【HVAC】氣流模擬分析(CFD)在多聯機空調系統中的應用
背景
近年來，多樣化的建築層出不窮，隨著中國建築業的快速發展，越來越多的前沿設計應用到建築中。如受人關注的上海梅賽德斯 - 賓士文化中心、北京央視大樓、蘇州東方之門等，就頗具代表性，充分展現著設計者的智慧。其前衛的科技感使得建築別具魅力，但同時也更多地考驗著集中空調系統的設計和施工。
多聯機空調（VRF）系統作為集中空調領域中的一種系統型別，市場佔有率逐年快速增長，截至 2013 年底，多聯機空調的市場容量達 239.86 億元人民幣，已經佔到市場總容量的 35.8%。
多聯機空調（VRF）因其系統的靈活性、操作的簡便性、維修的簡單性，得到了市場極大的認可，應用也越來越廣泛。採用冷媒直膨的方式進行室內供冷供熱使得多聯機系統較少產生室內側的能量損失，但與此同時，這種方式卻使得室外機到室內機系統之間的連線管長受到限制。當遇到管長問題時，就要考慮如何放置多聯機的室外機組，是集中放在建築的一個通風區域還是分層放置，是暴露在建築外立面上還是增加百葉格柵進行遮擋，都要根據建築的實際情況酌情考慮。
目前空調的設計安裝在建築的整體設計安裝中往往會被安排在土建封頂以後，此時正好可以直觀地看到空調的安裝現場，看似更方便於設計。但其實此時進行空調設計，已經錯過最佳階段。如果土建已經定型，空調的合理化設計就會被限制，甚至會直接造成空調系統設計的不合理。例如本想採用風冷多聯機系統，由於土建沒考慮空調安裝位置，大樓的外立面以及樓頂不允許放置外機，也沒有集中的避難層機房，就無法設計集中空調系統。空調的室內機型別、冷凝水管的高度、室外機的擺放空間及位置等，都是與建築土建息息相關的重要因素。因此，多聯機空調的安裝需要與建築土建緊密結合。
空調使用效果會受到很多因素的影響，施工階段直接影響使用效果的重要因素之一就是室內機和室外機的氣流組織問題。由於大多數的多聯機空調系統（VRF）均為風冷形式（本文不涉及水冷多聯機系統），因此其室外機的通風是否良好，會決定裝置的實際執行是否正常以及能否發揮更高的能效水平。
建築竣工之前一定要確認安裝空間及通風條件是否滿足室內、外機的換熱要求。若建築竣工後進行設計變更，會產生很多額外費用，同時會涉及到很多問題，尤其是技術問題，可能這樣的設計變更是需要完全推翻原設計的，造成人力物力的浪費。
所以有必要在裝置安裝之前對室內、外機的氣流組織進行分析，判斷裝置的安裝位置是否合理，有沒有調整的必要。
分析方法
氣流組織分析目前廣泛使用氣流模擬（CFD）分析軟體。
早前的流體動力學的研究主要方法是進行實物的風洞實驗或水槽造波進行流體的模擬預測，但上述實物模擬實驗投入的人力、資金較大且實驗過程較長，整體實驗的效率較低。如今，隨著計算機運算能力的不斷提高，CFD 數值模擬以更快的模擬速度和經濟的執行費用等優越性逐漸取代實物風洞實驗。
適用性
氣流模擬（CFD）技術在暖通空調領域的應用 ：早前CFD 的應用僅侷限於大學或研究院等以實驗為目的的院校使用。如今計算機技術的飛速發展推動 CFD 技術在多個領域廣泛使用，如航天、造船、汽車、建築、化學、醫療器材等等諸多領域。該技術可以用於設計、分析、最佳化等。
對建築物中的多聯機裝置採用 CFD 技術，可以分析暖通空調房間氣流組織和建築外環境氣流組織。
專案案例分析
為了體現氣流模擬的實際應用效果，特選取 2 個具體案例進行說明，分別闡述室內氣流分析和室外氣流分析。
案例一：室內機氣流分析
1）專案名稱 ：宜興市匯龍商務中心；
2）建築規模 ：地下 2 層，地上 21 層；
3）空調配置 ：全直流變頻噴氣增焓多聯機組 DVM S （1898 匹）
室內側製冷制熱使用多聯機四面出風式室內機組 ；新風引入採用 DVM 全新風系統（多聯機室外機＋全新風室內機組）。
4）專案特點 ：專案為商用寫字樓，考慮到將來的靈活使用，空調採用風冷多聯機系統。而現代商用建築同樣會考慮使用者的需求，特增加新風系統，以保證室內更好的空氣品質。由於使用多聯機夏季製冷、冬季制熱，冬季時，室外引入的新風是否會使得室內的空調製熱效果打折扣，就成了業主方主要的顧慮。特採用氣流模擬分析的方法確認新風引入對於室內機制熱效果的影響。
5）模擬目標 ：要求一 ：同時啟動多聯機室內機和新風機時氣流及溫度分佈 ；要求二 ：對 2 個標準層的 2 套新風系統進行制熱氣流模擬。
6）基礎條件（見圖 1，2）
標準層 1 的室內末端配置引數見表 1。
表 1 標準層 1 的室內末端配置引數
表 2 標準層2 的室內末端配置引數
7）系統建模
標準層 1 結構模擬見圖 3～5。
建模說明：氣流模擬區域大小為 37 m × 25 m ；室內有效層高 2.3 m，無其他結構物；12 臺四面出風多聯機
標準層 2 結構模擬見圖 6～8
建模說明：氣流模擬區域大小為 48 m × 19 m ；室內有效層高 2.8 m，無其他結構物；14 臺四面出風多聯機室內機，進行制熱運轉；新風系統末端送風采用8 個方形散流器，單獨送風；風管機的出風口百葉片角度設定為向下 45°；模擬 8 扇出入門，當新風機運轉時室內側的排風氣流透過 8 扇大門向外排風。
8）模擬條件
條件設定：運轉條件：室外環境溫度－5 ℃（新風吸入溫度為－5 ℃），系統進行制熱運轉。牆體條件：外牆和內牆設定溫度（制熱條件下外牆溫度 9 ℃，內牆溫度 11 ℃），其他牆體隔熱處理。
9）分析方案與模擬結果（見表 3）
表 3 制熱運轉時平均溫度
10）結論：按照現設計方案設計時，標準層 1 和標準層2 的制熱效果良好，新風機未啟動時房間溫度比新風機開啟時的房間溫度上升 1 ℃。
案例二：室外機氣流分析
1）專案名稱 ：常州軟體園 。
2）建築規模：由 2 個塔樓和裙樓組成，塔樓最高 26 層。
3）空調配置 ：數碼渦旋多聯機組 DVM PLUS III（5 500 匹）；室外機共有 3 組安裝位置，分別是 14 層屋頂，E 塔樓屋頂（25 層），D 塔樓屋頂（27 層）。
4）專案特點 ：專案為商用綜合體，由於將來以出租方式使用，業主會很多，且進駐時間不統一，而且還會有個性化裝修的需求，故採用多聯機系統，更好地適應將來業主的多樣化需求。該建築以裙樓和塔樓的組合方式呈現，其 2 幢塔樓的中間連線部分屋頂為 14 層，而塔樓分別為 24 層和26 層，故連線部分建築的樓頂平臺被 2 塔樓夾在中間。該14 層屋頂的外圍護採用了 4.4 m 高的玻璃幕牆，而多聯機室外機有一部分就放在這 14 層的屋頂上。此位置對於風冷多聯機室外機來說，通風是否良好，會決定將來能否正常執行。需要透過氣流模擬分析確認外機擺放位置是否合理。
5）模擬目標 ：模擬 14 層屋頂擺放的室外機組在執行時的氣流組織情況，並根據模擬結果提出合理化佈置方案。
6）基礎條件
如圖 9 所示，屋頂 3 個位置集中安裝多聯機室外機 ： 14 層集中安裝室外機時氣流分析，外機擺放分為四個區域：A 區域、B 區域、C 區域、D 區域； 14 層屋頂女兒牆高度 4.4 m（嵌 2.4 m 玻璃窗）；空調室外機採用 DVM PLUS III 系列 ；室外機容量：A 區域 1 008 HP ；B區域 750 HP ；C 區域 716 HP ；D 區域 750 HP。14 層屋頂共 3224 HP 室外機。
7）系統建模
建模說明：室外機的位置和間距是根據圖紙尺寸進行模擬；屋頂層女兒牆高度 4.4 m ；百葉窗開口率設為 80%。
8）模擬條件：計算邊界條件見表 4，室外機容量見表 5。
表 4 計算邊界條件
表 5 室外機容量
表 6 方案分析與結果
補充方案：針對C，D 區域中心部分的室外機進行移機（見圖 11）。
10）結論：為保證 14 層擺放的室外機能夠在製冷季連續運轉，需要滿足以下 2 個條件 ：女兒牆的玻璃窗必須改為百葉窗 ( 開口率 80%)； C，D 區域中心部分的室外機需移機，建議移到 A，B 區域的兩側。
結論及價值
多聯機系統透過氣流模擬分析 CFD 技術在裝置安裝之前對其進行效能模擬分析，事先評估裝置在指定環境中的執行效能或問題改善。
在選取的 2 個案例中，分析了室內機的氣流組織和室外機的氣流組織。
在案例一中，若利用傳統的方法，根據經驗資料及近似值推算的方法進行房間中熱氣流的到達距離及整體房間的溫度分佈的合理性分析，其準確性不高 ；而採用 CFD 技術，透過計算機模擬，分析設計的氣流組織是否滿足設計要求。此案例中新風引入對於空調送風區域的溫度影響，可直觀透過模擬看到其溫度分佈的狀態，進行對比，得出新風影響不大，確定該方案的合理性。
在案例二中，對於室外環境的整體模擬，以及建築外立面的建模，分析各區域的實際溫度情況。每個區域的外機集中擺放對於其室外機散熱產生了很大的影響。透過模擬可直觀看到外牆未設定百葉對於空調室外散熱產生不良影響。而改成百葉後的氣流及溫度分佈的合理性以視覺化的方式生成報告，有力地說明設定百葉的必要性，並提出移動部分室外機位置的方案，以預防氣流組織不良問題的發生。
綜合 2 個案例不難看出，氣流模擬分析對於空調設計是極其必要的。在很多專案的設計中，室內部分就是根據經驗，平均擺放室內機，新風隨意選擇位置送入。但其結果可能不盡如人意，此時問題的原因不一定是裝置本身的問題，也可能是室內氣流組織不合理。室外機也是同樣的情況，而且近些年來風冷多聯機空調的應用越來越廣泛，如不能讓室外機擁有良好的通風環境，其執行效率會大打折扣，嚴重的可能造成裝置損壞。
氣流模擬分析需要專案圖紙及專案所在地的氣象引數，根據圖紙建立建築物及裝置的 3D 模型後進行氣流模擬，再對其結果進行評估，如出現氣流問題點再改善，反覆操作直至提出合理解決方案。
相信在今後的專案中，氣流模擬分析以其直觀、清晰的優勢會越來越多應用在暖通空調方案設計上，為系統設計的合理性提供強有力的依據，更好地實現建築節能和環境保護。
來源：摘自《暖通空調專輯》2015年第7期，作者三星（中國）投資有限公司 張碩；Ths to @新徵途.