雷婭蓉

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)居住環(huán)境的舒適性要求越來(lái)越高。多聯(lián)機(jī)空調(diào)具有安裝靈活、方便等優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用。在空調(diào)運(yùn)行過(guò)程中，如果運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使空調(diào)中的電子元件溫度升高，甚至?xí)?dǎo)致電子元件失效，所以，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)散熱風(fēng)道進(jìn)行分析研究具有重要意義。文章基于Fluent軟件，對(duì)變頻多聯(lián)機(jī)空調(diào)散熱情況進(jìn)行了整機(jī)建模分析，并對(duì)各個(gè)散熱片、出風(fēng)口的流場(chǎng)進(jìn)行了分析，確定出了最佳的排風(fēng)速度和排風(fēng)角度，可供參考。

關(guān)鍵詞：Fluent軟件；變頻多聯(lián)機(jī)；模擬軟件

中圖分類(lèi)號(hào)：TB657.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）24-0151-02

Abstract： With the continuous development of social economy， people have higher and higher requirements for the comfort of the living environment. Multi-on-line air conditioning has been widely used in building engineering because of its flexible and convenient installation. In the process of air conditioning operation， if the operation time is too long， the temperature of electronic components in air conditioning will rise， even lead to electronic components failure， so it is of great significance to analyze the cooling duct of air conditioning system. Based on Fluent software， the heat dissipation of variable-frequency multi-online air conditioning is modeled and analyzed in this paper， and the flow field of each heat sink and outlet is analyzed， and the optimum exhaust velocity and exhaust angle are determined， which can be used as a reference.

Keywords： Fluent software； variable frequency multi-line； simulation software

1 工程概況

某項(xiàng)目位于廣州市南沙區(qū)，E、F組團(tuán)為工業(yè)化住宅，由8棟高層建筑組成，建筑面積為103281m2。為了保證建筑有良好的外觀，一般采用百葉隱藏空調(diào)室外機(jī)，但由于百葉窗的存在以及空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行散熱，使周?chē)h(huán)境的空氣溫度上升，導(dǎo)致空調(diào)夏季運(yùn)行環(huán)境變得很惡劣，這是由于回風(fēng)溫度較環(huán)境溫度高，使室外機(jī)與環(huán)境的換熱越來(lái)越困難，同時(shí)可能造成冷凝器因高溫保護(hù)而停機(jī)，導(dǎo)致空調(diào)性能降低，消耗更多的電能。因此，重視上升熱及空氣流動(dòng)現(xiàn)象，并且在住宅設(shè)計(jì)中采取合理布局，減小其最不利的影響，將有利于減少能源的能耗，因此，需要采用模擬軟件分析空調(diào)系統(tǒng)中空氣流動(dòng)情況和上升情況。

2 模擬軟件的選擇

當(dāng)前，在對(duì)建筑舒適性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)時(shí)，主要采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)量?jī)煞N方法進(jìn)行分析。其中試驗(yàn)測(cè)量測(cè)量費(fèi)用較高、試驗(yàn)周期長(zhǎng)，不適用于設(shè)計(jì)階段方案的分析。數(shù)值模擬式在計(jì)算流體力學(xué)（CFD）基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)傳熱學(xué)方程組和求解流體力學(xué)，然后利用計(jì)算機(jī)圖形將空間流場(chǎng)的溫度、風(fēng)速等物理參數(shù)直觀地描述出來(lái)。具有易于模擬、模擬周期短、模擬成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此，本項(xiàng)目采用CFD三維仿真軟件Fluent對(duì)目標(biāo)建筑進(jìn)行中庭熱壓自然通風(fēng)模擬分析。采用Fluent可以對(duì)從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)進(jìn)行模擬，具有良好的求解速度和收斂速度，是當(dāng)前一個(gè)非常權(quán)威的商用CFD軟件[1]。

3 Fluent軟件的特點(diǎn)

Fluent軟件是在CFD計(jì)算機(jī)軟件群的基礎(chǔ)上通過(guò)運(yùn)用合適的數(shù)值解法來(lái)保證精度、穩(wěn)定性和計(jì)算速度達(dá)到最佳。Fluent軟件主要由三大模塊構(gòu)成，分別為前處理模塊、求解器模塊和后處理模塊。在采用Fluent軟件對(duì)三維流動(dòng)進(jìn)行分析時(shí)可以生成三角柱、六面體等網(wǎng)格，在對(duì)二位流動(dòng)進(jìn)行分析時(shí)，可以生成矩形網(wǎng)絡(luò)、三角形等。根據(jù)具體的計(jì)算，還可以生產(chǎn)混合網(wǎng)絡(luò)，并且具有自適應(yīng)功能，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的粗化或細(xì)分。其中納維-斯托克斯方程式Fluent軟件的核心求解模塊。通過(guò)使用有限體積離散方程進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算的穩(wěn)定性和精確度都優(yōu)于常規(guī)編程采用的有限差分法。其優(yōu)點(diǎn)有下述幾個(gè)方面：

（1）Fluent軟件中物理模型比較先進(jìn)，可以讓使用者準(zhǔn)確地將湍流、層流、無(wú)粘流等模擬出來(lái)，此外，使用者還可以根據(jù)需要針對(duì)性地定制湍流模型。

（2）Fluent軟件在進(jìn)行分析時(shí)，使用完全非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)有限元體積法進(jìn)行分析，并且具有網(wǎng)格單元和網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的梯度算法。

（3）Fluent軟件具有非常廣泛的適用范圍，包括各類(lèi)輻射模型、離散相變模型、相變模型、多相流模型、反應(yīng)流模型等，針對(duì)各類(lèi)不同物理問(wèn)題可以有對(duì)應(yīng)的數(shù)值解法，用戶(hù)可以自行選擇隱式差分格式或顯式差分格式，可以更好地保證計(jì)算穩(wěn)定性、計(jì)算速度、計(jì)算精確度。

4 模型構(gòu)建

CFD方法是針對(duì)流體流動(dòng)的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒建立數(shù)學(xué)控制方程，此次分析時(shí)，將討論的問(wèn)題簡(jiǎn)化為三維、不可壓縮、穩(wěn)態(tài)、湍流的物理模型。本項(xiàng)研究中采用k-標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，該模型已經(jīng)得到了大量工程應(yīng)用的驗(yàn)證，可靠性高。在自然對(duì)流中，浮升力起主導(dǎo)作用，且空氣密度對(duì)壓強(qiáng)的影響微小，可忽略不計(jì)，所以動(dòng)量方程中密度的變化采用Boussinesq假設(shè)處理，即輸入一個(gè)空氣的膨脹系數(shù)，近似認(rèn)為密度的變化與溫度的變化成線性關(guān)系，滿(mǎn)足式（1）。

該工程模擬計(jì)算模型如圖1所示。本項(xiàng)目為高層住宅建筑，為了保證建筑美觀，在建筑外立面設(shè)置凹槽結(jié)構(gòu)，將室外機(jī)安裝在凹槽內(nèi)，并在凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置向上45°的開(kāi)口百葉窗。計(jì)算邊界條件如下：

（1）室外計(jì)算條件

最不利靜風(fēng)影響，室外計(jì)算溫度按廣東地區(qū)空調(diào)室外計(jì)算溫度35℃計(jì)算。

（2）空調(diào)機(jī)室外參數(shù)

由于一般住宅空調(diào)系統(tǒng)為分體空調(diào)系統(tǒng)，本項(xiàng)目選取具有代表意義的制冷量為5300W的室外機(jī)，室外機(jī)實(shí)際風(fēng)量2800m3/h。風(fēng)機(jī)采取背面及側(cè)面回風(fēng)，前面排風(fēng)的散熱方式。室外機(jī)尺寸：800×300×750mm（長(zhǎng)×寬×高）。

（3）模擬邊界設(shè)置

室外機(jī)設(shè)置為內(nèi)熱源，冷凝風(fēng)扇采用模擬軟件中的fan邊界，回風(fēng)冷凝面采用多孔介質(zhì)邊界，保證模擬過(guò)程中壓降與實(shí)際一致。

5 模擬結(jié)果分析

在對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，設(shè)計(jì)模擬選取E5棟中間3層樓層分析室外機(jī)散熱情況進(jìn)行分析。

通過(guò)分析后發(fā)現(xiàn)，縱向空氣的容重較小，在空氣浮力的作用下不斷上升，導(dǎo)致室外機(jī)回風(fēng)溫度會(huì)有升高，由于大部分空調(diào)室外機(jī)的運(yùn)行溫度為-20℃～46℃，超過(guò)該溫度會(huì)引起室外機(jī)過(guò)熱保護(hù)，自動(dòng)停機(jī)。因此，控制室外機(jī)運(yùn)行溫度將是保證空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

由模擬結(jié)果可知，3層樓層回風(fēng)溫度由下至上分別為36.9℃、37.8℃、38.6℃，溫度均升高了1.7℃。根據(jù)模擬溫度場(chǎng)分布趨勢(shì)，隨著高度的增高，高層建筑室外機(jī)室外運(yùn)行環(huán)境溫度會(huì)逐漸升高。

本次分析主要考慮靜風(fēng)條件下的室外機(jī)散熱，實(shí)際情況下，室外機(jī)處于部分負(fù)荷工況，同時(shí)上升的熱空氣部分會(huì)被室外風(fēng)帶走，熱量減少，溫升將<1.7℃；而凹槽內(nèi)溫度分布平均為37.4℃，在室外機(jī)運(yùn)行環(huán)境溫度允許的合理范圍內(nèi)[2]。

根據(jù)上述分析結(jié)果，將排風(fēng)口風(fēng)速控制在4m/s左右，排風(fēng)口采用向上45°百葉時(shí)，熱空氣向上排出，帶走凹槽內(nèi)熱量，使室外機(jī)周邊環(huán)境能得到很好的空氣流通，不易導(dǎo)致熱量堆積而造成空調(diào)運(yùn)行停機(jī)的情況[3]。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本分析報(bào)告根據(jù)E5棟戶(hù)型3的室外機(jī)擺放位置，對(duì)室外機(jī)處于滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行下的工況進(jìn)行了模擬研究，通過(guò)模擬分析可知：

（1）室外機(jī)運(yùn)行區(qū)域，及凹槽區(qū)域溫度平均為37.4℃，室外機(jī)回風(fēng)溫度分別為36.9℃、37.8℃、38.6℃，由于熱空氣的上浮，溫度升高1.7℃，由于室外機(jī)大部分處于部分負(fù)荷工況下，散熱量較滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)營(yíng)時(shí)將有所降低，進(jìn)而回風(fēng)溫度的溫升也會(huì)降低，因此本項(xiàng)目的室外機(jī)運(yùn)行處在合理的運(yùn)行環(huán)境，不會(huì)由于室外空氣溫度的升高而導(dǎo)致室外機(jī)運(yùn)行效率降低。

（2）室外機(jī)排風(fēng)口為向上45°百葉，有利于帶走凹槽內(nèi)熱量，改善室外機(jī)運(yùn)行環(huán)境。

綜上所述，本項(xiàng)目在目前的室外機(jī)凹槽布置情況下，室外機(jī)運(yùn)行環(huán)境相對(duì)較好，對(duì)室外機(jī)運(yùn)行效率及運(yùn)行能耗影響較小。在炎熱天氣下（室外35℃），室外機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行不會(huì)導(dǎo)致停機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張軼，沈輝，夏蕓，等.基于CFD的礦車(chē)空調(diào)風(fēng)道風(fēng)速仿真分析與試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2012（02）：25-27+33.

[2]張智力，吳喜平.CFD基本算法及其在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的運(yùn)用[J].能源技術(shù)，2002（01）：8-11.

[3]王天琦.地源變頻多聯(lián)機(jī)（VRV）空調(diào)系統(tǒng)的性能模擬與優(yōu)化運(yùn)行[D].南寧：東南大學(xué)，2016.