【HVAC】气流模拟分析(CFD)在多联机空调系统中的应用

　　背景
　　近年来，多样化的建筑层出不穷，随着中国建筑业的快速发展，越来越多的前沿设计应用到建筑中。如受人关注的上海梅赛德斯 - 奔驰文化中心、北京央视大楼、苏州东方之门等，就颇具代表性，充分展现着设计者的智慧。其前卫的科技感使得建筑别具魅力，但同时也更多地考验着集中空调系统的设计和施工。
　　多联机空调（VRF）系统作为集中空调领域中的一种系统类型，市场占有率逐年快速增长，截至 2013 年底，多联机空调的市场容量达 239.86 亿元人民币，已经占到市场总容量的 35.8%。
　　多联机空调（VRF）因其系统的灵活性、操作的简便性、维修的简单性，得到了市场极大的认可，应用也越来越广泛。采用冷媒直膨的方式进行室内供冷供热使得多联机系统较少产生室内侧的能量损失，但与此同时，这种方式却使得室外机到室内机系统之间的连接管长受到限制。当遇到管长问题时，就要考虑如何放置多联机的室外机组，是集中放在建筑的一个通风区域还是分层放置，是暴露在建筑外立面上还是增加百叶格栅进行遮挡，都要根据建筑的实际情况酌情考虑。
　　目前空调的设计安装在建筑的整体设计安装中往往会被安排在土建封顶以后，此时正好可以直观地看到空调的安装现场，看似更方便于设计。但其实此时进行空调设计，已经错过最佳阶段。如果土建已经定型，空调的合理化设计就会被限制，甚至会直接造成空调系统设计的不合理。例如本想采用风冷多联机系统，由于土建没考虑空调安装位置，大楼的外立面以及楼顶不允许放置外机，也没有集中的避难层机房，就无法设计集中空调系统。空调的室内机类型、冷凝水管的高度、室外机的摆放空间及位置等，都是与建筑土建息息相关的重要因素。因此，多联机空调的安装需要与建筑土建紧密结合。
　　空调使用效果会受到很多因素的影响，施工阶段直接影响使用效果的重要因素之一就是室内机和室外机的气流组织问题。由于大多数的多联机空调系统（VRF）均为风冷形式（本文不涉及水冷多联机系统），因此其室外机的通风是否良好，会决定设备的实际运行是否正常以及能否发挥更高的能效水平。
　　建筑竣工之前一定要确认安装空间及通风条件是否满足室内、外机的换热要求。若建筑竣工后进行设计变更，会产生很多额外费用，同时会涉及到很多问题，尤其是技术问题，可能这样的设计变更是需要完全推翻原设计的，造成人力物力的浪费。
　　所以有必要在设备安装之前对室内、外机的气流组织进行分析，判断设备的安装位置是否合理，有没有调整的必要。

　　分析方法
　　气流组织分析目前广泛使用气流模拟（CFD）分析软件。
　　早前的流体动力学的研究主要方法是进行实物的风洞实验或水槽造波进行流体的模拟预测，但上述实物模拟实验投入的人力、资金较大且实验过程较长，整体实验的效率较低。如今，随着计算机运算能力的不断提高，CFD 数值模拟以更快的模拟速度和经济的运行费用等优越性逐渐取代实物风洞实验。

　　适用性
　　气流模拟（CFD）技术在暖通空调领域的应用 ：早前CFD 的应用仅局限于大学或研究院等以实验为目的的院校使用。如今计算机技术的飞速发展推动 CFD 技术在多个领域广泛使用，如航天、造船、汽车、建筑、化学、医疗器材等等诸多领域。该技术可以用于设计、分析、优化等。
　　对建筑物中的多联机设备采用 CFD 技术，可以分析暖通空调房间气流组织和建筑外环境气流组织。

　　项目案例分析
　　为了体现气流模拟的实际应用效果，特选取 2 个具体案例进行说明，分别阐述室内气流分析和室外气流分析。

　　案例一：室内机气流分析
　　1）项目名称 ：宜兴市汇龙商务中心；
　　2）建筑规模 ：地下 2 层，地上 21 层；
　　3）空调配置 ：全直流变频喷气增焓多联机组 DVM S （1898 匹）
室内侧制冷制热使用多联机四面出风式室内机组 ；新风引入采用 DVM 全新风系统（多联机室外机＋全新风室内机组）。
　　4）项目特点 ：项目为商用写字楼，考虑到将来的灵活使用，空调采用风冷多联机系统。而现代商用建筑同样会考虑使用者的需求，特增加新风系统，以保证室内更好的空气品质。由于使用多联机夏季制冷、冬季制热，冬季时，室外引入的新风是否会使得室内的空调制热效果打折扣，就成了业主方主要的顾虑。特采用气流模拟分析的方法确认新风引入对于室内机制热效果的影响。
　　5）模拟目标 ：要求一 ：同时启动多联机室内机和新风机时气流及温度分布 ；要求二 ：对 2 个标准层的 2 套新风系统进行制热气流模拟。
　　6）基础条件（见图 1，2）

　　标准层 1 的室内末端配置参数见表 1。

图 1 标准层1 的平面图

图 2 标准层 2 的平面图

表 1 标准层 1 的室内末端配置参数

　　标准层 2 的室内末端配置参数见表2。

表 2 标准层2 的室内末端配置参数

　　室内机，进行制热运转； 新风系统末端送风采用 8 个方形散流器，单独送风；模拟 2 扇出入门，当新风机运转时室内侧的排风气流通过两扇大门向外排风。

图 3 标准层1 轴测结构模拟图

图 4 标准层1 俯视平面模拟图

图 5 标准层1 立面模拟图

　　7）系统建模
　　①标准层 1 结构模拟见图 3～5。
　　建模说明：气流模拟区域大小为 37 m × 25 m ；室内有效层高 2.3 m，无其他结构物；12 台四面出风多联机

　　②标准层 2 结构模拟见图 6～8
　　建模说明：气流模拟区域大小为 48 m × 19 m ；室内有效层高 2.8 m，无其他结构物；14 台四面出风多联机室内机，进行制热运转；新风系统末端送风采用8 个方形散流器，单独送风；风管机的出风口百叶片角度设定为向下 45°；模拟 8 扇出入门，当新风机运转时室内侧的排风气流通过 8 扇大门向外排风。

图 6 标准层2 轴测结构模拟图

图 7 标准层2 俯视平面模拟图

图 8 标准层2 立面模拟图

　　8）模拟条件
　　条件设定：运转条件：室外环境温度－5 ℃（新风吸入温度为－5 ℃），系统进行制热运转。 墙体条件：外墙和内墙设定温度（制热条件下外墙温度 9 ℃，内墙温度 11 ℃），其他墙体隔热处理。

　　9）分析方案与模拟结果（见表 3）

表 3 制热运转时平均温度

　　分析：① 新风机开启的方案 1 和方案 3 的模拟结果室内平均温度达到 26～27 ℃；② 制热运行时，人体有效高度区域内的立面温差不大，不会使人感觉到不适；③ 新风机停止运行的方案 2 和方案 4 模拟结果比开启新风机时温度高1 ℃左右。

　　10）结论： 按照现设计方案设计时，标准层 1 和标准层2 的制热效果良好，新风机未启动时房间温度比新风机开启时的房间温度上升 1 ℃。

　　案例二：室外机气流分析
　　1）项目名称 ：常州软件园 。
　　2）建筑规模：由 2 个塔楼和裙楼组成，塔楼最高 26 层。
　　3）空调配置 ：数码涡旋多联机组 DVM PLUS III（5 500 匹）；室外机共有 3 组安装位置，分别是 14 层屋顶，E 塔楼屋顶（25 层），D 塔楼屋顶（27 层）。
　　4）项目特点 ：项目为商用综合体，由于将来以出租方式使用，业主会很多，且进驻时间不统一，而且还会有个性化装修的需求，故采用多联机系统，更好地适应将来业主的多样化需求。该建筑以裙楼和塔楼的组合方式呈现，其 2 幢塔楼的中间连接部分屋顶为 14 层，而塔楼分别为 24 层和26 层，故连接部分建筑的楼顶平台被 2 塔楼夹在中间。该14 层屋顶的外围护采用了 4.4 m 高的玻璃幕墙，而多联机室外机有一部分就放在这 14 层的屋顶上。此位置对于风冷多联机室外机来说，通风是否良好，会决定将来能否正常运行。需要通过气流模拟分析确认外机摆放位置是否合理。
　　5）模拟目标 ：模拟 14 层屋顶摆放的室外机组在运行时的气流组织情况，并根据模拟结果提出合理化布置方案。
　　6）基础条件
　　如图 9 所示，屋顶 3 个位置集中安装多联机室外机 ：① 14 层集中安装室外机时气流分析，外机摆放分为四个区域：A 区域、B 区域、C 区域、D 区域；② 14 层屋顶女儿墙高度 4.4 m（嵌 2.4 m 玻璃窗）；③空调室外机采用 DVM PLUS III 系列 ；④室外机容量： A 区域 1 008 HP ；B区域 750 HP ； C 区域 716 HP ； D 区域 750 HP。14 层屋顶共 3224 HP 室外机。

图 9 大楼立面图

　　7）系统建模
　　建模说明：室外机的位置和间距是根据图纸尺寸进行模拟；屋顶层女儿墙高度 4.4 m ；百叶窗开口率设为 80%。
　　8）模拟条件：计算边界条件见表 4，室外机容量见表 5。

表 4 计算边界条件

表 5 室外机容量

　　9）分析方案与模拟结果 ：无风条件下根据百叶窗的有或无的工况进行 2 种分析（见表 6）。

表 6 方案分析与结果

　　分析：①女儿墙无百叶窗的情况 ：所有区域室外机均存在气流短路现象，每个区域均有室外机回风面温度超过连续运转温度 43 ℃上限，故室外机会有大量无法连续运转的情况出现；②女儿墙玻璃窗改为百叶窗后 A，B 区域室外机可以连续运转 ；③女儿墙玻璃窗改为百叶窗后 C，D 区域，有部分室外机回风温度超过连续运转温度 43 ℃上限，依然无法连续运转 ；④ C，D 区域部分室外机需移机，同时加大中心部室外机间距，重新进行气流分析。
　　补充方案：针对C，D 区域中心部分的室外机进行移机（见图 11）。

图 11 室外机移机

　　10）结论：为保证 14 层摆放的室外机能够在制冷季连续运转，需要满足以下 2 个条件 ：①女儿墙的玻璃窗必须改为百叶窗 ( 开口率 80%)；② C，D 区域中心部分的室外机需移机，建议移到 A，B 区域的两侧。

　　结论及价值
　　多联机系统通过气流模拟分析 CFD 技术在设备安装之前对其进行性能模拟分析，事先评估设备在指定环境中的运行性能或问题改善。
　　在选取的 2 个案例中，分析了室内机的气流组织和室外机的气流组织。
　　在案例一中，若利用传统的方法，根据经验数据及近似值推算的方法进行房间中热气流的到达距离及整体房间的温度分布的合理性分析，其准确性不高 ；而采用 CFD 技术，通过计算机模拟，分析设计的气流组织是否满足设计要求。此案例中新风引入对于空调送风区域的温度影响，可直观通过模拟看到其温度分布的状态，进行对比，得出新风影响不大，确定该方案的合理性。
　　在案例二中，对于室外环境的整体模拟，以及建筑外立面的建模，分析各区域的实际温度情况。每个区域的外机集中摆放对于其室外机散热产生了很大的影响。通过模拟可直观看到外墙未设置百叶对于空调室外散热产生不良影响。而改成百叶后的气流及温度分布的合理性以可视化的方式生成报告，有力地说明设置百叶的必要性，并提出移动部分室外机位置的方案，以预防气流组织不良问题的发生。
　　综合 2 个案例不难看出，气流模拟分析对于空调设计是极其必要的。在很多项目的设计中，室内部分就是根据经验，平均摆放室内机，新风随意选择位置送入。但其结果可能不尽如人意，此时问题的原因不一定是设备本身的问题，也可能是室内气流组织不合理。室外机也是同样的情况，而且近些年来风冷多联机空调的应用越来越广泛，如不能让室外机拥有良好的通风环境，其运行效率会大打折扣，严重的可能造成设备损坏。
　　气流模拟分析需要项目图纸及项目所在地的气象参数，根据图纸建立建筑物及设备的 3D 模型后进行气流模拟，再对其结果进行评估，如出现气流问题点再改善，反复操作直至提出合理解决方案。
　　相信在今后的项目中，气流模拟分析以其直观、清晰的优势会越来越多应用在暖通空调方案设计上，为系统设计的合理性提供强有力的依据，更好地实现建筑节能和环境保护。

摘自《暖通空调专辑》2015年第7期
作者：
三星（中国）投资有限公司 张硕

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