学生公寓阳台空调室外机运行热环境模拟与优化*

刘 雨，万中硕，谢艳萍，张雯琦

（重庆科技学院，重庆 401331）

随着人们生活需求的上升，多联机空调已在高校学生公寓建筑中得到普及。学生公寓空调外机大多安装在阳台内或侧挂于阳台内墙，阳台有限的空间容易出现热积聚，导致室外机运行热环境恶化，对机组性能产生不利影响的同时也影响了学生公寓阳台的使用体验[1-4]。本文以某学校学生公寓为例，利用CFD技术，通过对不同安装方式下的数值模拟结果进行对比分析，提出改善室外机运行热环境的优化方案。

1 模拟设定

1.1 项目概况

该建筑为高校学生公寓，共七层，层高为3.5 m，阳台长2.5 m，宽2m。室外机尺寸为0.85 m×0.55 m×0.25 m（长×高×厚），室外机的散热量为5950w（制冷量3500w，输入功率2450w），室外机现有落地式、侧挂式和凹槽+百叶式三种安装方式。

1.2 CFD模拟设定

本文采用CFD模拟软件Airpak进行室外机散热过程模拟，室外机散热过程的流体流动遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒方程[5-6]，室外机排风散热属于三维不可压缩湍流的物理过程，描述其流体流动的偏微分方程是纳维斯托克斯方程，对于湍流流动，本文采用标准的k-ε模型进行数值分析[7-8]并引入布辛涅斯克近似[9]，同时考虑重力对流体流动的影响。本文对部分边界条件进行了简化，即模拟过程空调处于夏季全负荷运行工况，忽略辐射和热传导的影响，来流边界条件认为是恒定的，设定室外温度为32.3 ℃[10]。

2 数值模拟

2.1 对现有安装方式的模拟

根据实际按钻过方案建立物理模型进如图1所示（依次为落地式、侧挂式、凹槽式）。

图1 现有安装方案的CFD模型

对现有的三种安装方式进行软件模拟，模拟结果依次取室外机排风口处纵向温度分布、阳台外立面纵向温度分布和阳台内部水平温度分布如图2所示。

图2 现有方案的模拟结果

从温度分布可以看出，在现有的三种安装方式下，室外机排出的热风一方面会对自身所处散热环境（即阳台区域）产生影响，引起该区域温度上升；另一方面在热力浮升作用的影响下不断上升，从而对上面一层室外机所处散热环境产生影响，引起其温度上升[1-4]，且该现象有纵向的累计效应，楼层越高影响越强烈。取排风口中心点处温度，进风口中心点处温度和阳台主要活动区域温度（取洗漱台0.8 m高度平均温度）反映以上两方面作用对各层室外机散热环境的影响，并计算各监测点位累计平均温升T*如表1所示。

表1 各监测点位温度逐层变化值

可以看出：三种安装方案下各监测点位温度均逐层上升，其中落地式安装方式逐层累计平均温升最高，说明热力浮升作用对该方案下室外机运行热环境的影响是主要的；由于侧挂式安装方案下室外机排风吹向阳台内，所以主要活动区域温度和进风口逐层累计平均温升最明显；对于凹槽式安装，由于凹槽起到的分隔作用，所以阳台主要活动区域的累计平均温升相比进排风口变化并不明显，但进排风口累计平均温升也较高，说明凹槽和百叶对室外机运行热环境产生了一定的影响。

2.2 提出优化方案

通过上一节的分析可以得出：对落地式安装，可以通过减弱热力浮升的纵向累计作用实现对室外机散热环境的优化；对于侧挂式安装，考虑改变排风方向以改善室外机散热环境[10-11]；而对于凹槽式安装，则着重考虑百叶的开合角度对室外机散热环境的影响[9，12]制定以下的优化方案：对落地式安装方式采取上下层错位安装的措施；对侧挂式安装方式采取增加导流罩以改变排风方向的措施；对凹槽式安装方式，通过从15°到60°每隔15°改变百叶角度，根据模拟结果确定最佳百叶角度。

2.3 对优化方案的模拟

分别对上节提出的三种优化措施建立CFD模型如图3所示，进行优化方案的模拟。

图3 优化方案的CFD模型

图4为优化方案的模拟结果，各方案模拟结果取室外机排风口处纵向温度分布、阳台外立面纵向温度分布和阳台内部水平温度分布云图。

图4 优化方案模拟结果

其中错位式安装增加了上下层阳台内部温度分布对比。同样的，对各监测点位温度进行统计以便于分析优化效果，如表2和表3所示。

表2 不同百叶角度下各监测点温度

表3 落地式和侧装式优化后各监测点温度

2.4 优化前后对比

比较优化前后各监测点位温度值。可以得出：对凹槽式安装而言，当百叶角度不断变大时，各监测点位的温度在不断减小。百叶角度越小，百叶遮蔽能力越强，但冷凝风过流面积减小，冷凝风容易回流引起凹槽内热堆积，同时引发阳台内部温度上升；百叶角度越大，百叶遮蔽能力越弱，冷凝风过流面积增大，有利于凹槽散热，考虑到设置百叶的目的在于防雨挡雨，故百叶角度不能过大，所以最佳角度确定在45°。

对落地式安装而言，采用错位安装，不同层数的监测点位温度下降明显，这主要是由于错位安装增大了上下层室外机间距，减弱了热力浮升纵向累计效应，从而减弱了其对上下两层室外机运行热环境的影响。

对侧挂式安装而言，增加导流罩后，各层监测点位的温度明显减小，这是由于导流罩改变了冷凝风吹射方向，使得热风通过阳台外立面吹向外部，减少了阳台内部热积聚，改善了室外机运行热环境。

3 结论

（1）该模拟优化针对实际建筑，针对该建筑三种不同的外机安装方式分析了其问题所在，提出了现有条件下的改进建议，对改进后的安装方式也进行了模拟分析，结果显示出良好的效果。

（2）对于热力浮升效应的影响，最主要的解决办法是增大上下两台室外机的间距，减弱其纵向累积效应，本模拟采用的错位安装形式本质上也是如此，要研究最佳距离，需要根据机型、建筑形式等综合考虑，本文没有深入研究。