基于CFD的高层建筑空调外机热环境优化研究

刘权熠

中国建筑设计研究院有限公司

近年来，随着人们对舒适性要求的提升，家用空调尤其是户式多联机得到了快速的发展。伴随着户式多联机一拖二到一拖十六等匹配居家户型以及小型办公场所系列产品的推出，加上城市楼盘户外空调外机摆放位置的标准化和统一管理，越来越多的家庭也开始选用多联机空调系统。多联机空调系统不同于简单的家用一拖一空调，除了需要考虑冷媒的合理分配以及配管长度衰减等问题外，合理布置和优化分析室外机的热环境也是保证多联机空调系统良好运行的重要条件。本文以苏州金鸡湖CBD办公区某超高层办公建筑为例，利用CFD软件，对影响空调外机排风热环境的各种因素进行分析并对分析结果进行合理优化，为类似的高层建筑空调外机布置，提供参考。

1 项目概况

该项目位于苏州金鸡湖CBD办公区，总建筑面积166796.80 m2，地下4层，地上54层，建筑高度249.90 m。地下4层为停车场，地面1-6层商业裙房，7-54层为办公楼。没有统一安装中央空调，办公楼内各租赁企业各自独立安装空调系统。

2 空调系统

项目功能为办公、商业、地下车库及配套设施，本项目仅研究办公场所即7～54层采用多联机空调系统楼层。该楼层每层空调面积约1800 m2，共分为8个单元对外出租，即每个单元设一套独立多联机空调系统。室外机统一放置在每一层的专用天台，作为机房，与该层其他办公室通过门墙隔断。每层设置一台新风机组。

3 室外机热环境优化分析

由于城市高层建筑室外追求统一的造型及市容整洁，设计中需要处理好空调系统室外机排热要求与建筑立面效果追求的矛盾[1]，本文中的项目大楼每层单独设置了天台情况稍好，很多大楼为了追求建筑立面效果，空调室外机全部集中放置在楼顶，室外机间隔小，通风换热极其不畅。

通常情况下，高层建筑的空调室外热环境通常存在以下问题：

①进出风短路，如室外机密度过高，造成进风温度升高。

②外机面板格栅面积或建筑构件遮挡，如为了追求建筑立面效果而统一设置的围墙栏杆等，影响室外机换热。

③下层室外机出风影响上层室外机散热。

本文以中间层第30层空调室外机天台为例，室外机布置图如图1，利用CFD软件对室外机是否安装排风管、外机面板格栅通透率等进行分析，为改善室外机热环境提供参考。

图1 第30层空调室外机天台布置图

3.1 室外机设置排风管分析

在实际生活中，为了节省成本起见，几乎所有的家用空调室外机都没有考虑设置排风管。但是对于大型多联机空调外机尤其是很多台外机摆放在一个天台上的实际应用场景来说，适当的排风管还是很有必要的。本文设计每台室外机的排风通过750 mm×1000 mm风管接入静压箱后排出室外，采用CFD模拟软件，对室外机有无设置排风管的天台环境温度、排风纵向温度分布进行分析得出结果如图2～3所示。

图2 有无排风管情况下的天台环境温度分布对比

图3 有无排风管情况下的室外机排风纵向温度分布对比

从图3可以看出：室外机未设置排风管时，天台地面温度较高，与之对应的地面以上环境温度也高，空调的室外机进风温度高，换热效果差，随着空调室外机的持续运行，换热效果持续变差，带来室内的制冷效果变差，影响用户舒适性。

室外机增加排风管后，天台地面及环境温度有了明显的改善，环境温度降低5 ℃左右，能够有效地改善空调室外机的换热效果。

室外机未设置排风管时，室外机纵向排风除了整体温度较高之外，纵向温度分布混乱，上下两层气流相互干扰情况非常明显；

室外机增加排风管后，室外机纵向排风整体温度降低3～5 ℃，空间温度分布更加合理，同时，室外机纵向排风有更好的气流组织，上下两层气流相互干扰明显降低。

3.2 空调外机面板格栅优化分析

多联机的空调外机，沿用了家用一拖一小机型的设计，考虑到防止落叶等杂物飘入、小孩子触碰安全等等因素，面板格栅密度大，实际有效通风率不高。而本文中的多联机空调室外机，放置在6层以上的专用天台，用门墙隔开，面板格栅密度完全不需要太高，因此，本文采用CFD模拟软件，对空调室外机面板格栅的通风透过率50%和75%的情况分别进行排风管温度分布和排风气流组织分析，如图4～5所示。

图4 室外机排风管温度分布

图5 室外机排风管气流组织分布

从图4～5可以得出：

①在空调室外机面板格栅通风透过率为50%时，排风口压力较大，排风阻力大，风向转变快。当空调室外机面板格栅通风透过率为75%时，排风口压力明显减小，排风阻力减小，从而排风较为顺畅，排风换热量增加。

②在空调室外机面板格栅通风透过率为50%时，室外机排热不畅，室外机周边环境温度较高。当空调室外机面板格栅通风透过率为75%时，室外机排热得到较大改善，室外及周边环境温度明显下降2～3 ℃。

③在空调室外机面板格栅通风透过率为50%时，室外机上下层的排风速度不一致，上下混风现象严重，导致温度不均匀，局部温度较高。而当空调室外机面板格栅通风透过率为75%时，室外机上下层的排风速度基本一致，上下混风现象基本消除。

4 结语

随着多联机空调越来越受到人们的亲睐，多联机空调的换热效果也逐渐引起人们的重视。空调室外机的换热受到环境温度、室外风环境、建筑立面效果等多种因素制约，采用传统设计方法较难进行综合判断。本文采用CFD分析软件对室外热环境进行优化设计，得出以下结论：

1）很多大楼为了追求建筑立面效果，空调室外机全部集中放置在楼顶或每一层的天台，室外机间隔小，通风换热极其不畅，严重时甚至影响空调室内制冷制热效果，因此，空调室外机增加设置排风管是非常有必要的。

2）本文CFD模拟分析结果显示，空调室外机增加排风管后，室外机周边环境温度整体下降5 ℃左右，空间温度分布更加合理，同时，室外机纵向排风有更好的气流组织，上下两层气流相互干扰明显降低。

3）本文CFD模拟分析结果显示，当空调室外机面板格栅通风透过率为75%时，排风口压力明显减小，排风阻力减小，从而排风较为顺畅，排风换热量增加，同时室外机排热得到较大改善，室外及周边环境温度明显下降2～3 ℃，室外机上下层的排风速度基本一致，上下混风现象基本消除。

因此，空调室外机增加设置排风管以及适当提高室外机面板格栅通风透过率，能较好地改善空调室外机热环境，提高换热效率，从而节能减排，提升空调室内舒适度。在以后类似的高层建筑空调外机布置中，可以借鉴。