基于CFD模擬分析的深圳某超高層公寓多聯機室外機布置研究

夏可超

廣東省建筑設計研究院有限公司 廣東 廣州 510000

隨著人們對室內空氣品質及舒適性要求的不斷提高，越來越多的公寓開始采用戶式多聯機空調系統，尤其是超高層公寓。超高層建筑往往會對建筑外立面有很高要求，而多聯機室外機需要在相應外立面設置百葉，因此，如何平衡好建筑外立面美觀和空調室外機散熱效果之間的關系成為布置多聯機空調室外機的關鍵[1-3]。超高層公寓戶式多聯機空調室外機一般被要求設置于建筑立面凹進處，且室外機安裝空間狹小，平面同一位置豎向安裝室外機的層數多達幾十層，這就造成空調室外機運行環境往往較差。在這種情況下，空調室外機的進風溫度對其能否正常運行影響很大，而安裝在超高層公寓建筑同一凹槽空間內，每層空調室外機的總散熱強度則是影響豎向各層空調室外機進風溫度的主要因素。本文運用CFD模擬軟件Airpak3.0.16對實際工程某超高層公寓的多聯機室外機擺放方案進行數值模擬，根據模擬結果對不同室外機擺放方案進行分析和評價，并得出在不破壞建筑外立面效果的前提下最合理的室外機設置方案，指導實際設計。

1 工程概況

1.1 建筑概況

本項目位于廣東省深圳市，為一大型商業綜合體，集辦公、商業、商務公寓等功能為一體，總建筑面積約25.0萬m2。本文所討論的公寓位于其中一棟塔樓的24-46層，共23層，建筑面積約4.0萬m2，建筑高度199.2m。標準層每層八戶，層高3.6m，避難層層高3.9m。

1.2 氣象條件

本項目位于夏熱冬暖地區，主要考慮夏季空調室外機的運行情況。當地夏季室外空氣設計參數如表1所示：

表1 室外設計參數[4]

1.3 空調系統形式

為便于運行管理和減少室外機百葉對建筑立面的影響，經多方論證后，本項目空調采用戶式多聯機空調系統，標準層各戶的多聯機室外機集中設置于本層的建筑凹槽內，其具體設置位置如圖1所示。

圖1 標準層室外機位設置平面圖

從圖1可以看出，空調室外機運行環境較差，為驗證室外機能否正常運行，需對室外機安裝區域熱環境進行CFD模擬研究。

2 CFD模擬條件

本模擬采用Fluent airpak3.0.16進行模擬計算，Fluent airpak是面向工程師、建筑師和室內設計師的專業領域工程師的專業人工環境系統分析軟件，其計算內核是基于Fluent。

為簡化模型，采用以下假設：建筑物外墻絕熱平坦，忽略太陽輻射、地面反射及壁面之間的換熱，建筑物外立面其他設備對空調室外機運行時的氣流溫度場、速度場的影響可忽略[5]；室外環境溫度采用當地夏季空調室外計算溫度33.7℃，考慮夏季主導風向東南東風，平均風速2.7m/s；空氣滿足理想氣體定律，考慮重力對氣流的影響。

根據設計選定的空調室外機實際尺寸建立室外機模型。室外機進風口和回風口模型選擇Recirc Openning模型，該模型能夠模擬氣流經過熱交換器換熱后再送出去的過程，可以模擬出空調室外機的進排風效果。在Recirc Openning中定義出每臺空調室外機的循環風量和單位釋放的冷凝熱即體積熱源。

室外機位外立面設置有百葉，本項目室外機位外百葉采用直百葉形式，百葉通風率達到80%，在誤差范圍許可內本模擬不考慮百葉通風率。

由于戶內各房間室內空調器并不是同時開啟的，根據相關研究[6-7]，我們取同時使用系數為0.5。

3 室外機布置方案及數值模擬

3.1 室外機布置方案1

標準層各戶的空調室外機集中布置在每層的室外機平臺上，每層設置8臺室外機，其中4臺是頂出風（規格均為16HP），4臺是側出風（其中2臺規格為7HP，2臺規格為12HP），具體的室外機布置如圖2所示。

圖2 室外機布置方案1

以室外機平臺區域為模擬分析區域，搭建CFD模型如圖3a所示，典型豎向溫度分布如圖 3b所示。

圖3 CFD模擬結果

從圖3b可以看出，除24、36層空調室外機的進風溫度小于43℃外，其余樓層的空調室外機的進風溫度均超過43℃，從而導致大部分室外機無法正常運行[8-9]。且由于熱風熱浮力的累積效應，隨著樓層的增高，室外機進風溫度逐漸增大，39-46層的空調室外機進風溫度甚至達到50℃。由模擬結果可見，在該方案下，大部分樓層的空調室外機已無法正常運行。

3.2 室外機布置方案2

從方案1的模擬結果來看，由于每層室外機平臺擺放室外機過密，導致室外機進風環境惡化，尤其是隨著樓層增加室外機運行環境逐漸惡化。從優化室外機運行環境，減少室外機平臺擺放設備數量的角度，同時結合建筑立面效果，考慮將兩臺小戶型的側出風室外機（規格均為7HP）移至各戶室外機平臺安裝，每層室外機平臺集中擺放6臺設備，其中4臺是頂出風（規格均為16HP），2臺是側出風（規格均為12HP），具體的室外機布置如圖4所示。

圖4 室外機布置方案2

以室外機平臺區域為模擬分析區域，搭建CFD模型如圖5a所示，典型豎向溫度分布如圖5b所示。

從圖5b可以看出，相較于方案1，空調室外機的運行環境得到很大改善。24-27、36-37層的空調室外機的進風溫度小于43℃，但其余樓層的空調室外機的進風溫度均超過43℃，且43-46層的空調室外機進風溫度依然達到50℃。由模擬結果可見，在該方案下，仍有部分樓層的空調室外機無法正常運行。

圖5 CFD模擬結果

3.3 室外機布置方案3

從方案2的模擬結果來看，大部分室外機的進風溫度依舊超過高溫保護停機溫度，無法滿足運行要求。為減少每層室外機平臺設備散熱量，同時結合建筑立面效果及功能布置，考慮將兩臺大戶型的頂出風室外機（規格均為16HP）移至避難層和屋面安裝，每層室外機平臺集中擺放6臺設備，其中2臺是頂出風（規格均為16HP），4臺是側出風（其中2臺規格為7HP，2臺規格為12HP），具體的室外機布置如圖6所示。

圖6 室外機布置方案3

以室外機平臺區域為模擬分析區域，搭建CFD模型如圖7a所示，典型豎向溫度分布如圖7b所示。

圖7 CFD模擬結果

從圖7b可以看出，相較于方案2，空調室外機的運行環境進一步得到改善。24-46層的空調室外機進風溫度均小于43℃，熱風熱浮力的累積效應被減弱，所有樓層的空調室外機均能正常運行，該方案能夠較好的滿足項目需求。

綜上所述，對比三種室外機布置方案，方案2和方案3均通過減少凹槽內室外機布置數量來使室外機運行環境得到明顯改善，但方案3的改善程度要更優于方案2。這主要是由于方案3減少的凹槽內室外機散熱強度要大于方案2。這說明，合理調整各層在同一凹槽空間內室外機總散熱強度能夠明顯改善室外機運行環境。

4 結論

本文結合深圳地區某超高層公寓的實際設計情況，利用CFD模擬軟件對樓層布置的室外機不同方案進行模擬研究，對于公寓多聯機項目具有一定的指導意義，并將本項目的經驗總結如下：

1、在確定超高層公寓多聯機室外機布置方案前，利用CFD模擬軟件對不同方案進行比較分析有利于減少后期設備運行問題；

2、對于每層空調室外機集中擺放的超高層公寓，需注意熱風熱浮力的累積效應所造成的上層室外機進風溫度過高問題，避免因樓層過高導致室外機無法正常運行；

3、室外機平臺的室外機總散熱強度直接影響各層室外機的進風溫度。換言之，在確定室外機布置方案時，同一建筑凹槽內每層室外機總散熱強度需要通過CFD分析確定，其判定準則為所有層的室外機進風溫度不能超限。