淺談寒冷地區(qū)暖通空調(diào)水系統(tǒng)管道補(bǔ)償設(shè)計(jì)研究

王鑫 申鵬 趙軍 唐路

【摘要】本文主要介紹了暖通空調(diào)水系統(tǒng)管道補(bǔ)償方式的種類及選擇方式，管道補(bǔ)償方式的設(shè)計(jì)與施工對(duì)管道系統(tǒng)支吊架的設(shè)計(jì)布置以及建筑結(jié)構(gòu)的受力影響很大，布置不合理，不僅浪費(fèi)材料，在管道系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，還會(huì)帶來(lái)很多安全隱患，需要特別注意，本文還以張家口市崇禮區(qū)太子城冰雪小鎮(zhèn)項(xiàng)目與北京項(xiàng)目空調(diào)水管道系統(tǒng)補(bǔ)償量進(jìn)行對(duì)比分析、總結(jié)。對(duì)今后嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)綜合體的空調(diào)水管道系統(tǒng)管道補(bǔ)償器的選擇與設(shè)計(jì)起到一定的借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】崇禮太子城;管道補(bǔ)償;寒冷

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.28.103

1、工程簡(jiǎn)介

張家口市崇禮太子城冰雪小鎮(zhèn)位于河北省張家口市崇禮區(qū)，是2022年冬奧會(huì)張家口賽區(qū)核心區(qū)域。比鄰太子城高鐵站，總占地面積2.89平方公里，總建設(shè)規(guī)模達(dá)到134萬(wàn)平方米，涵蓋了冬奧頒獎(jiǎng)廣場(chǎng)、國(guó)際會(huì)議中心、國(guó)際度假酒店群、冰雪特色配套區(qū)等開(kāi)發(fā)建設(shè)內(nèi)容。

崇禮太子城小鎮(zhèn)在冬奧會(huì)前以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)小鎮(zhèn)，冬奧會(huì)期間將提供冬奧頒獎(jiǎng)、貴賓接待、交通換乘、休閑娛樂(lè)等保障服務(wù)。冬奧后將秉承可持續(xù)發(fā)展理念，與全球各類合作伙伴共同搭建生態(tài)平臺(tái)，以國(guó)際化四季度假小鎮(zhèn)來(lái)運(yùn)營(yíng)。

冰雪小鎮(zhèn)核心區(qū)域有三大功能區(qū)：一是規(guī)劃有容納2500人的冰雪會(huì)堂、國(guó)際會(huì)議中心、會(huì)展中心、國(guó)際高端酒店的太子城國(guó)際會(huì)議中心。為兼顧后奧運(yùn)時(shí)代的可持續(xù)運(yùn)營(yíng)，小鎮(zhèn)從規(guī)劃設(shè)計(jì)到運(yùn)營(yíng)思路對(duì)標(biāo)國(guó)際冬奧小鎮(zhèn)和世界級(jí)論壇，已簽約頂級(jí)的洲際酒店集團(tuán)及國(guó)際一流的會(huì)議會(huì)展運(yùn)營(yíng)商北辰會(huì)展集團(tuán)。二是服務(wù)于小鎮(zhèn)生活配套的四季商街組團(tuán)，提供開(kāi)放式商業(yè)街區(qū)、精品民宿酒店、各具風(fēng)情的餐飲酒吧等，并搭配大型主題兒童樂(lè)園。不僅如此，坐落于四季商街核心的冬奧塔及冬奧頒獎(jiǎng)廣場(chǎng)。三是以?shī)W運(yùn)期間高規(guī)格貴賓接待酒店為主體的國(guó)際度假酒店群，將會(huì)結(jié)合賽時(shí)賽后需求分期開(kāi)發(fā)。國(guó)際會(huì)議中心、四季商街及部分國(guó)際度假酒店群。

2、設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 采暖設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 熱源系統(tǒng)

本工程熱源為承壓燃?xì)鉄崴仩t+ 承壓電熱水鍋爐及蓄熱水箱，熱源設(shè)于會(huì)展中心地下一層的鍋爐房及熱水箱間內(nèi)。蓄熱系統(tǒng)通過(guò)三組板式換熱器向二次側(cè)系統(tǒng)供熱，為空調(diào)熱水系統(tǒng)提供：60℃/45℃熱水;為高溫預(yù)熱及散熱器系統(tǒng)提供：70℃/50℃熱水;為低溫?zé)崴孛孑椛涔┡到y(tǒng)提供：55℃/45℃熱水。

2.4 冷源系統(tǒng)

本工程冷源為離心式（變頻）冷水機(jī)組+螺桿式（變頻）冷水機(jī)組。冷源設(shè)于會(huì)展中心地下一層的制冷站內(nèi)，冷凍水供、回水溫度為6/12℃，冷卻水供、回水溫度為：28℃/33℃，冷凍水采用一次泵變流量系統(tǒng)、冷卻水定流量系統(tǒng)，冷卻塔設(shè)置于室外地坪綠化帶內(nèi);部分電氣用房，如變電所、消防控制室等采用局部冷源供冷，采用分體（多聯(lián)）式空調(diào)，外機(jī)主要設(shè)置在車庫(kù)內(nèi)。

2.5 供熱系統(tǒng)

本工程供熱系統(tǒng)主要采用空調(diào)系統(tǒng)采暖，并在酒店一層大堂入口及酒店地下門廳、酒店地下一層健身房及更衣室、全日制餐廳、客房?jī)?nèi)衛(wèi)生間及客房入口設(shè)置低溫?zé)崴孛孑椛涔┡到y(tǒng)作為輔助采暖系統(tǒng);在酒店地下車庫(kù)、廚房及設(shè)備用房、酒店客房走廊、布草間、服務(wù)間、樓梯間及風(fēng)機(jī)房設(shè)置散熱器采暖系統(tǒng);低溫?zé)崴孛孑椛涔┡到y(tǒng)供回水溫度為55/45℃，散熱器采暖系統(tǒng)供回水溫度為70/50℃。散熱器采暖系統(tǒng)形式：地下車庫(kù)及設(shè)備用房采用上供上回同程式系統(tǒng)，地上部分采用下分式雙管水平系統(tǒng)，系統(tǒng)干管敷設(shè)在地下室棚下及管道夾層內(nèi)，并設(shè)置單獨(dú)的采暖系統(tǒng)入口裝置。低溫?zé)崴孛孑椛涔┡到y(tǒng)采用下分式垂直雙管同程式系統(tǒng)，系統(tǒng)干管安裝于地下室棚下及設(shè)備夾層，設(shè)置單獨(dú)的采暖系統(tǒng)入口裝置。地?zé)岱旨鞅M量采用暗裝于砌筑墻內(nèi)或設(shè)于平面隱蔽處以利于配合后期精裝。

2.6 空調(diào)水系統(tǒng)

本工程空調(diào)水系統(tǒng)分為兩部分，洲際酒店部分采用四管制變流量系統(tǒng)，逸衡酒店部分采用二管制變流量系統(tǒng)?？照{(diào)水系統(tǒng)采用立管異程系統(tǒng)，水平管同程式系統(tǒng)?？照{(diào)供回水主干管從室外供冷供熱外網(wǎng)引出，空調(diào)機(jī)組新風(fēng)機(jī)組系統(tǒng)環(huán)路的主要分支回干管上設(shè)動(dòng)態(tài)壓差控制器（自力式壓差平衡閥），供水管設(shè)置靜態(tài)平衡調(diào)節(jié)閥;新風(fēng)機(jī)組、空調(diào)機(jī)組前設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，風(fēng)機(jī)盤管設(shè)置電動(dòng)兩通閥，風(fēng)機(jī)盤管水路每層回水管設(shè)置動(dòng)態(tài)壓差控制器（自力式壓差平衡閥），供水管設(shè)置靜態(tài)平衡調(diào)節(jié)閥。

3、補(bǔ)償方式的選擇

冷風(fēng)會(huì)從經(jīng)常開(kāi)啟的大門、車輛坡道等位置滲入至建筑內(nèi)，對(duì)于嚴(yán)寒和寒冷等地區(qū)，室外溫度相對(duì)更低，在冬季供熱時(shí)，管道與環(huán)境相對(duì)溫差更大，而輸送冷水或熱水的管道，由于管道內(nèi)部輸送介質(zhì)與工作環(huán)境存在的溫差，會(huì)使管道產(chǎn)生一定長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)或收縮變形，為了保證管道系統(tǒng)能夠安全可靠的正常運(yùn)行，都會(huì)對(duì)輸送管道進(jìn)行吸收補(bǔ)償量的設(shè)計(jì)。

補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)，采的補(bǔ)償方式分為管道自然補(bǔ)償及管道補(bǔ)償器補(bǔ)償兩種。管道自然補(bǔ)償是利用管道轉(zhuǎn)彎時(shí)的自然彎曲來(lái)補(bǔ)償管道的冷、熱伸縮量，常采用L形補(bǔ)償和Z形補(bǔ)償兩種型式。采用此種補(bǔ)償方式僅需利用管道拐彎，不需要額外增加費(fèi)用，缺點(diǎn)是補(bǔ)償量有限，當(dāng)轉(zhuǎn)角不大于150°時(shí)，管道臂長(zhǎng)不宜超過(guò)20～25m。管道補(bǔ)償器補(bǔ)償所采用的補(bǔ)償器分為方形補(bǔ)償器、套筒補(bǔ)償器、波紋管補(bǔ)償器、球形補(bǔ)償器以及旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器。方形補(bǔ)償器形似兩個(gè)Z形自然補(bǔ)償器的組合，一般常用無(wú)縫鋼管煨制，亦可用熱壓彎頭拼制。采用此種補(bǔ)償方式的優(yōu)點(diǎn)是加工方便，軸向推力小，有利于管道安全運(yùn)行，并且不需經(jīng)常維修，缺點(diǎn)是占用安裝空間大，不易布置。套筒式補(bǔ)償器，補(bǔ)償能力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝占用空間小、流體阻力小、安裝方便，但工作使用中，經(jīng)常出現(xiàn)漏水、漏汽等現(xiàn)象需要維修，更換填料，一般民用公共建筑以很少使用。波紋管補(bǔ)償器安裝容易、配管簡(jiǎn)單、維修管理方便，但安裝時(shí)，補(bǔ)償器本身會(huì)產(chǎn)生較大的彈性力;如果選用內(nèi)外壓不平衡式波紋管補(bǔ)償器時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生極大的不平衡內(nèi)壓力，需要設(shè)置堅(jiān)固的固定支架，耗用更多的型鋼材料;如果選用內(nèi)外壓平衡式波紋補(bǔ)償器，會(huì)消除不平衡內(nèi)力，但由于波紋數(shù)量的增加，會(huì)占用更多的安裝空間，增加更多的彈性力。球型補(bǔ)償器主要應(yīng)用于長(zhǎng)距離輸送管道，優(yōu)點(diǎn)是具有較大的補(bǔ)償能力、并且可以進(jìn)行一定的角度補(bǔ)償、占用空間小、流體阻力小、安裝方便。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器是通過(guò)繞著一個(gè)軸線中心旋轉(zhuǎn)，來(lái)補(bǔ)償垂直于該軸線的直線管道的冷熱伸長(zhǎng)，多用于工業(yè)高、中壓管道，其優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生不平衡內(nèi)壓力，對(duì)補(bǔ)償器兩端的固定支架受力影戲小，無(wú)熱伸縮引起的熱損失，密封材料和密封面的磨損極為輕微，不易產(chǎn)生泄露。

補(bǔ)償器種類不同，適用場(chǎng)合也不同，一旦選擇、布置不合理，不僅對(duì)管道系統(tǒng)運(yùn)行安全有影響，還會(huì)對(duì)支吊架型鋼量、建筑結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土量產(chǎn)生影響，增加投資成本，故此在暖通管道支吊架設(shè)計(jì)時(shí)，補(bǔ)償方式的選擇和補(bǔ)償位置的設(shè)置十分重要。那應(yīng)該如何選擇補(bǔ)償方式和補(bǔ)償位置呢？我們應(yīng)該從以下幾個(gè)方面考慮：

（1）優(yōu)先利用管道拐彎及管道間相互避讓位置處的L形、Z形自然補(bǔ)償方式進(jìn)行補(bǔ)償。管道系統(tǒng)安裝前，在進(jìn)行機(jī)電管線深化時(shí)，設(shè)備、管線的空間排布，除了按照標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、圖集、設(shè)備資料等技術(shù)要求考慮其間距、檢修、安裝、閥部件操作外，還可充分利用管線排布過(guò)程中需要管線避讓的位置進(jìn)行自然補(bǔ)償，同時(shí)還應(yīng)考慮補(bǔ)償器及支吊架的安裝空間。

（2）自然補(bǔ)償無(wú)法解決的管道系統(tǒng)，優(yōu)先選擇方形補(bǔ)償器。方形補(bǔ)償器雖然占用空間較大，但也屬于對(duì)管道系統(tǒng)安全運(yùn)行有利，對(duì)支吊架布置、建筑結(jié)構(gòu)影響較小的補(bǔ)償方式。但需要注意的是，對(duì)于嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，管道系統(tǒng)和工作環(huán)境溫差更大一些，根據(jù)補(bǔ)償量計(jì)算公式：?X=αL（t_1-t_2 ），其中：?X—管道熱伸長(zhǎng)量，mm，t_1—熱媒溫度，℃，t_2—管道安裝時(shí)溫度，℃，L—計(jì)算管道長(zhǎng)度，m，α—線膨脹系數(shù)，mm/m·℃。隨著溫差的增大，補(bǔ)償量隨之增加，這也說(shuō)明如果在補(bǔ)償量一定的條件下，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)補(bǔ)償直管線長(zhǎng)度會(huì)比一般地區(qū)要短一些。以本工程為例，假設(shè)本項(xiàng)目冬季管道安裝時(shí)溫度為-20度，北京地區(qū)冬季管道安裝時(shí)溫度為0度，空調(diào)熱水系統(tǒng)供水溫度為60℃，本項(xiàng)目可自然補(bǔ)償直管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)c，北京地區(qū)可自然補(bǔ)償直管道長(zhǎng)度為25m，根據(jù)公式，管線長(zhǎng)度和溫差成反比關(guān)系，當(dāng)設(shè)計(jì)補(bǔ)償量一樣時(shí)，L_c/25=（（60-0））/（（60+20）），Ld=18.75m，相同的補(bǔ)償條件下，本項(xiàng)目可自然補(bǔ)償直管道長(zhǎng)度比北京地區(qū)少6.25m，在補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意。

（3）當(dāng)超出自然補(bǔ)償長(zhǎng)度范圍，現(xiàn)場(chǎng)安裝空間又有限，無(wú)法安裝方形補(bǔ)償器時(shí)，優(yōu)先選用內(nèi)外壓平衡式波紋補(bǔ)償器，減少軸向推力對(duì)管道固定支架和建筑結(jié)構(gòu)受力影響。

（4）以上條件均不能滿足，再考慮使用不平衡式波紋補(bǔ)償器。

4、管道支吊架設(shè)計(jì)

在管道支吊架型式選擇與布置時(shí)，首先應(yīng)能保證支撐或吊裝管道，能夠承受管道重量、冷熱位移變形補(bǔ)償產(chǎn)生的推力、摩擦力以及設(shè)置補(bǔ)償器產(chǎn)生的不平衡內(nèi)力等作用力，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，防止管道振動(dòng)。管道支吊架設(shè)計(jì)與機(jī)電深化設(shè)計(jì)管線綜合工作密不可分，在機(jī)電管線綜合時(shí)，就應(yīng)該綜合考慮管道支吊架占用空間位置，具體步驟是：

（1）初步的機(jī)電管線綜合深化設(shè)計(jì)。在進(jìn)行機(jī)電管線綜合深化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不僅需要考慮各管道及閥部件的占位、檢修等，還需根據(jù)管道及閥部件可能產(chǎn)生的作用力影響，初步預(yù)留支吊架空間，空間不足時(shí)，可考慮設(shè)置綜合支吊架，對(duì)于支吊架預(yù)留空間大小的判斷可參考技術(shù)手冊(cè)和圖集。

（2）根據(jù)不同的機(jī)電系統(tǒng)管道運(yùn)行支撐需求，確定其支吊架布設(shè)種類、形式、間距、位置等。支吊架布設(shè)的種類和形式與考慮管道補(bǔ)償冷熱位移及補(bǔ)償器設(shè)置的部位有關(guān)，支吊架之間的間距及設(shè)置位置與其需要承受管道對(duì)其的作用力，以及建筑結(jié)構(gòu)能夠承載其傳遞的作用力大小有關(guān)。

（3）根據(jù)支吊架間距及管線在支吊架上的相對(duì)位置，確定支吊架受到的管道水平和垂直荷載及作用的大小、位置。

（4）根據(jù)管道對(duì)支吊架的荷載及作用的大小、位置，確定支吊架內(nèi)力。

（5）根據(jù)支吊架內(nèi)力，驗(yàn)算支吊架構(gòu)件、構(gòu)件及構(gòu)件間的連接節(jié)點(diǎn)以及構(gòu)件與建筑結(jié)構(gòu)間的連接節(jié)點(diǎn)是否滿足承載力要求。

（6）確定最終的機(jī)電管線綜合方案及支吊架設(shè)計(jì)方案。根據(jù)以上流程初步確定管道支吊架布設(shè)種類、形式、間距及位置后，驗(yàn)證原機(jī)電管線綜合深化設(shè)計(jì)管線綜合支吊架預(yù)留空間是否滿足要求，不滿足要求時(shí)，繼續(xù)調(diào)整管線綜合及支吊架布置方案，直到全部滿足要求為止。

在實(shí)際暖通空調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，針對(duì)管道存在熱脹冷縮變形的情況，為了能夠保證管道系統(tǒng)正常運(yùn)行，同時(shí)保證管道支撐系統(tǒng)穩(wěn)定，一般會(huì)設(shè)置固定支吊架、導(dǎo)向支吊架、活動(dòng)支吊架。不同支吊架所起到的作用不同，承載的作用力也不同，固定支吊架，布置在不允許管道有任何位移的部位，一般為管道轉(zhuǎn)向或設(shè)置有補(bǔ)償器的位置處。導(dǎo)向支吊架用于允許管道有軸向位移，但不允許管道有徑向位移的部位。活動(dòng)支吊架布設(shè)位置，允許管道在支吊架上有一定程度的位移或允許支吊架隨管道位移產(chǎn)生一定的幅度變形。在實(shí)際應(yīng)用中，三種不同的支吊架都要配合管道補(bǔ)償使用，在深化設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意。

根據(jù)上文的分析和討論，對(duì)于暖通空調(diào)水系統(tǒng)管道補(bǔ)償方式的設(shè)計(jì)與布置十分重要，其不僅對(duì)管道系統(tǒng)支吊架的選型設(shè)計(jì)、材料使用量有非常大的影響，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的承載力影響也十分巨大，特別是嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)的大型商業(yè)綜合體項(xiàng)目，自然補(bǔ)償直管道長(zhǎng)度受安裝溫度影響，很多管線很難使用自然補(bǔ)償，而設(shè)置方形補(bǔ)償器有不具備安裝空間，都需要使用波紋補(bǔ)償器，在補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意固定支架安裝位置對(duì)建筑結(jié)構(gòu)受力的影響。希望通過(guò)此文對(duì)今后的嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)暖通空調(diào)水系統(tǒng)管道補(bǔ)償方式的設(shè)計(jì)起到一定的借鑒和參考作用。

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作者簡(jiǎn)介：

王鑫（1982-），男，高級(jí)工程師，2008年畢業(yè)于北京建筑工程學(xué)院，本科學(xué)歷，現(xiàn)主要從事機(jī)電支吊架設(shè)計(jì)、BIM深化設(shè)計(jì)、暖通空調(diào)系統(tǒng)檢測(cè)等方面的研究。

申鵬（1979-），男，高級(jí)工程師，2002年畢業(yè)于沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院，工學(xué)學(xué)士，現(xiàn)主要從事土建施工、機(jī)電安裝和暖通空調(diào)方面的研究。

趙軍（1989-），男，內(nèi)蒙古卓資縣人，中級(jí)工程師，2011年畢業(yè)于長(zhǎng)沙理工大學(xué)，工學(xué)學(xué)士，現(xiàn)主要從事機(jī)電安裝和給排水方面的研究。

唐路（1992-），男，工程師，2014年7月畢業(yè)于北京建筑大學(xué)，本科學(xué)歷，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)主要從事機(jī)電安裝和電氣工程及其自動(dòng)化方面的研究。