来源：中国制冷学会杂志2025年8月第五期   文章编号:ISSN1005-9180(2025)05-0040-06

江宋标，郭勇，范济荣，施时雨

(广东省建筑设计研究院集团股份有限公司，广州，510627)

[摘要] 以广州某超高层建筑为研究对象，通过数值模拟分析风冷变制冷剂流量系统室外机设置于建筑凹槽式受限空间的散热性能。研究模拟了三种典型形式(平台1-E、2-W、2-S)，重点分析回风温度、局部热积效应及外部建筑构件对气流组织的影响。结果表明，通过建筑风场和设备散热模型的模拟，分析了不同室外机平台的散热效果，并提出了优化建议。研究结果表明，合理设计室外机平台的进深、优化新风补进路径和选用高停机保护温度的设备，可以有效改善散热效果，确保空调系统的可靠运行。

[关键词]风冷变制冷剂流量系统;超高层建筑;散热模拟;受限空间优化

[中图分类号] TU83    [文献标志码]  A     doi:10.3969/J.ISSN.1005-9180.2025.05.0010

Heat Dissipation Simulation Analysis and Optimization of Multi-ConnectedOutdoor Units in Ultra-high-rise Restricted Space Arrangement

JIANG Songbiao, GUO Yong, FAN Jirong, SHI Shiyu

(Architectural Design and Research Institute ofGuangdong Province, Guangzhou, 510627, China)

Abstract: A super high-rise building in Guangzhou is taken as the research object to analyze the heat dissipationperformance of the air-cooled variable refrigerant flow system outdoor unit set up in the recessed restricted space of thebuilding through numerical simulation. The study simulates three typical platform configurations (platform 1 -E, 2-W, 2-S), from analyzing the retur air temperature, local heat aecumulation effeet and the influence of external buildingeomponents on airlow organization. 'Through the simulation of the building wind field and the equipment heat dissipationmodel, the heat dissipation elfeet of dilerent outdoor unit platforms is analyzed and optimization suggestions are made.The results show that the reasonable design of the depth of the outdoor unit platform and the optimization of the fresh airmake-up path, as well as the selection of equipment with a high shutdown proteetion temperature, can effeetivelimprove the heat dissipation elfect and ensure the reliable operation of the air conditioning system.

Key words: Air-cooled Variable Refrigerant Flow System; Ultra-high-rise Building; Heat Dissipation Simulation;Constrained Space Optimization.

随着城市化进程的加快，高层建筑在城市中大量涌现中^[1]。高层建筑由于其内部部分区域复杂，不同区域的功能区别较大，导致空调系统的运行模式和需求差别较大。风冷变制冷剂流量系统(Variable Refrigerant Flow System,VRF)因其灵活性和高效性，在高层建筑中得到了广泛应用，能较好满足室内空调需求^[2]。然而，风冷VRF系统室外机的散热问题直接影响到系统的运行效率^[3]。特别是在广州等亚热带气候区域的城市，由于夏季高温且日照强烈，室外环境温度较高，风冷VRF系统室外机的散热条件较为严苛。如果散热设计不合理，可能导致空调系统运行效率下降，甚至在极端情况下触发保护机制而停机，从而影响室内人员的舒适体验。因此，研究高层建筑中风冷VRF系统室外机的散热性能及其优化具有重要的实际意义。

目前，有许多学者针对高层建筑风冷VRF系统室外机散热优化进行了大量研究，将室外机安装在凹槽式受限空间并以百叶进行遮蔽的设计方案广受青睐^[5]。然而，当受限空间内同时容纳多台室外机时，彼此之间的热交换会造成环境温度升高，进而影响空调系统的运行效果^[6]。相关研究表明，冷却空气温度每升高1℃，空调系统制冷系数下降3%;当室外机运行环境温度达到某一限值时，空调器自动保护系统启动，压缩机会停止运行，影响空调使用^[7]。因此，研究评价凹槽内多台室外机的热环境，对风冷VRF系统运行的可靠性具有重要意义。

1 模拟方案

1.1物理模型

研究项目位于广州黄埔区，包含1#、2#两座高度分别为137.1米和128.6米的甲级办公楼，以及4#标准办公楼(44.5米高，共9层)和5层商业裙房。1#、2#塔楼采用多联机空调系统，室外机平层布置或集中于避难层;4#塔楼室外机集中于屋面。根据建筑外形和高度进行建模，建筑内部房间简化为不透风的实体块，分析在当地的室外风场条件的作用下，建筑物周边气流特点及其对室外机平台散热的影响。模型效果图如图1所示。

图1 建筑模型效果图

1.2 计算流体力学数值模拟边界条件设置

模型环境温度参考《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB50736-2012)附录A中广州地区的夏季室外空气通风计算温度31.8℃，室外风场风速为2.3 m/s，风向为南东南风向^[8]。室外平面尺寸不小于3.400 mmx1.200 mmx3,800 mm(H)，每个室外机平台放置3台12HP的多联式室外机，每台室外机的设计风量为9,800m3/h，散热量为额定工况的制冷量+耗电量(33.5kW+10.6 kW)。1、2#楼均按30层考虑。

1.3工况设置

对1#、2#楼室外机平台的散热情况进行分析，1#、2#楼标准层每层设置4个室外机位，每个机位放置3台12HP的变制冷剂流量室外机。各室外机平台的位置及编号如图2所示。

图2 室外机平台分布位置示意图

由于E与W、N与S平台呈点对称分布，平台建筑构件轮廓完全相同，1-S与2-S的轮廓接近，故选取以1-E、2-W、2-S三个室外机平台进行模拟分析，平台轮廓及尺寸如图3所示。通风百叶为通透率80%的水平百叶。

图3 各平台轮廓图

各平台内室外机的安装、布置及设备编号如图4所示。平台室外机平台、室外机如图5所示。

图4 室外机安装、布置图

图5 室外机平台建筑模型效果图

2 散热模拟结果分析

2.1室外风域分析

风压与风速分布:建筑风场的模拟分析中，模拟主要风向为东南风，室外风场风速为2.3 m/s。建筑迎风区形成正压，背风区形成面积较大的低压区，两者影响范围均随高度升高逐渐减小，这一风场分布特点对室外机平台的散热效果产生了显著影响。进一步探讨不同室外机平台的散热效果，分析其在实际运行中的温度分布情况，评估散热性能并提出优化建议。

图6 压力分布云图

图6为建筑总图，距地20m、距地50m、距地80m和距地110m的压力云图。随着高度的增加，建筑背风区的低压区和迎风区的正压区的影响范围均逐渐减小。在距地面20米的高度处，背风区的低压区覆盖范围较大，压力值较低(如图6所示)，表明此处存在显著的负压。而在距地面50m、80m和110m的高度，低压区的范围明显缩小，负压值也从-5Pa逐渐减少到-1Pa。这表明高层建筑周围的风场在垂直方向上存在显著变化:低层区域受建筑影响较大，形成明显的低压区;而高层的风场逐渐趋于平稳，低压区的影响减弱。

图7 建筑规划剖面线示意图

图8 风速云图

图9 风速矢量图

图7为建筑规划图的剖面线示意图，其中标示了剖面线01和剖面线02的位置。图8和图9分别展示了1#楼和2#楼剖面线处对应的风速云图和风速矢量图。分析结果显示，在建筑的迎风面，由于风直接吹过建筑表面，气流速度分布较为均匀目风速较高;而在背风面，由于气流在建筑周围流动时受到阻挡和涡流的影响，风速明显降低，形成了低速区。速度矢量图进一步揭示了气流的方向和流动模式，建筑迎风面箭头密集且较长，表明气流速度较高且流向相对统一，这是由于风直接作用于建筑表面，气流受阻较小;而背风面箭头稀疏且较短，这种矢量分布特征进一步揭示了建筑周围气流在垂直剖面上的复杂动态，尤其是背风面涡旋的存在会导致局部气流停滞，对室外机平台的散热效果产生不利影响。

图10 不同高度风速云图

图11 不同高度风速矢量图

图10和图11展示了1#楼和2#楼距地20m、50m、80m和110m立面的风速云图和风速矢量图，直观呈现了气流的运动方向与速度特征。从图中可见，建筑迎风面气流速度较高且方向相对统一，风速多在2.05~6.55 m/s之间，这是由于风直接作用于建筑表面，气流受阻较小;而背风面则形成明显的低速区，风速普遍低于1.65 m/s，目存在大量涡流和回旋气流，这是气流绕流建筑时受阻挡形成的紊乱区域。这种分布特征表明，迎风面的室外机平台更易获得充足新风，散热条件较好，而背风面的平台因气流停滞导致热积效应，尤其对封闭性较强的平台(如1-E)影响更显著，会加剧热气流滞留。由图10可知，随高度升高，风速整体呈递增趋势，低风速区域(风速<1.65 m/s)逐渐缩小。距地20 m处风速较低且分布不均，受地面建筑和障碍物影响，存在较多低速区;50m和80m处风速明显提升，低速区集中在建筑背风角落;110m处风速最高，多数区域风速达3.28~6.55m/s，低速区几乎消失。这种高度变化规律表明，高楼层室外机平台的气流流动性更优，散热受阻情况减轻，而低楼层平台需特别关注低速区对散热的不利影响，尤其是封闭性平台的热积问题。

图12 速度分布云图(<1.0 m/s)

低风速区影响:图12展示了距地20m、50m、80m和110 m处风速小于1 m/s的低风速分布区域。距地20m处，低风速区分布较为复杂，受地面建筑和障碍物的影响，存在多处风速约为1m/s的区域，风速分布不均匀且分散。随着高度的增加，低风速区的范围逐渐减小:在距地50m和80m处，低风速区的分布更加集中，但仍保持一定面积;而在距地110m处，低风速区显著减小，几乎仅在局部区域出现，整体风速普遍较高。

总体来看，随着高度升高，低风速区域逐渐减小。所以，涡流区中心距室外机位距离较远，低风速区对低楼层的室外机平台影响较小。

2.2室外机平台散热效果分析

平台1-E室外机回风温度分布曲线如图13所示，Z向的温度分布如图14所示，受出风口处右侧墙体的影响，部分热气流滞留。平台1-E中，2号机散热效果远超1号机和3号机。1号机与3号机因靠近右侧墙体，回风依赖右侧，而墙体阻碍使热气流滞留，20层以下回风温度约42℃，最高达47.06℃;2号机从左侧回风，左侧无遮挡，新风充足，20层以下温度接近环境温度33.3℃。

如图14所示，受室外机平台右侧建筑构件的影响，平台左侧较右侧更容易进风，热气流整体向右侧偏移。高层的热量堆积不强，但受建筑构件的影响，导致1号机、3号在低楼层回风温度仍然较高。

图13 平台1-E室外机回风温度分布曲线

图14 平台1-E温度分布云图(Z向)

平台2-W室外机回风温度分布曲线如图15所示，室外机回风温度随楼层逐步增加，在26层左右的位置，回风温度达到最高，2号机、3号机最高回风温度分别为47.49℃和47.05℃，1号机最高回风温度接近44.7℃。三台设备随楼层的回风温度变化规律类似，高楼层的热积效应较大。

平台左侧构件较为突出，平台的右侧作为室外机取风路径更有利，热气流整体向左偏移，但偏移的程度较小(如图16)。热积效应在7层开始显现，引起的温差约为14℃。这表明热积效应的影响较为显著，尤其是在平台外建筑构件的影响较小的情况下，不同机组的回风温度差别较小。尽管如此，由于热积效应导致的温度升高，散热效果仍受到一定影响，表现为部分楼层的回风温度较高，整体散热效果未能达到理想状态，但叠放时靠近有利取风侧的机组效果更优的规律仍存在。

图15 平台2-W室外机回风温度分布曲线

图16 平台2-W温度分布云图(Z向

图17所示为平台2-S散热分析:平台2-S中2号机散热显著优于1号机和3号机。1号机与3号机靠近两侧构件，取风受遮挡，热积效应强，最高温度分别为43.02℃、44.15℃。2号机在中间，无遮挡，新风补进顺畅，最高温度仅36.71℃。

如图18所示，平台左侧构件较为突出，平台的右侧作为室外机取风路径更有利，热气流整体向左偏移，但偏移的程度较小。

叠放布置下，中间机组处于气流“主流区’两侧机组在“边缘区”，受局部低压影响热空气易回流，加剧了散热差异。

图17 平台2-S室外机回风温度分布曲线

图18 平台2-S温度分布云图(Z向)

三个平台的室外机回风温度分析表明，热积效应在不同楼层均有显现，最高回风温度介于44.15 ℃至47.49 ℃之间，温差范围为5 ℃至14 ℃(平台1-E的温差约为5℃，平台2-W的温差约为14℃，而平台2-S的温差约为11℃)。平台1-E因右侧墙体阻挡，1号、3号机与2号机回风温度差异极大(最大近14℃)，受建筑构件影响最大，散热最差;平台2-W机组回风温度差异小(约2.8℃)，建筑构件影响较弱，散热一般;平台2-S虽有差异(约7-8℃)但整体温度低，建筑构件影响小，散热良好。

2.3 温度分布可视化

通过回风温度的变化趋势分析了不同平台布置形式下室外机散热效果的差异，识别出热积效应的分布特点及与平台构造的关联性。为进一步揭示散热过程中的温度、风速和气流压力的空间分布特征，引人更加直观的可视化分析，基于数值模拟结果，对不同平台出风区域及邻近区域的温度、速度和压力分布云图进行对比，以量化分析气流组织对散热效率的影响。

平台1-E综合参数分布(如图19):

图19 平台1-E温度分布云图

总体来看，平台1-E因右侧建筑构件遮挡、气流路径单一狭窄，且空间尺寸设计导致气流阳力较大，最终限制了新风补入和热空气排出，形成了封闭性较强的散热环境。这种封闭性使得出风口气流受限明显。温度分布云图显示，出风口处局部区域出现高温积聚，热量扩散不均匀，导致整体散热效率偏低。在距离出风口2m的平面上，仍可观察到明显的高温滞留现象，表明热空气难以及时扩散。速度场分析表明，出风口区域存在低速回流区，气流流动路径受限，形成了不利于散热的涡流结构。在距离出风口2m的平面上，速度分布不均匀，部分区域风速显著衰减，进一步加剧了热量滞留。

 平台2-W综合参数分布(如图20):

图20 平台2-W温度分布云图

平台2-W建筑构件对气流路径的遮挡程度较低、气流流通空间更开阔，这种部分开放式设计，相较于平台1-E在空间通透性上有所提升。图20显示，出风口处的高温区域有所缓解，热量向外扩散的路径更加顺畅:2米平面处的温度分布较为均匀，表明空气对流条件得到了改善。

平台2-S综合参数分布(如图21):

图21 平台2-S温度分布云图

平台2-S采用全开放式平台设计，室外机气流环境最为优越。温度云图表明，出风口处热量能够快速扩散，高温区显著减小;距离出风口2m的平面处温度分布均匀，几乎无明显滞热区域，散热效果显著优于前两种方案。

速度场结果显示，出风口气流速度大且流线顺畅，整体空气流通路径清晰，几乎无逆流或回旋区;距离出风口2m的平面处风速稳定，说明热空气扩散迅速且受阻较小，有利于形成良好的自然对流通道。压力云图分析显示，整个平台出风口附近压力最小，表明空气流动阻力最低，气流排出顺畅。该平台形式能显著降低室外机的排风负荷，提高换热器换热效率。

2.4散热效果总结

综上所述，三种平台形式对室外机的气流组织和散热性能具有显著影响。平台2-S凭借其全开放式结构，在温度场、速度场及压力场分布上均表现出最佳的散热性能，有效避免了高温积聚、气流回流及高压阻力等问题。相比之下，平台1-E由于结构较为封闭，导致散热效果最差;而平台2-w采用部分开放式设计，在结构开放性与散热性能之间取得了一定平衡，散热效果介于两者之间。该分析为后续优化平台布置提供了重要依据。

3结论

在所模拟的室外机平台中，计算得到的室外机最高回风温度达到了47.49℃，与模型设置的环境温度31.8℃相比，存在约15.69℃的温差。部分设备的散热效果一般，对空调系统的运行性能有一定影响。

模拟计算模型空气状态参数取夏季室外通风干球计算温度，且设备在满负荷工况下运行。然而，实际情况与模型假设存在差异。建筑迎风区正压、背风区低压且影响范围随高度减小，迎风面风速高利于散热，背风面风速低易形成低速区;此分布使不同平台散热效果差异明显，如平台1-E因封闭性强，在风压风速作用下气流受限、热积严重，平台2-S全开放则借良好风压风速快速散发热量，整体影响气流组织与散热效率。从室外风域分析可见，高层建筑室外机平台存在扰动较强的风域，这些风域对楼层热量堆积有较好的消散作用。此外，设备大部分时间是在部分负荷工况下运行，且室外空气温度通常低于模型设定值，因此实际散热效果通常优于模拟结果。

另外，相同平台内机组散热差异与叠放位置密切相关。中间机组因新风补进通畅，散热效果更优;靠近建筑构件的边缘机组，取风受阻易热积。平台封闭性越强，差异越显著。

同时，为确保空调系统在极端天气下的可靠运行，建议选用停机保护温度高于48℃的室外机，且室外机散热风机的最高机外静压应大于30Pa。同时，建议采用通透率不小于80%的水平百叶，以保证设备在高温条件下不会停机。

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