李璐瑤 張 艷 解海衛(wèi) 敖 虎

（天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點實驗室 天津 300133）

引言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，高密度的建筑群日益增多[1]，空調(diào)設(shè)備的使用量也呈現(xiàn)出上漲的態(tài)勢，同時，空調(diào)設(shè)備本身也面臨了艱難的挑戰(zhàn)。在炎熱的夏天，這些設(shè)備通常都會同時運行，由于這些設(shè)備釋放的熱能使周圍環(huán)境的空氣溫度上升，從而引起空氣和熱的垂直自然對流，造成上部樓層的環(huán)境溫度升高[2,3]，上層空調(diào)設(shè)備因高溫帶導(dǎo)致散熱效率下降，電能消耗增加。研究表明，空調(diào)冷凝器的進(jìn)口溫度每升高1 ℃，空調(diào)的COP降低3 %[4]。另一方面，城市建筑邊界層中的梯度風(fēng)場處于較為復(fù)雜的運動狀態(tài)[5]，受城市建筑的阻擋，而形成各種湍流，從而出現(xiàn)局部擾動增大、建筑群內(nèi)流場發(fā)生畸變以及空間氣流出現(xiàn)不均勻性等異常變化，這一系列復(fù)雜的流態(tài)將會進(jìn)一步影響室外機周圍空氣的流動狀態(tài)，加劇外部風(fēng)流場和室外機散熱流場之間的紊亂，嚴(yán)重干擾室外機的運行環(huán)境和本身效能。綜合熱浮力和建筑群風(fēng)場環(huán)境的共同影響，室外機運行的散熱問題將會更加復(fù)雜。

近年來，國內(nèi)外很多研究者對建筑空調(diào)室外機散熱時的熱環(huán)境問題進(jìn)行了研究。在室外機結(jié)構(gòu)布置排列方面，蔣悅波等[6]研究了不同室外機安裝條件對空調(diào)運行產(chǎn)生的影響。K RYU等[7]模擬分析了安裝在墻邊頂部位置處室外機的熱環(huán)境變化。C-H CHOI等[8]針對高層建筑凹槽內(nèi)不同的室外機布置方式，模擬了不同風(fēng)向以及無風(fēng)條件下空調(diào)的COP變化和CGPI值。W JIN等[9]采用實驗研究的方法，以焓差試驗室平臺為基礎(chǔ)評價了室外機的安裝位置和百葉窗形式對空調(diào)能耗和能效比的影響。在外部環(huán)境方面，P DOIPHODE等[10]利用CFD模擬方法對1臺空調(diào)室外機進(jìn)行了相關(guān)的熱環(huán)境研究，指出外界風(fēng)速的增加會導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)溫度升高，系統(tǒng)性能下降。L TONG等[11]研究了側(cè)方來流風(fēng)條件下不同安裝距離對室外機運行時的熱環(huán)境影響。張卓等[12]研究了不同環(huán)境風(fēng)速下空調(diào)室外機散熱的熱環(huán)境，分析了側(cè)面和正前方風(fēng)向下室外機的運行散熱情況。胡軍等[13]對不同風(fēng)速條件下的空調(diào)室外機的運行狀況進(jìn)行了研究，分析了風(fēng)速對室外機吹風(fēng)距離的影響。

上述關(guān)于室外機運行熱環(huán)境的研究主要以單體建筑為研究對象，集中于單體建筑附近較小的空間尺度和湍流尺度內(nèi)分析室外機散熱問題，忽視了整個建筑群風(fēng)的運動特性和軌跡，從而使研究結(jié)果具有一定的局限性。現(xiàn)實來說，在實際的建筑群中，由于建筑對來流風(fēng)的遮擋和聚集作用，使得建筑群內(nèi)風(fēng)場環(huán)境與單體建筑存在明顯差異，使得不同建筑位置處室外機的熱環(huán)境產(chǎn)生一定差異。因此借助CFD軟件模擬了建筑群周圍的風(fēng)場環(huán)境對空調(diào)室外機散熱的影響，為室外機安裝布置提供一定的參考。

1 數(shù)值模型

1.1 物理模型

本文研究的建筑群由6棟呈行列式布置的建筑組合而成，每層樓高3 m，總高度為H=30 m。在中間兩棟建筑逐層布置室外機，每層布置3臺，均位于建筑立面的凹槽中，如圖1（a）（b）所示，模擬區(qū)域的范圍采用J M HERBERT等[14]提出的經(jīng)典建構(gòu)模型方案來確定，即來流入口邊界距離建筑群為2 H，出流考慮到流場的充分發(fā)展，計算域出口邊界距建筑物的距離為5 H，計算域左右兩側(cè)距建筑群的距離均為L/2，計算域頂部邊界到底部邊界總高度為4 H。室外機所在的凹槽寬1 m，進(jìn)深為2 m，室外機后側(cè)和左側(cè)距離壁面0.2 m，具體的出風(fēng)方式如圖1（c）所示。

圖1 建筑群及室外機布置圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

模型假設(shè)：忽略太陽輻射、地面反射以及傳熱的影響。假設(shè)外墻平坦絕熱，忽略外墻窗戶對空氣流動的影響[15]，空調(diào)室外機全負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運行，周圍無干擾氣流。

假設(shè)建筑群內(nèi)空氣流動屬于不可壓縮三維穩(wěn)態(tài)湍流，湍流模型采用Realizable模型，對應(yīng)的控制方程由連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、k-ε方程組成，用Boussinesq[16]假設(shè)模擬溫差產(chǎn)生的浮升力對室外機周圍空氣流動的影響。

連續(xù)性方程:

動量方程：

能量方程：

K方程：

ε方程：

式中：

ρ—空氣密度，kg/m3；

u—速度矢量，m/s；

μ—動力粘度，N·S/m3；

h—焓；

K—湍動能；

ε—湍動耗散率；

μt—湍流粘性。

采用FLUENT軟件進(jìn)行計算，模擬中采用壓力-速度耦合的SIMPLE算法，壓力項的離散采用PRESTO格式。將室外機設(shè)置成值為56 385 W/m3的體積熱源，室外機出風(fēng)風(fēng)扇采用fan邊界條件，用壓力躍升值與流動方向來定義室外機風(fēng)扇模型，其中壓力躍升值設(shè)為48 Pa，用多孔介質(zhì)模擬室外機內(nèi)部的換熱盤管，多孔介質(zhì)模型的參數(shù)設(shè)置[17]如表1所示。

表1 多孔介質(zhì)參數(shù)設(shè)置

建筑外墻、地面、室外機外殼均采用光滑無滑移邊界條件，計算域頂部和四周設(shè)為對稱邊界條件，出口設(shè)置壓力出口邊界條件，當(dāng)室外風(fēng)速大于0時，入口采用速度入口邊界條件，速度隨高度的分布采用指數(shù)律來模擬，如下所示，

式中：

Z—高度；

U0—10m處的風(fēng)速；

α—地面粗糙度指數(shù)，取0.22[18]。

為研究處于建筑群風(fēng)場環(huán)境下室外機的散熱情況，本文模擬了正面吹風(fēng)和后面吹風(fēng)風(fēng)向下的建筑群風(fēng)場，具體模擬工況如表2所示。

表2 模擬工況設(shè)定

2 正面風(fēng)向下的結(jié)果分析

2.1 不同風(fēng)速下的散熱差異

圖2所示為工況1-3條件下，即正面風(fēng)向下風(fēng)速為1 m/s、2 m/s、3 m/s時A、B棟建筑各個樓層和位置處室外機的進(jìn)風(fēng)溫度變化曲線圖。根據(jù)圖2（a）（b）（c）來看，風(fēng)速越高越不利于室外機的散熱。這是由于來流風(fēng)速較大時，流場中的氣流分布更加不均勻，氣流分布的差異度較大，給室外機運行的熱環(huán)境帶來一定壓力，使得室外機本身的運行性能受外界干擾明顯。依據(jù)圖3不同風(fēng)速條件下室外機運行的熱環(huán)境來看，隨著風(fēng)速的增大，室外機的散熱范圍變小，溫度疊加程度加重，這是由于室外機出風(fēng)的方向與來流風(fēng)的方向相反，室外機的出風(fēng)氣流、進(jìn)風(fēng)流量受到外部風(fēng)速的限制，處于不平衡的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，使得室外機釋放的相當(dāng)一部分熱量回灌，加劇了循環(huán)熱氣流的發(fā)展，導(dǎo)致溫度升高，效率下降。

圖2 室外機進(jìn)風(fēng)溫度變化圖

圖3 不同風(fēng)速下建筑群2單元處室外機運行的熱環(huán)境

2.2 隨樓層高度的散熱差異

根據(jù)圖2來看，從建筑A處的室外機的進(jìn)風(fēng)溫度隨樓層高度的變化趨勢來看，整體上呈現(xiàn)“上升-下降-上升”的變化，依據(jù)圖4來看，這是由于在風(fēng)的作用下，建筑底層出現(xiàn)循環(huán)渦流，加劇了建筑高度三分之一附近的氣流擾動，將4～7樓層室外機釋放的部分熱氣流帶到了1～3層，因此1～3層呈現(xiàn)上升趨勢，溫度相對來說較高。在4～7層出現(xiàn)較低的溫度則是由于在來流風(fēng)的作用下迎風(fēng)點的產(chǎn)生，在上升氣流和熱浮力的共同影響下，帶走了4～7層室外機釋放的部分熱量，因此溫度相對較低，且4～7層室外機釋放的部分熱量在在上升氣流的作用下不斷向上層積聚，導(dǎo)致8～10層溫度較高。

圖4 縱剖面速度矢量圖

從建筑B處的室外機的進(jìn)風(fēng)溫度隨樓層高度的變化趨勢來看，整體上呈現(xiàn)“上升-下降”的變化趨勢，1～8層左右室外機進(jìn)風(fēng)溫度逐層上升，但在9～10層左右時，溫度突然開始下降，如圖4所示，1～8層室外機進(jìn)風(fēng)溫度升高是由于在熱浮力和兩樓層間渦流的雙重加持下，將下樓層熱氣流逐漸匯聚到8層，使之出現(xiàn)最大值；而9～10層室外機進(jìn)風(fēng)溫度的下降是由于在建筑頂層渦流團(tuán)的循環(huán)流動過程中產(chǎn)生了向下的沖擊氣流，將9～10層室外機釋放的部分熱量帶到下層，加入到新的渦流循環(huán)，另外則是受來流環(huán)境風(fēng)的影響，使室外機釋放的相當(dāng)一部分熱量散失掉，因此溫度下降。

2.3 不同單元位置處的散熱差異

圖5為不同風(fēng)速下各單元室外機進(jìn)風(fēng)溫度平均值的變化曲線圖，從圖中來看，A、B棟2單元布置的室外機的進(jìn)風(fēng)溫度總體上要高于1、3單元處室外機的進(jìn)風(fēng)溫度。依據(jù)圖6來看，主要由于建筑上風(fēng)向氣流在運動過程中遇到封閉界面的遮擋后向兩邊分流，建筑群表面的熱羽流特性增強，熱氣流通過向上運動且在中間匯集，熱量積聚，散熱范圍受到限制，使得氣流流動性和外部環(huán)境的運行條件較差，因此2單元處室外機的進(jìn)風(fēng)溫度較高；另外A棟建筑的東西兩側(cè)在來流風(fēng)的作用下，形成了相當(dāng)程度的繞流，帶走了1、3單元處室外機釋放的相當(dāng)一部分熱量，而B棟建筑兩側(cè)則受建筑“街谷風(fēng)”的影響，熱量跟隨風(fēng)場氣流流動方向繼續(xù)向前運動，在此過程中相當(dāng)部分熱量也被釋放掉，因此1、3單元溫度相對較低。

圖5 不同單元位置處室外機的進(jìn)風(fēng)溫度平均值變化

圖6 橫剖面速度矢量圖

2.4 迎風(fēng)建筑與下風(fēng)向建筑對比

對比A、B棟建筑布置的室外機的進(jìn)風(fēng)溫度的差異，依據(jù)圖2和圖5綜合來看，下風(fēng)向建筑B處布置的室外機運行時整體的進(jìn)風(fēng)溫度較高，而迎風(fēng)建筑A處室外機運行時的整體溫度相對較低。依據(jù)圖6來看，A棟建筑位于迎風(fēng)面，其中相當(dāng)一部分熱量在來流風(fēng)的作用下被帶到B棟范圍，加劇了B棟建筑周圍熱空氣的再循環(huán)。另外建筑B處位于來流風(fēng)向的下風(fēng)向，由于建筑A處的遮擋，造成相當(dāng)程度的負(fù)壓，氣流的流動性變差，且B棟建筑受到復(fù)雜渦流團(tuán)的影響，周圍運行的熱環(huán)境變差，熱流循環(huán)加劇，氣流呈現(xiàn)紊亂性發(fā)展，同時又伴隨熱浮力的影響，兩者因素的疊加加劇了室外機運行熱環(huán)境的惡化，從而降低了室外機的運行效能。

3 后面風(fēng)向下的結(jié)果分析

3.1 隨樓層高度的散熱差異

圖7所示為工況4條件下，即后面來流風(fēng)下A、B棟建筑處室外機在各個樓層和位置處的進(jìn)風(fēng)溫度變化曲線圖。從圖7（a）（b）來看，后面來風(fēng)時，A、B棟建筑各處室外機運行時的進(jìn)風(fēng)溫度都呈現(xiàn)出逐層升高的變化。圖8為后面風(fēng)向下室外機運行時的熱環(huán)境，從圖中來看，在熱浮力的主導(dǎo)作用下，凹槽內(nèi)部的熱量大量積聚，熱量貼附壁面流動，惡性熱循環(huán)效應(yīng)加強，出風(fēng)散熱范圍大大減少。并且下層室外機釋放的冷凝熱對上層產(chǎn)生較大影響，使得上層室外機的動力系統(tǒng)對下層室外機釋放熱量的吸入效應(yīng)增強，長時間運行情況下，不僅導(dǎo)致上層室外機的運行效能大大降低，而且會加劇其“熱島效應(yīng)”。

圖7 后面風(fēng)向下室外機進(jìn)風(fēng)溫度變化圖

圖8 后面風(fēng)向下室外機運行的熱環(huán)境

3.2 不同單元位置處的散熱差異

圖9為后面風(fēng)向條件下各單元室外機進(jìn)風(fēng)溫度平均值的變化曲線圖，從圖中來看，建筑A、B棟2單元布置的室外機的進(jìn)風(fēng)溫度總體上同樣也要高于1、3單元處室外機的進(jìn)風(fēng)溫度。這是由于室外機同處于來流風(fēng)的背風(fēng)向，建筑1、3單元受到建筑中間“街谷風(fēng)”的影響明顯，將室外機釋放的相當(dāng)部分熱量帶走，而2單元位置處于負(fù)壓閉合循環(huán)氣流區(qū)，受來流環(huán)境風(fēng)氣流影響小，熱量不易散失。

圖9 后面風(fēng)向下各單元室外機的進(jìn)風(fēng)溫度平均值變化圖

3.3 迎風(fēng)建筑與下風(fēng)向建筑對比

依據(jù)圖9來看，建筑A處布置的室外機運行時的進(jìn)風(fēng)溫度較高，運行效率要低于建筑B處室外機的運行效率。在來流風(fēng)的影響下，建筑A、B處的室外機同時處于建筑的背風(fēng)面位置，但建筑A位于下風(fēng)向建筑處的背風(fēng)面，此時的氣流密度和風(fēng)量減弱，空氣的熱羽流效應(yīng)增強，散熱空間相對來說較為封閉，熱氣流的上升匯集速度加快，此時氣流流動方向呈現(xiàn)單一性，熱氣流疊加效應(yīng)較強，凹槽內(nèi)部熱量堆積嚴(yán)重，加劇了各層室外機之間的熱影響，使得外部運行熱環(huán)境惡劣，造成室外機散熱不及時，效能降低。

4 結(jié)論

本文以建筑群凹槽內(nèi)布置的空調(diào)室外機為研究對象，研究了兩種風(fēng)向下建筑群風(fēng)場下的室外機運行時的熱環(huán)境，并對比分析了隨樓層高度、不同單元位置處室外機的散熱差異，同時比較了迎風(fēng)建筑和下風(fēng)向建筑處室外機運行效率的不同，具體結(jié)論如下：

1）建筑群風(fēng)場環(huán)境中存在的水平和垂直渦流等復(fù)雜的氣流特征會對室外機的散熱產(chǎn)生較大的影響，會改變室外機散熱氣流的走向，相當(dāng)程度上會影響室外機的進(jìn)風(fēng)溫度和運行效能。

2）正面來流風(fēng)下，風(fēng)速越高，室外機的散熱效率越差。

3）正面來流風(fēng)下，在隨樓高的變化上，建筑A處室外機的進(jìn)風(fēng)溫度呈現(xiàn)“上升-下降-上升”的變化趨勢，建筑B處室外機的進(jìn)風(fēng)溫度呈現(xiàn)“上升-下降”的變化趨勢。在不同單元位置處，建筑A、B處2單元布置的室外機的進(jìn)風(fēng)溫度較高。在迎風(fēng)建筑和下風(fēng)向建筑的對比差異下，處于下風(fēng)向的建筑B處布置的室外機的進(jìn)風(fēng)溫度更高。

4）后面風(fēng)向下，在隨樓高的變化上，建筑A、B處室外機的進(jìn)風(fēng)溫度都呈現(xiàn)出逐層上升的變化趨勢，主要是由于熱浮力的主導(dǎo)作用。在迎風(fēng)建筑和下風(fēng)向建筑的對比差異下，處于下風(fēng)向背風(fēng)面建筑的建筑A處布置的室外機的進(jìn)風(fēng)溫度較高，效能較差。