2. HVAC (油圧)、配管 (家庭用水、下水、換気)、化学および特殊配管システム (海水システムおよび危険化学物質) の 3 種類の配管システムを理解します。
配管と配管システムは多くの建築要素に存在します。多くの人は、シンクの下に分割システムに出入りする P トラップまたは冷媒配管を見たことがあるでしょう。中央工場の主要なエンジニアリング配管やプール設備室の化学洗浄システムを目にする人はほとんどいません。これらの各アプリケーションには、仕様、物理的制約、規格、およびベスト設計プラクティスを満たす特定のタイプの配管が必要です。
すべての用途に適合する単純な配管ソリューションはありません。これらのシステムは、特定の設計基準が満たされ、所有者とオペレーターに適切な質問がなされた場合、すべての物理要件とコード要件を満たします。さらに、適切なコストとリードタイムを維持して、成功する建築システムを構築できます。
HVAC ダクトには、さまざまな流体、圧力、温度が含まれています。ダクトは地面の上または下に設置でき、建物の内部または外部を通過できます。プロジェクトで HVAC 配管を指定するときは、これらの要素を考慮する必要があります。「流体力学サイクル」という用語は、冷却および加熱のための熱伝達媒体として水を使用することを指します。各用途では、水は所定の流量と温度で供給されます。室内の一般的な熱伝達は、水を設定温度で戻すように設計された空気から水へのコイルによって行われます。これは、一定量の熱が空間から伝達または除去されるという事実につながります。大型商業施設の空調では、冷暖房水の循環が主なシステムです。
ほとんどの低層建築用途では、予想されるシステム動作圧力は通常 150 ポンド/平方インチ (psig) 未満です。油圧システム (冷水および温水) は閉回路システムです。これは、ポンプの総動的揚程には、配管システム、関連するコイル、バルブ、付属品の摩擦損失が考慮されていることを意味します。システムの静的高さはポンプの性能には影響しませんが、システムに必要な動作圧力には影響します。クーラー、ボイラー、ポンプ、配管、付属品の動作圧力は 150 psi と定格されており、これは機器やコンポーネントのメーカーでは一般的です。可能な場合、システム設計ではこの圧力定格を維持する必要があります。低層または中層と考えられる多くの建物は、150 psi の作動圧力カテゴリに分類されます。
高層ビルの設計では、配管システムと機器を 150 psi 基準以下に維持することがますます困難になってきています。約 350 フィートを超える静的ラインヘッド (システムにポンプ圧力を追加しない場合) は、これらのシステムの標準使用圧力定格 (1 psi = 2.31 フィートヘッド) を超えます。このシステムでは、カラムの高圧要件を接続されている残りの配管や機器から分離するために、圧力ブレーカー (熱交換器の形式) が使用される可能性があります。このシステム設計により、標準圧力クーラーの設計と設置が可能になるだけでなく、冷却塔内の高圧配管や付属品の指定も可能になります。
大規模なキャンパスプロジェクトの配管を指定する場合、設計者/エンジニアは、個々の要件 (圧力ゾーンの隔離に熱交換器が使用されていない場合は集合的な要件) を反映して、演台に指定されたタワーと配管を意識的に識別する必要があります。
閉鎖システムのもう 1 つの要素は、水の浄化と水からの酸素の除去です。ほとんどの油圧システムには、さまざまな化学物質や抑制剤で構成される水処理システムが装備されており、パイプ内を流れる水を最適な pH (約 9.0) と微生物レベルに保ち、パイプのバイオフィルムや腐食と闘っています。システム内の水を安定させ、空気を除去することで、配管、関連するポンプ、コイル、バルブの寿命を延ばすことができます。パイプ内に空気が閉じ込められると、冷水ポンプおよび温水ポンプ内でキャビテーションが発生し、冷却器、ボイラー、または循環コイル内の熱伝達が低下する可能性があります。
銅: ASTM B88 および B88M に準拠したタイプ L、B、K、M または C の引抜き硬化チューブと、ASME B16.22 の鍛造銅継手および無鉛はんだまたは地下用途用のはんだを使用した継手を組み合わせたもの。
ASTM B88 および B88M に準拠したタイプ L、B、K (通常は地面の下でのみ使用) または A の硬化パイプ。ASME B16.22 の錬銅製フィッティングおよびフィッティングは鉛フリーまたは地上のはんだ付けによって接続されています。このチューブでは、密閉された継手の使用も可能です。
タイプ K 銅チューブは入手可能なチューブの中で最も厚く、1534 psi の作動圧力を提供します。100 F でインチは 1/2 インチです。モデル L および M の作動圧力は K よりも低いですが、HVAC 用途には依然として適しています (圧力範囲は 100F から 12 インチで 1242 psi、435 psi および 395 psi です。これらの値は、Copper Development Assn が発行する銅管ガイドの表 3a、3b、および 3c から取得したものです。
これらの動作圧力は直線パイプの配管に対するものであり、通常はシステムの圧力制限のある配管ではありません。2 つの長さのパイプを接続する継手や接続は、一部のシステムの動作圧力下で漏れや破損が発生する可能性が高くなります。銅パイプの一般的な接続タイプは、溶接、はんだ付け、または加圧シールです。このようなタイプの接続は鉛フリーの材料で作られ、システム内で予想される圧力に対して定格が定められている必要があります。
各接続タイプは、継手が適切に密閉されている場合は漏れのないシステムを維持できますが、継手が完全に密閉されていない場合やかしめられていない場合、これらのシステムの反応は異なります。システムが最初に充填されてテストされ、建物にまだ人が住んでいないときは、はんだやはんだ接合部が故障したり漏れたりする可能性が高くなります。この場合、請負業者や検査官は、システムが完全に動作して乗客や内装品が損傷する前に、接合部のどこで漏れが発生しているかを迅速に特定し、問題を解決できます。漏れ検出リングまたはアセンブリが指定されている場合、これは漏れ防止継手でも再現できます。問題のある領域を特定するために完全に押し込まないと、はんだやはんだと同じように、水が継手から漏れる可能性があります。設計時に漏れのない継手が指定されていない場合、建設試験中に圧力がかかったままになることがあり、一定期間の運転後にのみ故障する可能性があり、その結果、特に加熱された熱いパイプがパイプを通過する場合、占有スペースの損傷が大きくなり、占有者が負傷する可能性があります。水。
銅パイプの推奨サイズは、規制の要件、メーカーの推奨事項、およびベスト プラクティスに基づいています。冷水用途 (給水温度は通常 42 ～ 45 °F) の場合、システムのノイズを低減し、浸食/腐食の可能性を減らすために、銅配管システムの推奨速度制限は 8 フィート/秒です。温水システム (通常、暖房の場合は 140 ～ 180 °F、ハイブリッド システムでの家庭用温水生産の場合は最大 205 °F) の場合、銅パイプの推奨流量制限はさらに低くなります。銅管マニュアルには、給水温度が 140 F を超える場合の速度は 2 ～ 3 フィート/秒と記載されています。
銅パイプは通常、最大 12 インチまでの特定のサイズがあります。これらの建物の設計では 12 インチを超えるダクトが必要になることが多いため、これによりキャンパスの主要設備での銅の使用が制限されます。中央プラントから関連する熱交換器まで。銅チューブは、直径 3 インチ以下の油圧システムでより一般的です。3 インチを超えるサイズの場合は、スロット付きスチール チューブがより一般的に使用されます。これは、鋼と銅のコストの違い、波形パイプと溶接またはろう付けパイプの労働力の違い（圧力継手は許可されていない、または所有者またはエンジニアによって推奨されている）、および各材料パイプライン内の推奨される水の速度と温度によるものです。
スチール: ダクタイル鉄 (ASME B16.3) または錬鉄 (ASTM A 234/A 234M) 継手およびダクタイル鋳鉄 (ASME B16.39) 継手を備えた ASTM A 53/A 53M に準拠した黒色または亜鉛メッキ鋼管。フランジ、継手、クラス 150 および 300 の接続は、ねじ込み継手またはフランジ付き継手を使用して利用できます。パイプは AWS D10.12/D10.12M に従ってフィラーメタルで溶接できます。
ASTM A 536 クラス 65-45-12 ダクタイル鋳鉄、ASTM A 47/A 47M クラス 32510 ダクタイル鋳鉄、および ASTM A 53/A 53M クラス F、E、または S グレード B アセンブリ鋼、または ASTM A106 、鋼グレード B に準拠。溝付きエンドフィッティングを取り付けるための溝付きまたはラグフィッティング。
前述したように、鋼管は油圧システムの大型パイプによく使用されます。このタイプのシステムでは、さまざまな圧力、温度、サイズ要件に対応し、冷水および温水システムのニーズを満たすことができます。フランジ、フィッティング、およびフィッティングのクラス指定は、飽和蒸気の使用圧力を psi で表します。対応するアイテムのインチ。クラス 150 継手は、150 psi の作動圧力で動作するように設計されています。366 F でインチ、クラス 300 継手は 300 psi の作動圧力を提供します。クラス 150 継手は 300 psi を超える作動水圧を提供します。150 F でインチ、クラス 300 継手は最大 2,000 psi の作動水圧を提供します。特定のパイプ タイプには他のブランドの継手が利用可能です。たとえば、鋳鉄パイプ フランジおよび ASME 16.1 フランジ付き継手の場合、グレード 125 または 250 を使用できます。
溝付き配管および接続システムは、パイプ、継手、バルブなどの端に切断または形成された溝を使用して、各長さのパイプまたは継手を柔軟または剛性の接続システムで接続します。これらのカップリングは 2 つ以上のボルト締めされた部品で構成され、カップリングの穴にワッシャーが付いています。これらのシステムは、150 および 300 クラスのフランジ タイプと EPDM ガスケット材料で利用でき、230 ～ 250 F (パイプ サイズに応じて) の流体温度で動作できます。溝付きパイプの情報は、Victaulic のマニュアルと文献から取得されています。
スケジュール 40 および 80 の鋼管は HVAC システムに使用できます。パイプの仕様とはパイプの肉厚を指し、仕様番号が大きくなるほど厚くなります。直管の肉厚が厚くなると、直管の許容使用圧力も増加します。スケジュール 40 チューブでは、1/2 インチで 1694 psi の使用圧力が可能です。パイプ、12 インチの場合は 696 psi インチ (-20 ～ 650 F)。スケジュール 80 チューブの許容使用圧力は 3036 psi です。インチ (1/2 インチ) および 1305 psi。インチ (12 インチ) (両方とも -20 ～ 650 F)。これらの値は、Watson McDaniel Engineering Data セクションから取得されています。
プラスチック: CPVC プラスチック パイプ、ASTM F 441/F 441M の仕様 40 および仕様 80 に準拠したソケット フィッティング (仕様 40 に準拠した ASTM F 438 および仕様 80 に準拠した ASTM F 439)、および溶剤接着剤 (ASTM F493)。
PVC プラスチック パイプ、ASTM D 1785 スケジュール 40 およびスケジュール 80 (ASM D 2466 スケジュール 40 および ASTM D 2467 スケジュール 80) に準拠したソケット継手、および溶剤接着剤 (ASTM D 2564)。ASTM F 656 に準拠したプライマーが含まれています。
CPVC 配管と PVC 配管はどちらも地表下の油圧システムに適していますが、これらの条件下であっても、プロジェクトにこれらの配管を設置する際には注意が必要です。プラスチック パイプは、下水道や換気ダクト システム、特に裸のパイプが周囲の土壌と直接接触する地下環境で広く使用されています。同時に、一部の土壌には腐食性があるため、CPVC および PVC パイプの耐食性は有利です。油圧配管は通常、絶縁され、金属配管と周囲の土壌の間に緩衝材となる PVC 保護シースで覆われています。プラスチックパイプは、より低い圧力が予想される小規模な冷水システムで使用できます。PVC パイプの最大使用圧力は、8 インチまでのすべてのパイプ サイズで 150 psi を超えますが、これは 73 F 以下の温度にのみ適用されます。温度が 73°F を超えると、配管システム内の動作圧力が 140°F に低下します。軽減係数は、この温度では 0.22、73 F では 1.0 です。最大動作温度 140 F は、スケジュール 40 およびスケジュール 80 PVC パイプの場合です。CPVC パイプは、より広い動作温度範囲に耐えることができるため、最大 200 F (ディレーティング係数 0.2) での使用に適していますが、圧力定格は PVC と同じであるため、標準圧力の地下冷凍用途での使用が可能です。最大 8 インチまでの給水システム。最高 180 または 205 °F までの高温水温を維持する温水システムの場合、PVC または CPVC パイプは推奨されません。すべてのデータは Harvel PVC パイプ仕様および CPVC パイプ仕様から取得されています。
パイプ パイプは、さまざまな液体、固体、気体を運びます。これらのシステムでは、飲用に適した液体と非飲用の液体の両方が流れます。配管システム内には多種多様な流体が運ばれるため、問題のパイプは家庭用水道管または排水管および換気管として分類されます。
生活用水: 軟銅パイプ、ASTM B88 タイプ K および L、ASTM B88M タイプ A および B、錬銅製圧力継手付き (ASME B16.22)。
硬質銅チューブ、ASTM B88 タイプ L および M、ASTM B88M タイプ B および C、鋳造銅溶接継手 (ASME B16.18)、錬銅溶接継手 (ASME B16.22)、青銅フランジ (ASME B16.24) および銅継手 (MCS SP-123) 付き。このチューブでは、密閉された継手の使用も可能です。
銅管の種類と関連規格は、MasterSpec のセクション 22 11 16 から引用されています。家庭用給水用の銅配管の設計は、最大流量の要件によって制限されます。これらはパイプライン仕様で次のように指定されます。
2012 年統一配管規定のセクション 610.12.1 には、次のように記載されています。銅および銅合金のパイプおよび継手システムの最大速度は、冷水では毎秒 8 フィート、温水では毎秒 5 フィートを超えてはなりません。これらの値は銅管ハンドブックにも繰り返し記載されており、これらの値はこれらのタイプのシステムの推奨最大速度として使用されています。
ASTM A403 に準拠したタイプ 316 ステンレス鋼配管、および家庭用大型水道管用の溶接またはローレット付きカップリングを使用する同様の継手および銅管の直接代替品。銅価格の高騰に伴い、家庭用水道システムではステンレス鋼管が一般的になりつつあります。パイプのタイプと関連規格は、退役軍人局 (VA) のマスタースペック セクション 22 11 00 に基づいています。
2014 年に施行および施行される新しいイノベーションは、連邦飲料水リーダーシップ法です。これは、家庭用水道システムで使用されるパイプ、バルブ、または付属品の水路内の鉛含有量に関するカリフォルニア州とバーモント州の現行法の連邦執行法です。この法律では、パイプ、継手、備品のすべての接液面は「鉛フリー」でなければならないと規定されており、これは最大の鉛含有量が「加重平均 0.25% (鉛) を超えない」ことを意味します。これにより、メーカーは新しい法的要件に準拠して鉛フリー鋳造製品を製造することが求められます。詳細は、ULの「飲料水成分中の鉛に関するガイドライン」に記載されています。
排水と換気: ASTM A 888 または Cast Iron Sewer Piping Institute (CISPI) 301 に準拠したスリーブレス鋳鉄下水管および継手。 ASME B16.45 または ASSE 1043 に準拠した溶剤継手は、ノンストップ システムで使用できます。
鋳鉄製の下水管およびフランジ付き継手は、ASTM A 74、ゴム製ガスケット (ASTM C 564)、および純鉛およびオークまたは麻繊維シーラント (ASTM B29) に準拠する必要があります。
どちらのタイプのダクトも建物内で使用できますが、商業ビルではダクトレスのダクトと継手が地上レベルで最も一般的に使用されます。CISPI プラグレス継手を備えた鋳鉄パイプは、金属パイプの品質を維持しながら、恒久的な設置が可能で、再構成したり、バンド クランプを取り外してアクセスしたりすることができるため、パイプを通る廃棄物の流れの破裂騒音が低減されます。鋳鉄配管の欠点は、一般的な浴室設備に含まれる酸性廃棄物によって配管が劣化することです。
フレア端とフレア端を備えた ASME A112.3.1 ステンレス鋼のパイプと継手は、鋳鉄パイプの代わりに高品質の排水システムに使用できます。配管の最初のセクションにもステンレス鋼の配管が使用されており、腐食による損傷を軽減するために炭酸製品が排出される床のシンクに接続されています。
ASTM D 2665 に準拠した固体 PVC パイプ (排水、分流およびベント)、および ASTM F 891 (付録 40) に準拠した PVC ハニカム パイプ、スケジュール 40 パイプに適したフレア接続 (ASTM D 2665 から ASTM D 3311、排水、廃棄物およびベント)、接着プライマー (ASTM F 656) および溶剤接着剤 (ASTM D 2564)。PVC パイプは商業ビルの地上と地下にありますが、パイプの亀裂や特別な規則の要件により、一般的には地上よりも下に記載されています。
ネバダ州南部の建設管轄区域では、2009 年国際建築基準 (IBC) 改正により次のように規定されています。
603.1.2.1 機器。可燃性パイプラインは、2 時間耐火構造で囲まれ、自動スプリンクラーで完全に保護された機関室に設置することが許可されています。可燃性配管は、配管が承認された特別な 2 時間耐火アセンブリで囲まれている場合に限り、機器室から他の部屋に通すことができます。このような可燃性配管が防火壁および/または床/天井を通過する場合、特定の配管材料の貫通度は、貫通度に必要な耐火性以上のグレード F および T で指定する必要があります。可燃性パイプは複数の層を貫通してはなりません。
これには、IBC によって定義されているクラス 1A 建物内に存在するすべての可燃性配管 (プラスチックまたはその他) を 2 時間構造で包むことが必要です。排水システムに PVC パイプを使用すると、いくつかの利点があります。鋳鉄パイプと比較して、PVC は浴室の廃棄物や土による腐食や酸化に対してより耐性があります。PVC パイプは、地下に敷設すると周囲の土壌の腐食にも耐性があります (HVAC パイプのセクションで示すように)。排水システムで使用される PVC 配管には、HVAC 油圧システムと同じ制限があり、最大動作温度は 140 °F です。この温度は、廃棄物受容器への排出は 140 °F 未満でなければならないと規定する統一配管規格および国際配管規格の要件によってさらに義務付けられています。
2012 年統一配管規則のセクション 810.1 では、蒸気パイプを配管や排水システムに直接接続してはならず、140 °F (60 ℃) を超える水を加圧排水管に直接排出してはならないと規定しています。
2012 年国際配管規則のセクション 803.1 では、蒸気パイプを排水システムまたは配管システムのいかなる部分にも接続してはならず、140 °F (60 ℃) を超える水を排水システムのどの部分にも排出してはならないと規定しています。
特殊な配管システムは、非典型的な液体の輸送に関連しています。これらの流体は、海洋水族館の配管から、スイミング プールの設備システムに化学物質を供給する配管まで多岐にわたります。商業ビルでは水族館の配管システムは一般的ではありませんが、一部のホテルでは、中央のポンプ室からさまざまな場所に接続されたリモート配管システムが設置されています。ステンレス鋼は、他の水系との腐食を抑制する能力があるため、海水系に適した配管タイプのように見えますが、実際には塩水がステンレス鋼管を腐食させ、侵食する可能性があります。このような用途では、プラスチックまたは銅ニッケル CPVC 海洋パイプが腐食要件を満たしています。大型商業施設にこれらのパイプを敷設する場合は、パイプの可燃性を考慮する必要があります。上で述べたように、ネバダ州南部で可燃性配管を使用するには、関連する建築型式基準に準拠する意図を示すために代替方法を要求する必要があります。
身体浸漬用の精製水を供給するプールの配管には、保健局の要求に応じて特定の pH と化学バランスを維持するために、希釈した量の化学物質 (12.5% 次亜塩素酸ナトリウム漂白剤と塩酸が使用可能) が含まれています。希釈化学薬品の配管に加えて、全塩素系漂白剤やその他の化学薬品をバルク材料保管エリアや特別な機器室から輸送する必要があります。CPVC パイプは塩素系漂白剤の供給に対して耐薬品性がありますが、不燃性の建物タイプ (タイプ 1A など) を通過する場合には、高フェロシリコン パイプを化学パイプの代替として使用できます。強度はありますが、標準の鋳鉄パイプよりも脆く、同等のパイプよりも重いです。
この記事では、配管システムの設計における多くの可能性のうちのほんの一部について説明します。これらは、大規模な商業ビルに設置されているシステムのほとんどのタイプを表していますが、ルールには常に例外があります。全体的なマスター仕様は、特定のシステムの配管タイプを決定し、各製品の適切な基準を評価する上で非常に貴重なリソースです。標準仕様は多くのプロジェクトの要件を満たしますが、高層タワー、高温、危険な化学物質、または法律や管轄区域の変更に関しては、設計者やエンジニアは標準仕様を見直す必要があります。プロジェクトに設置される製品について十分な情報に基づいた意思決定を行うために、配管に関する推奨事項と制限事項について詳しく学習してください。当社のクライアントは、ダクトが期待寿命に達し、致命的な故障が発生しない、適切なサイズ、バランスの取れた手頃な価格の設計を建物に提供する設計の専門家として、私たちを信頼しています。
Matt Dolan は、JBA Consulting Engineers のプロジェクト エンジニアです。彼の経験は、商業オフィス、医療施設、高層ゲストタワーや多数のレストランを含むホスピタリティ複合施設など、さまざまなタイプの建物向けの複雑な HVAC および配管システムの設計にあります。
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