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高层建筑有非常复杂和具有挑战性的管道系统。我发现没有太多的管道规范语言专门解决高层建筑应该如何设计以节能,节水,并为业主和居住者提供可持续和安全的安装。
所有针对三层以上建筑的防回流、最小和最大压力、废物和排气孔的基本管道规范语言都适用于高层建筑。但是,在许多其他浪费金钱和高层建筑设备磨损的领域,该规范却没有提及,这些领域导致建筑居住者没有水和基本的卫生条件。
我调查了很多高层建筑的问题,这些问题包括:
•增压泵尺寸
•最大和最小压力区问题
•热水器压力问题
•生活热水回流泵问题
•排水和排气孔问题
模型管道规范大多是沉默的,除了一些事情,如最小和最大压力,废物和排气口的大小。该规范是最低限度的,因此它没有解决许多对节能或可持续管道系统有良好工程意义的问题。我发现高层建筑管道系统中最常见的问题之一是压力区问题。当管道设计师或设计建造承包商没有注意到管道系统对压力的最小要求和最大要求时,就会出现问题。
规范是一份最低限度的文件,大多数高层建筑都是由开发商建造的,他们希望以最便宜的首次成本建造建筑物,而不考虑能源或维护成本。开发商希望尽可能便宜地建造它,获得绿色认证,并将其出售给其他人,后者将不得不处理建筑生命周期内的能源和维护成本。通常,这些开发商建造的高层建筑使用的能源是拥有合理设计的家用增压泵系统的建筑的四倍。
一个典型的开发商建造的高层建筑将在地下室有一个单或双增压泵。泵为整个建筑提供减压阀,在所有较低的楼层,供应压力将超过80 psi。这种类型的系统设计与单个增压泵包和减压阀是一个非常能源和维护效率低下的管道系统。但是,如果许多业主购买具有这种设计理念的建筑,他们就会被这种设计所困住。
减压阀
大多数这些开发商建造的建筑物在底层都有减压阀,或者我称之为“能源浪费阀”。在最上面的10层,没有减压阀。这种设计将在建筑物的生命周期内浪费数十万美元的能源。我总是说,如果你的设计中有减压阀,这不是一个非常环保的管道系统设计。
我希望绿色认证项目能被修改,不要给使用prv的建筑颁发认证,因为它们会造成巨大的能源浪费。实际上,在高层供水系统中,PRV下游的每一层都应该被扣分。也有一些例外,减压阀可以将正常的水压降低到较低的压力,用于水力系统的补给水,洗碗机的最终冲洗水等。
阀门和泵有不同的质量水平,通常在开发商建造的建筑物中,阀门和泵可能是质量较低、价格较低的类型,往往更容易发生故障。这种设计的泵往往有密封失效和泄漏;质量较差的减压阀通常会对阀座产生磨损,特别是当压差增大时。即使是高质量的减压阀也会因为阀座上的压差过大而遇到问题。
压力差可以通过分阶段降低压力来解决,而开发者通常不希望在这方面花钱。当减压阀磨损时,这通常被称为拉丝。这导致更多的钱花在购买更换零件上,更多的钱花在更换泵和减压阀的人工上。当高速水流穿过控制阀的阀座时,阀门就会发生拉丝现象,水中的任何沉淀物或水垢都会损坏较便宜(较软)的阀座。过了一段时间后,看起来像是有人拿了一把钢锯或钢丝锯,在阀座上切了一个凹槽。随着阀门的不断磨损,它失去了维持下游压力的能力,在不使用期间,下游压力可以达到与上游压力相同的压力。这可能会导致马桶爆炸、管道破裂、洪水、水龙头和马桶漏水,当供水压力从每平方英寸60磅增加到每平方英寸360磅时,这是一个重大的水浪费。
管道额定压力
就供水系统的设计而言,高层建筑有不同的类别。建筑物越高,对管道、阀门和配件的额定压力要求就越高。每种管道材料都有不同的压力等级。确保高层建筑使用正确的压力分类是很重要的。通常,在这些开发商建造的建筑物中,立水管的额定压力较高,而减压阀下游的所有管道的额定压力都较低。当下层减压阀发生故障时,较高的压力暴露在额定压力较低的管路、阀门、管件和固定装置上。理想的或绿色和可持续的管道设计不会使用减压阀(能源浪费阀)。
管道设计师应确定顶楼调节装置所需的最低压力,并确保在流量高峰期间保持最低压力。设计人员还必须考虑管道系统的最大允许压力,即80psi。如果建筑物顶部要求最高(控制)的管道装置在压力区顶部要求最低35psi,在压力区底部每个规范允许的最高压力是80psi,那么隔10英尺的建筑物每个压力区可以有大约9或10层楼,这取决于摩擦损失和管道尺寸。标高压头压力和与管道尺寸相关的允许摩擦损失将决定在压力区应有多少层。在上面的例子中,如果管道尺寸宽裕,那么可以有10层。如果管道尺寸较小,流速和相应的摩擦损失较高,则只有9层应处于压力区。例如,海拔水头损失为每英尺海拔0.433。如果两层之间的距离为10英尺,则每层的立面压力损失将为每平方英寸4.33磅。这里的关键是在压力区的顶层有足够的水压,以允许固定装置按设计运行。
这些规范规定了固定装置的最小压力,并规定了配水系统中的最大静态水压,在水压超过80磅/平方英寸(psi)的情况下,需要减压阀或调节器。模型管道规范第6章中列出的管道装置列出了每个固定装置的最小流动压力或残余压力。例如,浴缸,淋浴或坐浴盆需要至少20 psi的流动压力。大概是22 psi的静压力。虹吸式抽水马桶冲洗阀要求至少35psi的残余(流动)压力。较新的1.6和更低的抽水马桶水箱类型的固定装置需要20 psi,而旧的高流量模型需要最低压力低至8 psi。许多新型号的节水马桶依靠供水压力来迫使水流进入碗和疏水阀,作为夹具设计和操作的一部分,最小压力高达45 psi。如果不遵守最小压力和最大压力,就可能出现问题。
维护问题
与任何有全职维修人员的建筑物一样,与管道系统故障相关的一些问题始于雇用维修人员。如果业主没有雇用经过适当培训或认证的维修人员,业主至少应该支付或鼓励其员工寻求培训,解决他们所雇用的系统的维护和保养问题。我见过很多故障,维修人员造成了故障,因为他们不知道自己在做什么。例如,在开启补水阀之前,先烧开锅炉。然后,这个人意识到他们忘记给锅炉注满水,然后打开进水阀,让冷水冲进炽热的锅炉。繁荣!房主刚买了一台新锅炉。
家用水压增压泵启动
另一个常见的故障是长时间停电,在电力恢复之前,允许大楼里的租户从管道系统中排出水。维修人员必须关闭生活用水增压泵,使其不会在空立管启动。我见过泵启动不当的结果,它可能会把管道吹散。
如果泵启动时下游管路中没有水,则泵上没有反压力,因此它将在泵曲线的末端运行。这大大增加了流量,速度也增加了。水的流速接近12-15英尺/秒是很常见的,当管道中的水到达弯头或t形接头时,这将是一个巨大的打击。水锤的经验法则是水速度的60倍是可能发生的潜在水锤压力峰值。
在高层建筑中,水泵经过一段时间的停机后重新启动,大直径管道发生故障,导致重大洪水事故,造成数千万美元的损失。如果发生停电,甚至计划停电,以排水管道和更换减压阀,这在PRV设计中每年都会发生多次,当家用水增压泵系统关闭足够长的时间(超过几分钟),以便从立管中排出水时,维护人员必须接受培训,按照泵制造商的启动程序。由于这个原因,一些泵的控制被设计为在电源故障后需要手动启动。
当水泵启动时会发生水锤,必须通过在停机期间关闭水泵和关闭所有阀门来控制。当电力恢复后,维护人员必须打开建筑物顶部的一两个水龙头(或利用自动通风口)将系统高点的空气排出,然后部分打开增压泵套件上的一个阀门,手动运行一个(较小的)泵,直到水从建筑物顶部的固定装置中流出。这将慢慢地将水引入系统,以防止与所有增压泵相关的水锤与空管道一起启动,这可能会吹散管道或配件并淹没高层建筑。
压力区避免额定高压管道、阀门和管件
高层建筑配水系统的设计有几种方法。最有效的系统设计利用一个独立的增压泵在建筑物的每个压力区高达约40-60层的高度(取决于楼层高度)。当建筑物的高度越来越高时,管道、阀门和配件的压力等级必然会更高,成本也会增加。在超高层设计中,他们通常使用给水管道到高区域生活水增压泵的吸入罐,并从高压力区域开始管道系统,如果需要,该管道系统可以为更高压力区域的吸入罐提供水。这些类型的超高层系统还存在许多其他问题,包括旁通阀、隔离阀、溢流排水、安全阀等。这就允许在超高层建筑的较低楼层使用低压管道、阀门和配件。
对于使用300 psi及以下配件的建筑物(最多40-60层,具体取决于楼层高度),每个压力区都可以使用多个增压泵,每个压力区都可以使用一个增压泵包,没有减压阀。这节省了大量的能源,相比之下,一个大型增压泵,是专为建筑物的全流量和水头的要求。这就像把两桶5加仑的水提上100层楼,让一个人喝一口水,然后把剩下的水倒进下水道或从窗户里倒出去。当一杯6盎司的水就能满足人们的饮水需求时,把所有的水搬到顶楼浪费了大量的精力。这是在高层建筑的底部安装一个非常大的增压泵包,并使用减压阀来降低较低楼层的压力时发生的情况。它浪费了大量的能源!
维修人员
不久前,我住在佛罗里达州一家高层酒店的顶层,3点45分起床。我想赶早班飞机。当我淋浴时,有很多热水,但没有冷水。当我开车绕着大楼转到前厅时,我注意到所有的灌溉区都在同时流动,显然是在冷水增压泵上。这肯定用光了所有的压力热水系统显然是在一个单独的增压泵上。我在前台停了下来,告诉他们这个问题,并建议他们调整洒水区域的时间。
当我在检查的时候,维修人员出现了,说他要去检查一下锅炉,把热水的温度调低。我解释说,热水温度不是问题,问题是所有的洒水区同时流动,导致冷水系统缺水。这时,他提醒我,他已经在那里工作了五年多,他一直在做建筑维修,所以他知道自己在做什么。他向我保证这是锅炉恒温器的问题。我说我检查了双把手的水槽龙头,没有水流出来。这只是空气冲进来的汩汩声,所以可能不是热水器温度的问题。他的眼睛盯着天花板,试图理解我刚才告诉他的话。他喃喃地说着什么,好像无论如何他还是要检查锅炉,然后走开了。
我发了一封信来解释这个问题,连锁酒店的总工程师向我解释说,他们在房间里换了墨盒,应该可以解决这个问题。我不得不接着写了一封信,向酒店工程师解释真正的问题是什么。
材料替换
在很多情况下,材料已经被替换了。对于工程师、承包商和业主来说,验证替代材料的额定压力、热膨胀性能和额定温度是很重要的。验证有助于确保管道按照管道制造商的说明安装。
不通过减压阀进行循环
我见过许多高层建筑的设计,热水器位于一楼或顶层公寓。在这些设计糟糕的建筑中,随着立水管在建筑中上升,在较低的楼层上有减压阀。
当热水系统以这种方式分配时,生活热水无法通过减压阀进行循环。在许多情况下,经验不足的设计师、承包商或开发商在建筑建成后才发现这一点。然后在每层楼上加一个再加压泵,将热水回流注入热水回流系统,这样水就可以回流到热水器。这些系统是所有系统中最严重的能量破坏者。在热水系统中,减压阀通常不会持续很长时间,而且需要不断更换。最好的解决办法是提供本地热水器。如果你打算使用中央热水器,解决方案是将热水器设计在压力区内。
其中许多问题都应考虑纳入绿色法规或能源法规。至少,在设计或建造高层建筑时,我们应该努力在建筑建成之前解决这些问题。
Ron George, CPD,是Plumb-Tech设计与咨询服务有限责任公司的总裁www.Plumb-TechLLC.com.