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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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
目录
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
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
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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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