室外机室格栅对空调运行环境的影响

谷德军，王剑波，朴完奎，刘 杨，金梧凤

(1.天津商业大学机械工程学院，天津300134;2.中国中建设计集团有限公司天津分公司，天津300134;3.乐金电子天津电器有限公司，天津300134)

1 引言

为保证建筑有良好的外观，一般采用百叶窗隐藏空调室外机，但由于百叶窗的存在，空调夏季运行环境变得比较恶劣，作为冷凝器工作的室外机不能良好、充分地与周围环境中的冷空气换热，回风温度较环境温度高，使得室外机与环境的换热越来越困难，进而影响整体空调系统的工作效率，导致COP(Coefficient Of Performance，性能系数)值降低。同时为了获得相同的制冷效果，还会导致耗电量的增加。在某些极端场合，可能因过高的环境温度而触发压缩机的安全保护装置，造成空调设备运行的中断［1］。在不断增加的建筑能耗中，空调能耗约占55%，在整个建筑能耗中所占的比例最大。研究表明:当室外机作为冷凝器使用时，其进风温度每升高1℃，空调系统的COP会降低约3%，当进口温度超过45℃时将会严重影响空调系统的正常运行［2，3］。如何能满足建筑立面的美观要求又能确保空调效果，室外机出口的格栅起了很重要的作用，格栅的形状类型将直接影响机组的通风与换热性能。

程卓明，黄钊，马勇利用Fluent软件对空调室外机夏季运行环境进行了数值模拟研究，侧重点在不同百叶窗安装开度下的空调运行环境特性研究［4］，得出当百叶外部向下倾斜时，室外机的运行环境随百叶开度的减小而变好;与百叶外部向下倾斜相比，向上倾斜时的室外机运行环境更好。姜晓东，苏秀平用CFD技术对空调室外机性能做了相关研究，侧重点在格栅孔隙率的变化对室外机的影响［5］，用孔隙率表示格栅流通面积的大小，格栅的孔隙率定义为流通面积与格栅总面积的比值，得出增大格栅的孔隙率会改善室外机的气流组织，有利于降低盘管的进口温度，从而提高空调系统运行的经济性和可靠性。当孔隙率大于0.6时，盘管的进口截面上的平均温度低于38.3℃，最高温度低于47.4℃，从而能够满足该空调系统的可靠运行。总的来说，格栅的研究目前大多集中在格栅孔隙率、百叶倾斜方向、对空调室外机性能影响、优化吸排风速度等方面。而格栅种类及格栅不同的百叶角度对传热效果也有很大的影响，所以有必要进行这两方面的研究。

保证室外机格栅美观的同时，让室外机的热量最大限度通过格栅散发出去，解决格栅对热量散发的阻碍作用，用Fluent软件对不同种类的格栅以及格栅不同百叶角度两种情况下的场流、温度场进行了数值模拟，对模拟结果分析得出了最佳的格栅类型以及百叶角度。为设计人员设计格栅结构提供参考依据，为工程的实际应用提供理论参考和优化指导，对系统COP的升高、能耗的降低有重要意义。

2 研究对象

目前市场上格栅种类主要有，S型、flat(直板)型、岗型格栅，flat型格栅主要是考虑气流更容易顺利排出。S型格栅的设计原因大多是为了防雨，更多的是考虑美观的因素。而岗型格栅由于格栅的厚度较大，影响美观而且成本较高，现实中较少采用。因此，本文只对建筑立面常出现的S型、flat型格栅进行研究，其结构见图1。

本文就图1两种不同的格栅进行研究，分析比较格栅的散热、气流组织影响效果。同时，针对散热效果好的格栅，进行不同百叶角度对冷凝器平均温度影响的研究。

3 模拟实验

图1 多联机室外机室格栅

本文是对多联机室外机室格栅处的气流温度场模型进行了数值模拟，需要采用适当的湍流模型模拟湍流流动才能实现对研究问题的完整描述，便于进行数值求解，清楚的模拟出气流组织形式，在数学模型基础上假定一些边界条件，对其进行研究。

3.1 模拟内容

研究内容是针对两种不同种类的格栅，以及格栅百叶角度的不同，对冷凝器侧的气流进行的模拟。HVAC领域的流动问题满足连续性方程，动量方程和能量方程［6，7］，通常用不可压粘性流体流动的控制微分方程，模拟时要求采用的软件能体现出具体的气流流动方向。本文采用的CFD模拟技术［8］里的 Fluent软件，用于计算复杂几何条件下流动及传热问题，后处理模块有三维显示功能来展现流动特性，适合分析本文的湍流形式的气体数值模拟。因此，选用Fluent［9］进行模拟。

研究采用 Mini ARU0141WS的室外机，尺寸为950mm×1 380mm×330mm，侧出风，制冷量为14 000W，第一部分研究不同种类的格栅对冷凝器散热的影响效果;第二部分研究格栅不同百叶角度对冷凝器散热的影响效果。格栅间距是固定值，为100mm，格栅厚度为50mm，由于室外机室的空间有限，室外机是侧向放置，由导风罩将气流引致格栅处排向外界。

3.2 模拟方法

3.2.1 数学模型

对于本文所描述的流场采用的控制方程如下，质量守恒方程:

动量守恒方程:

紊流能量传递方程:

江小白一经面世，便打破传统白酒“厚重”的形象，提出“小聚、小饮、小时刻和小心情”，重新定义了消费场景。白酒不再只与圆桌文化、阶层文化相勾连，也可以是简单纯粹三五好友小聚小饮的小时刻，只为讨好自己的小心情。

紊流能量耗散方程:

能量守恒方程:

上式中，ui=CμρK2/ε;i=1，2，3;j=1，2，3;u 为速度，ρ为密度，μ为分子粘性系数，K为紊动能，ε为紊动能耗散率。

本文采用稳态的湍流流动进行分析，基本控制方程组由雷诺时均N－S方程，连续性方程，能量方程组成，基于有限体积的数值离散格式对方程组进行求解，湍流模型采用k－ε模型，温度场方程为:

3.2.2 边界条件

为求解上述方程，采用如下假设边界条件:忽略外界风速影响，认为周围环境无风;模拟夏季室外工况，工作温度为35℃，工作压力为101 325 Pa;室外机设定为内热源［10］，不考虑压缩机及除冷凝器之外的室外机各部件的影响，内热源定义为，Q=Q+P。其v0中，Qv为室外机排热量，Q0为制冷量，P为输入功率;冷凝器出风口采用fan边界条件，即气流经过风扇排出大气是有一个压力的升高过程;冷凝器回风面采用多孔介质的边界条件，即在冷凝器回风口处有一个压力的降低程;空气密度满足不可压理想气体定律，考虑重力的影响。

4 模拟结果与分析

应用Fluent软件对两种不同种类的格栅进行模拟，采用以上数学模型、假定的边界条件研究两方面的内容。针对MINI ARU0141WS户式多联机侧出风的形式，一方面是研究S型、flat型两种不同种类的格栅对冷凝器表面平均温度的影响;另一方面是研究格栅百叶角度的变化对冷凝器表面平均温度的影响，研究格栅内外两侧的流场和温度场。

4.1 空调格栅种类的模拟结果及分析

对空调室外机不同种类格栅的流场模拟结果如图2所示，采用S型格栅，发生了高温输出气流再次吸入现象，而且局部回流严重;采用flat型格栅，输出的气流未再吸入。对空调室外机不同种类格栅的温度场模拟结果如图3所示，对应S型格栅冷凝器的平均温度在50℃以上，而对应flat型格栅冷凝器的平均温度小于38℃。

图2 格栅两侧出风气流模式

由以上结果得知，在相同的工况环境下，空调室外机格栅采用flat型的排风流动阻力系数小，不易发生回流现象，冷凝器的温度也相对较低，能够确保空调经济运行。而S型的格栅发生排风回流现象严重，使得冷凝器的平均温度较高，使得空调负荷增加，不能保证其经济运行。

之所以出现上述结果，原因包括S型格栅自身有角度的弯曲，导致气流在进出格栅时都会受到影响，局部阻力损失较大，出风阻力较大，使室外机室的热气流不能顺利排出，甚至会引起吸排风短路现象，从而导致室外机室内的温度升高。而对于flat型格栅，在气流流经格栅时同样会有阻力损失，但局部阻力损失较小，热空气可顺利排出，使冷凝器平均温度不至于过高而影响正常运转。由以上分析得出，对于室外机室的格栅，flat型格栅的散热效果优于S型格栅。

4.2 格栅百叶角度的模拟结果及分析

对以上两种不同种类格栅的流场、温度场模拟结果得知，不同种类格栅的出风效果不同，对冷凝器的散热效果影响也不同。由上述分析可知，flat型最为理想。为了更详细的分析flat型格栅对冷凝器散热效果的影响，选用不同百叶角度的格栅进行研究，从而得出最优的百叶角度，将选取6种不同的角度进行模拟研究。

图3 热交换器表面温度分布

选取连续3层楼层作为研究对象，百叶角度分别为 0°、10°、20°、30°、40°、50°的 flat型格栅在同一室内外工况和环境下进行模拟，结果见图4。

冷凝器平均温度随格栅角度变化的模拟结果如图5所示，Flat型格栅百叶角度在小于30°时，冷凝器平均温度低于38°，变化幅度不是很大，相邻室外机气流没有发生高温再吸入现象;而百叶角度在大于30°时，发生了排风再吸入现象，导致热交换器的平均温度高于43°，室外机室外侧的环境温度放生了显著恶化，甚至会导致高温停机现象。

出风量随格栅角度变化的模拟结果如图6所示，随着格栅角度的增大，室外机出风口风量呈不断下降趋势，格栅角度为50°时的风量，相对于格栅角度为0°的情况，风量减小了10.5%。

格栅百叶角度在大于30°时，室外机出风明显向下倾斜，格栅的横向截面覆盖率变大，使出风阻力变大，对于多楼层建筑，上层室外机出风容易被下层室外机吸入，造成楼层间的热风再吸入现象，从而导致出风量减小，冷凝器平均温度急剧上升，甚至超过43°，室外机室外侧的环境温度放生了显著恶化，导致高温停机现象。

图4 格栅百叶角度的模拟图示

图5 冷凝器平均温度随格栅角度的变化情况

图6 出风量随格栅角度的变化情况

5 结语

本文采用计算流体力学软件Fluent对两种格栅作了模拟计算，分析了格栅种类及格栅百叶角度对某空调室外机的流场和温度场的影响，得出如下结论。

(1)S型格栅由于出风阻力较大，一部分出风气流无法有效排出室外机室，造成热风再吸入现象，flat型格栅的排风流动阻力系数小，不易发生回流现象，冷凝器的平均温度也相对较低，能够确保空调经济运行。

(2)由于格栅对出风气流的阻力作用，室外机风量随格栅角度的增加而逐渐减小，格栅角度为50°时的风量，相对于格栅角度为0°的情况，风量减小了10.5%。当格栅角度超过30°后，热风再吸入现象开始严重，冷凝器平均温度高于38°，并呈显著上升趋势。因此，建议采用的格栅角度在30°以下。

［1］吴兆林，高 涛，孙稚囡.高层建筑分层设置多联机室外机吸排风气流模拟及优化［J］.暖通空调，2008，38(1):7～10.

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［4］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，2009，39(1):133～35.

［5］姜晓东，苏秀平.格栅孔隙率对某空调室外机性能影响的CFD研究［J］.制冷与空调，2010(4)，25 ～29.

［6］王福军.计算流体动力学分析－CFD软件原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［7］傅德熏，马延文.计算流体力学［M］.北京:高等教育出版社，2002.

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［9］陶文铨.数值传热学［M］.西安:西安交通大学出版社，2001.

［10］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，2009，39(1):133 ～135.