浅谈寒冷地区暖通空调水系统管道补偿设计研究

王鑫 申鹏 赵军 唐路

【摘要】本文主要介绍了暖通空调水系统管道补偿方式的种类及选择方式，管道补偿方式的设计与施工对管道系统支吊架的设计布置以及建筑结构的受力影响很大，布置不合理，不仅浪费材料，在管道系统运行时，还会带来很多安全隐患，需要特别注意，本文还以张家口市崇礼区太子城冰雪小镇项目与北京项目空调水管道系统补偿量进行对比分析、总结。对今后严寒或寒冷地区综合体的空调水管道系统管道补偿器的选择与设计起到一定的借鉴作用。

【关键词】崇礼太子城;管道补偿;寒冷

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

1、工程简介

张家口市崇礼太子城冰雪小镇位于河北省张家口市崇礼区，是2022年冬奥会张家口赛区核心区域。比邻太子城高铁站，总占地面积2.89平方公里，总建设规模达到134万平方米，涵盖了冬奥颁奖广场、国际会议中心、国际度假酒店群、冰雪特色配套区等开发建设内容。

崇礼太子城小镇在冬奥会前以国际标准规划、建设、运营小镇，冬奥会期间将提供冬奥颁奖、贵宾接待、交通换乘、休闲娱乐等保障服务。冬奥后将秉承可持续发展理念，与全球各类合作伙伴共同搭建生态平台，以国际化四季度假小镇来运营。

冰雪小镇核心区域有三大功能区：一是规划有容纳2500人的冰雪会堂、国际会议中心、会展中心、国际高端酒店的太子城国际会议中心。为兼顾后奥运时代的可持续运营，小镇从规划设计到运营思路对标国际冬奥小镇和世界级论坛，已签约顶级的洲际酒店集团及国际一流的会议会展运营商北辰会展集团。二是服务于小镇生活配套的四季商街组团，提供开放式商业街区、精品民宿酒店、各具风情的餐饮酒吧等，并搭配大型主题儿童乐园。不仅如此，坐落于四季商街核心的冬奥塔及冬奥颁奖广场。三是以奥运期间高规格贵宾接待酒店为主体的国际度假酒店群，将会结合赛时赛后需求分期开发。国际会议中心、四季商街及部分国际度假酒店群。

2、设计参数

2.1 空调设计参数

2.2 采暖设计参数

2.3 热源系统

本工程热源为承压燃气热水锅炉+ 承压电热水锅炉及蓄热水箱，热源设于会展中心地下一层的锅炉房及热水箱间内。蓄热系统通过三组板式换热器向二次侧系统供热，为空调热水系统提供：60℃/45℃热水;为高温预热及散热器系统提供：70℃/50℃热水;为低温热水地面辐射供暖系统提供：55℃/45℃热水。

2.4 冷源系统

本工程冷源为离心式（变频）冷水机组+螺杆式（变频）冷水机组。冷源设于会展中心地下一层的制冷站内，冷冻水供、回水温度为6/12℃，冷却水供、回水温度为：28℃/33℃，冷冻水采用一次泵变流量系统、冷却水定流量系统，冷却塔设置于室外地坪绿化带内;部分电气用房，如变电所、消防控制室等采用局部冷源供冷，采用分体（多联）式空调，外机主要设置在车库内。

2.5 供热系统

本工程供热系统主要采用空调系统采暖，并在酒店一层大堂入口及酒店地下门厅、酒店地下一层健身房及更衣室、全日制餐厅、客房内卫生间及客房入口设置低温热水地面辐射供暖系统作为辅助采暖系统;在酒店地下车库、厨房及设备用房、酒店客房走廊、布草间、服务间、楼梯间及风机房设置散热器采暖系统;低温热水地面辐射供暖系统供回水温度为55/45℃，散热器采暖系统供回水温度为70/50℃。散热器采暖系统形式：地下车库及设备用房采用上供上回同程式系统，地上部分采用下分式双管水平系统，系统干管敷设在地下室棚下及管道夹层内，并设置单独的采暖系统入口装置。低温热水地面辐射供暖系统采用下分式垂直双管同程式系统，系统干管安装于地下室棚下及设备夹层，设置单独的采暖系统入口装置。地热分集水器尽量采用暗装于砌筑墙内或设于平面隐蔽处以利于配合后期精装。

2.6 空调水系统

本工程空调水系统分为两部分，洲际酒店部分采用四管制变流量系统，逸衡酒店部分采用二管制变流量系统。空调水系统采用立管异程系统，水平管同程式系统。空调供回水主干管从室外供冷供热外网引出，空调机组新风机组系统环路的主要分支回干管上设动态压差控制器（自力式压差平衡阀），供水管设置静态平衡调节阀;新风机组、空调机组前设置电动调节阀，风机盘管设置电动两通阀，风机盘管水路每层回水管设置动态压差控制器（自力式压差平衡阀），供水管设置静态平衡调节阀。

3、补偿方式的选择

冷风会从经常开启的大门、车辆坡道等位置渗入至建筑内，对于严寒和寒冷等地区，室外温度相对更低，在冬季供热时，管道与环境相对温差更大，而输送冷水或热水的管道，由于管道内部输送介质与工作环境存在的温差，会使管道产生一定长度的伸长或收缩变形，为了保证管道系统能够安全可靠的正常运行，都会对输送管道进行吸收补偿量的设计。

补偿设计时，采的补偿方式分为管道自然补偿及管道补偿器补偿两种。管道自然补偿是利用管道转弯时的自然弯曲来补偿管道的冷、热伸缩量，常采用L形补偿和Z形补偿两种型式。采用此种补偿方式仅需利用管道拐弯，不需要额外增加费用，缺点是补偿量有限，当转角不大于150°时，管道臂长不宜超过20～25m。管道补偿器补偿所采用的补偿器分为方形补偿器、套筒补偿器、波纹管补偿器、球形补偿器以及旋转补偿器。方形补偿器形似两个Z形自然补偿器的组合，一般常用无缝钢管煨制，亦可用热压弯头拼制。采用此种补偿方式的优点是加工方便，轴向推力小，有利于管道安全运行，并且不需经常维修，缺点是占用安装空间大，不易布置。套筒式补偿器，补償能力大、结构简单、安装占用空间小、流体阻力小、安装方便，但工作使用中，经常出现漏水、漏汽等现象需要维修，更换填料，一般民用公共建筑以很少使用。波纹管补偿器安装容易、配管简单、维修管理方便，但安装时，补偿器本身会产生较大的弹性力;如果选用内外压不平衡式波纹管补偿器时，还会产生极大的不平衡内压力，需要设置坚固的固定支架，耗用更多的型钢材料;如果选用内外压平衡式波纹补偿器，会消除不平衡内力，但由于波纹数量的增加，会占用更多的安装空间，增加更多的弹性力。球型补偿器主要应用于长距离输送管道，优点是具有较大的补偿能力、并且可以进行一定的角度补偿、占用空间小、流体阻力小、安装方便。旋转补偿器是通过绕着一个轴线中心旋转，来补偿垂直于该轴线的直线管道的冷热伸长，多用于工业高、中压管道，其优点是不产生不平衡内压力，对补偿器两端的固定支架受力影戏小，无热伸缩引起的热损失，密封材料和密封面的磨损极为轻微，不易产生泄露。

补偿器种类不同，适用场合也不同，一旦选择、布置不合理，不仅对管道系统运行安全有影响，还会对支吊架型钢量、建筑结构钢筋混凝土量产生影响，增加投资成本，故此在暖通管道支吊架设计时，补偿方式的选择和补偿位置的设置十分重要。那应该如何选择补偿方式和补偿位置呢？我们应该从以下几个方面考虑：

（1）优先利用管道拐弯及管道间相互避让位置处的L形、Z形自然补偿方式进行补偿。管道系统安装前，在进行机电管线深化时，设备、管线的空间排布，除了按照标准、规范、图集、设备资料等技术要求考虑其间距、检修、安装、阀部件操作外，还可充分利用管线排布过程中需要管线避让的位置进行自然补偿，同时还应考虑补偿器及支吊架的安装空间。

（2）自然补偿无法解决的管道系统，优先选择方形补偿器。方形补偿器虽然占用空间较大，但也属于对管道系统安全运行有利，对支吊架布置、建筑结构影响较小的补偿方式。但需要注意的是，对于严寒和寒冷地区，管道系统和工作环境温差更大一些，根据补偿量计算公式：?X=αL（t_1-t_2 ），其中：?X—管道热伸长量，mm，t_1—热媒温度，℃，t_2—管道安装时温度，℃，L—计算管道长度，m，α—线膨胀系数，mm/m·℃。随着温差的增大，补偿量随之增加，这也说明如果在补偿量一定的条件下，严寒和寒冷地区补偿直管线长度会比一般地区要短一些。以本工程为例，假設本项目冬季管道安装时温度为-20度，北京地区冬季管道安装时温度为0度，空调热水系统供水温度为60℃，本项目可自然补偿直管道长度为Lc，北京地区可自然补偿直管道长度为25m，根据公式，管线长度和温差成反比关系，当设计补偿量一样时，L_c/25=（（60-0））/（（60+20）），Ld=18.75m，相同的补偿条件下，本项目可自然补偿直管道长度比北京地区少6.25m，在补偿设计时应特别注意。

（3）当超出自然补偿长度范围，现场安装空间又有限，无法安装方形补偿器时，优先选用内外压平衡式波纹补偿器，减少轴向推力对管道固定支架和建筑结构受力影响。

（4）以上条件均不能满足，再考虑使用不平衡式波纹补偿器。

4、管道支吊架设计

在管道支吊架型式选择与布置时，首先应能保证支撑或吊装管道，能够承受管道重量、冷热位移变形补偿产生的推力、摩擦力以及设置补偿器产生的不平衡内力等作用力，在系统正常运行时，防止管道振动。管道支吊架设计与机电深化设计管线综合工作密不可分，在机电管线综合时，就应该综合考虑管道支吊架占用空间位置，具体步骤是：

（1）初步的机电管线综合深化设计。在进行机电管线综合深化设计的过程中，不仅需要考虑各管道及阀部件的占位、检修等，还需根据管道及阀部件可能产生的作用力影响，初步预留支吊架空间，空间不足时，可考虑设置综合支吊架，对于支吊架预留空间大小的判断可参考技术手册和图集。

（2）根据不同的机电系统管道运行支撑需求，确定其支吊架布设种类、形式、间距、位置等。支吊架布设的种类和形式与考虑管道补偿冷热位移及补偿器设置的部位有关，支吊架之间的间距及设置位置与其需要承受管道对其的作用力，以及建筑结构能够承载其传递的作用力大小有关。

（3）根据支吊架间距及管线在支吊架上的相对位置，确定支吊架受到的管道水平和垂直荷载及作用的大小、位置。

（4）根据管道对支吊架的荷载及作用的大小、位置，确定支吊架内力。

（5）根据支吊架内力，验算支吊架构件、构件及构件间的连接节点以及构件与建筑结构间的连接节点是否满足承载力要求。

（6）确定最终的机电管线综合方案及支吊架设计方案。根据以上流程初步确定管道支吊架布设种类、形式、间距及位置后，验证原机电管线综合深化设计管线综合支吊架预留空间是否满足要求，不满足要求时，继续调整管线综合及支吊架布置方案，直到全部满足要求为止。

在实际暖通空调水系统运行时，针对管道存在热胀冷缩变形的情况，为了能够保证管道系统正常运行，同时保证管道支撑系统稳定，一般会设置固定支吊架、导向支吊架、活动支吊架。不同支吊架所起到的作用不同，承载的作用力也不同，固定支吊架，布置在不允许管道有任何位移的部位，一般为管道转向或设置有补偿器的位置处。导向支吊架用于允许管道有轴向位移，但不允许管道有径向位移的部位。活动支吊架布设位置，允许管道在支吊架上有一定程度的位移或允许支吊架随管道位移产生一定的幅度变形。在实际应用中，三种不同的支吊架都要配合管道补偿使用，在深化设计时要特别注意。

根据上文的分析和讨论，对于暖通空调水系统管道补偿方式的设计与布置十分重要，其不仅对管道系统支吊架的选型设计、材料使用量有非常大的影响，对建筑结构的承载力影响也十分巨大，特别是严寒及寒冷地区的大型商业综合体项目，自然补偿直管道长度受安装温度影响，很多管线很难使用自然补偿，而设置方形补偿器有不具备安装空间，都需要使用波纹补偿器，在补偿设计时，要特别注意固定支架安装位置对建筑结构受力的影响。希望通过此文对今后的严寒及寒冷地区暖通空调水系统管道补偿方式的设计起到一定的借鉴和参考作用。

参考文献：

[1]陆耀庆，实用供热空调设计手册第二版（下册），北京：中国建筑工业出版社，2008

[2]全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇-暖通空调动力DB22/T436-2006

[3]施振球主编，动力管道设计，北京：机械工业出版社，2006

[4]国家建筑标准设计图集，室内管道支架及吊架图集03S402，北京：中国建筑标准设计研究所，2003

[5]国家建筑标准设计图集，室内管道支吊架05R417-1，北京：中国建筑标准设计研究院，2005

作者简介：

王鑫（1982-），男，高级工程师，2008年毕业于北京建筑工程学院，本科学历，现主要从事机电支吊架设计、BIM深化设计、暖通空调系统检测等方面的研究。

申鹏（1979-），男，高级工程师，2002年毕业于沈阳建筑工程学院，工学学士，现主要从事土建施工、机电安装和暖通空调方面的研究。

赵军（1989-），男，内蒙古卓资县人，中级工程师，2011年毕业于长沙理工大学，工学学士，现主要从事机电安装和给排水方面的研究。

唐路（1992-），男，工程师，2014年7月毕业于北京建筑大学，本科学历，学士学位，现主要从事机电安装和电气工程及其自动化方面的研究。