學生公寓陽臺空調室外機運行熱環境模擬與優化*

劉 雨，萬中碩，謝艷萍，張雯琦

（重慶科技學院，重慶 401331）

隨著人們生活需求的上升，多聯機空調已在高校學生公寓建筑中得到普及。學生公寓空調外機大多安裝在陽臺內或側掛于陽臺內墻，陽臺有限的空間容易出現熱積聚，導致室外機運行熱環境惡化，對機組性能產生不利影響的同時也影響了學生公寓陽臺的使用體驗[1-4]。本文以某學校學生公寓為例，利用CFD技術，通過對不同安裝方式下的數值模擬結果進行對比分析，提出改善室外機運行熱環境的優化方案。

1 模擬設定

1.1 項目概況

該建筑為高校學生公寓，共七層，層高為3.5 m，陽臺長2.5 m，寬2m。室外機尺寸為0.85 m×0.55 m×0.25 m（長×高×厚），室外機的散熱量為5950w（制冷量3500w，輸入功率2450w），室外機現有落地式、側掛式和凹槽+百葉式三種安裝方式。

1.2 CFD模擬設定

本文采用CFD模擬軟件Airpak進行室外機散熱過程模擬，室外機散熱過程的流體流動遵循質量守恒、動量守恒和能量守恒方程[5-6]，室外機排風散熱屬于三維不可壓縮湍流的物理過程，描述其流體流動的偏微分方程是納維斯托克斯方程，對于湍流流動，本文采用標準的k-ε模型進行數值分析[7-8]并引入布辛涅斯克近似[9]，同時考慮重力對流體流動的影響。本文對部分邊界條件進行了簡化，即模擬過程空調處于夏季全負荷運行工況，忽略輻射和熱傳導的影響，來流邊界條件認為是恒定的，設定室外溫度為32.3 ℃[10]。

2 數值模擬

2.1 對現有安裝方式的模擬

根據實際按鉆過方案建立物理模型進如圖1所示（依次為落地式、側掛式、凹槽式）。

圖1 現有安裝方案的CFD模型

對現有的三種安裝方式進行軟件模擬，模擬結果依次取室外機排風口處縱向溫度分布、陽臺外立面縱向溫度分布和陽臺內部水平溫度分布如圖2所示。

圖2 現有方案的模擬結果

從溫度分布可以看出，在現有的三種安裝方式下，室外機排出的熱風一方面會對自身所處散熱環境（即陽臺區域）產生影響，引起該區域溫度上升；另一方面在熱力浮升作用的影響下不斷上升，從而對上面一層室外機所處散熱環境產生影響，引起其溫度上升[1-4]，且該現象有縱向的累計效應，樓層越高影響越強烈。取排風口中心點處溫度，進風口中心點處溫度和陽臺主要活動區域溫度（取洗漱臺0.8 m高度平均溫度）反映以上兩方面作用對各層室外機散熱環境的影響，并計算各監測點位累計平均溫升T*如表1所示。

表1 各監測點位溫度逐層變化值

可以看出：三種安裝方案下各監測點位溫度均逐層上升，其中落地式安裝方式逐層累計平均溫升最高，說明熱力浮升作用對該方案下室外機運行熱環境的影響是主要的；由于側掛式安裝方案下室外機排風吹向陽臺內，所以主要活動區域溫度和進風口逐層累計平均溫升最明顯；對于凹槽式安裝，由于凹槽起到的分隔作用，所以陽臺主要活動區域的累計平均溫升相比進排風口變化并不明顯，但進排風口累計平均溫升也較高，說明凹槽和百葉對室外機運行熱環境產生了一定的影響。

2.2 提出優化方案

通過上一節的分析可以得出：對落地式安裝，可以通過減弱熱力浮升的縱向累計作用實現對室外機散熱環境的優化；對于側掛式安裝，考慮改變排風方向以改善室外機散熱環境[10-11]；而對于凹槽式安裝，則著重考慮百葉的開合角度對室外機散熱環境的影響[9，12]制定以下的優化方案：對落地式安裝方式采取上下層錯位安裝的措施；對側掛式安裝方式采取增加導流罩以改變排風方向的措施；對凹槽式安裝方式，通過從15°到60°每隔15°改變百葉角度，根據模擬結果確定最佳百葉角度。

2.3 對優化方案的模擬

分別對上節提出的三種優化措施建立CFD模型如圖3所示，進行優化方案的模擬。

圖3 優化方案的CFD模型

圖4為優化方案的模擬結果，各方案模擬結果取室外機排風口處縱向溫度分布、陽臺外立面縱向溫度分布和陽臺內部水平溫度分布云圖。

圖4 優化方案模擬結果

其中錯位式安裝增加了上下層陽臺內部溫度分布對比。同樣的，對各監測點位溫度進行統計以便于分析優化效果，如表2和表3所示。

表2 不同百葉角度下各監測點溫度

表3 落地式和側裝式優化后各監測點溫度

2.4 優化前后對比

比較優化前后各監測點位溫度值?？梢缘贸觯簩Π疾凼桨惭b而言，當百葉角度不斷變大時，各監測點位的溫度在不斷減小。百葉角度越小，百葉遮蔽能力越強，但冷凝風過流面積減小，冷凝風容易回流引起凹槽內熱堆積，同時引發陽臺內部溫度上升；百葉角度越大，百葉遮蔽能力越弱，冷凝風過流面積增大，有利于凹槽散熱，考慮到設置百葉的目的在于防雨擋雨，故百葉角度不能過大，所以最佳角度確定在45°。

對落地式安裝而言，采用錯位安裝，不同層數的監測點位溫度下降明顯，這主要是由于錯位安裝增大了上下層室外機間距，減弱了熱力浮升縱向累計效應，從而減弱了其對上下兩層室外機運行熱環境的影響。

對側掛式安裝而言，增加導流罩后，各層監測點位的溫度明顯減小，這是由于導流罩改變了冷凝風吹射方向，使得熱風通過陽臺外立面吹向外部，減少了陽臺內部熱積聚，改善了室外機運行熱環境。

3 結論

（1）該模擬優化針對實際建筑，針對該建筑三種不同的外機安裝方式分析了其問題所在，提出了現有條件下的改進建議，對改進后的安裝方式也進行了模擬分析，結果顯示出良好的效果。

（2）對于熱力浮升效應的影響，最主要的解決辦法是增大上下兩臺室外機的間距，減弱其縱向累積效應，本模擬采用的錯位安裝形式本質上也是如此，要研究最佳距離，需要根據機型、建筑形式等綜合考慮，本文沒有深入研究。