建筑群风场环境下空调室外机周围热环境分析

2024-04-25李璐瑶解海卫

日用电器 2024年3期

李璐瑶张艳解海卫敖虎

（天津商业大学天津市制冷技术重点实验室天津 300133）

引言

随着城镇化进程的加快，高密度的建筑群日益增多[1]，空调设备的使用量也呈现出上涨的态势，同时，空调设备本身也面临了艰难的挑战。在炎热的夏天，这些设备通常都会同时运行，由于这些设备释放的热能使周围环境的空气温度上升，从而引起空气和热的垂直自然对流，造成上部楼层的环境温度升高[2,3]，上层空调设备因高温带导致散热效率下降，电能消耗增加。研究表明，空调冷凝器的进口温度每升高1 ℃，空调的COP降低3 %[4]。另一方面，城市建筑边界层中的梯度风场处于较为复杂的运动状态[5]，受城市建筑的阻挡，而形成各种湍流，从而出现局部扰动增大、建筑群内流场发生畸变以及空间气流出现不均匀性等异常变化，这一系列复杂的流态将会进一步影响室外机周围空气的流动状态，加剧外部风流场和室外机散热流场之间的紊乱，严重干扰室外机的运行环境和本身效能。综合热浮力和建筑群风场环境的共同影响，室外机运行的散热问题将会更加复杂。

近年来，国内外很多研究者对建筑空调室外机散热时的热环境问题进行了研究。在室外机结构布置排列方面，蒋悦波等[6]研究了不同室外机安装条件对空调运行产生的影响。K RYU等[7]模拟分析了安装在墙边顶部位置处室外机的热环境变化。C-H CHOI等[8]针对高层建筑凹槽内不同的室外机布置方式，模拟了不同风向以及无风条件下空调的COP变化和CGPI值。W JIN等[9]采用实验研究的方法，以焓差试验室平台为基础评价了室外机的安装位置和百叶窗形式对空调能耗和能效比的影响。在外部环境方面，P DOIPHODE等[10]利用CFD模拟方法对1台空调室外机进行了相关的热环境研究，指出外界风速的增加会导致进风温度升高，系统性能下降。L TONG等[11]研究了侧方来流风条件下不同安装距离对室外机运行时的热环境影响。张卓等[12]研究了不同环境风速下空调室外机散热的热环境，分析了侧面和正前方风向下室外机的运行散热情况。胡军等[13]对不同风速条件下的空调室外机的运行状况进行了研究，分析了风速对室外机吹风距离的影响。

上述关于室外机运行热环境的研究主要以单体建筑为研究对象，集中于单体建筑附近较小的空间尺度和湍流尺度内分析室外机散热问题，忽视了整个建筑群风的运动特性和轨迹，从而使研究结果具有一定的局限性。现实来说，在实际的建筑群中，由于建筑对来流风的遮挡和聚集作用，使得建筑群内风场环境与单体建筑存在明显差异，使得不同建筑位置处室外机的热环境产生一定差异。因此借助CFD软件模拟了建筑群周围的风场环境对空调室外机散热的影响，为室外机安装布置提供一定的参考。

1 数值模型

1.1 物理模型

本文研究的建筑群由6栋呈行列式布置的建筑组合而成，每层楼高3 m，总高度为H=30 m。在中间两栋建筑逐层布置室外机，每层布置3台，均位于建筑立面的凹槽中，如图1（a）（b）所示，模拟区域的范围采用J M HERBERT等[14]提出的经典建构模型方案来确定，即来流入口边界距离建筑群为2 H，出流考虑到流场的充分发展，计算域出口边界距建筑物的距离为5 H，计算域左右两侧距建筑群的距离均为L/2，计算域顶部边界到底部边界总高度为4 H。室外机所在的凹槽宽1 m，进深为2 m，室外机后侧和左侧距离壁面0.2 m，具体的出风方式如图1（c）所示。

图1 建筑群及室外机布置图

1.2 数学模型

模型假设：忽略太阳辐射、地面反射以及传热的影响。假设外墙平坦绝热，忽略外墙窗户对空气流动的影响[15]，空调室外机全负荷稳态运行，周围无干扰气流。

假设建筑群内空气流动属于不可压缩三维稳态湍流，湍流模型采用Realizable模型，对应的控制方程由连续性方程、动量方程、能量方程、k-ε方程组成，用Boussinesq[16]假设模拟温差产生的浮升力对室外机周围空气流动的影响。

连续性方程:

动量方程：

能量方程：

K方程：

ε方程：

式中：

ρ—空气密度，kg/m³；

u—速度矢量，m/s；

μ—动力粘度，N·S/m³；

h—焓；

K—湍动能；

ε—湍动耗散率；

μt—湍流粘性。

采用FLUENT软件进行计算，模拟中采用压力-速度耦合的SIMPLE算法，压力项的离散采用PRESTO格式。将室外机设置成值为56 385 W/m³的体积热源，室外机出风风扇采用fan边界条件，用压力跃升值与流动方向来定义室外机风扇模型，其中压力跃升值设为48 Pa，用多孔介质模拟室外机内部的换热盘管，多孔介质模型的参数设置[17]如表1所示。

表1 多孔介质参数设置

建筑外墙、地面、室外机外壳均采用光滑无滑移边界条件，计算域顶部和四周设为对称边界条件，出口设置压力出口边界条件，当室外风速大于0时，入口采用速度入口边界条件，速度随高度的分布采用指数律来模拟，如下所示，

式中：

Z—高度；

U0—10m处的风速；

α—地面粗糙度指数，取0.22[18]。

为研究处于建筑群风场环境下室外机的散热情况，本文模拟了正面吹风和后面吹风风向下的建筑群风场，具体模拟工况如表2所示。

表2 模拟工况设定

2 正面风向下的结果分析

2.1 不同风速下的散热差异

图2所示为工况1-3条件下，即正面风向下风速为1 m/s、2 m/s、3 m/s时A、B栋建筑各个楼层和位置处室外机的进风温度变化曲线图。根据图2（a）（b）（c）来看，风速越高越不利于室外机的散热。这是由于来流风速较大时，流场中的气流分布更加不均匀，气流分布的差异度较大，给室外机运行的热环境带来一定压力，使得室外机本身的运行性能受外界干扰明显。依据图3不同风速条件下室外机运行的热环境来看，随着风速的增大，室外机的散热范围变小，温度叠加程度加重，这是由于室外机出风的方向与来流风的方向相反，室外机的出风气流、进风流量受到外部风速的限制，处于不平衡的发展状态，使得室外机释放的相当一部分热量回灌，加剧了循环热气流的发展，导致温度升高，效率下降。

图2 室外机进风温度变化图

图3 不同风速下建筑群2单元处室外机运行的热环境

2.2 随楼层高度的散热差异

根据图2来看，从建筑A处的室外机的进风温度随楼层高度的变化趋势来看，整体上呈现“上升-下降-上升”的变化，依据图4来看，这是由于在风的作用下，建筑底层出现循环涡流，加剧了建筑高度三分之一附近的气流扰动，将4～7楼层室外机释放的部分热气流带到了1～3层，因此1～3层呈现上升趋势，温度相对来说较高。在4～7层出现较低的温度则是由于在来流风的作用下迎风点的产生，在上升气流和热浮力的共同影响下，带走了4～7层室外机释放的部分热量，因此温度相对较低，且4～7层室外机释放的部分热量在在上升气流的作用下不断向上层积聚，导致8～10层温度较高。

图4 纵剖面速度矢量图

从建筑B处的室外机的进风温度随楼层高度的变化趋势来看，整体上呈现“上升-下降”的变化趋势，1～8层左右室外机进风温度逐层上升，但在9～10层左右时，温度突然开始下降，如图4所示，1～8层室外机进风温度升高是由于在热浮力和两楼层间涡流的双重加持下，将下楼层热气流逐渐汇聚到8层，使之出现最大值；而9～10层室外机进风温度的下降是由于在建筑顶层涡流团的循环流动过程中产生了向下的冲击气流，将9～10层室外机释放的部分热量带到下层，加入到新的涡流循环，另外则是受来流环境风的影响，使室外机释放的相当一部分热量散失掉，因此温度下降。

2.3 不同单元位置处的散热差异

图5为不同风速下各单元室外机进风温度平均值的变化曲线图，从图中来看，A、B栋2单元布置的室外机的进风温度总体上要高于1、3单元处室外机的进风温度。依据图6来看，主要由于建筑上风向气流在运动过程中遇到封闭界面的遮挡后向两边分流，建筑群表面的热羽流特性增强，热气流通过向上运动且在中间汇集，热量积聚，散热范围受到限制，使得气流流动性和外部环境的运行条件较差，因此2单元处室外机的进风温度较高；另外A栋建筑的东西两侧在来流风的作用下，形成了相当程度的绕流，带走了1、3单元处室外机释放的相当一部分热量，而B栋建筑两侧则受建筑“街谷风”的影响，热量跟随风场气流流动方向继续向前运动，在此过程中相当部分热量也被释放掉，因此1、3单元温度相对较低。

图5 不同单元位置处室外机的进风温度平均值变化

图6 横剖面速度矢量图

2.4 迎风建筑与下风向建筑对比

对比A、B栋建筑布置的室外机的进风温度的差异，依据图2和图5综合来看，下风向建筑B处布置的室外机运行时整体的进风温度较高，而迎风建筑A处室外机运行时的整体温度相对较低。依据图6来看，A栋建筑位于迎风面，其中相当一部分热量在来流风的作用下被带到B栋范围，加剧了B栋建筑周围热空气的再循环。另外建筑B处位于来流风向的下风向，由于建筑A处的遮挡，造成相当程度的负压，气流的流动性变差，且B栋建筑受到复杂涡流团的影响，周围运行的热环境变差，热流循环加剧，气流呈现紊乱性发展，同时又伴随热浮力的影响，两者因素的叠加加剧了室外机运行热环境的恶化，从而降低了室外机的运行效能。

3 后面风向下的结果分析

3.1 随楼层高度的散热差异

图7所示为工况4条件下，即后面来流风下A、B栋建筑处室外机在各个楼层和位置处的进风温度变化曲线图。从图7（a）（b）来看，后面来风时，A、B栋建筑各处室外机运行时的进风温度都呈现出逐层升高的变化。图8为后面风向下室外机运行时的热环境，从图中来看，在热浮力的主导作用下，凹槽内部的热量大量积聚，热量贴附壁面流动，恶性热循环效应加强，出风散热范围大大减少。并且下层室外机释放的冷凝热对上层产生较大影响，使得上层室外机的动力系统对下层室外机释放热量的吸入效应增强，长时间运行情况下，不仅导致上层室外机的运行效能大大降低，而且会加剧其“热岛效应”。

图7 后面风向下室外机进风温度变化图

图8 后面风向下室外机运行的热环境

3.2 不同单元位置处的散热差异

图9为后面风向条件下各单元室外机进风温度平均值的变化曲线图，从图中来看，建筑A、B栋2单元布置的室外机的进风温度总体上同样也要高于1、3单元处室外机的进风温度。这是由于室外机同处于来流风的背风向，建筑1、3单元受到建筑中间“街谷风”的影响明显，将室外机释放的相当部分热量带走，而2单元位置处于负压闭合循环气流区，受来流环境风气流影响小，热量不易散失。

图9 后面风向下各单元室外机的进风温度平均值变化图

3.3 迎风建筑与下风向建筑对比

依据图9来看，建筑A处布置的室外机运行时的进风温度较高，运行效率要低于建筑B处室外机的运行效率。在来流风的影响下，建筑A、B处的室外机同时处于建筑的背风面位置，但建筑A位于下风向建筑处的背风面，此时的气流密度和风量减弱，空气的热羽流效应增强，散热空间相对来说较为封闭，热气流的上升汇集速度加快，此时气流流动方向呈现单一性，热气流叠加效应较强，凹槽内部热量堆积严重，加剧了各层室外机之间的热影响，使得外部运行热环境恶劣，造成室外机散热不及时，效能降低。