基于Fluent软件在变频多联机设计中的应用分析

摘 要：随着社会经济的不断发展，人们对居住环境的舒适性要求越来越高。多联机空调具有安装灵活、方便等优点，在建筑工程中得到了广泛的应用。在空调运行过程中，如果运行时间过长，会使空调中的电子元件温度升高，甚至会导致电子元件失效，所以，对空调系统散热风道进行分析研究具有重要意义。文章基于Fluent软件，对变频多联机空调散热情况进行了整机建模分析，并对各个散热片、出风口的流场进行了分析，确定出了最佳的排风速度和排风角度，可供参考。

关键词：Fluent软件；变频多联机；模拟软件

中图分类号：TB657.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）24-0151-02

Abstract： With the continuous development of social economy， people have higher and higher requirements for the comfort of the living environment. Multi-on-line air conditioning has been widely used in building engineering because of its flexible and convenient installation. In the process of air conditioning operation， if the operation time is too long， the temperature of electronic components in air conditioning will rise， even lead to electronic components failure， so it is of great significance to analyze the cooling duct of air conditioning system. Based on Fluent software， the heat dissipation of variable-frequency multi-online air conditioning is modeled and analyzed in this paper， and the flow field of each heat sink and outlet is analyzed， and the optimum exhaust velocity and exhaust angle are determined， which can be used as a reference.

Keywords： Fluent software； variable frequency multi-line； simulation software

1 工程概况

某项目位于广州市南沙区，E、F组团为工业化住宅，由8栋高层建筑组成，建筑面积为103281m2。为了保证建筑有良好的外观，一般采用百叶隐藏空调室外机，但由于百叶窗的存在以及空调设备的运行散热，使周围环境的空气温度上升，导致空调夏季运行环境变得很恶劣，这是由于回风温度较环境温度高，使室外机与环境的换热越来越困难，同时可能造成冷凝器因高温保护而停机，导致空调性能降低，消耗更多的电能。因此，重视上升热及空气流动现象，并且在住宅设计中采取合理布局，减小其最不利的影响，将有利于减少能源的能耗，因此，需要采用模拟软件分析空调系统中空气流动情况和上升情况。

2 模拟软件的选择

当前，在对建筑舒适性进行分析和评价时，主要采用数值模拟和试验测量两种方法进行分析。其中试验测量测量费用较高、试验周期长，不适用于设计阶段方案的分析。数值模拟式在计算流体力学（CFD）基础上，通过对传热学方程组和求解流体力学，然后利用计算机图形将空间流场的温度、风速等物理参数直观地描述出来。具有易于模拟、模拟周期短、模拟成本低等优点，因此，本项目采用CFD三维仿真软件Fluent对目标建筑进行中庭热压自然通风模拟分析。采用Fluent可以对从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动进行模拟，具有良好的求解速度和收敛速度，是当前一个非常权威的商用CFD软件[1]。

3 Fluent软件的特点

Fluent软件是在CFD计算机软件群的基础上通过运用合适的数值解法来保证精度、稳定性和计算速度达到最佳。Fluent软件主要由三大模块构成，分别为前处理模块、求解器模块和后处理模块。在采用Fluent软件对三维流动进行分析时可以生成三角柱、六面体等网格，在对二位流动进行分析时，可以生成矩形网络、三角形等。根据具体的计算，还可以生产混合网络，并且具有自适应功能，可以实现网格的粗化或细分。其中纳维-斯托克斯方程式Fluent软件的核心求解模块。通过使用有限体积离散方程進行计算分析，计算的稳定性和精确度都优于常规编程采用的有限差分法。其优点有下述几个方面：

（1）Fluent软件中物理模型比较先进，可以让使用者准确地将湍流、层流、无粘流等模拟出来，此外，使用者还可以根据需要针对性地定制湍流模型。

（2）Fluent软件在进行分析时，使用完全非结构化的网络有限元体积法进行分析，并且具有网格单元和网格结点的梯度算法。

（3）Fluent软件具有非常广泛的适用范围，包括各类辐射模型、离散相变模型、相变模型、多相流模型、反应流模型等，针对各类不同物理问题可以有对应的数值解法，用户可以自行选择隐式差分格式或显式差分格式，可以更好地保证计算稳定性、计算速度、计算精确度。

4 模型构建

CFD方法是针对流体流动的质量守恒、动量守恒和能量守恒建立数学控制方程，此次分析时，将讨论的问题简化为三维、不可压缩、稳态、湍流的物理模型。本项研究中采用k-标准湍流模型，该模型已经得到了大量工程应用的验证，可靠性高。在自然对流中，浮升力起主导作用，且空气密度对压强的影响微小，可忽略不计，所以动量方程中密度的变化采用Boussinesq假设处理，即输入一个空气的膨胀系数，近似认为密度的变化与温度的变化成线性关系，满足式（1）。

该工程模拟计算模型如图1所示。本项目为高层住宅建筑，为了保证建筑美观，在建筑外立面设置凹槽结构，将室外机安装在凹槽内，并在凹槽结构内设置向上45°的开口百叶窗。计算边界条件如下：

（1）室外计算条件

最不利静风影响，室外计算温度按广东地区空调室外计算温度35℃计算。

（2）空调机室外参数

由于一般住宅空调系统为分体空调系统，本项目选取具有代表意义的制冷量为5300W的室外机，室外机实际风量2800m3/h。风机采取背面及侧面回风，前面排风的散热方式。室外机尺寸：800×300×750mm（长×宽×高）。

（3）模拟边界设置

室外机设置为内热源，冷凝风扇采用模拟软件中的fan边界，回风冷凝面采用多孔介质边界，保证模拟过程中压降与实际一致。

5 模拟结果分析

在对模拟结果进行分析时，设计模拟选取E5栋中间3层楼层分析室外机散热情况进行分析。

通过分析后发现，纵向空气的容重较小，在空气浮力的作用下不断上升，导致室外机回风温度会有升高，由于大部分空调室外机的运行温度为-20℃～46℃，超过该温度会引起室外机过热保护，自动停机。因此，控制室外机运行温度将是保证空调系统正常运行的关键。

由模拟结果可知，3层楼层回风温度由下至上分别为36.9℃、37.8℃、38.6℃，温度均升高了1.7℃。根据模拟温度场分布趋势，随着高度的增高，高层建筑室外机室外运行环境温度会逐渐升高。

本次分析主要考虑静风条件下的室外机散热，实际情况下，室外机处于部分负荷工况，同时上升的热空气部分会被室外风带走，热量减少，温升将<1.7℃；而凹槽内温度分布平均为37.4℃，在室外机运行环境温度允许的合理范围内[2]。

根据上述分析结果，将排风口风速控制在4m/s左右，排风口采用向上45°百叶时，热空气向上排出，带走凹槽内热量，使室外机周边环境能得到很好的空气流通，不易导致热量堆积而造成空调运行停机的情况[3]。

6 结束语

综上所述，本分析报告根据E5栋户型3的室外机摆放位置，对室外机处于满负荷运行下的工况进行了模拟研究，通过模拟分析可知：

（1）室外机运行区域，及凹槽区域温度平均为37.4℃，室外机回风温度分别为36.9℃、37.8℃、38.6℃，由于热空气的上浮，温度升高1.7℃，由于室外机大部分处于部分负荷工况下，散热量较满负荷运营时将有所降低，进而回风温度的温升也会降低，因此本项目的室外机运行处在合理的运行环境，不会由于室外空气温度的升高而导致室外机运行效率降低。

（2）室外机排风口为向上45°百叶，有利于带走凹槽内热量，改善室外机运行环境。

综上所述，本项目在目前的室外机凹槽布置情况下，室外机运行环境相对较好，对室外机运行效率及运行能耗影响较小。在炎热天气下（室外35℃），室外机满负荷运行不会导致停机。

参考文献：

[1]张轶，沈辉，夏芸，等.基于CFD的矿车空调风道风速仿真分析与试验研究[J].内燃机与动力装置，2012（02）：25-27+33.

[2]张智力，吴喜平.CFD基本算法及其在暖通空调领域中的运用[J].能源技术，2002（01）：8-11.

[3]王天琦.地源变频多联机（VRV）空调系统的性能模拟与优化運行[D].南宁：东南大学，2016.