比較先進，可以讓使用者準確地將湍流、層流、無粘流等模擬出來，此外，使用者還可以根據需要針對性地定制湍流模型。

（2）Fluent軟件在進行分析時，使用完全非結構化的網絡有限元體積法進行分析，并且具有網格單元和網格結點的梯度算法。

（3）Fluent軟件具有非常廣泛的適用范圍，包括各類輻射模型、離散相變模型、相變模型、多相流模型、反應流模型等，針對各類不同物理問題可以有對應的數值解法，用戶可以自行選擇隱式差分格式或顯式差分格式，可以更好地保證計算穩定性、計算速度、計算精確度。

4 模型構建

CFD方法是針對流體流動的質量守恒、動量守恒和能量守恒建立數學控制方程，此次分析時，將討論的問題簡化為三維、不可壓縮、穩態、湍流的物理模型。本項研究中采用k-標準湍流模型，該模型已經得到了大量工程應用的驗證，可靠性高。在自然對流中，浮升力起主導作用，且空氣密度對壓強的影響微小，可忽略不計，所以動量方程中密度的變化采用Boussinesq假設處理，即輸入一個空氣的膨脹系數，近似認為密度的變化與溫度的變化成線性關系，滿足式（1）。

該工程模擬計算模型如圖1所示。本項目為高層住宅建筑，為了保證建筑美觀，在建筑外立面設置凹槽結構，將室外機安裝在凹槽內，并在凹槽結構內設置向上45°的開口百葉窗。計算邊界條件如下：

（1）室外計算條件

最不利靜風影響，室外計算溫度按廣東地區空調室外計算溫度35℃計算。

（2）空調機室外參數

由于一般住宅空調系統為分體空調系統，本項目選取具有代表意義的制冷量為5300W的室外機，室外機實際風量2800m3/h。風機采取背面及側面回風，前面排風的散熱方式。室外機尺寸：800×300×750mm（長×寬×高）。

（3）模擬邊界設置

室外機設置為內熱源，冷凝風扇采用模擬軟件中的fan邊界，回風冷凝面采用多孔介質邊界，保證模擬過程中壓降與實際一致。

5 模擬結果分析

在對模擬結果進行分析時，設計模擬選取E5棟中間3層樓層分析室外機散熱情況進行分析。

通過分析后發現，縱向空氣的容重較小，在空氣浮力的作用下不斷上升，導致室外機回風溫度會有升高，由于大部分空調室外機的運行溫度為-20℃～46℃，超過該溫度會引起室外機過熱保護，自動停機。因此，控制室外機運行溫度將是保證空調系統正常運行的關鍵。

由模擬結果可知，3層樓層回風溫度由下至上分別為36.9℃、37.8℃、38.6℃，溫度均升高了1.7℃。根據模擬溫度場分布趨勢，隨著高度的增高，高層建筑室外機室外運行環境溫度會逐漸升高。

本次分析主要考慮靜風條件下的室外機散熱，實際情況下，室外機處于部分負荷工況，同時上升的熱空氣部分會被室外風帶走，熱量減少，溫升將<1.7℃；而凹槽內溫度分布平均為37.4℃，在室外機運行環境溫度允許的合理范圍內[2]。

根據上述分析結果，將排風口風速控制在4m/s左右，排風口采用向上45°百葉時，熱空氣向上排出，帶走凹槽內熱量，使室外機周邊環境能得到很好的空氣流通，不易導致熱量堆積而造成空調運行停機的情況[3]。

6 結束語

綜上所述，本分析報告根據E5棟戶型3的室外機擺放位置，對室外機處于滿負荷運行下的工況進行了模擬研究，通過模擬分析可知：

（1）室外機運行區域，及凹槽區域溫度平均為37.4℃，室外機回風溫度分別為36.9℃、37.8℃、38.6℃，由于熱空氣的上浮，溫度升高1.7℃，由于室外機大部分處于部分負荷工況下，散熱量較滿負荷運營時將有所降低，進而回風溫度的溫升也會降低，因此本項目的室外機運行處在合理的運行環境，不會由于室外空氣溫度的升高而導致室外機運行效率降低。

（2）室外機排風口為向上45°百葉，有利于帶走凹槽內熱量，改善室外機運行環境。

綜上所述，本項目在目前的室外機凹槽布置情況下，室外機運行環境相對較好，對室外機運行效率及運行能耗影響較小。在炎熱天氣下（室外35℃），室外機滿負荷運行不會導致停機。

參考文獻：

[1]張軼，沈輝，夏蕓，等.基于CFD的礦車空調風道風速仿真分析與試驗研究[J].內燃機與動力裝置，2012（02）：25-27+33.

[2]張智力，吳喜平.CFD基本算法及其在暖通空調領域中的運用[J].能源技術，2002（01）：8-11.

[3]王天琦.地源變頻多聯機（VRV）空調系統的性能模擬與優化運行[D].南寧：東南大學，2016.