廖勇坤

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東廣州，510010）

0 引言

隨著高層住宅的建設日益成熟，在建筑設計時不僅注重使用性與功能性，對建筑外立面的整潔度的要求也日益提高，往往會在外墻設置凹槽，預留室外機的位置于凹槽內。有的建筑為了美觀，會對家用空調室外機進行遮蔽，常見的遮蔽物為格柵及百葉。但越來越多的建筑設計要求遮蔽物與建筑風格更加融合，提出使用穿孔鋁板或土建孔板等作為室外機的遮蔽?？照{室外機通風不暢會導致空調的能耗升高，以及進氣溫度升高導致空調保護停機。因此，研究孔板遮蔽下的空調運行情況，可對空調室外機孔板遮蔽的穿孔率及室外機安裝方式提供依據(jù)。

圖1 各類孔板裝飾面示意圖

1 工程概況

家用空調最常規(guī)使用的型號為1HP與2HP，為考慮最不利的情況，對2HP的進行分析。處于建筑美觀的考慮，將室外機安裝于凹槽內，外部采用孔板遮蔽，設備安裝空間為1.4m（長）×0.6m（寬）×1.2m（高）。某品牌2HP室外機的散熱量為6.6kW，風扇排風量為2200CMH，室外機尺寸為840mm（長）×327mm（寬）×550mm（高）。具體安裝定位如下圖：

圖2 本工程室外機安裝示意圖

2 CFD模擬設計思路

模擬分析時的室外溫度取標準工況下干/濕球溫度為35℃/24℃，在空調制冷的工況下先按不設置孔板遮蔽直通室外時，對室外機的熱環(huán)境進行分析，判斷在此安裝條件下，室外機的最優(yōu)運行性能。再分別對孔板的穿孔率25%、50%、75%三種情況進行熱環(huán)境的分析，判斷室外機的進風溫度是否超過空調出廠規(guī)定的室外溫度連續(xù)運轉范圍10～46℃。在確定進風溫度不超過46℃，空調可以正常運行的情況下，進一步探討孔板遮蔽對空調能效的影響。根據(jù)劉偉雄等人的研究，當室內溫度設置在26℃時的運行能效與室外空氣干球溫度的線性回歸關系為y=-0.0834x+6.5368，此處的室外空氣干干球溫度近似與室外機的進風溫度。

3 模型設計

3.1 模型參數(shù)

根據(jù)室外機凹槽及室外機外形的尺寸，建立模型，凹槽的四周均為絕熱的隔板。為更好地劃分網(wǎng)格，穿孔率25%的孔板單個孔尺寸為0.1m×0.1m，穿孔率50%的孔板單個孔尺寸為0.15m×0.15m，穿孔率75%的孔板單個孔尺寸為0.18m×0.18m，孔洞按照相應的穿孔率均勻分布。根據(jù)2HP室外機排風量及出口尺寸，計算出排風風速為2.5m/s。模型設計如下：

圖3 25%穿孔率室外機CFD模型圖

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質量對CFD計算精度和計算效率及收斂性有重要影響。對于復雜的CFD問題，網(wǎng)格生成極為耗時且極易出錯，生成網(wǎng)格所需要的時間常常大于實際CFD計算的時間。因此，在劃分網(wǎng)格時應該把網(wǎng)格細密的程度直接與物理量在計算區(qū)域內的變化進行統(tǒng)一考慮。同時，還應根據(jù)計算機硬件條件，對模型的網(wǎng)格數(shù)量進行范圍控制。

本次研究的室外機尺寸為840mm（長）×327mm（寬）×550mm（高），網(wǎng)格劃分控制在網(wǎng)格大小為0.15*0.15*0.15m。對孔板進行局部的加密，孔口周圍網(wǎng)格尺寸控制在0.05m。經(jīng)檢驗Face alignment和Quality均接近1，說明網(wǎng)格質量良好。網(wǎng)格如下：

圖4 25%穿孔率孔板處網(wǎng)格示意圖

圖5 25%穿孔率室外機剖面網(wǎng)格示意圖

3.3 其他設置

1）模擬過程把室內空氣視為透明介質。

2）氣流為穩(wěn)態(tài)流動。

3）湍流計算模型采用RNG k-ε模型，k-ε模型為工程流場計算中主要的工具，有適用范圍廣、經(jīng)濟、合理的精度等優(yōu)點，RNG模型在ε方程中加了一個條件，更是有效的改善了精度。

4）連續(xù)性方程和動量方程收斂精度為0.001，能量方程收斂精度為1e-6 。

4 CFD模擬分析

通過模擬結果可知，室外機在35℃的環(huán)境溫度下，不設置孔板遮蔽時，室外機進風溫度為35.2℃，通風條件充足，室外機能在近于標準的工況下運行。

圖6 不設置孔板遮蔽剖面溫度場

圖7 不設置孔板遮蔽進風側溫度場

在設置孔板遮蔽的情況下，由于受到外側孔板遮擋的影響，進風溫度急劇升高，假使室外機進風溫度超過限值仍能繼續(xù)運行，25%、50%、75%的穿孔率下，進風溫度分別為72.1℃、49.4℃、39.2℃。25%和50%穿孔率下，超過了室外機的持續(xù)運行溫度限值46℃，室外機停機不能正常運行。75%的穿孔率下，進風溫度分別為39.2℃。由運行能效與室外空氣干球溫度的線性回歸關系y=-0.0834x+6.5368得，室外機能效比為3.27，比不設置孔板遮蔽時能效降低了10%。

圖8 25%穿孔率剖面溫度場

圖9 25%穿孔率進風側溫度場

圖10 50%穿孔率剖面溫度場

圖11 50%穿孔率進風側溫度場

圖12 75%穿孔率剖面溫度場

圖13 75%穿孔率進風側溫度場

為研究保證室外機進風溫度不超過46℃時，孔板穿孔率的極限值，增加對60%、65%穿孔率孔板的室外機熱環(huán)境模擬，模擬結果顯示60%穿孔率對應進風溫度為41.1℃，65%穿孔率對應進風溫度為40.4℃。由于室外空氣溫度不會穩(wěn)定與標準工況35℃，查詢全國民用建筑供暖通風與空調室外氣象參數(shù)表《GB50736-2012》，我國大部分城市的極端最高溫度為38-40℃之間，為保證在極端的天氣下，室外機也能正常運行，確定60%為孔板的極限穿孔率，此時室外機能效比為3.11，比不設置孔板遮蔽時能效降低了15%。

從模擬結果的溫度場與速度場可見，造成過低穿孔率的孔板遮蔽下室外機的散熱差的原因在于，孔板過密導致室外機排風不暢，處理完室外機冷凝熱后排風到達孔板后只有少量能通過孔洞排出室外，大部分積聚于室外機與孔板之間，并由于熱空氣上升的緣故，與上部35℃的進風混合后被抽入室外機，導致到達室外機背后進風的溫度遠高于35℃。除此之外，在同等的通透率下的遮蔽物，孔板比百葉的散熱效果更差，這是由于兩種出風口的風口特性不同，百葉對排風有導向作用，而孔板排風孔口處多為平行流，速度衰減快。風速過快的衰減會使得排風的熱氣流在較為靠近室外機位的地方與室外空氣混合，導致排風與進風的短路，使得進入凹槽的空氣溫度比室外溫度高。

5 改善措施及模擬分析

由上述的模擬結果可得，過低穿孔率孔板遮蔽造成對室外機散熱差的因素如下，一為排風受阻導致熱空氣在凹槽里積聚，二為通過孔口的排風風速衰減過快。其他工程中設置在凹槽內頂出風的多聯(lián)室外機以及遠離外墻的側出風的室外機，常用增加導風管的方式來加強排風。參照這種形式應用于本工程，在孔板遮蔽穿孔率低于60%時，于室外機出風口處設置擋板，一直延伸至孔板處。下面對設置導風擋板后的室外機在穿孔率25%、50%孔板下的熱環(huán)境進行模擬分析。

圖14 25%穿孔率設置導風擋板剖面溫度場

圖15 25%穿孔率設置導風擋板進風側溫度場

圖16 50%穿孔率設置導風擋板剖面溫度場

圖17 50%穿孔率設置導風擋板進風側溫度場

通過模擬可以得到設置了導風擋板后，室外機在25%、50%孔板遮蔽時的進氣溫度分別為35.6℃、38.5℃。

1）設置了導風擋板后，室外機的排風氣流能較為順暢的排出室外，解決了熱空氣在凹槽內積聚的問題；

2）在導風擋板與孔板能較為密實的相接時，孔口的出口風速比室外機風扇的出口風速大，在風機的機外余壓可以負擔導風擋板的沿程阻力及孔口處的局部阻力的前提下，風速的增大使得排風衰減減緩，使得排風在較為遠離室外機位的地方與室外空氣混合，改善排風與進風短路的現(xiàn)象，由此進入凹槽的空氣溫度更接近室外溫度；

3）在不同的穿孔率下，對室外機的進風側的溫度場進行分析，25%穿孔率的孔板比50%的進風溫度更低，進風溫度并不隨著穿孔率的提高而降低。

在設置導風擋板的條件下，低穿孔率的排風風速更高，衰減更慢，但同時也會減少了進風的面積。為了進一步得出對室外機散熱最為有利的穿孔率數(shù)值，分別進行了15%、20%、30%、35%、40%的穿孔率下室外機的熱環(huán)境模擬，結果如圖所示。

圖18 孔板穿孔率與室外機進風溫度的關系

由圖可知，當孔板穿孔率在25%的時候，室外機進風側的溫度最低，為35.6℃。由運行能效與室外空氣干球溫度的線性回歸關系y=-0.0834x+6.5368得，室外機對外設置25%穿孔率的孔板遮蔽，在使用導風擋板措施后，進風溫度為35.6℃，運行能效為3.57，僅下降1.1%。各穿孔率對應室外機的運行能效如圖。

圖19 孔板穿孔率與室外機運行能效比的關系

6 結論

（1）對于放置在凹槽里的空調室外機設置孔板遮蔽，當穿孔率小于60%時，室外機散熱不暢，進風溫度均超過室外機能連續(xù)運轉的極限溫度，導致觸發(fā)停機保護，空調室外機不能正常運行。在建筑設計時，若采用孔板作為室外機的遮蔽物，應該至少保證孔板具有60%以上的穿孔率，室外機才能正常運行，具有75%以上的穿孔率，室外機才可較高能效運行。

（2）當必須采用小于60%穿孔率的孔板遮蔽室外機時，本文提供了設置導風擋板作為改善措施。設置導風擋板時，孔板穿孔率在20%～30%對于室外機的散熱最為有利，運行能效比不設置任何遮蔽時下降1.1%。導風擋板的使用效果與連接處的封閉性有極大關系，建議空調廠家可以設置相關配件，以供惡劣條件下的空調運行使用。此結論未考慮震動與噪聲的因素，應用時應根據(jù)實際的需求進行考慮。