2. Разберитесь в трех типах водопроводных систем: системы отопления, вентиляции и кондиционирования (гидравлические), водопроводные системы (водоснабжение, канализация и вентиляция) и химические и специальные водопроводные системы (системы с морской водой и системами для работы с опасными химическими веществами).
Сантехника и водопроводные системы присутствуют во многих элементах зданий. Многие видели сифон или трубопровод хладагента под раковиной, ведущие к сплит-системе и от нее. Мало кто видит основную инженерную сантехнику в центральной котельной или систему химической очистки в помещении с оборудованием бассейна. Для каждого из этих применений требуется определенный тип трубопроводов, соответствующий техническим требованиям, физическим ограничениям, нормам и передовым методам проектирования.
Не существует простого универсального решения для водопроводных систем, подходящего для всех случаев. Эти системы отвечают всем физическим и нормативным требованиям, если соблюдены определенные проектные критерии и заданы правильные вопросы владельцам и операторам. Кроме того, они позволяют поддерживать оптимальный уровень затрат и сроков поставки для создания успешной строительной системы.
В воздуховодах систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК) находятся различные жидкости, давления и температуры. Воздуховод может располагаться выше или ниже уровня земли и проходить как внутри, так и снаружи здания. Эти факторы необходимо учитывать при проектировании трубопроводов ОВК. Термин «гидродинамический цикл» относится к использованию воды в качестве теплоносителя для охлаждения и обогрева. В каждом случае вода подается с заданным расходом и температурой. Типичная теплопередача в помещении осуществляется с помощью теплообменника «воздух-вода», предназначенного для возврата воды при заданной температуре. Это приводит к тому, что определенное количество тепла передается или отводится из помещения. Циркуляция охлаждающей и нагревающей воды является основной системой кондиционирования воздуха в крупных коммерческих зданиях.
Для большинства малоэтажных зданий ожидаемое рабочее давление в системе обычно составляет менее 150 фунтов на квадратный дюйм (psig). Гидравлическая система (холодная и горячая вода) представляет собой замкнутый контур. Это означает, что общий динамический напор насоса учитывает потери на трение в трубопроводной системе, связанных с ней змеевиках, клапанах и принадлежностях. Статическая высота системы не влияет на производительность насоса, но влияет на требуемое рабочее давление системы. Охладители, котлы, насосы, трубопроводы и принадлежности рассчитаны на рабочее давление 150 psi, что является распространенным показателем среди производителей оборудования и компонентов. По возможности, это номинальное давление следует поддерживать при проектировании системы. Многие здания, которые считаются малоэтажными или среднеэтажными, попадают в категорию рабочего давления 150 psi.
В проектировании высотных зданий становится все сложнее поддерживать давление в трубопроводах и оборудовании ниже стандартного значения в 150 фунтов на квадратный дюйм (psi). Статический напор в трубопроводе выше примерно 350 футов (без добавления давления насоса в систему) превысит стандартное рабочее давление таких систем (1 psi = 2,31 фута напора). В системе, вероятно, будет использоваться предохранитель (в виде теплообменника) для изоляции более высоких требований к давлению в колонне от остальной части подключенных трубопроводов и оборудования. Такая конструкция системы позволит проектировать и устанавливать стандартные охладители высокого давления, а также предусматривать использование трубопроводов и принадлежностей более высокого давления в градирне.
При проектировании трубопроводов для крупного университетского проекта проектировщик/инженер должен сознательно определить башню и трубопроводы, предусмотренные для подиума, с учетом их индивидуальных требований (или общих требований, если теплообменники не используются для изоляции зоны повышенного давления).
Еще одним компонентом замкнутой системы является очистка воды и удаление из нее кислорода. Большинство гидравлических систем оснащены системой водоподготовки, состоящей из различных химических веществ и ингибиторов, которые поддерживают оптимальный уровень pH (около 9,0) и микробиологическую активность воды, протекающей по трубам, для борьбы с биопленками и коррозией. Стабилизация воды в системе и удаление воздуха помогают продлить срок службы трубопроводов, соответствующих насосов, змеевиков и клапанов. Любой воздух, попавший в трубы, может вызвать кавитацию в насосах охлаждающей и нагревательной воды и снизить теплопередачу в охладителе, котле или циркуляционных змеевиках.
Медь: трубы типов L, B, K, M или C, изготовленные методом волочения и закалки в соответствии со стандартами ASTM B88 и B88M, в сочетании с фитингами и арматурой из кованой меди ASME B16.22, с бессвинцовым припоем или припоем для подземных работ.
Закалённая труба типа L, B, K (обычно используется только ниже уровня земли) или A согласно ASTM B88 и B88M, с коваными медными фитингами ASME B16.22 и фитингами, соединёнными бессвинцовой или надземной пайкой. Эта труба также допускает использование герметичных фитингов.
Медные трубки типа K — самые толстые из доступных, обеспечивающие рабочее давление 1534 psi на дюйм при 100 °F для трубок диаметром ½ дюйма. Модели L и M имеют более низкое рабочее давление, чем K, но все еще хорошо подходят для применения в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (диапазон давления от 1242 psi при 100 °F до 12 дюймов и от 435 psi до 395 psi). Эти значения взяты из таблиц 3a, 3b и 3c Руководства по медным трубкам, опубликованного Ассоциацией развития медной промышленности.
Указанные рабочие давления относятся к прямым участкам трубопровода, которые обычно не являются участками системы, подверженными ограничению давления. Фитинги и соединения, соединяющие два отрезка трубы, с большей вероятностью могут протекать или выходить из строя под рабочим давлением некоторых систем. Типичными типами соединений для медных труб являются сварка, пайка или герметизация под давлением. Эти типы соединений должны быть выполнены из бессвинцовых материалов и рассчитаны на ожидаемое давление в системе.
Каждый тип соединения способен обеспечить герметичность системы при условии надлежащей герметизации фитинга, но эти системы реагируют по-разному, если фитинг не полностью герметизирован или обжат. Паяные соединения чаще выходят из строя и протекают, когда система только заполняется и тестируется, а здание еще не заселено. В этом случае подрядчики и инспекторы могут быстро определить место протечки и устранить проблему до того, как система будет полностью введена в эксплуатацию и будут повреждены пассажиры и внутренняя отделка. Это также может быть воспроизведено с герметичными фитингами, если предусмотрено кольцо или узел обнаружения протечек. Если не надавить до конца, чтобы определить проблемное место, вода может вытекать из фитинга так же, как и припой. Если в проекте не предусмотрены герметичные фитинги, они иногда будут оставаться под давлением во время строительных испытаний и могут выйти из строя только после некоторого периода эксплуатации, что приведет к большему повреждению жилого помещения и возможному причинению вреда людям, особенно если через трубы проходят горячие трубы.
Рекомендации по выбору размеров медных труб основаны на требованиях нормативных документов, рекомендациях производителя и передовой практике. Для систем охлажденной воды (температура подаваемой воды обычно составляет от 42 до 45 °F) рекомендуемая скорость потока для медных трубопроводов составляет 8 футов в секунду, чтобы снизить уровень шума и уменьшить вероятность эрозии/коррозии. Для систем горячего водоснабжения (обычно от 140 до 180 °F для отопления помещений и до 205 °F для производства горячей воды в гибридных системах) рекомендуемая скорость потока для медных труб значительно ниже. В руководстве по медным трубам эти скорости указаны как 2–3 фута в секунду, когда температура подаваемой воды превышает 140 °F.
Медные трубы обычно выпускаются определенного размера, до 12 дюймов. Это ограничивает использование меди в основных инженерных сетях кампуса, поскольку в таких зданиях часто требуются воздуховоды диаметром более 12 дюймов. От центральной котельной до соответствующих теплообменников. Медные трубы чаще используются в гидравлических системах диаметром 3 дюйма или менее. Для труб диаметром более 3 дюймов чаще используются стальные трубы с прорезями. Это связано с разницей в стоимости стали и меди, разницей в стоимости работ по изготовлению гофрированных труб по сравнению со сварными или паяными трубами (использование фитингов под давлением не допускается и не рекомендуется заказчиком или инженером), а также с рекомендуемыми скоростями и температурами воды внутри каждого из материалов трубопровода.
Сталь: трубы из черной или оцинкованной стали по стандарту ASTM A 53/A 53M с фитингами из высокопрочного чугуна (ASME B16.3) или кованого чугуна (ASTM A 234/A 234M) и фитингами из высокопрочного чугуна (ASME B16.39). Доступны фланцы, фитинги и соединения классов 150 и 300 с резьбовыми или фланцевыми соединениями. Трубы могут быть сварены присадочным металлом в соответствии с AWS D10.12/D10.12M.
Соответствует стандартам ASTM A 536 Класс 65-45-12 (ковкий чугун), ASTM A 47/A 47M Класс 32510 (ковкий чугун) и ASTM A 53/A 53M Класс F, E или S (сталь марки B), или ASTM A106 (сталь марки B). Фитинги с пазами или выступами для крепления фитингов с пазами на концах.
Как упоминалось выше, стальные трубы чаще всего используются для труб большого диаметра в гидравлических системах. Этот тип систем позволяет устанавливать различные требования к давлению, температуре и размерам для удовлетворения потребностей систем охлажденной и нагретой воды. Классификация фланцев, фитингов и арматуры относится к рабочему давлению насыщенного пара в фунтах на квадратный дюйм (psi) соответствующего изделия. Фитинги класса 150 рассчитаны на рабочее давление 150 psi/дюйм при температуре 366 °F, в то время как фитинги класса 300 обеспечивают рабочее давление 300 psi/дюйм при температуре 550 °F. Фитинги класса 150 обеспечивают рабочее давление воды более 300 psi/дюйм при температуре 150 °F, а фитинги класса 300 — до 2000 psi/дюйм при температуре 150 °F. Для конкретных типов труб доступны фитинги других марок. Например, для фланцев чугунных труб и фланцевых фитингов ASME 16.1 могут использоваться марки стали 125 или 250.
Трубопроводы и соединительные системы с канавками используют вырезанные или сформированные канавки на концах труб, фитингов, клапанов и т. д. для соединения каждого отрезка трубы или фитинга с помощью гибкой или жесткой соединительной системы. Эти муфты состоят из двух или более болтовых частей и имеют шайбу в отверстии муфты. Такие системы доступны с фланцами классов 150 и 300 и прокладками из EPDM и способны работать при температурах жидкости от 230 до 250 °F (в зависимости от диаметра трубы). Информация о трубах с канавками взята из руководств и литературы Victaulic.
Для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК) подходят стальные трубы Schedule 40 и 80. Спецификация трубы указывает на толщину стенки, которая увеличивается с номером спецификации. С увеличением толщины стенки трубы увеличивается и допустимое рабочее давление прямой трубы. Для труб Schedule 40 допустимое рабочее давление составляет 1694 psi для трубы диаметром ½ дюйма и 696 psi для трубы диаметром 12 дюймов (от -20 до 650 °F). Допустимое рабочее давление для труб Schedule 80 составляет 3036 psi для трубы диаметром ½ дюйма и 1305 psi для трубы диаметром 12 дюймов (обе от -20 до 650 °F). Эти значения взяты из раздела «Технические данные» компании Watson McDaniel.
Пластмассы: трубы из ХПВХ, раструбные фитинги по спецификациям 40 и 80 в соответствии со стандартами ASTM F 441/F 441M (ASTM F 438 по спецификации 40 и ASTM F 439 по спецификации 80) и клеи на основе растворителей (ASTM F493).
Трубы из ПВХ, раструбные фитинги в соответствии со стандартами ASTM D 1785 Schedule 40 и Schedule 80 (ASM D 2466 Schedule 40 и ASTM D 2467 Schedule 80) и клеи на основе растворителей (ASTM D 2564). Включает грунтовку в соответствии со стандартом ASTM F 656.
Трубы из ХПВХ и ПВХ подходят для гидравлических систем, расположенных ниже уровня земли, хотя даже в таких условиях при монтаже таких труб в проекте следует соблюдать осторожность. Пластиковые трубы широко используются в канализационных и вентиляционных системах, особенно в подземных условиях, где открытые трубы непосредственно контактируют с окружающим грунтом. В то же время, коррозионная стойкость труб из ХПВХ и ПВХ является преимуществом, учитывая коррозионную активность некоторых грунтов. Гидравлические трубы обычно изолированы и покрыты защитной оболочкой из ПВХ, которая обеспечивает буфер между металлическими трубами и окружающим грунтом. Пластиковые трубы могут использоваться в небольших системах охлажденной воды, где ожидается более низкое давление. Максимальное рабочее давление для труб из ПВХ превышает 150 psi для всех размеров труб до 8 дюймов, но это относится только к температурам 73 °F или ниже. Любая температура выше 73 °F снизит рабочее давление в системе трубопроводов до 140 °F. Коэффициент снижения производительности составляет 0,22 при этой температуре и 1,0 при 73 °F. Максимальная рабочая температура 140 °F указана для труб из ПВХ Schedule 40 и Schedule 80. Трубы из ХПВХ способны выдерживать более широкий диапазон рабочих температур, что делает их пригодными для использования до 200 °F (с коэффициентом снижения производительности 0,2), но имеют тот же номинальный уровень давления, что и ПВХ, что позволяет использовать их в стандартных системах подземного охлаждения под давлением, а также в системах водоснабжения диаметром до 8 дюймов. Для систем горячего водоснабжения, поддерживающих более высокие температуры воды до 180 или 205 °F, трубы из ПВХ или ХПВХ не рекомендуются. Все данные взяты из спецификаций труб из ПВХ и ХПВХ компании Harvel.
Трубы. По трубам транспортируются различные жидкости, твердые вещества и газы. В этих системах циркулируют как питьевые, так и непитьевые жидкости. Из-за большого разнообразия жидкостей, транспортируемых в водопроводной системе, рассматриваемые трубы классифицируются как бытовые водопроводные трубы или дренажные и вентиляционные трубы.
Водоснабжение: трубы из мягкой меди, ASTM B88 типов K и L, ASTM B88M типов A и B, с коваными медными фитингами высокого давления (ASME B16.22).
Трубы из твердой меди, ASTM B88 типов L и M, ASTM B88M типов B и C, с литыми медными приварными фитингами (ASME B16.18), коваными медными приварными фитингами (ASME B16.22), бронзовыми фланцами (ASME B16.24) и медными фитингами (MCS SP-123). Трубы также допускают использование герметичных фитингов.
Типы медных труб и соответствующие стандарты взяты из раздела 22 11 16 MasterSpec. Проектирование медных труб для бытового водоснабжения ограничено требованиями к максимальным расходам. Они указаны в спецификации трубопровода следующим образом:
В разделе 610.12.1 Единого санитарно-технического кодекса 2012 года указано: Максимальная скорость потока в системах из медных и медно-сплавных труб и фитингов не должна превышать 8 футов в секунду в холодной воде и 5 футов в секунду в горячей воде. Эти значения также повторяются в Справочнике по медным трубам, где они используются в качестве рекомендуемых максимальных скоростей для таких типов систем.
Трубы из нержавеющей стали типа 316 в соответствии со стандартом ASTM A403 и аналогичные фитинги с приварными или рифлеными соединениями для бытовых водопроводных труб большего диаметра и прямой замены медных труб. В связи с ростом цен на медь, трубы из нержавеющей стали становятся все более распространенными в системах бытового водоснабжения. Типы труб и соответствующие стандарты взяты из раздела 22 11 00 Руководящих спецификаций Администрации по делам ветеранов (VA).
Новое нововведение, которое будет внедрено и введено в действие в 2014 году, — это Федеральный закон о лидерстве в области питьевой воды. Это федеральное регулирование действующих законов Калифорнии и Вермонта, касающихся содержания свинца в водопроводной воде, а также в любых трубах, клапанах и фитингах, используемых в системах бытового водоснабжения. Закон гласит, что все смачиваемые поверхности труб, фитингов и арматуры должны быть «бессвинцовыми», что означает, что максимальное содержание свинца «не превышает средневзвешенного значения 0,25% (свинца)». Это требует от производителей выпускать бессвинцовые литые изделия в соответствии с новыми законодательными требованиями. Подробная информация представлена ​​UL в Руководстве по содержанию свинца в компонентах питьевой воды.
Дренаж и вентиляция: Бесшовные чугунные канализационные трубы и фитинги, соответствующие стандарту ASTM A 888 или стандарту CISPI 301. Фитинги Sovent, соответствующие стандартам ASME B16.45 или ASSE 1043, могут использоваться в системах без запорных клапанов.
Чугунные канализационные трубы и фланцевые фитинги должны соответствовать стандарту ASTM A 74, резиновым прокладкам (ASTM C 564), а также герметикам из чистого свинца и дубового или конопляного волокна (ASTM B29).
Оба типа воздуховодов могут использоваться в зданиях, но бесканальные воздуховоды и фитинги чаще всего применяются над уровнем земли в коммерческих зданиях. Чугунные трубы с бесштоковыми фитингами CISPI позволяют осуществлять стационарную установку, могут быть переконфигурированы или доступны для доступа путем снятия хомутов, сохраняя при этом качество металлической трубы, что снижает шум от разрыва в потоке сточных вод. Недостатком чугунных труб является то, что они изнашиваются из-за кислых сточных вод, содержащихся в обычных ванных комнатах.
Трубы и фитинги из нержавеющей стали ASME A112.3.1 с развальцованными и расширяющимися концами могут использоваться для высококачественных дренажных систем вместо чугунных труб. Нержавеющая сталь также используется для первого участка водопровода, который соединяется с напольной раковиной, куда стекает газированный продукт, что снижает коррозионное повреждение.
Трубы из цельного ПВХ, соответствующие стандарту ASTM D 2665 (дренаж, отвод и вентиляция), и трубы из ПВХ с сотовой структурой, соответствующие стандарту ASTM F 891 (Приложение 40), с развальцованными соединениями (ASTM D 2665 – ASTM D 3311, дренаж, слив и вентиляция), подходящими для труб Schedule 40), грунтовкой (ASTM F 656) и клеем на основе растворителя (ASTM D 2564). Трубы из ПВХ могут располагаться как над, так и под землей в коммерческих зданиях, хотя чаще всего их указывают в качестве труб, расположенных ниже уровня земли, из-за возможности растрескивания труб и особых требований правил.
В строительной юрисдикции Южной Невады поправка к Международному строительному кодексу (IBC) 2009 года гласит:
603.1.2.1 Оборудование. Горючие трубопроводы разрешается прокладывать в машинном отделении, заключенном в огнестойкую конструкцию с двухчасовым пределом огнестойкости и полностью защищенном автоматическими спринклерами. Горючие трубопроводы могут прокладываться из машинного отделения в другие помещения при условии, что трубопровод заключен в утвержденную специальную огнестойкую конструкцию с двухчасовым пределом огнестойкости. При прокладке таких горючих трубопроводов через противопожарные стены и/или полы/потолки необходимо указать тип прохода для конкретного материала трубопровода с классами огнестойкости F и T не ниже требуемой огнестойкости для данного прохода. Горючие трубы не должны проходить более чем через один слой.
Это требует, чтобы все горючие трубы (пластиковые или другие), присутствующие в здании класса 1A, как определено в IBC, были обернуты двухчасовой огнестойкой конструкцией. Использование ПВХ-труб в дренажных системах имеет ряд преимуществ. По сравнению с чугунными трубами, ПВХ более устойчив к коррозии и окислению, вызванным сточными водами из ванной комнаты и грунтом. При прокладке под землей ПВХ-трубы также устойчивы к коррозии окружающего грунта (как показано в разделе, посвященном трубопроводам систем отопления, вентиляции и кондиционирования). На ПВХ-трубы, используемые в дренажной системе, распространяются те же ограничения, что и на гидравлические системы систем отопления, вентиляции и кондиционирования, с максимальной рабочей температурой 140 °F. Эта температура дополнительно устанавливается требованиями Единого кодекса по трубопроводам и Международного кодекса по трубопроводам, которые предусматривают, что любой сброс в приемники сточных вод должен быть ниже 140 °F.
В разделе 810.1 Единого санитарно-технического кодекса 2012 года указано, что паровые трубы не должны быть напрямую соединены с трубопроводной или канализационной системой, а вода температурой выше 140 °F (60 °C) не должна сбрасываться непосредственно в канализацию под давлением.
В разделе 803.1 Международного санитарно-технического кодекса 2012 года указано, что паровые трубы не должны быть соединены с канализационной системой или какой-либо частью водопроводной системы, а вода температурой выше 140 °F (60 °C) не должна сбрасываться в какую-либо часть канализационной системы.
Специальные трубопроводные системы используются для транспортировки нетипичных жидкостей. Эти жидкости могут быть самыми разными: от трубопроводов для морских аквариумов до трубопроводов для подачи химикатов в системы оборудования бассейнов. Системы водопровода для аквариумов не распространены в коммерческих зданиях, но они устанавливаются в некоторых отелях с удаленными водопроводными системами, подключенными к различным точкам из центрального насосного помещения. Нержавеющая сталь кажется подходящим типом трубопроводов для систем с морской водой из-за ее способности предотвращать коррозию в системах с другими водными ресурсами, однако соленая вода может вызывать коррозию и эрозию труб из нержавеющей стали. Для таких применений пластиковые или медно-никелевые трубы из ПВХ соответствуют требованиям по коррозионной стойкости; при прокладке таких труб на крупном коммерческом объекте необходимо учитывать их воспламеняемость. Как отмечалось выше, использование горючих трубопроводов в Южной Неваде требует запроса альтернативного метода для подтверждения намерения соответствовать соответствующему строительному кодексу.
Трубопроводы бассейна, подающие очищенную воду для купания, содержат небольшое количество химических веществ (можно использовать 12,5% раствор гипохлорита натрия и соляную кислоту) для поддержания определенного уровня pH и химического баланса в соответствии с требованиями санитарной службы. Помимо трубопроводов с разбавленными химическими веществами, необходимо транспортировать хлорный отбеливатель и другие химикаты из складских помещений и помещений со специальным оборудованием. Трубы из ХПВХ (поливинилхлорида) химически устойчивы для подачи хлорного отбеливателя, но в качестве альтернативы химическим трубам при прохождении через негорючие типы зданий (например, тип 1А) можно использовать трубы из высококремниевой стали. Они прочнее, но более хрупкие, чем стандартные чугунные трубы, и тяжелее, чем аналогичные трубы.
В этой статье рассматриваются лишь некоторые из множества вариантов проектирования трубопроводных систем. Они охватывают большинство типов установленных систем в крупных коммерческих зданиях, но всегда будут исключения из правил. Общая генеральная спецификация является бесценным ресурсом для определения типа трубопроводов для данной системы и оценки соответствующих критериев для каждого продукта. Стандартные спецификации будут соответствовать требованиям многих проектов, но проектировщикам и инженерам следует пересматривать их применительно к высотным зданиям, высоким температурам, опасным химическим веществам или изменениям в законодательстве или юрисдикции. Узнайте больше о рекомендациях и ограничениях в области сантехники, чтобы принимать обоснованные решения об используемых в вашем проекте продуктах. Наши клиенты доверяют нам как профессионалам в области проектирования, которые предоставляют своим зданиям проекты правильного размера, сбалансированные и доступные по цене, где воздуховоды достигают ожидаемого срока службы и никогда не подвергаются катастрофическим отказам.
Мэтт Долан — инженер-проектировщик в компании JBA Consulting Engineers. Он специализируется на проектировании сложных систем отопления, вентиляции, кондиционирования и водоснабжения для различных типов зданий, таких как коммерческие офисные здания, медицинские учреждения и гостиничные комплексы, включая высотные гостевые дома и многочисленные рестораны.
Обладаете ли вы опытом и знаниями по темам, затронутым в этом материале? Вам стоит рассмотреть возможность присоединиться к редакционной команде CFE Media и получить признание, которого заслуживаете вы и ваша компания. Нажмите здесь, чтобы начать процесс.