风冷变频空调室外机热环境问题的研究

何德芳

摘 要：随着中央空调行业的快速发展，作为新型节能型中央空调产品——变频多联中央空调，由于其高效节能、稳定可靠、操作控制灵活、分户计量方便等优点，受到越来越多的客户青睐，在高层建筑中的应用也日趋广泛。但是在多层建筑或小型工程中也会有问题出现，对于高层建筑而言，最典型的莫过于室外机工作的热环境问题。

关键词：风冷；室外机；气流；短路

风冷热泵机组以空气作为冷热源，由于空气的比热容小以及室外侧蒸发器的传热温差小等原因，故所需风量较大，大部分厂家需1000m3/h/匹，因而环境空气应保持流畅，不受阻碍，并且排出的热风不形成回流。否则将影响热泵型机组的排热与吸热，进而降低机组效率，严重时甚至会使机组因高压或低压保护动作而停机。其中又以夏季冷凝器的高压保护问题更为严重。

空调系统的室外机在高层建筑中的放置位置一般有如下三类：建筑外侧、一侧开放的凹陷处（阳台）和采光井内。根据已经完成的数百个实际工程的模拟结果，放置在凹陷处和天井内的室外机热环境的影响因素包括许多与建筑尺寸有关而与室外机组无关的因素，例如凹陷处的深度、宽度，天井的尺寸、形状和面积等等，问题千变万化，因而不具有一般性的特点。而本研究的主要目的是寻找不同型号机组及其组合对于热环境影响的一般规律，为室外机的设计和选型提供依据，因而只考虑室外机放置在平整的外墙面的情况。对于其他不具普遍性的问题将根据个别工程的实际情况进行单独分析。

在夏季供冷情况下，摆放在下层的室外机组热气排出，热空气密度比室外机空气小，将在热压作用下上升，易被位于上层的机组进风面负压吸入，使其进风温度升高，上升的热气流对上层室外机的另外一个影响是气流的上升速度不断升高，继而在气流通过的区域形成较大的负压，由于风冷变频空调系统室外机风扇的压头相对较小，一般不超过60Pa，该上升气流产生的负压势必会影响风扇对空气的吸入，使风量降低，进一步影响冷凝器的换热效率。热气流与上层机组排出的热空气混合，逐层向上，层层叠加，如果机组层数较多，将形成较大的温度梯度，使上层温度高于下层温度，在热压作用下最终导致上层机组的工作环境温度增高，机组效率降低，严重时会导致机组频繁停机和启动，甚至设备保护停机。

现以深圳某大厦空调空调工程案例室外机气流模拟情况进行详细分析。

1 室外机摆放位置概述

本大厦共24层，为甲级写字楼，全部采用变频多联中央空调，共24层。

1.1 1层室外机位置置于建筑物北侧一层地面。

1.2 2～4层室外机放在4层东、西两侧裙楼的露台上。

1.3 7层东、西两侧室外机平台放置5、6层外机；9层东、西两侧室外机平台放置7、8层外机；11层东、西两侧室外机平台放置9、10层外机；13层东、西两侧室外机平台放置11、12层外机；15层东、西两侧室外机平台放置13、14层外机。

1.4 15层及以上室外机均放置于屋顶。

2 模拟条件

2.1 模拟对象为4～15层的西侧设备。本研究选择西侧设备作为研究对象。东侧设备的情况基本相似。4层和7层机组平面如图1所示。

2.2 7、9、11、13、15层布置在设备平台上的所有室外机均接导风管，将设备上出风引导为侧出风，排出室外。

2.3 室外计算温度33℃，无风。

2.4 室外机周围无其他热源和障碍物。

2.5 模拟假定机组连续运行并达到稳定状态。

3 模拟工具

模拟工具包含Fluent 及AIRPAK。

Fluent 是目前国际上流行的商用CFD （计算流体力学）软件，能模拟流动、传热、和化学反应等物理现象。

AIRPAK是Fluent系列中面向HVAC 领域的软件。提供的模型有强迫对流、自然对流和混合对流模型，热传导、流固耦合传热模型、热辐射模型、湍流模型。

4 模拟结果

为了表述方便，将布置在4层屋面上的室外机依次编号为1～8，将布置设备平台上的设备在垂直向由南向北依次命名为机组1～4、机组5～8，将7、9、11、13、15层设备从低层依次编号为1～5，如图1所示。

通过使用Fluent模拟软件模拟分析，机组平均进风温度曲线如下图1、图2所示：

由以上图1、图2曲线可以看出，在模拟工况下，4层裙楼屋面上的室外机，由于没有别的热源影响，摆放在外层的设备进风温度均在33℃左右（深圳空调夏季计算温度），内层的设备由于受外层设备的影响，中间两台进风温度达38度，但工况较好，基本不影响设备正常运行；设备平台上设备工况随楼层增加而进风温度逐渐增高，运行工况越来越恶劣，11层、13层部分设备接近最高运行许可温度，15层有部分设备（约3台）超出了设备最高运行许可温度，已不能正常运行。（注：机组夏季工况运行温度范围：-5℃～43℃）。

通过模拟分析，我们得到整个空间的气流参数，现截取典型截面，如下所示：

截面图中，从温度分析我们可以看出：4层设备的排风通过与空气换热，温度逐渐由50度降低至38℃左右，被7层设备进风口吸收，7层设备排出的热风又被9层吸收，由于进风温度增加，导致设备的排风温度也增加，下层的排风温度增加，又导致上层设备的进风温度不断升高，如此恶性循环，最终导致15层进风温度高达44℃，设备已超过最高允许进风温度（43℃），机组将保护停机。

从速度上分析，热风从设备排出后，速度逐渐降低，但随着排气越来越热，上升气流速度越来越大（热空气密度比普通温度空气小，会自然上升），同时导致外围的新风无法进入，像一床厚厚的被子包裹在设备外围空间，最后导致上层设备只能吸收下层设备的排风，同时排出的空气也无法及时冷却，导致上层设备进风温度也不断上升，直至达到设备最高进风温度限值（43℃），无法正常运行。

5 分析结果

从以上模拟结果来看，造成部分设备工况变差的最根本原因是：布置在4层裙楼屋顶的室外机排风被其上方设备平台上的设备吸入，发生通风短路而引起的，设备进风温度随楼层增加而逐渐增加直至超出设备运行最高允许温度。因此，避免4层裙楼屋面设备排风被平台上设备吸入是解决问题的关键。

建议使用以下办法：（1）尽量将4层裙楼屋面的室外机布置在其他离平台设备较远的位置。（2）4层屋面的室外机排风口处接导风管向外侧排风，使其排风改变方向，可以有效减小发生气流短路的情况。

6 结束语

气流短路对室外机运行将会有非常不利的影响，可能导致数百万或数千万的设备形同虚设，涉及该类大厦空调室外机通常解决的策略是：（1）增大百叶间距，尽量使用15度以下的直百叶，减小排风阻力，保证一定的排风速度，一般控制在5～7m/s，使排出的热风不被进风面吸入，尽快将废热排向自由空间；（2）加大进风空间，使新风容易进入，正常情况下，为保证进排风顺畅，一般进风速度需控制在1.5m/s左右，减小进风阻力，排风速度5.5m/s左右；（3）加大室外机之间纵向或横向距离，使排出的热风能在空气中冷却，吸入温度降低，减小对上方室外机的影响；（4）如有条件，尽量将进、排风口置于不同的建筑立面上，也就是将室外机置于建筑边角上，有两面或者三面墙可做百叶。（5）如下层有其他散发热源的设备，减小下层其他散发热源的设备（如空气源热泵等）对机组进风的影响，如有条件可将其他散发热源的设备设置导风罩等，改变其排风方向，降低对空调机组的影响。（6）如有条件，尽量将设备摆放在屋顶、避难层、裙楼顶等通风较好的位置，或者上下层设备置于不同的平台，从根源上降低发生热压效应的可能性。

参考文献

[1]郑国良.CFD技术在室内空气品质预测中的运用[D].山东科技大学，2009年.

[2]贾宝荣.空冷凝汽器空气流动传热特性的数值模拟[D].华北电力大学（北京），2009年.