建筑凹槽内分体式空调室外机设置方式对运行环境的影响研究

本研究得出的主要结论如下：1）对比分析相同工况下的实验结果和模拟结果，发现进风温度的误差基本控制在2℃，且实验值与模拟值随工况变化的趋势十分一致，吻合度高，说明数值模拟十分接近实际情况，从而验证了室外机散热数值模型的合理性。2）随着室外机离凹槽侧壁以及凹槽后壁的距离不断增大，室外机周围的运行环境逐步得到改善，室外机进风温度均呈逐渐下降的变化趋势，但当距离均增大 200mm 后，室外机进风空间大小能满足室外机的进风需求，室外机进风温度逐渐趋于稳定，温度不再发生明显变化；随着室外机与前挡百叶的距离不断增大，室外机释放的热量堆积在凹槽内，导致室外机周围的热环境逐渐恶化，室外机进风温度显著上升；随着凹槽高度不断增大，室外机进风条件逐渐得到改善，室外机进风温度逐渐减小，但当凹槽高度增大到 800mm 时，进风温度不再随高度进一步增大而明显变化。

第一章 绪论

1.1 课题研究背景
1.1.1 空调能耗现状
随着社会的进步与经济的快速增长，人们对于生活品质的要求也随之提高。因此，为保证人体在室内具有良好的舒适性，空调已逐渐走进人们的日常生活。据 2019 年国家统计局数据显示，自 2013 年到 2018 年，全国居民家庭平均每百户空调拥有量由 70.4 台增加到了 109.3 台，我国城镇居民家庭平均每百户空调拥有量由102.2 台增加到了 142.2 台。随着国家实施家电下乡、以旧换新等各种惠民政策，我国农村居民每百户平均空调拥有量 29.8 台增加到了 65.2 台[2][3]。在所有的空调产品中，家用分体式空调以其安装简单方便、占地面积小等特点，被广泛地应用于住宅建筑中。
空调市场的高速发展所带来的弊端是能源的急剧消耗。从建筑节能的角度来看，空调的使用是一个矛盾的问题，一方面空调能为用户提供舒适的环境，另一方面空调的广泛应用会导致空调能耗急剧增长。以全国城镇住宅空调能耗为例，2004 年至 2008 年全国城镇空调住宅总能耗从 256 亿 kwh 增加到了 400 亿 kwh，相对增长了 56％[4]。由此可见，空调能耗的增长速度已不容忽视。与此同时，空调能耗的不断增长使得其在建筑能耗中的比重越来越大。因此，如何提高空调运行效率，降低空调能耗是我们需要解决的重要问题。
1.1.2 室外机的安装方式及存在的问题
在实际工程中，因建筑类型的差异以及建筑营造时间的不同，空调室外机的安装方式并不是统一的。目前，常见的安装方式有以下几种[5]：
1）直接外挂式
空调外机直接安装在建筑的外墙上，利用支架进行支撑，四周无任何遮挡物。这一安装方式主要出现在一些未考虑空调机位的旧式住宅建筑中，其优点在于维修方便，室外机通风条件优良，便于室外机的散热。但室外机错乱地安置在建筑立面，会对建筑整体的美观性造成不利的影响。同时，室外机在长期无遮蔽物的情况下，易受外部环境因素影响，会缩短空调器的使用寿命，甚至出现安全隐患。因此在当代住宅建筑中大多数不会采用此类安装形式。
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1.2 国内外研究现状
目前，国内外的诸多学者对于分体式空调室外机运行环境的研究主要在于以下几个方面：
1）建筑结构对室外机周围运行环境的影响；2）百叶形式对室外机运行环境的影响；3）排列方式对室外机周围运行环境的影响；4）排列方式对室外机周围运行环境的影响。1.2.1 建筑结构对室外机周围运行环境的影响
2003 年，叶宏[12]比较了室外机的三种安装形式，结果表明室外机在周围无遮挡或遮挡较少时气流较好，回风温度较低；室外机摆放在狭小的凹槽内热气流会出现回流的现象，造成空调能耗的增加。
2004 年，加州理工大学的 H.Xue[13]等人利用相似模型对高层建筑空调系统冷凝单元附近的热环境进行了试验研究，研究主要针对安装距离、风扇出风速度以及冷凝机组热释放率等三种因素，结果表明:凹槽两侧墙之间的距离不小于 7m 才能使凹槽内的温升不超过 10℃；风扇出风速度的增大对凹槽的温升无明显影响；室外机热释放率的变化对热环境的影响较小。
2007 年，H.Xue[14]对某个高层建筑凹槽内的室外机周围运行环境进行了数值模拟，结果指出室外机与凹槽墙壁之间的距离对室外机回风温度的影响最大。
2008 年，Abdollah Avar[15]对三种宽度不同的竖直天井进行了模拟研究，分析了室外机进风温度与室外机组距侧墙之间距离的关系，最终得到了三种不同宽度下，室外机与侧墙之间的最佳距离。
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第二章 研究的基本理论

2.1 实验基本理论
2.1.1 空调制冷原理
分体式空调器主要由室内机和室外机两部分构成。室内机由室内换热器及离心风机等组成，室外机由压缩机、室外换热器、毛细管及轴流风扇等部分组成，两者中间通过制冷剂管路和电线连接起来。
分体式空调的制冷方式通常为蒸汽式压缩制冷，如图 2-1 所示，制冷剂低压蒸汽进入压缩机后，被压缩为高温高压的蒸汽，通过排气管进入冷凝器，同时在轴流风扇的作用下，室外空气被吸入冷凝器侧，带走了制冷剂蒸汽的热量，使其凝结为了高压的液体，制冷剂高压液体经过毛细管后压力降低，使其成为了低压的液体，低压液体流经蒸发器吸收室内热量蒸发成为了低温低压的蒸汽，再次回到压缩机[51]。

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2.2 数值模拟的基本理论
2.2.1 软件介绍
对于流体流动问题的研究方式主要有以下三种：理论解析、实验研究、CFD 模拟计算。理论解析法利用数学工具从理论上研究流体流动的规律，能处理简单的理想的物理现象，但对于复杂的物理现象难以抽象出精确的模型；在流体流动问题研究中，实验研究法是使用的最多的方法。采用实验研究的方法可以获取流场中最真实直接的物理量，但往往由于实验条件与实验成本的限制，想要通过实验研究某些在理想条件下的物理现象是十分困难甚至于不可能的；CFD 可以看作利用计算机进行虚拟的实验，具有边界参数调整方便、实验环境理想化、实验周期段等优点，但 CFD 最大的局限在与计算的可靠性问题有待确定。综上可知，这三种研究方式都是有利有弊的，相互依存的。因次，对于流体流动问题的研究中，往往是将这三种方法结合起来使用的。
CFD 是计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）的简称，是理论流体力学和计算数学相互融合的一门新兴交叉学科，它从计算方法出发，利用计算机快速的计算能力得到流体控制方程的近似解。计算流体力学主要研究把描述流体运动的连续介质数学模型离散成大型代数方程，建立在计算机上求解的算法。

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第三章 凹槽内单台室外机周围运行环境的实验研究............................20
3.1 实验概况........................20
3.1.1 实验地点.....................................20
3.1.2 实验分析对象........................21
第四章 凹槽内单台室外机周围运行环境模拟研究........................36
4.1 建立数值模型......................................36
4.1.1 计算区域........................................36
4.1.2 网格划分...............................36
第五章 凹槽内两台室外机周围运行环境模拟研究...............................71
5.1 模拟工况确定.............................71
5.2 模拟结果分析.......................73

第五章 凹槽内两台室外机周围运行环境模拟研究

5.1 模拟工况确定
在目前的建筑设计中，对于凹槽内摆放两台及两台以上分体式空调室外机的情况，常见的室外机排列布置方式有以下两种：
1）室外机水平排列布置方式。凹槽内的室外机在摆放在同一水平面上，相邻室外机左右之间存在一定的距离 ds，如图 5-1 所示。

2）室外机垂直排列布置方式。凹槽内的两台室外机摆放在同一竖直平面上，相邻室外机上下之间存在一定的距离 dc，如图 5-2 所示。

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第六章 结论与工作展望

6.1 结论
室外机周围运行环境的直接影响分体式空调的制冷效率，而在实际的工程中，室外机安装条件、百叶形式、室外环境参数、排列布置方式等诸多因素都会对室外机运行环境造成影响。因此，本文采取实验测量与数值模拟相结合的研究方法，对不同因素下凹槽室外机的周围运行环境进行了研究分析。研究得出的主要结论如下：
1）对比分析相同工况下的实验结果和模拟结果，发现进风温度的误差基本控制在2℃，且实验值与模拟值随工况变化的趋势十分一致，吻合度高，说明数值模拟十分接近实际情况，从而验证了室外机散热数值模型的合理性。
2）随着室外机离凹槽侧壁以及凹槽后壁的距离不断增大，室外机周围的运行环境逐步得到改善，室外机进风温度均呈逐渐下降的变化趋势，但当距离均增大 200mm 后，室外机进风空间大小能满足室外机的进风需求，室外机进风温度逐渐趋于稳定，温度不再发生明显变化；随着室外机与前挡百叶的距离不断增大，室外机释放的热量堆积在凹槽内，导致室外机周围的热环境逐渐恶化，室外机进风温度显著上升；随着凹槽高度不断增大，室外机进风条件逐渐得到改善，室外机进风温度逐渐减小，但当凹槽高度增大到 800mm 时，进风温度不再随高度进一步增大而明显变化。
3)在百叶间距不变的条件下，百叶倾角越大，室外机周围的热环境越恶劣，在百叶倾角增大到 45°时，室外机的进风温度达到最高，因此百叶的倾斜角度应处于 30°以下，且为了达到遮阳防雨的目的，百叶的倾斜角度应调至向下；当百叶倾角一定时，随着百叶的间距不断增大，室外机进风温度呈缓慢下降地趋势，且变化幅度较小，说明增大百叶间距对降低室外机进风温度的作用并不显著。
4)随着室外侧环境温度的不断增大，凹槽室外机的进风温度也随之升高，但两者之间的温差始终维持在 1.8℃左右；当室外侧的风向与凹槽室外机出风方向相反时，若室外侧的风速不断增大，则会导致凹槽室外机的进风温度不断减小，分析原因在于，此时室外侧的空气与凹槽室外机排出的高温气流之间的对流换热热交换量较大，在一定程度上改善了凹槽室外机的热环境，使得凹槽室外机的进风温度减小，有效地改善了凹槽室外机周围的运行环境，提高了凹槽室外机的运行性能。
参考文献（略）