王鑫 申鵬 趙軍 唐路

【摘要】本文主要介紹了暖通空調水系統(tǒng)管道補償方式的種類及選擇方式，管道補償方式的設計與施工對管道系統(tǒng)支吊架的設計布置以及建筑結構的受力影響很大，布置不合理，不僅浪費材料，在管道系統(tǒng)運行時，還會帶來很多安全隱患，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)項目與北京項目空調水管道系統(tǒng)補償量進行對比分析、總結。對今后嚴寒或寒冷地區(qū)綜合體的空調水管道系統(tǒng)管道補償器的選擇與設計起到一定的借鑒作用。

【關鍵詞】崇禮太子城;管道補償;寒冷

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

1、工程簡介

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，總建設規(guī)模達到134萬平方米，涵蓋了冬奧頒獎廣場、國際會議中心、國際度假酒店群、冰雪特色配套區(qū)等開發(fā)建設內容。

崇禮太子城小鎮(zhèn)在冬奧會前以國際標準規(guī)劃、建設、運營小鎮(zhèn)，冬奧會期間將提供冬奧頒獎、貴賓接待、交通換乘、休閑娛樂等保障服務。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，以國際化四季度假小鎮(zhèn)來運營。

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人的冰雪會堂、國際會議中心、會展中心、國際高端酒店的太子城國際會議中心。為兼顧后奧運時代的可持續(xù)運營，小鎮(zhèn)從規(guī)劃設計到運營思路對標國際冬奧小鎮(zhèn)和世界級論壇，已簽約頂級的洲際酒店集團及國際一流的會議會展運營商北辰會展集團。二是服務于小鎮(zhèn)生活配套的四季商街組團，提供開放式商業(yè)街區(qū)、精品民宿酒店、各具風情的餐飲酒吧等，并搭配大型主題兒童樂園。不僅如此，坐落于四季商街核心的冬奧塔及冬奧頒獎廣場。三是以奧運期間高規(guī)格貴賓接待酒店為主體的國際度假酒店群，將會結合賽時賽后需求分期開發(fā)。國際會議中心、四季商街及部分國際度假酒店群。

2、設計參數(shù)

2.1 空調設計參數(shù)

2.2 采暖設計參數(shù)

2.3 熱源系統(tǒng)

本工程熱源為承壓燃氣熱水鍋爐+ 承壓電熱水鍋爐及蓄熱水箱，熱源設于會展中心地下一層的鍋爐房及熱水箱間內。蓄熱系統(tǒng)通過三組板式換熱器向二次側系統(tǒng)供熱，為空調熱水系統(tǒng)提供：60℃/45℃熱水;為高溫預熱及散熱器系統(tǒng)提供：70℃/50℃熱水;為低溫熱水地面輻射供暖系統(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）冷水機組+螺桿式（變頻）冷水機組。冷源設于會展中心地下一層的制冷站內，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)，冷卻塔設置于室外地坪綠化帶內;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，外機主要設置在車庫內。

2.5 供熱系統(tǒng)

本工程供熱系統(tǒng)主要采用空調系統(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、客房內衛(wèi)生間及客房入口設置低溫熱水地面輻射供暖系統(tǒng)作為輔助采暖系統(tǒng);在酒店地下車庫、廚房及設備用房、酒店客房走廊、布草間、服務間、樓梯間及風機房設置散熱器采暖系統(tǒng);低溫熱水地面輻射供暖系統(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：地下車庫及設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)干管敷設在地下室棚下及管道夾層內，并設置單獨的采暖系統(tǒng)入口裝置。低溫熱水地面輻射供暖系統(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備夾層，設置單獨的采暖系統(tǒng)入口裝置。地熱分集水器盡量采用暗裝于砌筑墻內或設于平面隱蔽處以利于配合后期精裝。

2.6 空調水系統(tǒng)

本工程空調水系統(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{水系統(tǒng)采用立管異程系統(tǒng)，水平管同程式系統(tǒng)?？照{供回水主干管從室外供冷供熱外網引出，空調機組新風機組系統(tǒng)環(huán)路的主要分支回干管上設動態(tài)壓差控制器（自力式壓差平衡閥），供水管設置靜態(tài)平衡調節(jié)閥;新風機組、空調機組前設置電動調節(jié)閥，風機盤管設置電動兩通閥，風機盤管水路每層回水管設置動態(tài)壓差控制器（自力式壓差平衡閥），供水管設置靜態(tài)平衡調節(jié)閥。

3、補償方式的選擇

冷風會從經常開啟的大門、車輛坡道等位置滲入至建筑內，對于嚴寒和寒冷等地區(qū)，室外溫度相對更低，在冬季供熱時，管道與環(huán)境相對溫差更大，而輸送冷水或熱水的管道，由于管道內部輸送介質與工作環(huán)境存在的溫差，會使管道產生一定長度的伸長或收縮變形，為了保證管道系統(tǒng)能夠安全可靠的正常運行，都會對輸送管道進行吸收補償量的設計。

補償設計時，采的補償方式分為管道自然補償及管道補償器補償兩種。管道自然補償是利用管道轉彎時的自然彎曲來補償管道的冷、熱伸縮量，常采用L形補償和Z形補償兩種型式。采用此種補償方式僅需利用管道拐彎，不需要額外增加費用，缺點是補償量有限，當轉角不大于150°時，管道臂長不宜超過20～25m。管道補償器補償所采用的補償器分為方形補償器、套筒補償器、波紋管補償器、球形補償器以及旋轉補償器。方形補償器形似兩個Z形自然補償器的組合，一般常用無縫鋼管煨制，亦可用熱壓彎頭拼制。采用此種補償方式的優(yōu)點是加工方便，軸向推力小，有利于管道安全運行，并且不需經常維修，缺點是占用安裝空間大，不易布置。套筒式補償器，補償能力大、結構簡單、安裝占用空間小、流體阻力小、安裝方便，但工作使用中，經常出現(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。波紋管補償器安裝容易、配管簡單、維修管理方便，但安裝時，補償器本身會產生較大的彈性力;如果選用內外壓不平衡式波紋管補償器時，還會產生極大的不平衡內壓力，需要設置堅固的固定支架，耗用更多的型鋼材料;如果選用內外壓平衡式波紋補償器，會消除不平衡內力，但由于波紋數(shù)量的增加，會占用更多的安裝空間，增加更多的彈性力。球型補償器主要應用于長距離輸送管道，優(yōu)點是具有較大的補償能力、并且可以進行一定的角度補償、占用空間小、流體阻力小、安裝方便。旋轉補償器是通過繞著一個軸線中心旋轉，來補償垂直于該軸線的直線管道的冷熱伸長，多用于工業(yè)高、中壓管道，其優(yōu)點是不產生不平衡內壓力，對補償器兩端的固定支架受力影戲小，無熱伸縮引起的熱損失，密封材料和密封面的磨損極為輕微，不易產生泄露。

補償器種類不同，適用場合也不同，一旦選擇、布置不合理，不僅對管道系統(tǒng)運行安全有影響，還會對支吊架型鋼量、建筑結構鋼筋混凝土量產生影響，增加投資成本，故此在暖通管道支吊架設計時，補償方式的選擇和補償位置的設置十分重要。那應該如何選擇補償方式和補償位置呢？我們應該從以下幾個方面考慮：

（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形自然補償方式進行補償。管道系統(tǒng)安裝前，在進行機電管線深化時，設備、管線的空間排布，除了按照標準、規(guī)范、圖集、設備資料等技術要求考慮其間距、檢修、安裝、閥部件操作外，還可充分利用管線排布過程中需要管線避讓的位置進行自然補償，同時還應考慮補償器及支吊架的安裝空間。

（2）自然補償無法解決的管道系統(tǒng)，優(yōu)先選擇方形補償器。方形補償器雖然占用空間較大，但也屬于對管道系統(tǒng)安全運行有利，對支吊架布置、建筑結構影響較小的補償方式。但需要注意的是，對于嚴寒和寒冷地區(qū)，管道系統(tǒng)和工作環(huán)境溫差更大一些，根據補償量計算公式：?X=αL（t_1-t_2 ），其中：?X—管道熱伸長量，mm，t_1—熱媒溫度，℃，t_2—管道安裝時溫度，℃，L—計算管道長度，m，α—線膨脹系數(shù)，mm/m·℃。隨著溫差的增大，補償量隨之增加，這也說明如果在補償量一定的條件下，嚴寒和寒冷地區(qū)補償直管線長度會比一般地區(qū)要短一些。以本工程為例，假設本項目冬季管道安裝時溫度為-20度，北京地區(qū)冬季管道安裝時溫度為0度，空調熱水系統(tǒng)供水溫度為60℃，本項目可自然補償直管道長度為Lc，北京地區(qū)可自然補償直管道長度為25m，根據公式，管線長度和溫差成反比關系，當設計補償量一樣時，L_c/25=（（60-0））/（（60+20）），Ld=18.75m，相同的補償條件下，本項目可自然補償直管道長度比北京地區(qū)少6.25m，在補償設計時應特別注意。

（3）當超出自然補償長度范圍，現(xiàn)場安裝空間又有限，無法安裝方形補償器時，優(yōu)先選用內外壓平衡式波紋補償器，減少軸向推力對管道固定支架和建筑結構受力影響。

（4）以上條件均不能滿足，再考慮使用不平衡式波紋補償器。

4、管道支吊架設計

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

（1）初步的機電管線綜合深化設計。在進行機電管線綜合深化設計的過程中，不僅需要考慮各管道及閥部件的占位、檢修等，還需根據管道及閥部件可能產生的作用力影響，初步預留支吊架空間，空間不足時，可考慮設置綜合支吊架，對于支吊架預留空間大小的判斷可參考技術手冊和圖集。

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

（3）根據支吊架間距及管線在支吊架上的相對位置，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）根據管道對支吊架的荷載及作用的大小、位置，確定支吊架內力。

（5）根據支吊架內力，驗算支吊架構件、構件及構件間的連接節(jié)點以及構件與建筑結構間的連接節(jié)點是否滿足承載力要求。

（6）確定最終的機電管線綜合方案及支吊架設計方案。根據以上流程初步確定管道支吊架布設種類、形式、間距及位置后，驗證原機電管線綜合深化設計管線綜合支吊架預留空間是否滿足要求，不滿足要求時，繼續(xù)調整管線綜合及支吊架布置方案，直到全部滿足要求為止。

在實際暖通空調水系統(tǒng)運行時，針對管道存在熱脹冷縮變形的情況，為了能夠保證管道系統(tǒng)正常運行，同時保證管道支撐系統(tǒng)穩(wěn)定，一般會設置固定支吊架、導向支吊架、活動支吊架。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，一般為管道轉向或設置有補償器的位置處。導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?；顒又У跫懿荚O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生一定的幅度變形。在實際應用中，三種不同的支吊架都要配合管道補償使用，在深化設計時要特別注意。

根據上文的分析和討論，對于暖通空調水系統(tǒng)管道補償方式的設計與布置十分重要，其不僅對管道系統(tǒng)支吊架的選型設計、材料使用量有非常大的影響，對建筑結構的承載力影響也十分巨大，特別是嚴寒及寒冷地區(qū)的大型商業(yè)綜合體項目，自然補償直管道長度受安裝溫度影響，很多管線很難使用自然補償，而設置方形補償器有不具備安裝空間，都需要使用波紋補償器，在補償設計時，要特別注意固定支架安裝位置對建筑結構受力的影響。希望通過此文對今后的嚴寒及寒冷地區(qū)暖通空調水系統(tǒng)管道補償方式的設計起到一定的借鑒和參考作用。

參考文獻：

[1]陸耀慶，實用供熱空調設計手冊第二版（下冊），北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008

[2]全國民用建筑工程設計技術措施節(jié)能專篇-暖通空調動力DB22/T436-2006

[3]施振球主編，動力管道設計，北京：機械工業(yè)出版社，2006

[4]國家建筑標準設計圖集，室內管道支架及吊架圖集03S402，北京：中國建筑標準設計研究所，2003

[5]國家建筑標準設計圖集，室內管道支吊架05R417-1，北京：中國建筑標準設計研究院，2005

作者簡介：

王鑫（1982-），男，高級工程師，2008年畢業(yè)于北京建筑工程學院，本科學歷，現(xiàn)主要從事機電支吊架設計、BIM深化設計、暖通空調系統(tǒng)檢測等方面的研究。

申鵬（1979-），男，高級工程師，2002年畢業(yè)于沈陽建筑工程學院，工學學士，現(xiàn)主要從事土建施工、機電安裝和暖通空調方面的研究。

趙軍（1989-），男，內蒙古卓資縣人，中級工程師，2011年畢業(yè)于長沙理工大學，工學學士，現(xiàn)主要從事機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，本科學歷，學士學位，現(xiàn)主要從事機電安裝和電氣工程及其自動化方面的研究。