某高层建筑空调室外机组的散热模拟与优化.pdf

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?年等10瓤挈?7卷第224竺 建筑节能N0.10 iII 2009 frbtal Na224.V01.3刀 ‘。一。一 ■暖通与设备 HEATING VENTILATION&EQUIPMENT doi:10.3969/j..issn.1673.·7237.2009.10.010 某高层建筑空调室外机组的散热模拟与优化 胡军-,王长庆2,徐晓环- (1.同济大学机械工程学院,上海201804;2.同济大学同科学院,上海200070) 摘要: 利用CFD数值模拟方法对建筑空调室外机的散热进行模拟,研究了高层建筑中多联机空调室外机的散热对上层设备的影响. 对室外不同风速以及室外机不同排列方式进行模拟,分析了室外风速对室外机散热的影响,通过对室外机排列方式的优化,满 足了室外机的工作条件。 关键词:CFD; 室外机; 散热; 优化 中图分类号:TU831 文献标志码:A 文章编号: 1673..7237(2009)10-0031.04 Numericall Simulation of Aiirflow and Optimization of Heat Release on Muhi—splits Air-conditioner Condensers HU Jun‘,WANG西口学呷呐矿XU Xiao-hmm 1 (1.College ofMechanical Enginecdng,Tongii University,Shanghai 201804,China; 2.College ofTongke,Tongji Universil哦Shanghai 200070,China) Abstract.“Heat release of outdoorⅡn如M哪simulated by using CFD numerical sinud妞ion methods.The influence of heat release from the outside unit of air conditioners On the upper located outside condenser units in口multi-storied building loa$studied.A nd by 5如讹i,|g different wind velocity and different placement ofoutdoor units,the result shows that outside wind has口bad in乒uence Oil heat release,.By im- proving the placement ofoutdoor units.,the working condition is satisfied. Key words:C-TD;outdoor units;heat release;optimization 0 引言 由于多联机空调集一拖多技术、智能控制技术、 多重健康技术、节能技术和网络控制技术等多种高新 技术于一身,其结构紧凑、美观、节省空间,因此,得到 了越来越多的运用。 作为多联机的一个重要部分,室外机的摆放方 式一般如下:①集中布置在地面上:②集中布置在 建筑物屋面上;③在高层建筑中集中摆放在避难 层;④室外机布置在阳台或挑台上;⑤以上几种方 案的结合。 当室外机摆放在阳台或挑台上时,在炎热的夏 天,这些设备都会同时运行,由这些设备释放的热能 将使周围环境的空气温度上升,从而引起热和空气的 自然向上流动,造成上部楼层的外部环境空气温度升 高。在环境温度、风力条件以及室外机所处建筑条件 等因素共同影响下,上层的空气温度可能会过高,从 而导致上层的空调设备得不到足够的冷却空气来散 热。这样,为了获得相同的制冷效果,需要消耗更多的 电能。同时由于室外机附近的空气温度升高,会导致 空调设备的效率降低,浪费电能。在某些比较极端的 情况下,因为热流上升,可能因过高的温度而触发压 缩机的安全保护装置,造成空调设备的运行中断。因 收稿日期:2009--08.24.修回日期:2009--09-08 此,若重视上升的热气流现象,并且在建筑设计中尽 量减小其不利的影响,将有利于保证空调设备有效地 发挥制冷能力和减小能源的消耗。 研究与建筑有关的空气流动与换热问题一般有 实验研究和数值模拟研究,对于本文实验研究有其特 有的局限性并不能得到满意的结果。相比之下,计算 机模拟更加快捷和经济以及灵活。 CFD(computational fluid dynamics)技术在流体分 析上正得到越来越多的认可,它是伴随着计算机技术 和数值计算技术的发展而发展的,它即是利用计算机 求解流体的各种守恒控制偏微分方程组的技术。本文 将利用CFD软件,通过分析室外机运行时的热空气 的流动,以及室外风速和室外机排列方式对周围热环 境的影响。 l工程概况 1.1建筑概况 建筑共22层,层高3.5 m,每层西面阳台设l台室 外机,每台室外机由2个基本模块组成,散热量为 70kW,排风量21 000 mⅦ。 1.2气象条件 本建筑坐落在安徽合肥,主要考虑夏季空调室外 机的工作状况,室外计算温度35℃,夏季平均室外风 速2.6 m/s。 巳1 万方数据 图l空调室外机 1.3 室外机布置面临的问题 当所有室外机全部运行时,由于热流浮升,会导 致上层机组吸入下层机组排出的热空气,导致上部机 组吸入端温度升高,影响机组的COP值,当室外机进 风温度上升1℃时,COP就下降3%,严重时还会导 致机组无法正常运行。由于本建筑为22层,温度浮升 效应很明显,需要对室外机散热状况进行优化。 2数值模型 假定流体的物理特性与温度无关并且忽略辐射 换热,运用Navier-Stocks(RANS)方程。采用标准K-6 方程组,这些方程可以表达为: 连续性方程: a v:旧X。=o (1) 动量方程: a∞viiV)/aXj=一(aP/c3Xi)+t:a/axj)·驰盯(aV/aXf+ a V旧Xi)】邶(丁-L培t (2) 湍流动能方程: a∞V.,K)/OX,=(a/ax力.[以+Ix。/o-,3(aK/c3X』)】斗p。 (a V;/a墨)(a Vii/c3耐a Vj/c3Xt)-pe(3) 紊流能量耗散方程: aD、,≯)/ax,=(c3/ax』)·【弛机,io-。)(aslaX加+c I (e/K沁t回V/}aX_@Vi?8Xi+8Ⅵ/Ox,)一c如矿fl()㈣ 能量方程: a(pVjT)/a墨=(a/a?D·[(蠡了c—弘。/盯一(a刀a柳】(5) 其中: pdr习—弘。,ixrC。p(10/e) 式中:胁为湍流有效黏性系数;胁为涡粘性系数i=l, 2,3=j=l,2,3;V为速度,P为密度,肛为分子粘性系 数,K为紊动能,占为紊动能耗散率,口为流体热膨胀 系数(/3=l/Tc 1。在本文计算中,湍流模型的常数采用 标准值:C。=0.09,cl=1.44,cr=1.92,仃I=1.0,仃,1.3。 3模拟结果 3.1原始方案的模拟情况 本次模拟实验的目标是通过优化与改进使得最 上层与最底层室外机的吸入端温度差≤3℃,以避免 产生短路现象。 均 图2原始方累计算模型与网格图 原始方案中每层阳台上放置l台室外机组,为配 合建筑外形需要,机组通过弯头将顶出风方式改成水 平出风,机组出风速度为4.5州s。 由于空调室外机的尺寸比建筑物本身相比小很 多,因而采用了非均匀网格。用正交的结构网格对整 个计算区域进行划分,本模型的网格数为130万。 在本模型中,所模拟的室外机与建筑外墙间距离 为0.2 m,室外机的内部用一体积热源来模拟其热量 的释放过程,其中冷却风扇用一体积力来模拟。在计 算分析中,认为建筑外墙是平坦的且外墙上的窗户是 关闭的,另外,太阳热辐射的影响也不予考虑。 图3是模拟计算结果。图3(b)是当只有l层空调 室外机运行时的温度场计算结果,发现当热释放率较 小时热气流的上升温度比较小;而当室外机全部开启 时,从第2层开始吸入端的温度就开始上升,到第8 层时温度已超过316 K,可见随着室外机的继续运行, 上层的散热环境更加恶化,无法保证空调机组的正常 运行。 a室外机全部开启b室外机仅I层开启 图3原始方案温度场计算结果 万方数据 3.2改进方案的模拟情况 3.2.1改进方案l的模拟情况 将室外机的放置方式进行改进,由原来的每层设 置l台室外机改为将室外机集中放置在第l、3、5、7 层,每层设2台。 图4是模拟计算结果。发现将室外机有每层均设 置改为隔层设置后,散热情况得到明显改善,最高层 空调室外机的吸入端温度有所下降,由原先的316 K 降为312 K左右,但是比第一层室外机的吸入端温度 308 K还是高了4℃,虽然本文章只模拟了8层,但是 可以预见随着层数的增加,上层室外机的温度还会进 一步升高。 a计算模型 b温厦场计算结果 图4改进方案1 究其原因,2个室外机同时放在一层时,通过图5 即第7层室外机中心截面的温度场可以发现,两股射 出气流会相互影响,而且热气流还会阻挡周围冷空气 的进入,导致机组无法吸入环境中的较冷空气,极易 形成“短路’砚象。 图5第7层室外机中心截面温度场与速度场 为了保证室外机的正常运行,有需要进一步降低 室外机的吸入端温度及进风环境。 3.2.2改进方案2的模拟情况 图6a是改进的方案2的计算模型,鉴于方案一 中出现的问题,可以使阳台中的2个室外机出风口联 入同一个静压箱,将出风口变成1个出风口,以消除 同楼层排热出现的热干扰现象。 a计算模型 b温度场计算结果 图6改进方案2 图6(b)是计算结果。吸入端温度达到所需要的要 求,均保持在310.5 K以下,改进后散热效果得到显著 改善,基本达到目标,由于从同一个出风口出风,周围 的冷气流顺利进入室外机吸入端的可能性增大,直接 导致下部吸入端温度下降,保证了空调正常运行。 3.3 不同室外风速情况下的模拟 为考察室外风速对室外机的散热影响,针对改进 方案2另作3种风速模拟(图5为风速2.6 m/s时的 模拟结果),风速分别为:1.0m/s,2.0m/s,3.0m/s。模拟 结果见图7。 (a)v=1 m/s (c)v=3m/s 图7不同室外风速下室外机周围温度场 攀 万方数据 综合考虑不同的室外风情况,可以较明显地看 到,室外风速对室外机的吹出长度有一定影响,当室 外风速为1 m/s时,室外机能吹出4Ill距离,而当风速 升高至3 m/s时,只能吹出2 ITI的距离,由此可见,若 室外机安装在建筑物的凹槽部分时,有必要对室外机 的吹出长度进行计算,以保证能吹出建筑物的凹槽, 以免影响其散热效果。 图8不同室外风透下室外机吹出距禹 4结语 对于高层建筑在安装有空调室外机的情况下,有 必要对室外机的散热情况进行优化,以保证室外机的 正常运行,其中合理的室外机的放置方式是一个相对 经济而可行的办法。 本文通过对8层楼室外机放置方式改进前后的 方案进行比较,设计出优化方案,并将其运用到实际 楼层进行计算,根据模拟结果,最上层与最底层的室 外机吸入端温差3℃,验证改进方案可行。 通过对室外不同风速下的情况进行模拟,发现室 外风速对室外机的运行有一定的负面影响,随室外风 速的增大,机组的风机吹风射程明显减小,因此,当室 外机安放在建筑物凹槽部分时应避免此情况引起的 不利影响,以保证室外机能吹出凹槽,防止热量在建 筑的凹槽部分聚集。 鉴于篇幅有限以及计算机硬件条件限制,本文的 模拟只进行了8层楼的计算,但从模拟的结果分析, 同样可以将结果运用到实际楼层当中。 参考文献: [1it T ChowZ L垴Q W Wang Effect of Building Re·entrant Shape On Performance ofAir-cooled Condensing Units口l Energy and Buildin92000, 32143-152. 【2】王文魁,谢鸣,阮立明.空调室外机散热对建筑物红外特征的影响阴. 能源技术,2005,23(3):244—246. f31沈雨龙.浅谈暖通空调工程的多联机空调系统【J】.中国科技信息, 2008(1):64-66. 【4】邓启红,汤广发.多重网格法在通风空调气流数值模拟中的应用【J】. 应用基础与工程科学学报,1998,6(1):48.54. [5】王福军.计算流体动力学分析——cFD软件原理与应用[MI.北京:清 华大学出版社,2004. 作者简介:胡军(1986),男,安徽贵池人,同济大学在读硕士研究生。 供热、供燃气、通风及空调工程专业(kinghujun@163.corn)。 指导教师:王长庆(1965),男,江西彭泽人,副教授,同济大学同科学 院楼宇设备工程与管理系系主任,从事建筑节能方面的研究。 (上接第15页)(外墙、外窗、屋面)的节能率和节能成 本明显优于单一改造方案(外墙、屋面)。在同等成本 下,综合改造的节能率更高。外墙保温层厚度越厚,保 温效果越好,但是性价比越低。以满足节能50%为标 准,该工程最终节能改造方案以屋面采用40 mm厚 挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板保温,外墙采用20 mm厚 挤塑聚苯板保温,外窗采用中空玻璃(6C+12A+6C)为 宜,总节能成本为19.55万元,单位综合节能造价为 46.5元/m2。 5结语 通过对既有教学建筑节能改造的计算及分析,我 们可以推导出在夏热冬冷地区公共教学楼节能改造 的策略如下: (1)通过对各项节能材料的保温效果及经济性分 析可以得出,适合夏热冬冷地区既有教学楼建筑节能 改造的围护结构材料分别为:屋面采用挤塑聚苯乙烯 泡沫塑料板保温、外墙采用挤塑聚苯板保温、外窗采 用中空玻璃窗保温: (2)在节能设计中,保温材料越厚,保温效果越好, 但是性价比越低。因此,不可期望通过一味提升保温 哟 材料厚度而降低能耗,而应综合考虑各部分的能耗情 况,选择合适的保温材料厚度; (3)单纯对某种围护结构进行节能改造的节能效 果远低于对建筑进行综合改造所获得的效果,因此, 在进行改造时应多从宏观上进行把握,寻求保温效果 与经济性的平衡点。 参考文献: 【l】沈婷婷,龚敏,葛坚.既有公共建筑节能改造初探【J1.华中建筑,2008 (10):130·133. [2】GB50189—2005公共建筑节能没计标准【s】.北京:中国建筑工业出版 社,2005. 【3】谭亮,熊永强,田瀛涛,等.玻璃隔热涂料应用于夏热冬暖地区的节能 分析【J】.涂料工业,2009,39(4):5 1·54. 作者简介:唐兰(1979),女,湖北荆州人,长江大学城市建设学院讲师, 从事建筑结构及建筑节能技术方面的研究(tanglan@yangtzcu.edu.en)。 指导教师:南新军(1964),男,甘肃宁县人,高级工程师,长江大学城 市建设学院总工,从事建筑结构及建筑节能技术方面的研究。 万方数据
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