分体空调室外机热环境数值模拟及运行能效测评

陈苏坤 张红 巫朝敏 石峰豪

[摘  要]：现有住宅建筑为保持外立面美观，在室外机安装凹槽结构内利用百叶封闭的现象比较普遍。利用CFD流体计算软件，对分体空调室外机在不同安装方式和不同百叶形式下的热环境进行数值模拟，并以某住宅为例，对布置在建筑凹槽中的分体空调运行能效进行测评。研究结果表明：室外机进风温度受室外机风扇与百叶间距离的影响较大，当间隔距离为50 mm时，室外机最大进风温度达到51.3 ℃。当室外机安装在建筑凹槽结构内时，百叶开度宜设置在0°～20°范围内，且方向向下，百叶间距至少为50 mm。当百叶开度为60°时，百叶间距至少为100 mm。

[关键词]：分体空调; 室外机; 运行能效; 数值模拟

TU831.7A

进入2011年，中国空调市场持续增长，分体空调得到了广泛应用。2004年我国城镇住宅空调总能耗为256亿kWh，到2008年达到400亿kWh，比2004年增长了56%[1]，因此，提高分体空调实际运行能效意义重大。分体空调运行能效受空调室外机安装环境的影响较大，有研究表明，当室外机作为冷凝器使用时，进风温度每上升1 ℃，空调系统的能效比下降3%左右，当进风温度超过45 ℃时，分体式空调将难以正常运行[2-3]。考虑到建筑外立面的美观，设计师常采用带有百叶封闭的凹槽结构作为室外机位，这使得空调室外机的散热效果受到一定程度的影响，导致空调回风温度升高，严重影响了空调制冷性能。

目前，针对分体式空调室外机的热环境问题，国内众多学者进行了模拟或实验研究。张春枝等[4]通过前期调研以及实验研究，提出适宜的室外机安装平台尺寸。单磊等[5]依据国家标准对空调器进行了测试，讨论了遮挡物对室外机性能的影响。在数值模拟研究方面，浙江大学的展圣洁[6]运用正交分析法设计模拟方案，并通过极差值比较得出影响室外机回风口平均温度的显著因素为凹槽进深。程卓明等[7]采用标准湍流模型数值模拟了4种不同百叶开度对室外机运行热环境的影响。蒋悦波等[8]运用CFD模拟研究了室外机距百叶不同距离以及不同百叶开度下分体式空调室外机周围的温度场和速度场。天津商业大学的李义奇[9]的模拟结果表明，当室外机与凹槽后墙距离增大到一定程度时，平均进风温度不再发生大的变化，并趋于稳定。此外，环境风速地增加使得室外机平均进风温度呈现先减小后增大的趋势。大连理工大学的张剑[10]探究了多臺室外机布置的方式，并通过模拟量化了多台室外机的最小间距。上述研究并未综合考虑不同室外机安装方式与百叶形式对室外机热环境的影响。

本文运用CFD数值模拟，研究在不同的分体空调室外机安装方式和百叶形式下，以室外机进、出风温度为代表的室外机热环境的变化规律，并以成都市某住宅建筑为例，对布置在建筑凹槽中的分体空调的运行能效进行实测评价，并结合相关标准规范，从提高分体空调运行能效角度出发，提出适宜的分体空调室外机安装条件，对夏热冬冷地区分体空调室外机的安装有较大的参考意义。

1 CFD数值模拟

1.1 物理模型建立

以成都地区常见的空调室外机布置建筑凹槽内，并用百叶进行封闭的典型安装方式进行数值模拟，如图1所示，室外机左侧、后侧、右侧、前侧分别距墙的距离为W1、W2、W3、W4，室外机直接放置于凹槽地面，凹槽高度900 mm;直板型百叶开度和间距分别为δ和h，百叶固定宽度50 mm。模拟的分体空调采用本项目分体热泵空调检测设备研发所用的空调，其室外机具体参数见表1。

1.2 模拟内容

该模拟计算主要分为2个部分，一是室外机距离凹槽墙体间距的不同安装方式;二是不同百叶散热形式。通过改变室外机与凹槽的安装间距以及百叶的不同开度和间距，模拟分析空调室外机的进出风温度场和速度场。凹槽墙体情况以及室外机的安装间距通过不同方向的组合进行对比分析，百叶开度为0～60°，百叶间距为50 mm或100 mm;室外机距离凹槽墙体距离固定，改变百叶开度和百叶间距的组合进行对比分析。

1.3 模拟方法

1.3.1 几何网格模型

室外机数值模拟计算的几何模型，如图2所示。为保证模拟计算区域内气流处于流动充分发展段，室外环境边界距凹槽左、右侧的长度为8 m，距凹槽前侧的长度为12 m。计算网格均为多面体非结构化网格，整个计算域网格数量共计约30万个。

1.3.2 边界条件

采用了国际上广泛使用的大型流体力学计算软件Star-CCM+，离散方法为有限容积法，紊流模型为k-ε模型，数值计算采用SIMPLE方法，自然对流模型采用Boussinesq模型，假设空气密度为1.2 kg/m3，忽略压强对流体密度的影响。室外机周围环境的数值计算区域和室外机划分采用渐变规律划分网格，其他主要边界条件：

（1）壁面边界。根据实际情况，墙体、室外机外壳、百叶均设置为壁面边界条件，假定壁面为无滑移条件，且壁面与流体无热量传递。

（2）风机边界。室外机风机采用风机边界，由于仅已知室外机空旷条件下的风量为1 750 m3/h，因此，采用试算法得到室外机风机压力与流量的特性曲线。

（3）区域界面边界。数值计算区域与大气环境相邻，且本研究建立的数值计算区域足够大，因此，区域界面的边界设置为实际的大气环境边界，其中包括环境温度和环境压力等，假定计算环境温度35 ℃，风速为0 m/s。

2 模拟结果分析

利用Star-CCM+软件模拟计算不同工况下室外机进风、回风温度和速度变化情况，当能量方程残差值达到10-6时，则认为模型达到收敛条件。模拟计算结果见表2。

2.1 不同安装方式的模拟分析

模拟工况：A1、A2、A3。从图3可以看出，当室外机左、右及前方均无遮挡的情况下，不同的室外机后侧墙距W2对室外机周围环境的温度范围为34～44 ℃，出风速度分布范围1.9～3.6 m/s。从表2可看出，W2对进风和出风的平均温度以及出风的最高温度几乎没有影响;当W2为150 mm时，进风最高温度达45.1 ℃，而当W2大于250 mm时，进风最高温度不再变化。

建筑论坛与建筑设计陈苏坤， 张红， 巫朝敏， 等： 分体空调室外机热环境数值模拟及运行能效测评模拟工况：B1、B2、B3。从图4可见，当室外机左、右无遮擋时，室外机与百叶之间距离W4增大时，室外机周围环境的温度场范围不断增大，出风速度下限值先减少后增大;从表2可以看出，W4对进风和出风的平均温度几乎没有影响;当W4增大时，出风最高温度逐渐升高，但升高幅度不大;当W4增大时，进风最高温度经历了先降低后升高的过程，这是因W4过小时，室外机通风空间过小，散热效果差，而W4过大时，又容易造成通风短路，导致室外机排出的部分气流回流至进风口处，因此，存在一个最佳的W4距离使得通风效果最优（图4）。

模拟工况：C1～C5。从图5以及表2可知，当室外机左侧墙距W1为100 mm、右侧墙距W3为200 mm、后侧墙距W22.D2工况同C2工况。

为150 mm时，室外机与百叶之间距离W4从50 mm增大至300 mm时，室外机进风和出风的温度场范围先减少后增大，而当W4增大至500 mm时，因如前所述的通风短路问题，室外机进风和出风平均温度增幅变大，进风平均温度增幅变大引起进风平均温度过高会降低室外机的散热效果，当W4为50 mm时，进风最高温度高达51.3 ℃，因此可以认为室外机与百叶之间的距离W4宜在100～300 mm之间。

对比工况C6和C2，结合图5、图6以及表2可知，当固定室外机后侧墙距W2为350 mm，室外机与百叶间距W4为100 mm，室外机右侧墙距W3为200 mm时，室外机左侧墙距W1从100 mm增大至300 mm，室外机进风和出风平均温度均降低，但降低幅度较小，且室外机出风平均速度有所升高，但升高的幅度较小。

2.2 不同百叶形式模拟分析

2.2.1 不同百叶开度δ的影响

模拟工况：D1～D4。从图7和表2可知，当室外机与凹槽墙体间距固定，百叶间距h为50 mm时，百叶开度δ从0°增大到20°时，室外机进风与出风温度变化较小，但当百叶开度δ大于20°时，室外机进风与出风温度急剧升高;当百叶开度δ从0°增大到20°时，室外机出风流线为向外的直线型，但当百叶开度δ大于20°时，室外机的出风流线形成回风短路。因此可以认为百叶开度δ宜设置在0°～20°范围内，且方向向下。

2.2.2 不同百叶间距h的影响

模拟工况：D4、D5。综合图7（d）、图8和表2可知，当室外机与凹槽墙体间距固定，百叶开度δ为60°的情况下，当室外机出风口与百叶间距从50 mm增大到100 mm时，室外机进风和出风最高温度均降低，且出风流线回风短路情况有所改善。

3 运行能效测评

经成都市某住宅现场查看，可知该建筑的分体空调室外机的安装条件包括4种：

（1）凹槽内上、下、左、右均有阻挡，凹槽高度为900 mm（如图9所示）。

（2）凹槽内上、下、右均有阻挡，凹槽高度为1 800 mm。

（3）上、下、左/右均有阻挡，凹槽高度为900 mm。

（4）上、下、左、右均无阻挡。

因第一种安装环境下的室外机周围热环境为最差工况，因此对该安装条件下的分体空调动态能效进行实测。现场测试该凹槽尺寸为长度1 430 mm，进深680 mm，高度900 mm，采用的百叶间距h=120 mm，百叶开度为0°，被测室外机离后墙的距离W2约为150 mm，左、右距W1、W2约为300 mm，距前面百叶约为230 mm。分体空调现场动态能效检测实测的结果可见表3。

从表3可知，分体空调铭牌的能效比为3.29，而动态能效实测运行能效比为2.81，为额定值的85%，运行能效较高。根据前述室外机热环境数值模拟分析，该空调器室外机的安装方式及百叶形式符合机组高效运行的技术要求，实测运行能效也是在机组高效运行范围内。

4 结束语

通过CFD数值模拟分体空调室外机在不同安装方式和百叶形式下的室外热环境，与实际工程中的分体空调运行能效进行对比分析，并结合相关标准规范，为提高分体空调的运行能效，建议夏热冬冷地区室外机采用几种安装方式：

（1）当室外机安装在建筑凹槽结构内时，室外机冷凝器进风口距障碍物的距离W1（左距）应至少为100 mm。

（2）室外机冷凝器进风口距障碍物的距离W2（后距）应至少满足各品牌的最小安装距离要求。当室外机左、右及前方均无遮挡的情况下，W2（后距）宜在最小安装距离150～250 mm之间。

（3）当室外机安装在建筑凹槽结构内时，室外机右侧距墙的距离W3应大于W1，不宜低于200 mm。

（4）当室外机安装在建筑凹槽结构内时，室外机与百叶之间的距离W4宜在100～300 mm之间。

（5）当室外机安装在建筑凹槽结构内时，百叶开度宜设置在0°～20°范围内，且方向向下，百叶间距至少为50 mm。当百叶开度为60°时，百叶间距至少为100 mm。

参考文献

[1] 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2010[M].北京：中国建筑工业出版社.

[2] 周天泰， 林章， 杨小玉. 低层住宅群空调冷凝器送风及换热的数值研究[J]. 制冷学报， 2002， 23（1）：45-48.

[3] Avara A ， Daneshgar E . Optimum placement of condensing units of split-type air-conditioners by numerical simulation[J]. Energy & Buildings， 2008， 40（7）：1268-1272.

[4] 张春枝， 喻良德， 李玉云，等. 住宅空调室外机安装平台的研究[J]. 建筑科学， 2017， 33（6）：76-81.

[5] 单磊， 黄龙， 马广玉. 室外机遮挡物对分体式空调器性能影响的试验研究[J]. 制冷与空调， 2009（2）.

[6] 展圣洁. 民用分体式空调室外机安装条件对散热影响的研究[D]. 杭州： 浙江大学， 2012.

[7] 程卓明， 黄钊， 马勇. 百叶窗开度对室外机运行环境影响分析[J]. 暖通空调， 2009（1）：133-135.

[8] 蒋悦波， 金梧凤， 刘杨， 等. 不同安装条件下空调室外机周围热环境的数值模拟[J]. 流体机械， 2013， 41（9）：66-70.

[9] 李义奇. 分体式空调室外机运行环境及热环境对其性能影响的研究[D]. 哈尔滨： 哈尔滨商业大学， 2018.

[10] 张剑. VRV空调室外机多台布置时周围热环境模拟分析[D]. 大连： 大连理工大学， 2009.