劉 雨，萬中碩，謝艷萍，張雯琦

（重慶科技學院，重慶 401331）

隨著人們生活需求的上升，多聯機空調已在高校學生公寓建筑中得到普及。學生公寓空調外機大多安裝在陽臺內或側掛于陽臺內墻，陽臺有限的空間容易出現熱積聚，導致室外機運行熱環(huán)境惡化，對機組性能產生不利影響的同時也影響了學生公寓陽臺的使用體驗[1-4]。本文以某學校學生公寓為例，利用CFD技術，通過對不同安裝方式下的數值模擬結果進行對比分析，提出改善室外機運行熱環(huán)境的優(yōu)化方案。

1 模擬設定

1.1 項目概況

該建筑為高校學生公寓，共七層，層高為3.5 m，陽臺長2.5 m，寬2m。室外機尺寸為0.85 m×0.55 m×0.25 m（長×高×厚），室外機的散熱量為5950w（制冷量3500w，輸入功率2450w），室外機現有落地式、側掛式和凹槽+百葉式三種安裝方式。

1.2 CFD模擬設定

本文采用CFD模擬軟件Airpak進行室外機散熱過程模擬，室外機散熱過程的流體流動遵循質量守恒、動量守恒和能量守恒方程[5-6]，室外機排風散熱屬于三維不可壓縮湍流的物理過程，描述其流體流動的偏微分方程是納維斯托克斯方程，對于湍流流動，本文采用標準的k-ε模型進行數值分析[7-8]并引入布辛涅斯克近似[9]，同時考慮重力對流體流動的影響。本文對部分邊界條件進行了簡化，即模擬過程空調處于夏季全負荷運行工況，忽略輻射和熱傳導的影響，來流邊界條件認為是恒定的，設定室外溫度為32.3 ℃[10]。

2 數值模擬

2.1 對現有安裝方式的模擬

根據實際按鉆過方案建立物理模型進如圖1所示（依次為落地式、側掛式、凹槽式）。

圖1 現有安裝方案的CFD模型

對現有的三種安裝方式進行軟件模擬，模擬結果依次取室外機排風口處縱向溫度分布、陽臺外立面縱向溫度分布和陽臺內部水平溫度分布如圖2所示。

圖2 現有方案的模擬結果

從溫度分布可以看出，在現有的三種安裝方式下，室外機排出的熱風一方面會對自身所處散熱環(huán)境（即陽臺區(qū)域）產生影響，引起該區(qū)域溫度上升；另一方面在熱力浮升作用的影響下不斷上升，從而對上面一層室外機所處散熱環(huán)境產生影響，引起其溫度上升[1-4]，且該現象有縱向的累計效應，樓層越高影響越強烈。取排風口中心點處溫度，進風口中心點處溫度和陽臺主要活動區(qū)域溫度（取洗漱臺0.8 m高度平均溫度）反映以上兩方面作用對各層室外機散熱環(huán)境的影響，并計算各監(jiān)測點位累計平均溫升T*如表1所示。

表1 各監(jiān)測點位溫度逐層變化值

可以看出：三種安裝方案下各監(jiān)測點位溫度均逐層上升，其中落地式安裝方式逐層累計平均溫升最高，說明熱力浮升作用對該方案下室外機運行熱環(huán)境的影響是主要的；由于側掛式安裝方案下室外機排風吹向陽臺內，所以主要活動區(qū)域溫度和進風口逐層累計平均溫升最明顯；對于凹槽式安裝，由于凹槽起到的分隔作用，所以陽臺主要活動區(qū)域的累計平均溫升相比進排風口變化并不明顯，但進排風口累計平均溫升也較高，說明凹槽和百葉對室外機運行熱環(huán)境產生了一定的影響。

2.2 提出優(yōu)化方案

通過上一節(jié)的分析可以得出：對落地式安裝，可以通過減弱熱力浮升的縱向累計作用實現對室外機散熱環(huán)境的優(yōu)化；對于側掛式安裝，考慮改變排風方向以改善室外機散熱環(huán)境[10-11]；而對于凹槽式安裝，則著重考慮百葉的開合角度對室外機散熱環(huán)境的影響[9，12]制定以下的優(yōu)化方案：對落地式安裝方式采取上下層錯位安裝的措施；對側掛式安裝方式采取增加導流罩以改變排風方向的措施；對凹槽式安裝方式，通過從15°到60°每隔15°改變百葉角度，根據模擬結果確定最佳百葉角度。

2.3 對優(yōu)化方案的模擬

分別對上節(jié)提出的三種優(yōu)化措施建立CFD模型如圖3所示，進行優(yōu)化方案的模擬。

圖3 優(yōu)化方案的CFD模型

圖4為優(yōu)化方案的模擬結果，各方案模擬結果取室外機排風口處縱向溫度分布、陽臺外立面縱向溫度分布和陽臺內部水平溫度分布云圖。

圖4 優(yōu)化方案模擬結果

其中錯位式安裝增加了上下層陽臺內部溫度分布對比。同樣的，對各監(jiān)測點位溫度進行統(tǒng)計以便于分析優(yōu)化效果，如表2和表3所示。

表2 不同百葉角度下各監(jiān)測點溫度

表3 落地式和側裝式優(yōu)化后各監(jiān)測點溫度

2.4 優(yōu)化前后對比

比較優(yōu)化前后各監(jiān)測點位溫度值?？梢缘贸觯簩Π疾凼桨惭b而言，當百葉角度不斷變大時，各監(jiān)測點位的溫度在不斷減小。百葉角度越小，百葉遮蔽能力越強，但冷凝風過流面積減小，冷凝風容易回流引起凹槽內熱堆積，同時引發(fā)陽臺內部溫度上升；百葉角度越大，百葉遮蔽能力越弱，冷凝風過流面積增大，有利于凹槽散熱，考慮到設置百葉的目的在于防雨擋雨，故百葉角度不能過大，所以最佳角度確定在45°。

對落地式安裝而言，采用錯位安裝，不同層數的監(jiān)測點位溫度下降明顯，這主要是由于錯位安裝增大了上下層室外機間距，減弱了熱力浮升縱向累計效應，從而減弱了其對上下兩層室外機運行熱環(huán)境的影響。

對側掛式安裝而言，增加導流罩后，各層監(jiān)測點位的溫度明顯減小，這是由于導流罩改變了冷凝風吹射方向，使得熱風通過陽臺外立面吹向外部，減少了陽臺內部熱積聚，改善了室外機運行熱環(huán)境。

3 結論

（1）該模擬優(yōu)化針對實際建筑，針對該建筑三種不同的外機安裝方式分析了其問題所在，提出了現有條件下的改進建議，對改進后的安裝方式也進行了模擬分析，結果顯示出良好的效果。

（2）對于熱力浮升效應的影響，最主要的解決辦法是增大上下兩臺室外機的間距，減弱其縱向累積效應，本模擬采用的錯位安裝形式本質上也是如此，要研究最佳距離，需要根據機型、建筑形式等綜合考慮，本文沒有深入研究。