室外机热环境模拟分析对室外机布置指导

室外机热环境模拟分析对室外机布置指导

何升斌

身份证号：320586198703258410

【摘要】对空调外机进行热环境模拟，通过模拟结果来确定或优化其布置方案具有很好的实用价值。

【关键词】：空调 室外机 热环境模拟

1、引言

随着生活质量的改善人们对办公环境的要求日渐增加。普通的写字楼办公楼空调形式大多采用VRV多联机，而在夏季高温环境下办公室的空调有时会出现温度降不下来的情况，分析原因，VRV系统所使用的室外机为风冷热泵型，风冷热泵机组以空气作为冷热源，所需风量较大，因而室外机区域内空气应保持流畅，不受阻碍，不形成回流。否则将影响热泵型机组的排热与吸热，进而降低机组效率，导致功耗增加，严重时甚至会使机组保护停机。其中又以夏季冷凝器的高压保护问题更为严重。所以对空调外机进行热环境模拟，通过模拟结果来确定或优化其布置方案具有很好的实用价值。下面通过本人经历的一个项目予以展开说明。

2、工程概况：

总述：数谷项目，位于苏州工业园区现代服务业产业园大水泾西、扬清路南。项目由4栋高层研发楼和1栋多层配套楼组成。项目总用地面积约3.69万平方米，建成后总建筑面积约18万平方米，地下室建筑面积约5.24万平方米，最高建筑高度约150米。本项目空调形式采用多联机+三维热管显热交换新风系统。

2.1本项目空调形式介绍：

2.1.1概况与用途

01a#研发办公楼为高层建筑,地上18层,地下2层;建筑高度98.60m2，地下一层、二层为自行车库及汽车库,1~2层为商业配套,3~18层为研发办公。

01b#研发办公楼为高层建筑，地上29层,地下2层;建筑高度149.95m2，地下一层、二层为自行车库及汽车库,1~2层为商业配套,3~29层为研发办公。

2#研发办公楼为高层建筑，地上11层,地下2层;建筑高度56.80m,建筑面积16898m2，地下一层、二层为自行车库及汽车库,1层~11层为研发办公。

3#研发办公楼为高层建筑，地上11层,地下2层;建筑高度56.80m,建筑面积17201m2，地下一层、二层为自行车库及汽车库,1层~11层为研发办公。

4#地上2层,地下2层;建筑高度18.00m,建筑面积2828m2，地下一层、二层为自行车库及汽车库,1层为商业配套,2层为多功能厅。

地下2层,建筑面积52404m2，主要功能为汽车库,非机动车库及设备用房。

2.2设计参数

2.2.1室外设计参数

2.2.1.1 室外计算干球温度

冬季：空调-2.5°C、通风3.7°C，主导风向N，大气压力1024.1hPa。

夏季：空调34.4°C、通风31.3°C，主导风向SE，大气压力1003.7hPa。

2.2.1.2夏季空调室外计算湿球温度：28.3°C

2.2.3主要室内设计参数

2.2.4空调负荷

经计算01a#研发办公楼夏季空调冷负荷4450KW，冬季空调热负3281KW；01b#研发办公楼夏季空调冷负荷7460KW，冬季空调热负5315KW；2#研发办公楼夏季空调冷负荷2603KW，冬季空调热负1716KW；3#研发办公楼夏季空调冷负荷2617KW，冬季空调热负1719KW；4#综合楼夏季空调冷负荷516KW，冬季空调热负327KW。

2.2.5主要区域空调冷热源

本项目研发办公大楼由于办公大楼内承租单位工作时间不完全一致，会存在加班的可能，而传统的冷水机组如果负荷低于20%则无法正常开启，即使加班人数达到了机组开启的情况，机组也偏离最佳运行工况，运行效率将远远低于白天。VRV多连机可以全天候24小时运行，无论室内负荷的多少，室外机都能够开启运行，非常适合于需要加班工作的办公楼使用， VRV所有室内机都可以进行独立的开关操作，而无需操作室外机。基于上述情况本项目主要区域空调冷热源如下：

01a#，01b#，2#，3#研发办公楼采用多联机+三维热管显热交换新风系统,多联机外机集中设置在裙房屋面、避难层及屋面,新风机组放置在屋面新风机房,新风通过管井接至各楼层。

4#综合楼采用多联机+全热交换新风系统,多联机外机集中设置在屋面,新风机组设置在地下室,新风通过管井接至各楼层。

注：所有楼层设备平台外墙百叶通透率不小于80%。

3、外机布置的不确定性：

在本项目建筑方案中为美化外立面效果，女儿墙（幕墙）的高度较高，其中1b#女儿墙最高处超10m，为了让空调外机充分散热、正常工作，设计院首先提出在玻璃幕墙上开百叶口的建议，百叶通透率不小于80%，方案公司认为外立面整体效果被破坏，80%的通透率也会使空调外机可见。后来设计院又提出了在外立面屋面层幕墙低位开窗，用于空调外机进风，形成合理的气流组织的意见。但由于开窗存在以下弊端:1.会增加幕墙的造价。2.增加运营负担。3.对外立面的整体性影响比较大。方案公司与设计院暖通专业经过多轮讨论无果，最终项目组决定会同空调供应商一起做室外机热环境模拟，切实的评估空调室外机是否能够正常的运行。

4、热环境模拟情况：

4.1基本情况：

模拟对象为数谷项目项目1b#研发办公楼，室外机集中布置在屋面，共 26 套系统，建筑物女儿墙最高处约 13 米，最低处约 7 米，女儿墙正对的铝板构件可通风，现利用 CFD 技术进行模拟分析，探求女儿墙对空调通风散热的影响。

4.2基本方法

本次热环境模拟采用CFD（computational fluid dynamics）方法，CFD是国际上研究建筑内外气流运动规律的最佳手段，具有速度快、耗费少等优点，且能够提供详细直观的结果。与传统的理论经验公式和模型实验等研究方法相比具有突出的优越性，其正确性和可靠性也已得到严格的检验和足够的认可。

4.3模拟条件

4.3.1模拟对象：数谷项目 1b#研发办公楼。模拟室外机参数如下表：

4.3.2室外机集中布置在屋面，建筑物女儿墙最高处约 13 米，最低处约 7 米，正对的铝板构件可通风，宽度约 220mm，室外机 100%开启，负荷率 100%。

4.3.3模拟室外温度取苏州夏季室外计算干球温度 34.4℃。

4.3.4 室外环境：室外环境基于《50736-2012 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》所提供气象参数。

4.3.5空调室外机附近无其他热源和阻碍空气流通的其他障碍物。

外机布置及立面位置图

4.4模拟结果

通过模拟，我们得出整个模型空间的空气参数。

从模拟数据可知：模拟工况下，26 套系统室外机平均回风温度均低于对应机组最高运行温度限值，机组能正常运行。

下面通过典型截面加以分析：

水平截取位置温度场和立剖面截取位置温度场

水平面截面速度场及立剖面位置速度场

4.5结论：

本次模拟基于苏州数谷项目1b#研发办公楼（室外机集中布置在屋面，建筑物女儿墙最高处约13米，最低处约7米，正对的铝板构件可通风，宽度约220mm，室外机100%开启，负荷率100%。）设备平台处室外机展开分析，基于利用 CFD 软件进行了模拟，模拟结果如下：在100%开启时，室外机平均回风温度均低于机组最高运行温度限值（48℃），可正常运行。

5、结论与展望

通过以上模拟结果分析，在常规室外气象条件下，空调室外机位置摆放只要满足空调厂家的间距要求（包括外机与外机之间、外机与墙体之间），且具备一定的通风条件，空调外机的散热基本能满足正常使用的要求。

气流组织模拟（CFD）技术是设计阶段验证空调机组散热效果的重要辅助手段。本次模拟给设计院空调外机的布置提供了详细的参考数据，节省了建设单位的投资，也满足了规划要求的外立面效果，建议项目在遇到VRV外机布置条件恶劣的情况下，前期必须对外机的气流场和温度场进行模拟，在回风温度满足机组机组运行温度的情况下才能最终确认方案，而非根据经验轻易决定。但随着极端天气的不断出现，对多联式空调的散热要求越来越高，气流组织模拟条件中的室外温度参数可以适当突破规范限制，这样模拟的结果才能更贴近实际运行条件，为建设方和设计院提供一个有利的参考，以便选用一些辅助散热措施。