空調(diào)室外機(jī)冷凝熱排放對(duì)環(huán)境的影響

空調(diào)室外機(jī)冷凝熱排放對(duì)環(huán)境的影響摘要利用CFD技術(shù)研究空調(diào)室外機(jī)組散熱對(duì)周圍環(huán)境的影響，對(duì)室外機(jī)組周圍空氣的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明空調(diào)室外機(jī)組的散熱使其周圍很大空間有較高的溫度升高,因此必須合理布置空調(diào)室外機(jī)組的位置,要考慮其散熱對(duì)自然通風(fēng)和新風(fēng)采集的影響,以及周圍空調(diào)機(jī)組的相互作用,避免周圍的空氣溫度升高過多,而造成的效率降低甚至因過高的冷凝溫度而導(dǎo)致的機(jī)組運(yùn)行中斷.同時(shí)也要兼顧對(duì)人的正?；顒?dòng)的影響.最后提出采用冷凝熱回收技術(shù)來減少冷凝熱排放對(duì)環(huán)境的影響,并通過模擬結(jié)果的對(duì)比加以證實(shí).關(guān)鍵詞冷凝熱,熱環(huán)境,數(shù)值模擬,分體式空調(diào)引言空調(diào)設(shè)備為人的生活提供了舒適的室內(nèi)生活環(huán)境，已成為現(xiàn)代生活中的必需品.分體式空調(diào)以其簡(jiǎn)單靈活、易于安裝的特點(diǎn)被廣泛的用于住宅建筑中.分體式空調(diào)由室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)兩部分組成.本文的研究對(duì)象就是分體式空調(diào)的室外機(jī)部分.室外機(jī)是由一個(gè)軸流風(fēng)扇和一組散熱翅片組成的風(fēng)冷式冷凝器,大多安裝在建筑物的外墻表面上.夏季，室外機(jī)組上的軸流風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)冷卻空氣經(jīng)過冷凝器翅片，降低制冷劑溫度,帶走冷凝熱.由室外機(jī)組釋放的冷凝熱在宏觀上是“城市熱島效應(yīng)”的重要成因之一,在微觀上使周圍環(huán)境的空氣溫度上升，引起熱和空氣的流動(dòng)，從而改變了整個(gè)建筑周圍的熱環(huán)境,建筑周圍空氣溫度的升高，將直接導(dǎo)致空調(diào)室內(nèi)負(fù)荷的增加，增加了電能的消耗;同時(shí)室外機(jī)附近的空氣溫度升高，會(huì)使冷凝溫度升高，降低空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行效率.同時(shí),冷凝熱排放使周圍環(huán)境溫度的升高,加大了室內(nèi)外空氣的密度差,增加了熱壓力,也影響到自然通風(fēng)口及新風(fēng)口位置的選取.本文將利用CFD技術(shù)對(duì)空調(diào)機(jī)組附近環(huán)境的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,研究機(jī)組周圍空氣的速度和溫度變化情況.近年來,計(jì)算流體力學(xué)(CFD)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展而得到了更加廣泛的應(yīng)用,特別是對(duì)各種實(shí)際問題的模擬計(jì)算,利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件將會(huì)更簡(jiǎn)便、更快速、更直觀地得到計(jì)算結(jié)果.因此,CFD軟件成為工程設(shè)計(jì)和研究的重要工具之一.FLUENT是一種功能強(qiáng)大的CFD軟件,它匯集了大多數(shù)的流體計(jì)算模型,包括層流模型、各種紊流模型、基本流體傳熱模型、化學(xué)輸運(yùn)與反應(yīng)流模型、污染形成模型、相變模擬模型、多相流模型和輻射模型,提供分離解法和耦合解法兩種數(shù)值方法,通過有限體積離散差分(隱式或顯式)方法來求解模型的控制方程,整個(gè)求解過程利用設(shè)定殘差值、松弛因子和Courant數(shù)來控制其精確性、穩(wěn)定性和收斂性[1].本文利用FLUENT軟件,在對(duì)物理模型進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化處理的基礎(chǔ)上,對(duì)空調(diào)冷凝器附近的空氣流動(dòng)和傳熱情況進(jìn)行了模擬計(jì)算研究,用數(shù)值計(jì)算的方法分析了空調(diào)冷凝器散熱對(duì)周圍環(huán)境的影響,并得出相關(guān)結(jié)論.1.物理建模及計(jì)算以某四層建筑一層的一臺(tái)落地式家用空調(diào)機(jī)組為例,其室外機(jī)組安裝在建筑物外墻上,與墻壁的水平距離為0.2m,中心處與地面的垂直距離為1.2m,機(jī)組尺寸為0.9m×0.9m×0.4m,總散熱率為9KW.為了讓空氣流動(dòng)有較為充分的發(fā)展,需要一個(gè)較大的空間,以墻壁為面做一個(gè)5m×5m×5m的計(jì)算區(qū)域(見圖1)，在豎直方向并未到達(dá)建筑物頂部，只是截取了一部分作為研究。環(huán)境溫度取為32度，風(fēng)速0.2m/s,方向垂直于墻壁。圖1計(jì)算區(qū)域1.1數(shù)值計(jì)算過程本文是一個(gè)紊流的三維穩(wěn)定流場(chǎng)流動(dòng)問題,基于空氣紊流特性的微觀解析,采用平均湍流能量模型——k—ε雙方程湍流模型求解方程組。由于熱浮力的作用不能忽略，采用了boussinesq假設(shè)[2]?？刂品匠探M如下所示：質(zhì)量守恒方程：不可壓縮流體方程簡(jiǎn)化為：——流體密度，kg/m3;——i方向的速度，m/s(2)動(dòng)量方程：——應(yīng)力張量;——分子粘度;P——靜壓，Pa;——i方向的體積力;——由熱源引起的源項(xiàng)（3）能量守恒方程：;——分子導(dǎo)熱率，W/(m﹒K)——湍流擴(kuò)散引起的導(dǎo)熱率，W/(m﹒K)——體積熱源;——湍流粘度;——湍流普朗克數(shù)，取0.85湍流模型方程——標(biāo)準(zhǔn)——雙方程模型(4)湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)—雙方程模型。湍流動(dòng)能方程：擴(kuò)散率方程：——平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能——浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能——熱膨脹系數(shù)——,湍流普朗克數(shù)模型常數(shù)分別為：本文中，求解主要變量（速度及溫度等）的控制方程都可以表示成以下通用形式[3]：——通用因變量，代表（u,v,w,T,k,,1）——密度;u——速度失量——擴(kuò)散系數(shù);S——源項(xiàng)采用控制容積法進(jìn)行離散，離散后的方程可寫成如下的通用形式[4]：，——系數(shù)b——源項(xiàng);nb——下標(biāo)，相鄰的網(wǎng)格1.2物理模型的建立建立三維模型、劃分網(wǎng)格及設(shè)定邊界條件在Gambit模塊下完成,這是FLUENT計(jì)算的前處理過程。此計(jì)算區(qū)域形狀較為規(guī)則,可以劃分為六面體網(wǎng)格，由于室外機(jī)的尺寸比計(jì)算區(qū)域小很多,而且其影響的范圍有限，因而使用了非均勻網(wǎng)格，對(duì)機(jī)組附近網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密。網(wǎng)格均為六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)為142800個(gè),網(wǎng)格質(zhì)量在0.3以下,質(zhì)量較好符合計(jì)算要求.在Gambit模塊下設(shè)定其邊界類型和流體類型如下:室外機(jī)的熱量釋放用一個(gè)體積熱源來模擬,冷卻空氣從靠近外墻一側(cè)的開口進(jìn)入,被加熱后的空氣則從離外墻較遠(yuǎn)一側(cè)的開口噴出?？諝庥烧龑?duì)機(jī)組的進(jìn)口一側(cè)流入,由頂面流出.側(cè)面設(shè)為對(duì)稱面.1.3計(jì)算對(duì)計(jì)算域物理模型作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，假設(shè)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，室外溫度和空氣運(yùn)動(dòng)保持穩(wěn)定.本文主要研究冷凝熱排放對(duì)周圍環(huán)境的影響,對(duì)太陽輻射、墻體及地面輻射、傳熱的影響暫不考慮，墻壁為平面無開口，設(shè)墻壁和地面均為絕熱壁面.設(shè)室外空氣為32度,沿－Z方向以0.2m/s的速度進(jìn)入計(jì)算區(qū)域,機(jī)組風(fēng)扇側(cè)速度為0.6m/s,兩個(gè)側(cè)面均作為對(duì)稱面處理,頂面作為計(jì)算區(qū)域的出口.采用壓力-速度耦合的SIMPLE方法進(jìn)行求解[5],FLUENT采用分離式求解把控制方程分離解出.因?yàn)榭刂品匠淌欠蔷€性、耦合的,所以在得到收斂解之前,必須進(jìn)行迭代.每步迭代過程如下:(1)在當(dāng)前解的基礎(chǔ)上,更新流體屬性(如果計(jì)算剛剛開始,流體的屬性用初始解來更新);(2)為了更新流場(chǎng),三維的動(dòng)量方程用當(dāng)前壓力和表面質(zhì)量流量按順序解出;(3)因?yàn)榈谝徊降玫降乃俣瓤赡茉诰植坎粷M足連續(xù)性方程,所以從連續(xù)性方程和線化動(dòng)量方程推導(dǎo)出壓力校正的泊松方程,然后解出壓力校正方程獲取壓力和速度場(chǎng)以及表面質(zhì)量流量的必要校正從而滿足連續(xù)性方程;(4)在適當(dāng)?shù)胤?用前面更新的其它變量的數(shù)值解出湍流、能量、組分和輻射等標(biāo)量;(5)當(dāng)包含相間耦合時(shí),可用離散相軌跡計(jì)算來更新連續(xù)相的源項(xiàng);(6)檢查設(shè)定的方程的收斂性,直到滿足收斂判據(jù)才結(jié)束上述步驟[1].2計(jì)算結(jié)果分析比較周圍環(huán)境的空氣流動(dòng)主要受風(fēng)扇的影響,溫度主要受散熱量的影響.由通過機(jī)組中心的水平面和豎直面的溫度速度分布圖(圖2至5)可以看出,大氣溫度32度,冷凝器進(jìn)口處溫度約為33.3度,比空氣溫度高了1.3度,經(jīng)過翅片換熱后,出口溫度為43.1度,具有很大的溫度梯度.而由于風(fēng)機(jī)的作用,使高溫的氣體迅速向四周和上空擴(kuò)散,其中Z方向3.5m,X方向2.4m,Y方向3.7m以上的橢球形區(qū)域內(nèi)溫升都達(dá)到了3度和3度以上.而受到影響的區(qū)域幾乎占了整個(gè)空間的三分之一.在該區(qū)域內(nèi)的最大溫度梯度為11度.風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)冷卻空氣經(jīng)過冷凝器翅片，帶走由制冷劑釋放的冷凝熱.冷卻空氣的溫度對(duì)空調(diào)機(jī)組的性能有著顯著的影響,室外機(jī)組的冷凝溫度升高一度,就會(huì)使空調(diào)的COP下降3%.如果冷凝溫度長(zhǎng)時(shí)間在45度左右,就會(huì)造成空調(diào)由于冷凝壓力過高而停機(jī)[6].目前空調(diào)用戶急劇增加,使得很多空調(diào)的室外機(jī)組距離過于緊密.如果在上述區(qū)域內(nèi)還有其他空調(diào)機(jī)組工作,也將有大量的冷凝熱排出,互相影響,使周圍的空氣溫度升高更多,致使冷凝器得不到足夠的冷卻空氣來降低自身溫度,冷凝溫度升高,降低空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行效率,甚至因過高的冷凝溫度而導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行中斷.因此,在布置空調(diào)位置得時(shí)候應(yīng)該適當(dāng)加大其間距,避免由于互相干擾而引起的不必要的能量損失.室外機(jī)組安裝在建筑物外墻上,多臺(tái)機(jī)組共同運(yùn)行時(shí),會(huì)改變整個(gè)外墻附近的大氣環(huán)境,使周圍環(huán)境溫度升高,增加了室內(nèi)外的熱壓差(△P=(ρ室外－ρ室內(nèi))gh=ρ室內(nèi)gh(T室內(nèi)－T室外))[7],通過墻體的傳熱和滲透風(fēng)傳入室內(nèi),增加室內(nèi)的冷負(fù)荷,浪費(fèi)電能.同時(shí)在布置空調(diào)外機(jī)時(shí),也應(yīng)與自然通風(fēng)口和新風(fēng)口保持適當(dāng)?shù)木嚯x,避免將風(fēng)口布置在室外機(jī)影響較大的區(qū)域內(nèi),造成不必要的負(fù)荷增加.另外室外機(jī)的安放也要考慮到人的活動(dòng),盡量布置在沒有人活動(dòng)的區(qū)域,現(xiàn)在很多住在低層的空調(diào)用戶把室外機(jī)隨意擺放在人活動(dòng)較多的地方,在酷熱的夏季,室外機(jī)射出的高溫氣體給人們的活動(dòng)帶來很多不便.要從根本上解決冷凝熱排放帶來的種種不利影響還是要盡量減少排放到周圍環(huán)境中的冷凝熱,回收冷凝熱加以利用,不但降低了其對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響,也減少了不必要的電能消耗,提高了能量的利用率,達(dá)到一舉兩得的效果,作者對(duì)該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)做了大量理論研究和可行性實(shí)驗(yàn),在參考文獻(xiàn)8-11中均有體現(xiàn).設(shè)冷凝熱回收后,機(jī)組的散熱量為原來的50%,其他條件不變,在做一組模擬作為對(duì)比,由于未改變風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況及外界條件,因此速度的分布沒有明顯的改變,就不在將文章中列出.而溫度由于熱釋放率的改變而有明顯變化,如圖6、7所示,與未經(jīng)過冷凝熱回收的情況相比,雖然影響的范圍相同,但是溫度的變化梯度卻發(fā)生了很大變化.在同一受影響的區(qū)域內(nèi),冷凝熱熱回收前溫度為11度,回收后僅為5度.在該區(qū)域內(nèi),溫度以換熱器為中心,沿徑向向外擴(kuò)散,逐漸降低至與大氣溫度相同.在溫度的邊界層,即接近外環(huán)境溫度的部分,溫度徑向梯度變化較大,且各方向均有不同.圖2通過機(jī)組中心的水平面溫度分布(℃)圖3通過機(jī)組中心的豎直面溫度分布(℃)圖4通過機(jī)組中心的豎直面速度分布(m/s)圖5通過機(jī)組中心的水平面速度分布(m/s)圖6冷凝熱回收后通過機(jī)組中心的水平面溫度分布(℃)圖7冷凝熱回收后通過機(jī)組中心的豎直面溫度分布(℃)3結(jié)論本文利用FLUENT對(duì)空調(diào)室外機(jī)組附近環(huán)境的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)做了數(shù)值模擬,得出以下結(jié)論:(1)空調(diào)室外機(jī)組排放的冷凝熱使周圍環(huán)境的溫度升高,由于風(fēng)機(jī)和室外氣流的作用,會(huì)使很大范圍的空間受到影響.(2)布置空調(diào)室外機(jī)組位置時(shí)要考慮對(duì)自然通風(fēng)口和新風(fēng)口的影響,以及周圍空調(diào)機(jī)組的相互作用,避免周圍的空氣溫度升高過多,而造成的效率降低甚至因過高的冷凝溫度而導(dǎo)致的機(jī)組運(yùn)行中斷.同時(shí)也要兼顧對(duì)人的正常活動(dòng)的影響.并且在住宅設(shè)計(jì)中也要盡量減小不利的影響,將有利于保證空調(diào)設(shè)備有效地發(fā)揮制冷能力,減少能源的消耗[12]。(3)要從根本上減少冷凝熱排放對(duì)環(huán)境的影響,就要合理采用冷凝熱回收技術(shù),較少冷凝熱的排放量,提高能源的利用率,減少對(duì)環(huán)境的不利影響.參考文獻(xiàn)[1]簡(jiǎn)棄非,甘慶軍,許石嵩.換熱器翅片表面空氣流動(dòng)熱力過程的數(shù)值模擬[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,32(9):68-71.[2]T.T.Chow,Z.Lin,Q.W.Wang.Effectofbuildingre-entrantshapeonperformanceofair-cooledcondensingunits[J].EnergyandBuildings,2000,32:143-152.[3]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].第二版.西安:西安交通大學(xué)出版社.2001.5.[4]湯廣發(fā).室內(nèi)氣流數(shù)值計(jì)算及模型試驗(yàn)[M].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)出版社,1998.[5]張智,金培耕,劉志剛,等.空調(diào)冷凝器中的流動(dòng)與傳熱分析[J].制冷技術(shù),2002(1):8-13[6]T.T.Chow,Z.Lin,X.Y.Yang.Placeofcondensingunitsofsplit-typeair-conditionersatlow-riseresidences.AppliedThermalEngineering,2002,22:1431-1444.[7]龔光彩，李紅祥，李玉國(guó).自然通風(fēng)的應(yīng)用與研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2003,22（4）：4-6[8]龔光彩,常世鈞.冷熱源及建筑節(jié)能的研究現(xiàn)狀