2. 配管システムの3つの種類を理解する：HVAC（油圧式）、配管（家庭用水、下水、換気）、化学・特殊配管システム（海水システム、危険化学物質）。
配管設備や配管システムは、建物の様々な部分に存在します。シンクの下にあるPトラップや冷媒配管は、スプリットシステムにつながる配管として多くの人が目にしたことがあるでしょう。しかし、中央プラントの主要配管やプール設備室の化学洗浄システムを見たことがある人は少ないかもしれません。これらの用途にはそれぞれ、仕様、物理的な制約、法規、そして最適な設計手法を満たす特定の種類の配管が必要です。
あらゆる用途に適合する単純な配管ソリューションは存在しません。これらのシステムは、特定の設計基準を満たし、所有者や運用者に適切な質問を行うことで、物理的要件と法規制要件をすべて満たすことができます。さらに、適切なコストとリードタイムを維持することで、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。ダクトは地上または地下に設置でき、建物の内部または外部を通ります。プロジェクトで HVAC 配管を指定する際には、これらの要素を考慮する必要があります。「流体力学的サイクル」という用語は、冷却と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、水は一定の流量と温度で供給されます。室内の典型的な熱伝達は、設定された温度で水を返すように設計された空気対水コイルによって行われます。これにより、一定量の熱が空間から伝達または除去されます。冷却水と加熱水の循環は、大規模な商業施設の空調に使用される主要なシステムです。
ほとんどの低層建築物用途では、想定されるシステム作動圧力は通常 150 ポンド/平方インチ (psig) 未満です。油圧システム (冷水と温水) は閉回路システムです。これは、ポンプの全動揚程が配管システム、関連するコイル、バルブ、および付属品の摩擦損失を考慮に入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、システムの必要な作動圧力には影響します。クーラー、ボイラー、ポンプ、配管、および付属品は 150 psi の作動圧力で定格されており、これは機器およびコンポーネントメーカーで一般的です。可能な限り、この圧力定格をシステム設計で維持する必要があります。低層または中層と見なされる多くの建物は、150 psi の作動圧力カテゴリに該当します。
高層ビルの設計において、配管システムや機器の圧力を150psi以下に抑えることはますます困難になっています。約350フィートを超える静水頭（システムにポンプ圧力を加えない場合）は、これらのシステムの標準使用圧力定格（1psi＝2.31フィートの水頭）を超えます。システムでは、圧力遮断器（熱交換器の形）を使用して、塔の高圧要件を接続されている他の配管や機器から隔離することが考えられます。このシステム設計により、標準的な圧力冷却器の設計と設置が可能になるだけでなく、冷却塔に高圧配管や付属品を指定することもできます。
大規模なキャンパスプロジェクトの配管を指定する際には、設計者／エンジニアは、塔と基壇部に指定する配管を意識的に特定し、それぞれの要件（または、圧力ゾーンを隔離するために熱交換器を使用しない場合は集合的な要件）を反映させる必要があります。
密閉システムのもう一つの構成要素は、水の浄化と水中の酸素の除去です。ほとんどの油圧システムには、配管内を流れる水を最適なpH値（約9.0）と微生物レベルに保ち、配管内のバイオフィルムや腐食を防ぐための様々な化学物質や抑制剤からなる水処理システムが備えられています。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。配管内に空気が閉じ込められると、冷却水ポンプや加熱水ポンプでキャビテーションが発生し、冷却器、ボイラー、循環コイルで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L、B、K、MまたはCタイプの引抜き硬化チューブと、ASME B16.22鍛造銅継手、および鉛フリーはんだまたは地下用途用はんだを使用した継手との組み合わせ。
ASTM B88およびB88Mに準拠した、L、B、K型（通常は地下でのみ使用）またはA型の硬化管。ASME B16.22規格の鍛造銅製継手、および鉛フリーまたは地上でのろう付け接続による継手を使用する。この管は、密閉型継手の使用も可能である。
K型銅管は入手可能な最も厚い管で、1/2インチの場合、100°Fで1534psiの作動圧力を提供します。L型とM型はK型よりも作動圧力が低いですが、HVAC用途には十分適しています（圧力範囲は12インチで100°Fで1242psi、435psiと395psiです。これらの値は、銅開発協会が発行した銅管ガイドの表3a、3b、3cから取得されています）。
これらの運転圧力は、通常、圧力制限のない直線配管区間を対象としています。2本の配管を接続する継手や接続部は、一部のシステムの運転圧力下では漏れや破損を起こしやすくなります。銅管の一般的な接続方法は、溶接、はんだ付け、または加圧シールです。これらの接続部は、鉛フリーの材料で作られ、システム内の想定圧力に対応できる定格のものを使用する必要があります。
各接続タイプは、継手が適切に密閉されていれば漏れのないシステムを維持できますが、継手が完全に密閉または圧着されていない場合、これらのシステムは異なる反応を示します。はんだやはんだ接合部は、システムが最初に充填されテストされ、建物がまだ使用されていないときに故障して漏れる可能性が高くなります。この場合、請負業者と検査官は、システムが完全に稼働し、乗客や内装が損傷する前に、接合部がどこから漏れているかを迅速に特定して問題を修正できます。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は、漏れのない継手でもこれを再現できます。問題のある領域を特定するために完全に押し込まなければ、はんだやはんだと同様に、継手から水が漏れる可能性があります。設計で漏れのない継手が指定されていない場合、建設テスト中に圧力がかかったままになることがあり、一定期間の稼働後にのみ故障する可能性があり、特に加熱された高温のパイプがパイプを通過する場合は、居住空間への損傷が大きくなり、居住者に怪我を負わせる可能性があります。
銅管のサイズに関する推奨事項は、規制の要件、製造元の推奨事項、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、銅管システムの推奨流速制限は、システムノイズを低減し、浸食/腐食の可能性を低減するために毎秒 8 フィートです。温水システム（通常、暖房用は 140 ～ 180°F、ハイブリッドシステムでの家庭用温水生産用は最大 205°F）の場合、銅管の推奨流速制限ははるかに低くなります。銅管マニュアルでは、給水温度が 140°F を超える場合、これらの流速は毎秒 2 ～ 3 フィートと記載されています。
銅管は通常、最大 12 インチまでの一定のサイズで販売されています。このため、メインキャンパスのユーティリティでは銅の使用が制限されます。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です。中央プラントから関連する熱交換器まで。銅管は、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では、スロット付き鋼管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、波形管と溶接またはろう付け管の作業の違い (圧力継手は所有者またはエンジニアによって許可または推奨されていません)、および各材料のパイプライン内の推奨水流速度と温度によるものです。
鋼管：ASTM A 53/A 53M 規格に準拠した黒色または亜鉛メッキ鋼管に、ダクタイル鋳鉄（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）継手を組み合わせたもの。フランジ、継手、およびクラス 150 および 300 の接続部は、ねじ込み式またはフランジ式継手で使用可能。パイプは、AWS D10.12/D10.12M 規格に準拠した溶加材を用いて溶接可能。
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、ASTM A 53/A 53M クラス F、E、または S グレード B 組立鋼、または ASTM A106 鋼グレード B に適合します。溝付きエンド継手を取り付けるための溝付きまたはラグ付き継手。
前述のとおり、油圧システムの大口径パイプには鋼管がよく使用されます。このタイプのシステムでは、冷水および温水システムのニーズを満たすために、さまざまな圧力、温度、およびサイズ要件に対応できます。フランジ、継手、および継手のクラス指定は、対応するアイテムの飽和蒸気の作動圧力を psi インチで示します。クラス 150 継手は、366 F で 150 psi インチの作動圧力で動作するように設計されており、クラス 300 継手は 550 F で 300 psi の作動圧力を提供します。クラス 150 継手は 150 F で 300 psi インチを超える作動水圧を提供し、クラス 300 継手は 150 F で最大 2,000 psi インチ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も使用できます。たとえば、鋳鉄パイプフランジと ASME 16.1 フランジ継手には、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、バルブなどの端部に切削または成形された溝を利用して、パイプまたは継手の各長さをフレキシブルまたはリジッド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部品で構成され、カップリングボア内にワッシャーがあります。これらのシステムは、150クラスおよび300クラスのフランジタイプとEPDMガスケット材で提供され、流体温度230～250°F（パイプサイズによる）で動作可能です。溝付きパイプの情報は、Victaulicのマニュアルおよび資料から引用しています。
HVACシステムには、スケジュール40および80の鋼管が適しています。パイプの仕様はパイプの肉厚を表し、仕様番号が大きくなるにつれて肉厚も大きくなります。パイプの肉厚が大きくなると、直管の許容使用圧力も大きくなります。スケジュール40のチューブは、1/2インチで1694 psi、12インチで696 psiの許容使用圧力（-20～650°F）です。スケジュール80のチューブの許容使用圧力は、1/2インチで3036 psi、12インチで1305 psi（いずれも-20～650°F）です。これらの値は、Watson McDanielのエンジニアリングデータセクションから引用したものです。
プラスチック：ASTM F 441/F 441M の仕様 40 および仕様 80 に準拠した CPVC プラスチックパイプ、ソケット継手（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）、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（ASTM 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、および溶剤系接着剤（ASTM D 2564）。ASTM F 656に準拠したプライマーを含む。
CPVC と PVC の配管はどちらも地下の油圧システムに適していますが、このような状況でも、プロジェクトで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 システムで広く使用されており、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よく使用されます。同時に、CPVC と PVC パイプの耐腐食性は、一部の土壌の腐食性に対して有利です。油圧配管は通常、断熱され、金属配管と周囲の土壌の間に緩衝材となる保護 PVC シースで覆われています。プラスチック パイプは、圧力が低いと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 以下の温度の場合に限ります。73°F を超える温度では、配管システムの作動圧力は 140°F まで低下します。この温度でのディレーティング係数は 0.22、73 F では 1.0 です。 スケジュール 40 およびスケジュール 80 の PVC パイプの最大動作温度は 140 F 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、200 F までの使用に適しています (ディレーティング係数 0.2 の場合)。ただし、PVC と同じ圧力定格であるため、標準圧力の地下冷凍用途で使用できます。 8 インチまでの給水システム。 180 F または 205 F までのより高い水温を維持する温水システムでは、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。
配管は、さまざまな液体、固体、気体を運びます。飲料水と非飲料水の両方がこれらのシステム内を流れます。配管システムで運ばれる流体の種類が非常に多いため、配管は家庭用給水管、または排水・換気管に分類されます。
家庭用水：軟銅管、ASTM B88タイプKおよびL、ASTM B88MタイプAおよびB、鍛造銅製圧力継手（ASME B16.22）。
硬質銅管（ASTM B88 タイプ L および M、ASTM B88M タイプ B および C）に、鋳造銅溶接継手（ASME B16.18）、鍛造銅溶接継手（ASME B16.22）、青銅フランジ（ASME B16.24）、および銅継手（MCS SP-123）を取り付けます。この管は、シール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、パイプライン仕様書に次のように規定されています。
2012年統一配管規程の第610.12.1項には、銅管および銅合金管・継手システムの最大流速は、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らないと規定されています。これらの値は、銅管ハンドブックにも記載されており、これらのシステムにおける推奨最大流速として用いられています。
ASTM A403に準拠した316型ステンレス鋼管および同様の継手は、溶接またはローレット加工されたカップリングを使用して、より大型の家庭用水道管に使用され、銅管の直接代替品として使用されます。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ますます一般的になっています。パイプの種類と関連規格は、退役軍人省（VA）MasterSpecセクション22 11 00に基づいています。
2014年に施行される新たなイノベーションとして、連邦飲料水リーダーシップ法があります。これは、家庭用水道システムで使用されるパイプ、バルブ、継手などの水路における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を連邦レベルで施行するものです。この法律では、パイプ、継手、器具のすべての接液面が「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。そのため、製造業者は新たな法的要件を満たすために、鉛フリーの鋳造製品を製造する必要が生じます。詳細は、ULが発行する「飲料水部品の鉛に関するガイドライン」に記載されています。
排水および換気：ASTM A 888または鋳鉄下水管協会（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Sovent継手は、無停止システムで使用できます。
鋳鉄製の排水管およびフランジ継手はASTM A 74に準拠し、ゴム製ガスケットはASTM C 564、純鉛とオークまたは麻繊維のシーラントは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、ダクトレスダクトと継手は、商業ビルの地上階で最も一般的に使用されています。CISPIプラグレス継手付きの鋳鉄管は、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すことでアクセスしたりすることができ、金属管の品質を維持しながら、パイプ内の排水流の破裂音を低減します。鋳鉄配管の欠点は、一般的な浴室設備で見られる酸性排水によって配管が劣化することです。
ASME A112.3.1規格のステンレス鋼管およびフレア加工された端部を持つ継手は、鋳鉄管の代わりに高品質の排水システムに使用できます。ステンレス鋼製の配管は、炭酸飲料が排水される床シンクに接続する配管の最初の部分にも使用され、腐食による損傷を軽減します。
ASTM D 2665 (排水、分岐、通気) に準拠したソリッド PVC パイプ、ASTM F 891 (附属書 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、廃水、通気)、接着プライマー (ASTM F 656)、溶剤接着剤 (ASTM D 2564)。PVC パイプは商業ビルの地上と地下の両方で見られますが、パイプのひび割れや特別な規則要件のため、地下に設置される方が一般的です。
ネバダ州南部の建設管轄区域では、2009年国際建築基準（IBC）改正法において次のように規定されている。
603.1.2.1 設備。可燃性配管は、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できます。可燃性配管は、承認された特別な2時間耐火構造で囲まれている場合に限り、設備室から他の部屋に配線することができます。このような可燃性配管が防火壁および/または床/天井を貫通する場合、貫通部は、貫通部に必要な耐火性能以上のグレードFおよびTを持つ特定の配管材料について指定する必要があります。可燃性配管は、1層を超える層を貫通してはなりません。
これは、IBC で定義されているクラス 1A の建物に存在するすべての可燃性配管 (プラスチック製またはその他) を 2 時間構造で覆うことを要求します。排水システムに PVC パイプを使用することにはいくつかの利点があります。鋳鉄パイプと比較して、PVC は浴室の排水や土によって引き起こされる腐食や酸化に対してより耐性があります。地下に敷設した場合、PVC パイプは周囲の土壌の腐食にも耐性があります (HVAC 配管のセクションで示されているように)。排水システムで使用される PVC 配管は、HVAC 油圧システムと同じ制限を受け、最大動作温度は 140 F です。この温度は、Uniform Piping Code および International Piping Code の要件によってさらに義務付けられており、廃棄物受容器へのすべての排出は 140 F 未満でなければならないと規定されています。
2012年統一配管規定の第810.1項では、蒸気管を配管または排水システムに直接接続してはならないこと、および140°F（60°C）を超える水を加圧排水管に直接排出してはならないことが規定されている。
2012年国際配管規程の第803.1項では、蒸気管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ないこと、また、140°F（60°C）を超える水を排水システムのいかなる部分にも排出してはならないことが規定されている。
特殊な配管システムは、通常とは異なる液体の輸送に関連しています。これらの液体は、海水水槽用の配管から、プール設備システムへの薬品供給用の配管まで多岐にわたります。水槽配管システムは商業ビルでは一般的ではありませんが、中央ポンプ室からさまざまな場所に接続された遠隔配管システムを備えたホテルに設置されている場合があります。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、海水システムに適した配管タイプのように思われますが、実際には塩水はステンレス鋼管を腐食および浸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海水管が腐食要件を満たします。これらのパイプを大規模な商業施設に敷設する場合は、パイプの可燃性を考慮する必要があります。前述のように、南ネバダで可燃性配管を使用する場合は、関連する建築タイプコードに準拠する意思を示すために、代替方法を申請する必要があります。
身体浸漬用の浄水を供給するプール配管には、保健局の要求する特定のpHと化学バランスを維持するために、希釈された化学薬品（12.5%次亜塩素酸ナトリウム漂白剤や塩酸が使用可能）が含まれています。希釈化学薬品配管に加えて、完全塩素系漂白剤やその他の化学薬品は、バルク材料保管場所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供給に対する耐薬品性がありますが、不燃性建築物（例：タイプ1A）を通過する場合は、化学薬品配管の代替として高フェロシリコンパイプを使用できます。これは強度がありますが、標準的な鋳鉄管よりも脆く、同等のパイプよりも重くなります。
この記事では、配管システムの設計における数多くの可能性のうち、ほんの一部について解説します。これらは、大規模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網羅していますが、例外も必ず存在します。総合的なマスター仕様書は、特定のシステムに適した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資料となります。標準仕様書は多くのプロジェクトの要件を満たしますが、高層ビル、高温、危険な化学物質、または法規制や管轄区域の変更に関しては、設計者やエンジニアが仕様書を見直す必要があります。配管に関する推奨事項や制限事項について詳しく学び、プロジェクトに設置する製品について十分な情報に基づいた意思決定を行ってください。当社のお客様は、設計の専門家として、ダクトが期待される寿命を全うし、壊滅的な故障が発生しない、適切なサイズでバランスの取れた、手頃な価格の設計を建物に提供してくれると信頼してくださっています。
マット・ドーランは、JBAコンサルティング・エンジニアーズのプロジェクトエンジニアです。彼は、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宿泊施設など、様々なタイプの建物における複雑な空調設備および配管システムの設計に豊富な経験を有しています。
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