薛覆陸,姚桂菊,黃志祥,李 麗,周孝清

(廣州大學建筑節(jié)能研究院廣東省建筑節(jié)能與應用技術重點實驗室,廣州510006)

0 引 言

變制冷劑流量 (VRV)空調系統(tǒng)目前被廣泛應用于高層住宅及辦公樓。制冷工況下,室外機換熱器依靠空氣冷凝制冷劑蒸汽,其產生的熱空氣使其工作環(huán)境溫度升高,影響冷凝效果,室外機換熱器的冷凝溫度提高1℃,系統(tǒng)的COP值降低3%,機組制冷能力下降,系統(tǒng)能耗增加。熱氣流排放到大氣中亦會改變建筑周圍大氣熱環(huán)境,形成局部地區(qū)的 “熱島效應”。

怎樣保證VRV空調系統(tǒng)良好的工作性能,降低對建筑周圍大氣的熱環(huán)境的影響,合理布置室外機位置,優(yōu)化氣流組織是重要的改善措施之一。革非、畢海泉等[10]研究安裝在多層建筑設備陽臺內室外機周圍的氣流速度和溫度分布及室外機進風溫度,分析浮升力因素對室外機散熱的影響,并給出如何合理布置的建議;陳大宏[9]等分析多層住宅建筑室外機排出的冷凝熱受浮升力作用而形成的流動模式、特性及其對上層空調設備運行的影響。Chow[2]等研究了高層建筑中安裝在凹角內的室外機散熱情況及其周圍環(huán)境溫度,考慮熱氣流浮升力影響因素,分析建筑的凹角形狀對空調設備制冷能力的影響。

對室外機布置方式的探討,研究者大多考慮熱氣流浮升力作用對室外機制冷能力的影響,即在浮升力作用下,下層的室外機釋放的熱空氣上升到上層空間,加熱上層空氣溫度,使上層室外機進口端吸入了較高溫度的空氣,為獲得相同制冷效果,需要消耗更多的電能。在某些極端場合,可能因過高的冷凝溫度而觸發(fā)壓縮機的安全保護裝置,造成空調設備運行的中斷。因此,熱氣流浮升力作用對于布置室外機尤其是對于逐層分散安裝在多層建筑的設備陽臺或是凹角內的室外機來說,是尤為重要的考慮因素。目前越來越多的高層建筑出現(xiàn),高層建筑中特有的避難層越來越多被作為室外機的安放位置,對于集中布置在建筑避難層或類似開敞空間的室外機來說,建筑的布局、環(huán)境主導風向及風速對室外機良好的散熱起著至關重要的作用,應該被列入布置方案的考慮范疇。

本文以深圳市某商住樓項目為例,應用CFD計算機數(shù)值模擬方法,結合建筑布局、環(huán)境主導風向及風速等因素分析布置在高層建筑避難層的室外機周圍的氣流流動和傳熱情況,分析并優(yōu)化室外機的布置方案,改善室外機工作環(huán)境及周圍大氣熱環(huán)境,降低空調系統(tǒng)能耗。

1 工程概況

深圳市某商住樓建筑群,包括六座辦公塔樓、一座架空商業(yè)連廊以及一座住宅樓,選取其中一棟辦公塔樓 (五號樓)作為分析對象,其建筑高度為174.9m,地上共42層,其中第16層和第30層為避難層,標高分別為63.8m和120.8m。

項目選用變制冷劑流量 (VRV)空調系統(tǒng),欲將空調室外機布置在避難層內,單臺室外機型號為16HP,室外機出風量為15000m3/h,制冷量45kW,制冷時額定功率15.9kW;按額定工況COP計算,室外機的冷凝熱是60.9kW,體積熱源為38976W/m3。室外機組合成模塊放置,將模塊均勻放置在避難層東西兩端,本文對此種布置方式稱為方案一(參照圖2)。模塊內部室外機的具體組合形式已給定并具有相應隔離措施,本文忽略熱氣流對模塊內部室外機的影響,將室外機組合成的模塊作為單元分析對象,討論在夏季制冷工況下,室外機的擺放位置對工作環(huán)境及外界大氣環(huán)境的影響。

2 數(shù)值模擬理論模型

將室外機設定為內熱源?；诳諝馕闪魈匦缘奈⒂^解析,采用平均湍流能量模型—k-ε雙方程湍流模型求解方程組[3]。由于熱浮力的作用不能忽略,采用boussinesq假設[2]?？刂品匠探M如下所示:

模型常數(shù)分別為:C1ε=1.44 C2ε=1.92 C3ε=1 Cμ=0.09 σk=1.0 σε=1.3

3 模擬及分析

3.1 方案一模擬

深圳室外計算干球溫度35℃,室外濕球溫度27.9℃,室外平均風速2.1m/s,夏季主導風向為東南風,其中7～8月多為西南風,頻率小于13%。

參照深圳市夏季氣象參數(shù)以及風玫瑰圖,確定模擬的工況為:東南風環(huán)境風速2.1m/s、西南風環(huán)境風速2.1m/s。風玫瑰圖見圖1。

圖1 深圳風玫瑰圖

3.1.1 東南風環(huán)境風速2.1m/s的條件下

室外機冷凝器排出高于環(huán)境溫度的熱空氣,如圖3右下角小圖所示,熱氣流對一～四號樓以及六號樓均無影響,但對七號樓略有影響,使七號樓周圍環(huán)境溫度升高至41℃。

避難層東側熱氣流回流到避難層內部,回流向避難層內部擴散距離6m,受此熱氣回流的影響,避難層東側進深6m范圍內的環(huán)境平均溫度43℃。西側處于背風向,室外機出風口射流明顯,氣流在東南風影響下排向樓體外部,無回流現(xiàn)象。室外機熱氣流的具體參數(shù)見表1。

表1 方案一室外機熱氣流對避難層的影響 (東南風情況)——以16F避難層為例

對于室外機來說,當進風溫度超過20℃時,制冷量隨著溫度的升高而降低,輸入功率大幅度增加。因此當進風溫度過高,增加能耗,對電動機運行產生不利影響。制冷工況下,室外機的允許進風溫度為10～43℃[11],圖2為室外機制冷量及輸入功率隨進風溫度變化的曲線圖[11]。

圖2 室外機制冷量及輸入功率歲進風溫度的變化

由圖2可知,室外機布置使室外機工作環(huán)境溫度即機組進口溫度達到43～46℃,室外機工作效率降低,甚至會使電動機保護性停機。

3.1.2 西南風環(huán)境風速2.1m/s的條件下

模擬方案一中室外機在環(huán)境風速2.1m/s的西南風情況下對熱環(huán)境的影響,避難層東側室外機排出的熱氣流很好地擴散到大氣中,基本無縱向擴散,五號樓位于建筑群東北角,室外機散熱對其他建筑無影響。

五號樓西面各標準層壁面附近有大量的熱氣流聚集,該熱氣流溫度在37.2～41℃之間,這一現(xiàn)象是因為受到六號樓室外機的散熱影響。六號樓位于五號樓的西南方向,其室外機放置在樓內三個避難層內,其標高分別為27.4m、88.2m、145.2m,三個避難層內的室外機熱氣流在西南風作用下吹向五號樓的西面,如圖3所示。

表2所示為西南風情況下室外機的相關參數(shù)。

因此,在風頻較低的西南風情況下,方案一使避難層環(huán)境溫度即機組進口溫度升高至40℃,室外機工作效率明顯降低。

表2 方案一室外機熱氣流對避難層的影響 (西南風情況)——以 16F為例

圖3 六號樓熱氣流對五號樓的影響情況(西南風情況)

3.2 分析與改進

(1)分析

根據(jù)模擬結果,東南風情況下,七號樓環(huán)境溫度升高;西南風情況下,避難層西側內部,環(huán)境溫度升高。這與五號樓的建筑布局有直接關系,五號樓位于建筑群的東北角,與位于其西邊的七號樓距離較近,直線距離約為24m,其西南方是六號樓,與五號樓對角線距離約為47m。于是,在主導風向東南風下,五號樓西側室外機產生的熱氣流會向七號樓蔓延,在風頻較低的西南風下,來自六號樓的熱流會吹向五號樓,因此,室外機應該避免安放在避難層的西側。結合環(huán)境風向、風速的作用來分析,東南風影響熱流向北部蔓延擴散,隨著風力衰減,熱流會在東北側慢慢積聚,于是東北側環(huán)境溫度較高,不利于室外機散熱效果及制冷能力,因此室外機應該避免放置在東北側。

(2)方案改進

考慮建筑布局、主導風向及風速的影響,結合避難層北側略寬于南側的梯形形狀,將室外機均勻放置在南、北兩側,其余四組機組放置在避難層東南角,形成方案二。

在東南風2.1m/s條件下,熱氣流向西北方向散去,熱氣流空氣團邊界與七號樓間距達11.2m,使得熱氣流冷卻而不影響七號樓的熱環(huán)境;避難層東南側和南側,熱氣流有部分回流,東南側環(huán)境平均溫度升高到36.2℃,南側環(huán)境平均溫度升高到38℃,北側為背風向,東南風將熱氣流吹向外界大氣,受到東南側室外機排出的熱氣流向北貼壁流動現(xiàn)象的影響,北側環(huán)境平均溫度37.8℃。室外機的具體參數(shù)如表3所示,相較于方案一,方案二的環(huán)境溫升僅達到38℃,室外機工作效率提高。

(3)方案對比

方案一中五號樓的熱氣流影響七號樓外界大氣的熱環(huán)境,六號樓的熱氣流使五號樓外界大氣的熱環(huán)境變差,方案二的布置避免了上述影響。

圖4為東南風情況下方案一與方案二的熱流流場對比圖。

兩套方案對避難層內的環(huán)境影響對比見表4。

表3 方案二室外機熱氣流對避難層的影響 (東南風情況)——以 16F為例

表4 兩套布置方案對避難層工作環(huán)境的影響(東南風2.1m/s)

圖4 方案一與方案二的對比——東南風情況

4 結論

本文討論通過合理布置室外機,設計科學合理的氣流組織,減少對建筑熱環(huán)境的影響和破壞,使室外機進行良好散熱,保證室外機良好的制冷能力。對于安裝在高層建筑避難層或類似高大開敞空間的室外機來說,欲設計合理的布置方案,要著重考慮建筑布局、環(huán)境主導風向及風速對熱氣流擴散的影響。

以本文實例來說,由上文可知,五號樓位于建筑群的東北角,與位于其西邊的七號樓直線距離約為24m,其西南方是六號樓,二者對角線距離約為47m,于是五號樓避難層西側在主導風向東南風情況下,對七號樓的熱環(huán)境產生影響,在風頻較低的西南風情況下,五號樓西側受到六號樓的熱氣流影響。為降低室外機對五號樓熱環(huán)境的影響程度,室外機避免安放在西向,而是安放在南北向。在主導風向東南風影響下,熱氣流向北側蔓延擴散,逐漸在東北側積聚,東北側環(huán)境溫度高于東南側,因此考慮風速和風向的作用后,室外機盡量避免布置在東北側。

通過模擬結果的分析,我們發(fā)現(xiàn),建筑布局的規(guī)劃設計對建筑熱環(huán)境的影響也是很大的,建筑間距要做綜合考慮,不僅僅要符合規(guī)范要求,還要考慮建筑之間間距的大小是否會使建筑的熱環(huán)境受到其他建筑的影響,如上文討論分析,五、六、七號樓間距存在問題,建筑熱環(huán)境遭到破壞,不僅建筑自身的能耗增加,而且降低室外機工作能力,引起設備能耗的增加。所以設計師在規(guī)劃建筑布局時,要考慮建筑熱環(huán)境的因素,借助數(shù)值分析手段,適當增大建筑間距,盡量避免建筑熱環(huán)境遭到破壞。

[1]邵雙全,石文星,李先庭,等.多元變頻VRV空調技術綜述[J].制冷與空調,2003,3(2):6-10

[2]T.T.Chow,Z.Lin,Q.W.Wang.Effect of building re-entrant shape on performance of air-cooled condensing units[J].Energy and Buildings,2000,32:143-152

[3]陶文銓.數(shù)值傳熱學(第二版)[M].西安:西安交通大學出版社,2001,5

[4]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1993

[5]杭寅,劉東,黃艷,等.某高層建筑空調室外機的氣流模擬及優(yōu)化 [J].建筑熱能通風空調,2006,25(3):12-16

[6]吳兆林,高濤,孫稚囡.高層建筑分層設置多聯(lián)機室外機吸排風氣流模擬及優(yōu)化 [J].暖通空調,2008,38(1):7-9

[7]王文魁,謝鳴,阮立明.空調室外機散熱對建筑物紅外特征的影響[J].節(jié)能技術,2005,23(3):244-246

[8]姜彩玲,陳江平,陳芝究,等.分體式空調室外機空氣流程特性[J].上海交通大學學報,2005,39(8):1226-1229

[9]陳大宏,錢小玉,袁國杰,等.多層住宅建筑空調室外機散熱對上層設備的影響 [J].暖通空調,2003,(3):109-112

[10]革非,畢海權,雷波,等.多層建筑變制冷劑流量空調室外機安放與其性能的數(shù)值研究[J].暖通空調,2007,(5):102-105

[11]Li-Ge Tong,Zhen Zhang,Li Wang,Shao-Wu Yin,Jiangfeng Yu andChun Liu.Numerical simulation for thermal distributionof air-conditioner outdoor units[J],2012,(21),3:269-275

(1)MITSUBISHI ELECTRIC數(shù)據(jù)手冊——變頻多聯(lián)分離式空調機,2002