高层建筑多联机室外机分层设置吸排风数值模拟

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 11.5MB 74 页 15积分

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摘要

随着多联式空调机型阵容的不断宽广，及其节能、智能化调节、温度控制精

确、自动化程度高、使用灵活、管理方便等诸多优点，多联式空调系统在高层大

型建筑也得到日益广泛的应用。从而引出节能性、降低初投资、实际设备摆放等

多方面问题，室外机分层摆放的设计方式也越来越多的被采用。

鉴于此类高层建筑空调室外机摆放位置的特殊性，通过采用数值模拟的方法

研究高层建筑中室外机运行时吸排风引起的热和空气的流动，探讨其对上层空调

室外机运行的影响，并考虑气象条件的影响，给出优化方案，对确保空调机组的

节能及正常工作具有十分积极的意义。

本文对高层建筑多联机室外机分层设置吸排风数值模拟的主要研究工作如

下：

1) 多联机室外机分层摆放时制冷系统工作特性分析；

2) 通过对上海市某高层建筑分层摆放的空调室外机吸排风进行 CFD 模拟研

究，根据其速度场、温度场的模拟结果并与实测参数对比，分析造成多联

机室外机吸排风短路及其排风量衰减的主要影响因素；

3) 对大量工况进行 CFD 计算，分析并给出合理的多联机室外机分层设置吸

排风优化方案。

关键词：多联式空调系统室外机数值模拟吸排风优化高层建筑

ABSTRACT

For the species and ccapacity of the multi-splits air-conditioner is increasing, and

along with its benefits in energy-saving, intelligent-adjusting, accurate temperature

control, high level of automatic, using-flexible and manage-convenience, the

multi-splits air conditioner is widely used in high rise building. People pay more

attention to its energy-saving, first cost, equipment-installing. The install position

design for outdoor unit is considered also.

According to the particularity of the installed position for the outdoor units in high

rise building, researching the heat airflow which is generated by returned and

discharged airflow of the multiple outdoor units are important. Considering the

weather, we study on the influence that the lower units given to the higher and acquire

the optimize method by numerical simulation, it can make sure air-conditioner work

well.

The researching about numerical simulation of returned and discharged airflow that

for layered installed outdoor units in a high rise building includes:

1) In this research, the operating performance of refrigeration system in the case

of the multi-splits air-conditioning unit is installed in each floor is sutdyed.

2) By means of the numerical simulation for outdoor units that is installed in each

floor at a high rise building in Shanghai, and compared the simulate velocity

field and temperature field with the experimental result, the main influencing

factors which make short cut of returned and discharged airflow and make

decay of discarged airflow in multi-splits air-conditioning unit is analysed.

3) By means of CFD simulation, lots of operating cases for returned and

discarged air flow is analysed. Finally, the appropriate optimize method for

induced and exhaust airflow system of multi-splits air-conditioning is givend.

Key words: multi-splits air-conditioner，outdoor units, numerical simulation，

return and exhaust airflow, optimization, high rise building

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论...............................................................................................................1

§1.1 课题的背景 .........................................................................................................1

§1.1.1 多联式热泵空调系统在高层建筑中的应用................................................1

§1.1.2 多联式空调系统室外机在高层建筑中的分层摆放....................................2

§1.2 课题的提出及其意义 .........................................................................................3

§1.3 课题研究的方法概述 .........................................................................................3

第二章工程概述及多联机制冷系统影响因素分析...................................................4

§2.1 上海某高层建筑设计概况 .................................................................................5

§2.1.1 空调系统设计参数........................................................................................5

§2.2.2 标准层空调系统方式的确定........................................................................5

§2.2 多联机制冷系统运行的影响因素分析 .............................................................7

§2.2.1 配管长度的影响............................................................................................8

§2.2.2 室内外机高度差的影响................................................................................9

§2.2.3 室内机高度差的影响..................................................................................12

§2.2.4 分层设置室外机优秀的部分负荷特性......................................................13

§2.2.5 室外进风温度的影响..................................................................................14

第三章湍流数学模型与求解方法 ........................................................................... 18

§3.1 湍流数学模型 ...................................................................................................19

§3.1.1 湍流的基本概念..........................................................................................19

§3.1.2 湍流数学模型建立......................................................................................20

§3.1.3



k

模型中湍流浮力的影响 .................................................................... 23

§3.1.4 湍流流动的近壁面处理方法......................................................................24

§3.2 控制方程的离散 ...............................................................................................25

§3.2.1 控制方程的离散格式..................................................................................25

§3.2.2 边界条件......................................................................................................26

§3.3 代数方程的求解和算法 ...................................................................................27

§3.3.1 代数方程的求解..........................................................................................27

§3.3.2 交错网格和压力修正算法..........................................................................27

§3.4 FLUENT 软件简介 ...........................................................................................28

§3.4.1 FLUENT 的结构组成.................................................................................. 28

§3.4.2 FLUENT 的求解步骤.................................................................................. 29

第四章分层设置多联机室外机吸排风数值模拟.....................................................29

§4.1 物理模型及其简化 ...........................................................................................29

§4.2 建模 ...................................................................................................................31

§4.3 网格的划分 .......................................................................................................31

§4.3.1 网格的介绍..................................................................................................31

§4.3.2 网格划分......................................................................................................32

§4.4 FLUENT 内部模型的初步选择 .......................................................................34

§4.4.1 求解器的选择..............................................................................................34

§4.4.2 流体物性的设定..........................................................................................34

§4.4.3 粘度模型的选择..........................................................................................34

§4.5 操作环境和边界条件的确定 ...........................................................................35

§4.5.1 操作环境的确定..........................................................................................35

§4.5.2 部分边界条件设置......................................................................................35

§4.6 测试条件下室外机吸排风模拟 .......................................................................35

§4.6.1 相关物性参数的测量..................................................................................35

§4.6.2 每层开启一台室外机情况模拟..................................................................37

§4.6.3 每层开启两台室外机情况模拟..................................................................39

§4.6.4 每层开启三台室外机情况模拟..................................................................40

§4.6.5 每层开启四台室外机情况模拟..................................................................40

§4.6.6 测试条件下室外机吸排风模拟小结..........................................................41

第五章分层设置室外机吸排风优化方案研究...........................................................42

§5.1 排风口风速影响 ...............................................................................................42

§5.2 机房百叶回风速度的影响 ...............................................................................46

§5.3 吸、排风隔栅的优化 .......................................................................................48

§5.3.1 几何模型.......................................................................................................49

§5.3.2 网格的生成..................................................................................................51

§5.3.3 模拟条件的设置..........................................................................................52

§5.3.4 模拟结果......................................................................................................53

§5.3.5 百叶隔栅优化小结......................................................................................60

§5.4 阻力优化后百叶挡雨性能 ...............................................................................60

§5.5 对于每层放置多台室外机组的吸排风优化方案 ...........................................62

§5.5.1 每层放置多台室外机组各机组间排风的相互干扰..................................62

§5.5.2 优化方案的提出及模拟情况......................................................................63

第六章结论与展望.......................................................................................................66

§6.1 全文总结 ...........................................................................................................66

§6.2 不足处分析及下一步工作展望 .......................................................................67

参考文献.........................................................................................................................69

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................70

致谢.................................................................................................................................71

第一章绪论

§1.1 课题的背景

§1.1.1 多联式热泵空调系统在高层建筑中的应用

多联式空调系统是在分体式空调机的基础上发展起来的,是指一套室外机组能

够同时带动多台制冷工质直接蒸发的室内机组[1]，根据室内不同的负荷要求，自动

调节制冷工质的供液量，达到适时适量满足室内冷、热负荷的要求。多联式空调

机组又称为 VRF 空调机组。

这项空调用制冷技术随着全封闭压缩机容量控制技术的工业化应用、热泵技

术的发展、多级微机控制等电子技术在复杂工业过程控制中获得成功、系统组成

部分单模块化设计以及制冷系统中先进的长配管、油分离、油回收及电子膨胀阀

等多项技术的发展逐步走向成熟。

它以制冷剂作为输送介质，加上采用了先进的变容量控制技术（如变频调速、

直流电机调速、数码涡旋控制），因而具有结构简单、控制灵活、高效节能、少

占用地、安装便捷、维修简便等优点，在几百到上万平方米的空调区域具有特别

大的生命力。与传统空调系统相比，多联式空调系统具有许多难以比拟的优点：

1) 优良的调节性能

多联式空调系统中含有当今许多高新技术，如变频控制、模糊算法、无极性

配线、电子膨胀阀等。这些新技术的采用极大地提高了该系统的调节性能，不仅

能对系统能耗进行控制，还能对各层、各房间进行单独控制。这是一般常规空调

难以做到的。

2) 系统充分简化，空间充分利用

该系统节省了大量空调附属设备，如水泵、冷却塔、风道、阀门等，使系统

仅剩下空调必须的室内机、室外机和很小的连接管道等，从而大大提高了系统的

可靠性。

3) 系统运行成本低

该系统优良的调节性能使其能够根据室内负荷的要求自动调节压缩机的功

率，使系统的运行成本相当低。

随着多联机机型阵容的不断宽广，以及室外机容量的日益扩大，多联式空调

系统在越来越多的高层大型建筑也得到日益广泛的应用。多联式空调系统最先在

日本国内投入使用，现在日本市场上新建筑的 32%和建筑改建中的 60%采用了

高层建筑多联机室外机分层设置吸排风数值模拟

VRV 系统。在国际市场上的应用也十分广泛，美国及欧洲一些国家用得很多，在

我国也己经有多幢建筑物采用，如深圳的市政设计院办公楼、南油海滨别墅，上

海的坤阳国际商务广场、港陆黄浦中心、时美大厦、旺角广场，北京的电信器材

公司大楼等等。

对于综合式高层建筑，因其功能要求，空调设计占有相当重要的地位。多联

式空调系统具有节能、智能化调节、温度控制精确、自动化程度高、使用灵活、

管理方便等优点在中小型办公类建筑中已得到了广泛的应用。然而，由于多联式

空调设计管长的限制以及为满足建造美观性要求，室外机的摆放也成为设计师普

遍关注的问题。

§1.1.2 多联式空调系统室外机在高层建筑中的分层摆放

目前，在暖通空调工程设计中多联式空调室外机的摆放位置一般采用集中布

置在建筑物屋面、在高层建筑中集中摆放在避难层、室外机分层布置等等方式。

由于多联式空调系统室外机集中摆放影响建筑美观、占用空间过大等因素使室外

机集中摆放产生了一定局限性，主要体现在以下两个方面：

1) 集中摆放引起的室内外机高差的增大及其连接管路过长

高层建筑集中摆放室外机的设计方式势必会导致室内机与室外机间的高差增

大以及连接管路过长，而其连接配管的增长将会形成制冷系统流动阻力的上升，

进而影响机组的热力性能。一旦阻力增大而在液体管段产生气泡，会形成膨胀阀

前的节流“气阻”，严重影响机组的工质流动，形成机组性能的大幅度下降。同样，

吸气管路过长也会形成由于管路阻力增大导致压缩机吸气密度减小，从而减少压

缩机的排气量。尽管现有绝大多数多联机组稳定运行的主配管连接长度可达 150m，

室内、外机高度差可达 50m，同一系统中室内机的高度差可达 15m，但过长的管

路设计会增加电耗或减少制冷（热）量。

2) 室外机集中摆放与建筑美观性间的矛盾

近年来,随着我国综合国力和人民生活水平的快速提高,人们对建筑美观性的要

求也不断提高,建筑美观性成为评价建筑设计方案的一个十分重要的指标。

另一方面，暖通空调专业是一个技术性很强的专业，其设备管道较多，尺寸

较大，室外的设备及风口也较多，因而在建筑设备专业中，暖通专业对建筑美观

性的影响通常是最大的。高层建筑中多联机阵容庞大、集中摆放占用空间过大势

必会与建筑的美观性产生冲突。

综合以上两个方面，从节能性或降低初投资以及实际设备摆放与建筑美观性

结合等多方面因素考虑，分层摆放室外机的形式越来越多的被采用。

第一章绪论

§1.2 课题的提出及其意义

室外机的分层摆放设计方式具有能够与建筑美观很好的结合，并能够减少室

内机与室外机间的管长和高差，利于节能和降低初投资，以及方便安装人员分段

检测系统等许多优点，但分层摆放也有其不利的方面：

1）分层摆放造成室外机的排热不均。由于分层布置的室外机、引至室外的排

风管特性参数以及机房百叶特性等诸多因素耦合作用引起室外机的排热不均，而

排热不均将直接导致室外机压缩机排气温度及制冷系统冷凝压力的升高，制冷系

统的 COP 值也随之下降。

2）分层摆放容易引起上下层间的室外机吸排风短路。由于室外机的分层布置，

下一层的排风容易被上一层的室外机吸入，这将导致越往上的室外机运行工况变

得越是恶劣，等同于提高室外机运行的环境温度，同样会造成室外机压缩机排气

温度及制冷系统冷凝压力的升高，制冷系统的 COP 值下降。

由室外机释放的热能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

机在外墙面上的布局等因素的共同影响下,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。在某些极端场合,因浮力而流动到上层的空气,可能因过高的温度而触

发压缩机的安全保护装置,造成空调设备运行的中断。因此,若重视上升的热和空气

流动现象,并且在住宅设计中尽量减小其不利的影响,则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。

鉴于此类高层建筑空调室外机摆放位置的特殊性，通过研究高层建筑中室外

机运行时吸排风引起的热和空气的流动，探讨其对上层空调室外机运行的影响，

并考虑气象条件的影响，给出优化方案，以确保空调机组的正常工作具有十分积

极的意义。

§1.3 课题研究的方法概述

已有一些技术手段可以用来研究与建筑有关的空气流动问题,如现场测量、实

验研究和计算机模拟。相比之下,计算机模拟是研究这类问题的经济、快速和灵活

的方法。使用 CFD(computational fluid dynamics) 技术来分析与建筑有关的各种流

动问题正在逐渐得到人们的认可。在过去的几十年中，许多研究者对空气流动的

速度分布、温度分布、湍动强度、湿度和有害物含量等进行了研究[2]。尽管也有人

研究空调设备运行时引起的空气流动问题,如Chow 等人曾研究了安装在建筑凹角

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摘要随着多联式空调机型阵容的不断宽广，及其节能、智能化调节、温度控制精确、自动化程度高、使用灵活、管理方便等诸多优点，多联式空调系统在高层大型建筑也得到日益广泛的应用。从而引出节能性、降低初投资、实际设备摆放等多方面问题，室外机分层摆放的设计方式也越来越多的被采用。鉴于此类高层建筑空调室外机摆放位置的特殊性，通过采用数值模拟的方法研究高层建筑中室外机运行时吸排风引起的热和空气的流动，探讨其对上层空调室外机运行的影响，并考虑气象条件的影响，给出优化方案，对确保空调机组的节能及正常工作具有十分积极的意义。本文对高层建筑多联机室外机分层设置吸排风数值模拟的主要研究工作如下：1)多联机室外机分层摆放时...

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