室外机安装平台对房间空调器性能的影响（一）<br/>——对室外机进风参数的影响

室外机安装平台对房间空调器性能的影响（一）
——对室外机进风参数的影响

2020-10-09于洋杨子旭石文星

家电科技 2020年5期

于洋杨子旭石文星

清华大学建筑技术科学系北京 100084

1 引言

房间空调器是一种价格便宜、质量可靠、安装使用方便，并具有行为节能特征的空气调节装置，在2012～2017年的6年间，我国的累计销售量达到9.80亿台[1]。空调器被广泛使用，已成为我国住宅建筑的主要耗能设备之一，因此，降低其运行能耗是实现建筑节能的重要任务。

室外机安装平台（简称：平台）的结构型式关系到空调器安装人员的生命安全、建筑外立面的美观性，同时还将影响室外机的进风参数。目前，建筑中采用安全性和美观性更好的百叶窗平台越来越多，由此导致的空调器性能衰减问题也愈发凸显。徐振坤等人基于大数据方法统计分析了长江流域约10万台空调器的使用习惯及运行能耗，发现制冷（热）时室外机进风温度高（低）于室外温度的现象普遍存在[2]；丁连锐基于空调器实际性能测试数据指出，不同类型平台导致的“热岛效应”程度不同[3]；李海平等通过对多联机室外机安装位置的模拟和实测分析，也发现室外机安装平台会导致排风回流，进而影响多联机的运行性能[4]。为了探明排风回流程度，蒋浩等人采用CFD模拟方法对室外机的流场进行分析，在所计算案例中，发现百叶窗导致吹出风量仅为流过冷凝器循环风量的77%[5]，即出现了近23%的排风回流，进而造成进风温度升高。为了考察排风回流对空调器性能的影响，很多学者通过数值模拟或实验方法进行研究，获得了进风温度升高（降低）对空调器制冷（热）量、制冷能效比EER（制热性能系数COP）的定量结果，但在模拟计算中采用了空调器室外机的额定风量[6-8]。Avara[9]等人在研究中发现实际安装环境会影响室外机的实际风量，因此安装平台除了会造成排风回流外，也会对室外风机的风量产生影响，而现有文献很少讨论这两个因素对空调器的综合影响问题。

基于上述背景，本文将通过对大量实际项目的调研，探明现有平台类型及其用量分布，并基于流体网络理论定量分析平台对室外机进风参数的影响，为房间、住户、某个区域甚至全国的空调器能耗预测提供必要的数据支撑。

2 安装平台类型及其特征尺寸

2.1 安装平台的类型及其分布

为了摸清我国住宅建筑中采用的室外机平台结构类型与占比，笔者在2018年1月至2019年3月期间，通过实地考察、网络实景地图统计以及设计院图纸调研三种方式，统计分析了全国15个省、市的主要城市中2232个楼盘的室外机安装平台信息，其中既有项目2107个，待建项目125个。经过聚类统计，可以将各种安装平台归纳为四大类，如图1所示。四类平台的占比分别为：百叶窗平台占63%，带栏杆的外墙挑出平台约占22%，空调罩平台占6%，三角支架平台仅占2%左右，这四类平台型式在既有建筑中占比为93%左右。

从图1中可以看出，百叶窗平台在既有项目中占比最高，也是待建项目主要选择的安装平台型式；外墙挑出平台在既有项目中的用量仅次于百叶窗平台；空调罩平台主要用于外立面美化改造工程中；三角支架平台则是老旧建筑中的主要安装平台型式。此外，图中“其他”类型是指调研样本中未统一规划室外机机位的楼盘。可见，在已有和待建项目中，绝大部分都统一设置了室外机安装平台，因此，规范平台的几何结构，对于确保人员安全施工、美化建筑外立面和空调器节能运行都具有重要意义。

2.2 安装平台的特征尺寸

安装平台对室外机通风条件的影响，主要体现在表征平台结构的特征尺寸上，如图2所示。在其合理的特征尺寸基础上，加上空调器室外机的外形尺寸（通过调研统计获得了各厂家空调器室外机外形尺寸，1hp与1.5hp空调器约为800 mm×300 mm×600 mm，2hp与3hp约为900 mm×400 mm×650 mm），即可获得安装平台的具体尺寸。

表1给出了四类平台的结构特点和相应的特征尺寸。由于百叶窗平台的结构最复杂，其特征尺寸最多（参见图2），包括室外机机体到平台内壁的距离L1～L5，还包括平台的开口率R。对于百叶窗平台，还需包括百叶间距δ和角度θ。其中，开口率R是平台中的最小进排风面面积和进排风面的总面积之比，百叶间距δ为两相邻平行百叶之间的距离，百叶角度θ是百叶叶片与水平方向的夹角。由于其他类型平台的结构更为简单，其特征尺寸数量也更少，因此，百叶窗平台可以作为所有平台的通用模型。

3 安装平台对进风参数的影响分析

安装平台对室外机进风参数的影响体现在两个方面：一是安装平台结构导致的流动阻力增加引起的风机实际风量下降；另一方面是排风回流导致的进风温度升高（或降低），其进风温升大小除与平台结构有关外，还取决于室外机排热量的大小。

图1空调器室外机安装平台在调研样本中的分布

图2 百叶窗平台的特征尺寸

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3.1 风量衰减系数与排风回流系数

下面结合图3、图4说明安装平台对室外机进风参数的影响特征。

（1）当室外机在没有任何遮挡物的理想条件下时，如图3（a）所示，流经室外换热器的风量即为风机的额定风量G0（对应图4中的A点），其室外机的进风温度tin与外温ta相同。

图3 安装平台的空气流路图

（2）当室外机安装在百叶窗等实际平台内时，参见图3（b），由于平台结构导致风机的阻力增大，风机的工作状态由图4中的额定工况点（A点）变为实际工况点（C点），风量衰减至G（＜G0）；而且因平台结构导致排风回流（回流风量为G1），故使得室外换热器与自然环境的换热风量减小至G2（G2=G-G1），导致其进风温度tin偏离室外温度ta（制冷时tin＞ta，制热时tin＜ta）。

上述现象可采用如下两个特征参数来定量描述：

（1）风量衰减系数β：平台导致的室外机风量减少G0-G（m3/h）与风机额定风量G0之比，即

（2）排风回流系数α[10]：平台导致的室外机排风回流至进风口的风量G1与室外机风机实际风量G之比，即

根据图3（b）和式（1）、（2）可知

图4 空调器室外机风扇的性能曲线

图5 室外机及其安装平台构成的流体网络

显然，在理想条件下，室外机没有风量衰减和排风回流，室外机与室外环境的换热风量为额定风量G0。当室外机安装在平台时，其有效换热风量G2仅为额定风量G0的(1-α)(1-β)倍。需要说明的是，β和α仅取决于安装平台的结构，当给定平台的特征尺寸后，则可根据实验或CFD模拟等方法获得β和α的具体数值，进而得到室外风机的实际风量G以及在给定室外温度ta和室外机排（吸）热量Qc条件下的室外换热器进风温度tin。

3.2 室外机平台风阻网络的构成

根据阻力特性S=P/G2[11]可知，室外机风扇在额定状态下（图4中A点）的风量为G0、压头为P0，其室外机自身结构的阻力曲线为S0；当将室外机放入平台内时，风扇需克服室外机自身的阻力外，还需克服进出百叶窗以及平台结构遮挡造成的阻力，如图5（a）所示，其阻力特性曲线变为S，此时风扇的风量衰减为G，风阻增大至P，即图4中的C点。根据空气流动方向，可以得到图5（b）所示的室外机和安装平台构成的空气流动网络，其阻力系数S为：

式中：

S0——包括室外换热器、网罩在内的室外机自身结构的阻力系数，单位：N·s2/m8；

S1——平台内部空气回流通道的阻力系数，单位：N·s2/m8，当没有安装平台时，S1=∞；

S2——平台进、出口的阻力系数，S2= S22+S21，单位：N·s2/m8，当没有安装平台时，S2=0。

由于S0取决于室外机结构，S1、S2仅取决于平台结构，当忽略换热器脏堵或结霜引起的附加风阻时，其流体网络的阻力系数S仅取决于平台结构的特征尺寸。因此，对于给定的室外机安装平台和室外机，其总阻抗值S是确定的，进而也决定了β和α的数值。

4 基于CFD的室外机进风参数获取方法

为了获得室外机设置在某个具体结构安装平台内的β和α数值，对图5所示的室外机及平台的流体网络系统，可以通过CFD流场模拟和风扇特性曲线获得风机的实际风量G、室外机有效换热风量G2和回流风量G1，进而获得室外机的风量衰减系数β及排风回流系数α，以及S、S1和S2。

图6给出了计算流程图。图中，风机的实际风量G为模拟结果中的风机出口风量，可从计算软件中直接读取；有效换热风量G2为百叶窗与环境交界面上的流出风量，通过CFD后处理软件并利用图中公式进行统计计算。

下面以一个百叶窗平台为例，说明通过CFD模拟获得β、α等参数的计算方法。

4.1 室外机及其安装平台的网格划分

计算例中的空调器外形尺寸、轴流风扇参数以及安装平台的特征尺寸如表2所示。根据室外机和平台结构建立其几何模型，模型的计算区域分为三个主要部分：（1）由墙体壁面、安装平台结构和室外机壳体围合的进风区域；（2）出风区域；（3）室外机内部区域，包括轴流风扇和换热器两部分。

在网格划分时，考虑到安装平台及室外机的几何结构复杂，对整个计算域采用非结构化网格划分与结构化网格相结合的方式，其中风扇区域采用非结构化网格，并在风扇、室外换热器及百叶处进行局部加密（参见图7），以反映室外机和平台区域内空气流动的真实场景。经网格无关性检验，确定计算模型中各部分采用的网格数量，如表3所示。

4.2 数学模型及其验证

4.2.1 数值计算模型

采用Fluent流场计算软件对室外机流场进行模拟计算。基于计算流体力学的原理，轴流风扇驱动下的室外机周围空气的流动可以用一组控制方程描述：连续性方程、动量方程、能量方程。针对室外机的流场特征，对其控制方程进行了如下简化：（1）考虑室外风机的转速范围，流场中空气视为不可压缩流体；（2）当室外机稳定运行时，其流动可视为定常流动；（3）忽略排风温度对流动的影响。

图6室外机进风参数计算框图

图7 室外机及其安装平台的网格划分

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图8 模拟风量与实际风量的对比

图9 百叶窗平台中室外机风量与开口率R的关系

文献[12-14]的研究表明，RNG湍流模型在轴流风扇流动模拟上有良好精度，因此，本文在模拟时采用了RNG k-ε湍流模型，并采用标准壁面函数计算近壁面流动。在计算中，对对流项和扩散项采用二阶迎风格式离散，并用SIMPLE算法处理压力和速度的耦合计算问题。计算收敛准则为项残差降至10-6且进、出口的体积流量不平衡率低于0.1%。

4.2.2 边界条件

在轴流风扇区域，采用MRF风扇模型[15]，设置为旋转区域并给定转速，轴流风扇的外部区域为静止区域，将旋转区域和静止区域的交界面设置为“交界面”，以实现数据交换。将换热器区域设置为多孔介质[16]，对于室外机壳体及安装平台结构均设置为静止壁面且满足无滑移条件；室外机风机的进、出口均为压力边界条件，其具体参数设置如表4所示。

4.2.3 模型验证

通过如下三个方面验证上述模型的合理性和计算精度。

（1）用风机性能特性曲线，验证风扇采用MRF模型的正确性。以1.5hp空调器室外机的轴流风扇（型号Z-429-119）为对象，模拟风机在6个不同静压取值工况的流场情况，采用上述方法计算风扇的风量，并与性能曲线上的工况点进行对比。6个模拟工况的风量模拟结果与性能曲线实际值相差均不超过±6%，说明该模型模拟轴流风扇在室外机常用风量范围的低压稳定工作区的流动是可靠的。

（2）计算不同容量空调器室外机的实际风量，以检验室外换热器的多孔介质模型的合理性。采用文献[13]中双排、φ9.52铜管、平翅片管换热器的阻力特性测试曲线拟合结果计算多孔介质参数（参见表4），在该参数设置下，计算多种容量空调器在裸机状态下的风量，从图8的计算结果可以看出，其风量模拟值与目前实际产品的室外机风量一致，表明用所设置的多孔介质模型参数描述室外换热器的阻力特性具有良好计算精度。

（3）计算百叶窗平台开口率变化时的室外机风量衰减系数β，并与实验室内的测量结果进行比较，以检验计算结果的合理性。将室外机设置在百叶窗平台内，并将百叶角度调成垂直状态，即θ=90°，取不同开口率R，模拟计算风机的实际风量G以及平台的风量衰减系数β、排风回流系数α。从图9的计算结果可以看出，随着开口率R的逐渐增大，室外风机的风量先逐渐减小再逐渐增大，β值从小变大再逐渐减小，而α值则逐渐减小。换言之，当百叶窗完全封死（R=0）或接近封死状态（R=0.1，0.2）时，室外机风量衰减程度很小，但几乎所有的风量都回流至换热器进风口；当百叶窗开口率很大时（R=1，即拆除正面百叶窗）时，室外机风量接近风机额定风量，且排风短路风量也很小，这与在实验室内搭建安装平台的测量结果趋势一致，因而也说明采用上述模型能够描述安装平台结构参数对室外机实际风量的影响。

4.3 结果分析

采用图6所述计算方法，以当前应用量最多的百叶窗为例，建立CFD模型，模拟分析安装平台对室外机风量及排风回流的影响。图10（a）和图10（b）给出了室外机和平台区域的速度场分布，可见，室外机风扇的出流呈一定角度扩散，且存在较多的漩涡和回流；从图10（c）中可以看出，受百叶结构的阻挡，安装平台中的部分排风未能被吹出平台而在平台内部循环，导致排风回流。

4.3.1 风量衰减系数与排风回流系数

根据模拟结果，可以统计得到室外机风机的实际流量。可见，将额定风量G0=2150 m3/h的室外机设置在百叶窗平台内，百叶窗的附加风阻导致室外机的风量G减小为1894 m3/h，其风量衰减系数β约为12%；吹出百叶窗的风量为1651.9 m3/h，占室外机总风量G的比例为87.2%，即α=12.8%。

根据实际风量可从风机特性曲线上确定对应的工作点，进而得到室外机结构的阻力系数S0=86.91 N·s2·m-8和计算例中百叶窗平台的阻力系数S=124.87 N·s2·m-8，可见，百叶窗平台的结构导致阻抗值的增加。根据风阻网络模型可知，支路风阻比值S1/S2=46.56，结合公式（4）可知，S1=2309.18 N·s2·m-8，S2=49.60 N·s2·m-8。

对于其他类型的安装平台，也可以建立相应的模型进行模拟计算，其计算结果如图11所示。从图中可以看到，各典型平台与室外机构成的风路系统的总阻抗S值存在差异，因而其风量衰减系数β及排风回流系数α也不同。百叶窗平台的阻抗值S、风量衰减系数β及排风回流系数α最大，这是由于百叶窗结构及平台内部相对狭窄、百叶窗结构对排风的阻挡作用更大所致。

4.3.2 排风回流对进风温度的影响

图10 室外机空气网络计算结果

图11 不同平台的阻力系数及α、β值对比

图12 不同排热量时室外换热器的平均进风温升

当室外换热器有散热负荷时，排风回流将导致换热器进风温度高于环境温度。图12给出了不同散热负荷时，三角支架、外墙挑出平台、空调罩平台、常规与优化百叶窗平台（平台特征尺寸参见表5）中换热器的平均进风温升情况。可以看出，常规百叶窗平台不仅导致室外机风量衰减，而且在风量衰减基础上还出现了排风回流，使其相对与室外温度出现了3～5℃的平均进风温升Δt，而其他三类平台的Δt分布在0.5～2℃，以三角支架最小。优化百叶窗平台的平均Δt在1.5～2℃之间，基本与外墙挑出平台持平。

从上述对比结果可以看出，外墙挑出平台对进风参数的影响较小，可以将其β、α数值为基准对百叶窗平台的特征尺寸进行优化，以避免其几何结构不合理导致空调器实际运行能效的严重衰减。