建筑外墙分体式空调安装平台的调研及实验分析

2021-07-05张龙郑振

制冷技术 2021年2期

张龙，郑振

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

0 引言

目前，住宅建筑中分体式外机由于安装便捷、高效节能等优势，仍被视为具有应用前景的空调及采暖形式[1-3]。为应对日益增长的建筑能耗需求，逐步实现碳达峰目标，国家和行业出台了相应的空调能效及居住建筑节能强制标准，以逐次20%～30%的节能目标推进节能成果的落实[4-5]。而分体式空调外机对平台散热效果的要求往往与建筑外墙立面视觉上连续美观的需求相冲突，分体式外机经常被安装在凹槽中或被格栅包围，实际运行能效下降。

由于室外机安装平台对空调运行有重要影响，国内外学者对其展开了相关研究。徐振坤等[6]指出空调进风温度大于室外空气温度的情况大量存在，平台影响散热的情况较为普遍。刘万龙等[7]针对排风百叶对空调运行性能的影响进行研究，指出通过百叶排出的空气仅77%，即有23%的空气出现回流。张春枝等[8]采用仿真软件对排风百叶对空调性能进行研究，指出空调与百叶间的距离不应低于80 mm，角度应介于-20°～0°。文献[9-10]指出空调能效受凹槽平台排风百叶、机组与墙间距等因素的影响。于洋等[11]建立平台上空调运行的数值模型，指出风量衰减系数β和排风回流系数α是影响空调性能的关键参数。由于平台空间、密封情况等因素叠加出现后的影响仍需探明。

本文基于全国空调分体式外机安装平台的调研数据，按数据分析规律模拟实际安装情况进行了测试，对空调在不同室外机平台尺寸、格栅角度、墙体封闭时的能效衰减幅度进行了评估，为建筑外墙空调平台的设计安装提供了数据及实验支撑。

1 分体室外机安装平台调研

收集空调行业用户售后数据，发现关于空调安装平台有以下典型问题：1）室外机平台的安装空间过小，外机无法正常安装；2）部分安装在狭窄、封闭平台的空调运行中频繁保护停机，无法连续可靠运行；3）与正常安装的外机相比，安装在小平台的空调器能耗极大，实际运行能耗较大。

基于以上售后数据，企业对全国范围内的主要城市住宅建筑展开调研，对住宅建筑的空调外机安装平台及尺寸数据进行分析得到如下结论。

1.1 室外机平台尺寸现状

经全国359组数据统计得到的安装平台尺寸分布如图1所示。

图1 外机平台尺寸的分布箱线图

外机安装平台尺寸中位数为 1,000 mm×800 mm×500 mm（内宽×内高×内深），对应冷量2.6 kW空调外机的尺寸为760 mm×540 mm×260 mm（宽×高×深）。由于空调的进风量等于排风量，而排风风速远高于进风风速，行业中一般要求进风的面积须为排风面积的4倍以上。统计中的平台尺寸中位数的进风面积为排风面积的0.95倍，预留的空间对于最小的空调外机运行来说较为恶劣。

1.2 室外机平台密封现状

对空调安装平台的密封情况进行调研的结果见表1，空调前侧密封形式主要是格栅，两侧密封形式是格栅或墙体。空调外机对散热的要求较高，即室外机排气流场保持通畅。如前侧百叶窗在水平角度的倾斜率大、格栅孔隙率低，排风冲击百叶时将改变气流方向，大量排气出现回流短路[12-13]。

表1 安装平台的密封情况

1.2 室外机平台与房间面积的相关性

图2所示为空调房间面积与室外机安装平台的相关性调研，同时对空调对应的房间面积进行了收集，统计中含空调房间面积的一共有165组，房间面积与外机平台面积的相关系数仅为0.037，室外机安装平台面积与房间面积相关性较差，给空调选型带来了困难。另外调研中显现的平台尺寸过小、空调室外机另选位置加装空调支架没有安装在建筑预留平台上的情况，也影响建筑外立面美观性。

图2 空调房间面积与室外机安装平台的相关性

通常按照房间的面积确定冷量需求后，空调外机的尺寸和质量也能对应。为避免空调安装平台尺寸过小、过大造成的耗能及浪费。室外机平台面积和承重水平可以预先参照房间面积对照标准进行设计[14]，通过制定标准对空调室外机壳体及外机平台尺寸进行规范可为开发商及用户提供选型指导。

2 分体式外机安装位置对空调性能影响的测试

2.1 测试平台的建立

为模拟实际安装平台空间尺寸对空调外机运行的影响，本次测试制作了5组实验平台，并在焓差实验室进行了测试。图3所示为测试平台与被测样机的安装间隙。安装台从小到大尺寸间隙依次增加100 mm，测试台及外机尺寸见表2。

图3 测试平台与被测样机的安装间隙

表2 模拟安装台的测试平台尺寸（单位：mm）

表中5#平台刚好足够室外机安装，为最恶劣的平台尺寸；4#平台与平台尺寸接近统计数据中位数，是实际较为常见的平台尺寸；2#、3#平台与统计数据的上四分位数接近，是实际较好的平台尺寸；1#平台则可视为与平台尺寸统计数据最大值接近的情况，是实际较宽松平台尺寸。

对于室外机安装平台有两个关键回风尺寸，影响空调的回风风量及受百叶阻挡后的空调吸排气短路率：1）在空调左、右侧非密封的情况下，关键回风面积主要受空调后部间隙尺寸c对回风量的影响；2）在左、右侧为格栅或墙体、前侧格栅的情况下，关键回风面积主要受空调正面出、回风间隙对及格栅吸排气短路率的影响。

从1号到6号吸排气流通最佳状态逐渐趋向恶劣，回风密封性将影响空调的冷凝温度[15-16]，选取表1中安装情况占比较大（98.6%）的1号～5号情况进行测试，百叶格栅使用常用55°防雨百叶。

2.2 测试平台实验结果

按照房间空调器[17]中的名义工况室外工况（干球温度/湿球温度）为35 ℃/24 ℃，室内工况（干球温度/湿球温度）为27 ℃/19 ℃下在焓差室中进行测试，监控环境温度稳定后的制冷量、功率和能效比（Energy Efficiency Ratio，EER）等衰减因素得到空调机性能变化的测试数据进行分析。

图4测试是在左右、前全通风的情况下进行，以模拟开放式安装平台。由于吸气仅受关键回风面积Ai,1影响，回风温度稳定在36 ℃左右，空调的性能及能效基本无衰减。仅需保证外机背面与墙面的距离，将关键回风面积Ai,1控制在合理的范围内。

图4 左右和前侧全通风的状态下的性能数据

图5测试是在全通风的基础上将外机左右两侧变更为墙面，以模拟不带格栅的凹槽安装平台。空调的吸排气共用正面空气流通面积，因此在空间较小的情况下空调的回气风量和温度将受到关键回风面积Ai,2/A0的影响。从5#平台扩大到4#平台，关键尺寸Ai,2/A0提升到3.93后。吸气温度已降低到37 ℃，空调制冷量和功率衰减在3%以内，EER衰减率在6%以内，性能恢复正常水平。

图5 左右封闭和前全通风状态下的性能数据

图6测试在全通风的基础上将左右、前变更为格栅的情况下进行，以模拟四周为格栅的安装平台。这种情况下吸排气共用的流通面积减少，但排气受格栅的影响，部分气流冲击格栅后滞留在平台内部影响空调吸气。随着台尺寸提升，性能衰减率仍保持在10%以上，功率增加率保持在14%以上，EER衰减率保持在21%以上。

图6 左右格栅和前格栅状态下的性能数据

图7测试在左右密封、前通风的基础上增加前侧格栅进行，以模拟带格栅的凹槽安装平台。与图4的测试数据对比，5#平台的室外机回风温度提升近20 ℃，运行期间出现了保护停机，严重影响空调运行。平台尺寸需要达到2#平台空调才保持稳定运行。随平台尺寸提升，性能衰减率仍保持在15%以上，功率增加率保持在22%以上，EER衰减率保持在30%以上。

图7 左右密封和前格栅不同状态下的性能数据

综合上述实验结果，如图8所示，安装密封情况顺序从全通风、凹槽不带格栅、三面格栅、凹槽带格栅，空调EER衰减率依次增大。结合建筑外墙实际情况，室外机安装平台应择优选取靠前的密封情况以保证空调的正常运行。

图8 各安装尺寸和密封情况的能效比衰减情况

3 规范室外平台尺寸及承重的建议

除了提升空调运行性能，在平台位置、尺寸、承重上进行规范，可在安装时给安装维护人员提供安全的操作空间，在使用期也给空调维护、清洗提供便利。施骏业等[18]指出，空调放置在大气环境中五个月后，颗粒污染物对配置翅片管换热器及微通道换热器能效比衰减分别为7.8%及43.1%。提供维护和清洗的平台空间和承重能力，对空调进行年度清洗维护可提升空调的实际使用能效[19-20]和使用寿命。

以上调研和实验结果显示平台尺寸和承重能力对空调生命周期中的能效有较大影响，规范平台尺寸可以在设计、安装、维护和清洗多方面推进建筑节能减排成果的落实。