上海某建筑用集成式制冷站的設(shè)計(jì)分析

沈小成++臧建彬

摘 要：當(dāng)前國(guó)內(nèi)制冷站的工程管理模式主要采用各設(shè)備公開招標(biāo)采購(gòu)，暖通、機(jī)械、電氣等各專業(yè)工種分別進(jìn)行安裝的形式。由于沒有按照整個(gè)工程系統(tǒng)來(lái)操作，所以造成制冷站占地面積過(guò)大，施工質(zhì)量、設(shè)備運(yùn)行管理以及制冷站的整體性能都不甚理想。文章以實(shí)際工程案例的集成式制冷站為研究對(duì)象，將制冷站當(dāng)成一個(gè)整體系統(tǒng)來(lái)操作。整個(gè)制冷站從設(shè)計(jì)、采購(gòu)、制造、測(cè)試、安裝、調(diào)試皆由一家單位來(lái)主導(dǎo)，系統(tǒng)集成化操作，避免了傳統(tǒng)制冷站各工種各自為政，各部件兼容性差而帶來(lái)的問(wèn)題，從而提高能源的利用率。

關(guān)鍵詞：集成式 制冷站 水力計(jì)算 有限元分析

中圖分類號(hào)：TU243 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）06（b）-0092-02

當(dāng)前在我國(guó)中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理中，必要的引導(dǎo)和管理有所缺乏，在運(yùn)行效率方面我國(guó)的中央空調(diào)系統(tǒng)總體不高，有比較嚴(yán)重的浪費(fèi)[1]。

1 集成式制冷站的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及安裝現(xiàn)場(chǎng)分析

在項(xiàng)目前期，充分地與設(shè)計(jì)院溝通，從而得到有關(guān)制冷站的詳細(xì)技術(shù)要求。查閱該建筑物的土建圖紙，以及到現(xiàn)場(chǎng)勘察，熟悉集成式制冷站的安裝現(xiàn)場(chǎng)。在充分與設(shè)計(jì)院溝通后，確定集成式制冷站可安裝在該建筑屋頂，施工方會(huì)預(yù)留安裝平臺(tái)。

1.2 設(shè)備的最優(yōu)選型

在確定了制冷站的設(shè)計(jì)參數(shù)及安裝方式后，可繪制出集成式制冷站的系統(tǒng)原理圖并對(duì)其部件進(jìn)行選型。集成式制冷站并不是簡(jiǎn)單地將各部件進(jìn)行拼裝，而是充分考慮設(shè)計(jì)院的要求和各部件的性能進(jìn)行選型匹配，以達(dá)到整體最優(yōu)的效果。

（1）冷水機(jī)組。采用兩臺(tái)開利高效螺桿機(jī)組，該冷水機(jī)組在保證高效穩(wěn)定的前提下，做到了結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積較小。

（2）吸入導(dǎo)流器及多功能閥。傳統(tǒng)制冷站為保證水泵運(yùn)行平穩(wěn)高效以及檢修方便，水泵兩端需安裝過(guò)多的系統(tǒng)部件。該項(xiàng)目通過(guò)采用吸入導(dǎo)流器及多功能閥的方式，整合傳統(tǒng)水泵兩端各部件的功能，做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，安裝方便。

（3）冷卻塔。該項(xiàng)目中集成式制冷站安裝在屋頂且上面無(wú)任何障礙物遮擋，故選擇某公司生產(chǎn)的開式冷卻塔作為集成式制冷站的冷卻系統(tǒng)。

（4）水泵。集成式制冷站可視為模塊化產(chǎn)品，充分收集各部件的技術(shù)參數(shù)，可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算出冷凍、冷卻水系統(tǒng)的壓降，從而有利于選擇出最合適的水泵型號(hào)。

1.3 集成式制冷站的技術(shù)參數(shù)

設(shè)計(jì)完成集成式制冷站的系統(tǒng)原理圖，選定了系統(tǒng)各主要部件的型號(hào)及充分考慮設(shè)計(jì)院的技術(shù)要求后，集成式制冷站的相關(guān)技術(shù)參數(shù)也就確定了下來(lái)。

2 集成式制冷站的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在完成集成式制冷站系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用系統(tǒng)集成化的概念對(duì)集成式制冷站進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)部件布局、管道排布、底座及支吊架的設(shè)計(jì)、模塊劃分、節(jié)能控制系統(tǒng)布置。最后，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，利用三維仿真技術(shù)對(duì)制冷站進(jìn)行三維模擬和優(yōu)化，避免各部件之間的碰撞，以達(dá)到制冷站布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小的目的。

3 集成式制冷站的結(jié)構(gòu)仿真校核

管道支架是集成式制冷站的主要受力部件，故應(yīng)該對(duì)該部件的強(qiáng)度、剛度以及模態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，并充分考慮到制冷站將會(huì)進(jìn)行模塊化運(yùn)輸，故支架運(yùn)輸過(guò)程中的受力情況也要進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 支架的受力分析

（1）建立有限元模型。在建立有限元模型之前，必需對(duì)支架的三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如去除一些裝配孔和圓角，因?yàn)檫@些特征對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響微乎其微，移除能加快計(jì)算速度。

（2）劃分網(wǎng)格。將支撐架的三維模型導(dǎo)入到ANSYS中，采用Solid185單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。一般構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)采用Solid185單元，通過(guò)使用8個(gè)節(jié)點(diǎn)就可以來(lái)定義這個(gè)單元，這8各節(jié)點(diǎn)每一個(gè)都有3個(gè)互相垂直方向的自由度，單元具有大變形、大應(yīng)變、超彈性、蠕變和應(yīng)力鋼化的能力。

（3）載荷邊界條件。支架所受最主要的荷載為管路的重量及管路中水的重量以及運(yùn)輸過(guò)程中水平方向的加速度。假設(shè)管路跟水泵、冷機(jī)等部件的連接點(diǎn)是自由的，即管路所有重量都附加在支撐架上，這樣便能計(jì)算出加載在支架上的力。查閱相關(guān)資料，得出運(yùn)輸過(guò)程中水平方向的加速度。

（4）位移邊界條件。由于支撐架的底部與底板采用螺栓緊固的連接方式，為計(jì)算方便，假定支撐架的底腳全部為剛性連接，即支架下端全面約束。

（5）位移邊界、載荷的施加及計(jì)算。將載荷邊界條件和位移邊界條件加載到支架有限元模型上并啟動(dòng)計(jì)算功能，得出計(jì)算結(jié)果。

（6）強(qiáng)度剛度評(píng)定。根據(jù)以上步驟計(jì)算結(jié)果，支架運(yùn)輸過(guò)程中的最大位移量為13.468 mm，所受的最大應(yīng)力343.075 MPa，滿足剛度強(qiáng)度的要求。

3.2 支架的模態(tài)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為研究支架的動(dòng)態(tài)性能，以防其自身的固有特征頻率與運(yùn)輸過(guò)程中的激擾頻率及工作頻率接近而造成的疲勞破壞，因此需對(duì)此管道支架進(jìn)行模態(tài)計(jì)算分析，以便求出管道支架的固有頻率和振型。此次分析計(jì)算了管道支架的前20階模態(tài)，結(jié)果良好。

4 集成式制冷站的工廠預(yù)制生產(chǎn)及運(yùn)行結(jié)果

集成式制冷站與傳統(tǒng)制冷站相比，還有一個(gè)大的區(qū)別就是可以在工廠內(nèi)預(yù)制生產(chǎn)。集成式制冷站經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、設(shè)備的最優(yōu)選型、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及受力的仿真校核，已經(jīng)具備了生產(chǎn)加工的條件。在制造的過(guò)程中，可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮周全的地方，為以后完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。

在工廠完成預(yù)制生產(chǎn)后，可先行對(duì)集成式制冷站進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)、嚴(yán)密性試驗(yàn)和運(yùn)行測(cè)試。待制冷站通過(guò)這些測(cè)試后，將制冷站分模塊運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)已考慮到模塊化安裝[2]。這樣可以大大減少現(xiàn)場(chǎng)安裝及調(diào)試時(shí)間，避免各專業(yè)工種交叉作業(yè)，降低施工難度，提高工作質(zhì)量，從而有利于制冷站的整體性能。

待集成式制冷站正常運(yùn)行后，可對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到檢測(cè)數(shù)據(jù)后可得出結(jié)論運(yùn)行狀況滿足制冷站的設(shè)計(jì)要求。制冷站的檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

綜上所述，集成式制冷站擁有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

（1）節(jié)能高效。系統(tǒng)整體化設(shè)計(jì)，部件最優(yōu)化選型，提高系統(tǒng)各部件兼容性，使制冷站整體高效運(yùn)行。

（2）節(jié)省空間。通過(guò)三維仿真技術(shù)及結(jié)構(gòu)仿真校核，優(yōu)化制冷站的整體布局，減少安裝現(xiàn)場(chǎng)的占地面積和材料的浪費(fèi)，靈活適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)安裝要求。

（3）縮短安裝調(diào)試周期。集成式制冷站已在工廠預(yù)制生產(chǎn)并通過(guò)了相關(guān)測(cè)試及檢測(cè)。在現(xiàn)場(chǎng)可快速地完成安裝調(diào)試工作，避免了傳統(tǒng)制冷站交叉施工，調(diào)試周期長(zhǎng)的問(wèn)題。

（4）方便維護(hù)。通過(guò)節(jié)能控制系統(tǒng)及智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，操作簡(jiǎn)單，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本和維護(hù)難度。

5 結(jié)語(yǔ)

該文主要討論了將制冷站各部件整合起來(lái)，當(dāng)成一個(gè)系統(tǒng)性的產(chǎn)品來(lái)設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高效率、節(jié)能減排的目的。采用理論分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算、測(cè)試試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)集成式制冷的可行性進(jìn)行了討論，實(shí)際應(yīng)用中效果良好。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬娟麗.中央空調(diào)系統(tǒng)的最優(yōu)化運(yùn)行[D].西安科技大學(xué)，2006.

[2] 楊丹，宗文波，范志遠(yuǎn)，等.集成制冷站系統(tǒng)集成技術(shù)與工程應(yīng)用[J].暖通空調(diào)，2014（3）：89-92.