商业高层水暖设计

早在1985年，当我第一次进入这个行业时，我当时在JB&B的老板Richard Reilly写了一篇专题文章管道工程师题目是“高层管道设计”。我对这篇文章非常熟悉，因为我帮助他起草了几张图片——当我们手工起草的时候。在接下来的30年里发生了很多事情，包括理查德·赖利的去世。为了纪念他(以及在圣帕特里克节)，我试图通过总结赖利所写的内容的本质来公正地对待他，也许也会给它一个30年的更新。

我们首先要问一个问题，为什么我们的“工程科学”经常被分为“管道”和“高层管道”?无论设计的结构是低层还是高层，液压和气动的科学规律不都适用吗?为什么要特别关注高层建筑呢?

撇开高度对水的静压产生的明显区别不谈，赖利认为，低层和高层管道的主要区别只是表面上与高度有关，而与人口的增加有更直接的关系。就像理查德说过很多次的，“设备不用水，人用。”

垂直人口的增加增加了对管道系统的需求。由于道森和卡林斯基在1939年的工作，人们早就知道，沿着垂直排水管流下的水将在大约14英尺处达到其最终速度。所以，从浪费速度的角度来看，一层和100层的区别基本上是没有意义的。然而，高层建筑的密集人口对管道系统造成的压力增加是危险潜伏的地方。在低层建筑中出现的管道尺寸错误可能不会被注意到，而在高层建筑中出现的同样错误则会让人头疼。让我们解决这个问题以避免头痛。

首先，让我们看看卫生排水。从理论上和经验上都证明，当水流由于水的表面张力沿垂直管道内壁向下流动时，卫生烟囱的最大容量达到管道横截面积的7/24左右。气流拖动一定比例的空气，如果不释放，将在烟囱上部产生负压，而在方向变化处和烟囱底部则产生正压。减压通风口或蛋黄通风口需要连接废物和排气烟囱，并给这些压力差平衡的机会。目标是压差不超过1英寸水柱，以防止疏水阀被吹出或虹吸干。作为一个例子，可以计算出，一个4英寸的烟囱流动180 gpm将移动相应的600 gpm的气流。这就是为什么大的、负载重的堆栈通常有更大的并行排气孔堆栈。

在西尔斯大厦(现在的威利斯大厦)的设计中采用了一种控制管道尺寸和潜在压力波动的方法，即使用连接到没有固定连接的快速立管的中间建筑排水管。这种设计的美妙之处不仅在于减小了管道尺寸，而且在于快速立管没有固定装置连接。在快速烟囱中发生的任何压力波动都不会影响任何建筑物固定装置的运行。与快速立管配置相比，常规设计参见图1和图2。

Reilly详细地描述了控制流量屋顶排水系统，这是一种使用特殊设计的屋顶排水管来限制水流进入排水管，并将大部分雨水储存在屋顶上，以减少管道尺寸的系统。屋顶排水时间可长达24小时。然而，根据我的经验，该系统从未真正吸引过人们的注意，因为屋顶泄漏和保修失效的可能性超过了管道的节省。在随后的30年里，虹吸式屋顶排水系统发展迅猛。虹吸式排水系统使用特殊的排水管，让水在排水管周围形成池塘，当降雨量达到临界点时，排水管就会形成虹吸。由于虹吸效应，管道流量100%满，运行平坦。这减少了管道尺寸并简化了协调。像威利斯大厦这样的建筑本来是虹吸排水系统的理想选择，因为它的屋顶又大又平。

由于暴雨排水管道与卫生管道类似，也会受到压力波动的影响，而没有卫生系统中的泄气口的好处，因此必须注意在烟囱底部不要将任何排水管(如广场排水管)连接到排水流的湍流部分。广场水渠的收集应独立于建筑物的雨水渠，并在压力波动减少的烟囱底部下游点连接。

任何建筑物的生活用水系统必须将输送到固定装置的压力限制在80 psi。这一挑战在高层商业建筑中显然是非常重要的。最常用的是使用压力调节阀，但也可以通过创建单独的泵送区域来完成。在世贸中心的情况下，双塔被划分为压力区，在每个机械层上使用破罐。由下面区域的泵填满间歇罐，并将一组泵的吸力喂给上面区域。实际上，它是一系列较短的塔，一个叠在另一个上面——如果你有足够的空间来放置储罐，如果你不在地震带，那么高架储罐就不现实，这是一个非常有效的设计。

在Reilly的文章中，他详细阐述了变速驱动泵系统与恒速泵的优缺点。30年前，变速驱动器的价格相当昂贵，对于高层管道应用来说，几乎没有理由证明其成本是合理的。如今，变频驱动器(VFD)的价格要便宜得多，并已成为泵控制的标准。尽管管道系统几乎没有节省能源，但平滑的VFD控制的好处使它们成为直接泵送系统的明智选择。我能想到的唯一真正的例外是，如果水泵正在给水箱注水，并且完全基于液位控制以开/关模式运行。对于这个应用程序，VFD控制将不起作用。

生活冷水的压力分区与热水系统的设计密切相关。在核心厕所使用有限热水的商业建筑中，热水通常是在当地供应的，要么在每组厕所使用即时电加热器，要么使用小型电加热器，可能会为一组楼层提供热水-从3到10层不等。在这种情况下，水压可以很容易地控制相对较小的，直接作用的PRV组件，控制建筑物的压力区域在30和80 psi。当需要大型的中央热水系统时，例如高层住宅，由于热水分配和循环系统的复杂性，压力分区变得更加敏感。在商业建筑中，将热水(当需要循环时)循环回当地的电热水器是相当简单的。只要记住理查德·赖利的咒语，“你不应该通过减压阀循环。”n