橫百葉不同開度對室外機周圍熱環境的影響模擬

馮博 辛軍哲

廣州大學土木工程學院

隨著社會的發展，建筑的外觀設計也層出不窮。室外機作為家用空調不可或缺的一大部件， 為了保持住宅的整潔和美觀， 設計師往往將室外機安裝在凹槽之中， 外面加裝百葉， 這樣做雖然可以做到到建筑整體美觀的效果， 但是對室外機的換熱卻造成了很大的影響。由于凹槽和百葉的阻擋作用， 從室外機散出的熱量不能很好的擴散至環境， 從而造成熱量在凹槽里積聚， 加重了室外機的負擔。有研究表明 [1-2] ， 當室外機在夏季使用時，其進風溫度每升高1 ℃，空調系統的COP 會降低約 3%， 當進風溫度超過 45 ℃時， 將會嚴重影響室外機的正常運行。對此， 室外機在凹槽中的安裝位置， 以及百葉的傾角等因素對室外機性能的影響成為暖通領域的熱點話題， 學術界對此作了大量的研究[3-9]， 而這些研究往往都是研究室外機在凹槽中[3-8]以及有傾角的導流葉片 [8-9] 的散熱情況， 關于室外機的其他安裝方式對室外機的影響還鮮有涉及。本論文將研究一種傾角為0° 的橫百葉對室外機散熱的影響， 這種百葉不帶有傾角， 簡單容易制作， 造價也很低， 在當前的市場上并沒有統一的規格， 針對這種現象， 筆者將對不同開度的橫百葉做相關的數值模擬研究， 對實際工程中室外機的安裝以及這種百葉的制作提供參考。

1 物理模型

該室外機位于距地面兩米的高度，模 型的計算域為10m×10m×10m 的區域，室外機處于計算域水平中間位置，如圖 1 所示。室外機采用某品牌的KFR-25W，室 外機的具體參數如表 1 所示，室 外機的安裝位置如圖2所示，其中圍護結構的側面不設任何遮擋物，百 葉的形式如圖3所示。圖 2和圖3中的相關尺寸如表2所示。

表1 室外機參數

圖1 模擬計算區域

圖2 室外機安裝立體圖

圖3 室外機安裝方式

圖4 百葉形式

表2 模擬參數

2 控制方程及其計算方法

2.1 數學模型

本論文所討論的問題為三維、 穩態、 不可壓縮、 湍流的物理過程[10]， 利用流體力學理論建立該物理過程的數學模型， 并對該模型的溫度場進行求解計算， 控制方程如下：

1） 連續性方程

2） 動量方程

-ρ(')為雷諾應力，按 照Boussinesq假設：

μi為湍流粘性，按 照k-ε模 型：

Si是用來描述當流體通過冷凝器時，按照多孔介質處理方法， 在動量方程中所附加的源項：

3） 能量方程

4）k方程

5）ε方程

式中：ρ為 空氣密度，kg/m3；ui為速度張量，m /s；p為流體微元體上的壓力，P a；α是多孔介質的滲透率，m2；C2為慣性阻力系數；Fi為體積力；Si是動量方程源項；ST是能量方程的源項：μt為湍流粘性，μ是動力粘度，N·s /m2；T是溫度；Gk為產生項；k是湍動能；ε是湍動耗散率數；C1ε=1.44，C2ε=1.44，σε= 1.3，Cμ= 0.09。

2.2 邊界條件及計算方法

本模擬將地面, 室外機周圍的圍護結構及后壁面均設置為絕熱壁面， 其他計算域邊界采用廣州的夏季空調室外計算干球溫度作為環境溫度，即 34.2 ℃， 不考慮環境風速的影響， 空氣相對濕度造成的影響忽略不計。不考慮室外機外殼的傳熱， 將冷凝器設置為具有內熱源的多孔介質，風扇設置為 fan 邊界條件， 用Boussinesq 假設近似浮升力項，對壓力的離散采用PRESTO！能量方程以及動量方程采用一階迎風格式離散， 采用SIMPLE算法對壓力場和速度場耦合求解。

3 模擬結果與分析

以一種L3距離參數的溫度云圖作為示例，當室外機后面離墻體距離 L3 不變， 即保持 300mm， 風扇離百葉距離保持 200mm 不變，百葉間距分別為20/40/60mm， 模擬結果如圖5-7所示：

圖5 百葉間距為20mm

圖6 百葉間距為40mm

從模擬結果可以得出， 隨著室外機離壁面的距離增大， 當百葉間距固定一種工況不變時， 其總體趨勢是回風平均溫度逐漸減小。比如當百葉之間的間距保持為 20mm， 室外機后回風面距墻壁的距離從200mm變化至350mm時， 回風平均溫度從42.6 ℃變化至41.34℃， 下降了1.26℃。由于室外機回風面距墻體距離增大時， 室外機的回風空間增大， 再加上室外機兩側與環境之間無任何遮擋， 會有更多來自環境的新鮮空氣補充進來。但這種變化并不明顯，當百葉間距變為60mm時， 回風平均溫度隨著室外機距壁面距離的增大不會呈現出逐漸降低的趨勢， 而是在 40 ℃左右的范圍內小幅的波動， 最高平均回風溫度出現在室外機與墻體距離為 300mm 時， 為 40.36 ℃， 最低平均回風溫度出現在室外機與墻體距離為350mm，為39.06℃， 最高與最低之間相差1.3℃。 而當百葉間距保持40mm 不變時，L3從 200mm 變化至 300mm，回風平均溫度呈現出逐漸降低的趨勢，從 42.19 ℃逐漸降低至40.44 ℃， 溫度下降了 1.75 ℃， 當L3從 300mm 變化至350mm 時，回風平均溫度會由 40.44 ℃變化至了40.67 ℃， 說明當 L3 大于 300mm 時， 由 L3 的距離所引起的回風平均溫度的變化趨勢消失。由此可判斷出當百葉間距為 40mm時， 這種安裝方法L3為 300mm最為合適。由以上分析可以得出，對于圍護結構兩側通透的這種室外機安裝方法， 室外機距離墻體的間距對于回風平均溫度的影響并不明顯， 這與凹槽式安裝方法不同， 從室外機風扇吹出的熱氣流有一部分會通過百葉之間的間隙進入到環境中， 而由于百葉無傾角，不帶有導流作用， 所以會有很大一部分熱氣流碰到百葉上折回， 由于圍護結構兩側無遮擋， 這部分氣流又有一部分會擴散至環境， 只有一少部分直接進入室外機回風口， 熱量聚積現象不如凹槽式安裝方法的明顯。

圖7 百葉間距為60mm

當室外機距壁面距離不變時， 以 200mm為例， 室外機回風平均溫度隨著百葉間距的增大而逐漸減小，當百葉間距從 20mm變化至 60mm時，室外機回風平均溫度從42.6 ℃變化至 39.55℃， 下降了3.05 ℃， 相比室外機與后壁的距離對回風平均溫度的影響， 百葉間距的變化對回風平均溫度的影響更大一些。并且，隨著百葉間距的增大， 室外機的最高回風溫度逐漸相互靠近，百葉間距從40mm變化為 60mm 時最為明顯。通過分析可以得知， 隨著百葉間距的增大， 從室外機吹出的熱氣流會有更多通過百葉之間的間隙進入到環境當中， 從而保證室外機的換熱。 圖 8和圖9表示了這種變化趨勢。從兩圖可以看出，L3的距離并不是影響室外機出現熱回流的主要因素， 在制作這種百葉時， 如果不考慮其他情況， 百葉間距應當大于 40mm為宜。

圖8 室外機平均回風溫度

圖9 室外機最高回風溫度

4 多臺室外機共同工作時的相互影響

由于這種室外機的安裝方式通過圍護結構側面與外界換熱占了很大的比例， 所以當多臺室外機并排工作時可能會產生相互影響， 在此筆者對這種室外機并排工作的情況作了數值模擬， 以L3=350mm， 百葉開度為40mm的情況為例。

圖10 多臺室外機并排工作溫度云圖俯視圖

圖 10 中的白色長方形表示室外機，三臺室外機并排放置， 室外機之間的間距為 1.3m， 從溫度分布云圖可以看出室外機之間并沒有出現熱氣流相互影響的現象，其中處于最中間的室外機平均回風溫度為39.84℃， 與單臺室外機工作時的平均回風溫度相差不大， 所以使用這種安裝方法， 當有多臺室外機并排工作時， 即使室外機之間的距離比較近， 也不會出現熱氣流相互影響的現象。

5 結論

1） 對于傾角為0° 的橫百葉、 圍護結構兩側通透的室外機安裝方式， 室外機回風面與墻體的距離逐漸增大， 回風平均溫度總體變化趨勢是慢慢地減小， 但變化不夠明顯， 并且在某些百葉間距一定的情況下， 此種規律并不容易觀察， 因此對于安裝方法， 室外機回風面距墻體的距離并不是越遠越好， 而應當結合實際情況， 做到空間的合理應用。當百葉的間距為40mm時， 室外機與墻體的距離L3取為300mm時最為合適。

2） 相對于室外機距后壁之間的距離， 百葉間距對室外機散熱的影響更為顯著， 所以安裝室外機時如果安裝空間有限， 應當盡量增大百葉之間的間距， 本論文得出百葉的間距應當大于40mm為宜。

3） 雖然對于這種安裝方法， 圍護結構側面通透， 是室外機散熱的一大途徑， 但是室外機對其兩側熱環境的影響范圍很小， 所以在實際安裝室外機時可以考慮多臺室外機并排工作， 本論文采用室外機之間間距為1.3m進行數值模擬， 其相互影響可以忽略， 對于實際工程中室外機的安裝有一定的參考意義。

參考文獻

[1] 黃翔.蒸發冷卻空調理論與應用[M]. 北京: 中國建筑工業出版社,2010.

[2] 黃翔,孫鐵柱,汪超.蒸發冷卻空調技術的詮釋(1)[J].制冷與空調,2012,12(2):1-6.

[3] 金梧鳳,鄭亞飛,蔣悅波,等.建筑凹槽中室外機安裝條件對散熱影響的實驗研究[J]. 西安建筑科技大學學報(自然科學版),2015,47(2):282-286.

[4] 蔣悅波.分體式空調室外機周圍熱環境研究[D]. 天津: 天津商業大學,2013.

[5] 楊云鎧, 程予川,劉彬,等. 某商業建筑凹槽空調室外機熱環境CFD分析與優化[J].暖通空調,2016,46(4):33-35.

[6] 周德海,邵曉亮,張曉靈,等. 建筑凹槽中室外機周圍熱環境的數值模擬[J].廣州大學學報(自然科學版),2010,9(6):17-22.

[7] 張燕,金梧鳳,蔣悅波,等.凹槽內多臺室外機安裝方式的模擬研究[J].建筑熱能通風空調,2014,(2):93-97.

[8] 蔣悅波,金梧鳳,劉楊,等.不同安裝條件下空調室外機周圍熱環境的數值模擬[J].流體機械,2013,(9):66-70.

[9] 程卓明, 黃釗, 馬勇. 百葉窗開度對室外機運行環境影響分析[J]. 暖通空調,2009,39(1):133-135.

[10] 吳兆林, 高濤, 孫稚囡.高層建筑分層設置多聯機室外機吸排風氣流模擬及優化[J].暖通空調,2008,38(1):7-10.

[11] 陶文銓. 數值傳熱學[M].西安:西安交通大學出版社,2003.