暖通空调水系统管道热补偿的布置方案
一．引言
现代建筑多为高层或超高层的建筑，在其暖通系统中立管常常超过一百米，为了保证竖向的水管能安全、可靠的安装和运行，往往需要设置固定支架和膨胀补偿器。如向正确的计算固定支架的受力和合理的选择补偿器，这对建筑物的结构的受力显得十分重要。我以下面案例作为分析一起探讨。
二．方案概述
1．项目位于天津市的暖通空调系统，空调水管道最大口径为DN400，系统设计工作压力为1600kpa。
2．系统所处的环境温度和工况温度；
3．由于钢管的承压能力很强，管道内部因介质压力引起的张力通常被人忽视，当在管道上加入弹性类的补偿器后，其内部张力的的作用就非常明显，如果不加限制，这些弹性类的管道器件将会被拉长甚至受损，在补偿器的两端设置固定支架后，管道的张力将通过固定支架传递到相应的建筑结构上。由于管径较大，管道补偿作用在受力固定支架上的推力会很大，可能会对某些末经特殊设计的结构构成威胁。为此，提前对管道上需要设置的弹性类管道器件（补偿器，软接头）及其固定支架进行规划和布置，明确固定支架上的受力，寻求结构受力有准备的支持。
4．补偿方式和支架安装位置
在进行平面管道布置时，尽量采取自然补偿的热补偿方式，尽可能避免大口径管道的架设对结构受力造成大的影响。具体做法是：当直管的长度少于60米的，在直管的中部设置非受力的（不受管道张力的作用的）固定支架，使管道从固定点到自由端的长度小于30米，免除在长管中设置补偿器。
1．当遇到长走廊或遇到其他无法调整直管长度的情况时，采取设置不锈钢波纹管的补偿方式。其布置时应注意支架的设置，这是补偿器正常运行的决定因素。具体做法是：以波纹管伸缩节及其两端的固定支架形成的三个点，固定支架和导向支架的位置还需根据就近主梁的位置稍作调整，如下图所示：
2．互为自由端的管道拐角处支架采用能稍作摆动的悬挂式管道支架，以吸收自由端自然补偿的变形量。管道拐角处的悬挂式支架分别设置三组。
3．其余有导向作用要求的支架采用稳定型的悬挂式管道支架。
4．管道跨越结构变形缝时，变形缝两端应设固定支架和伸缩节。
5．管道的固定支架（横管和立管）。套管的外表可与连接钢板直接焊接，形成多种与结构的联结方式。
6．不足50米的空调水立管，依计算补偿量少于40mm,可采用自然补偿的热补偿方式。其固定支架的布置可在其中部）设置一个固定支架，使上下自由端与固定架的长度少于25米。其补偿量和固定支架的计算如下：(选择最大管径的管井为计算作计算分折)
管井冷（热）水管系统
确定立管的总热伸长量：
立管总的热伸长量ΔL(mm)可按下式计算：ΔL＝αL(t2-t1) = 0.012 * 40 (60 – 0) = 28.8 mm
补偿量ΔL = 28.8 mm少于40mm,可采用自然补偿的热补偿方式。式中：
α——管道的线膨胀系数，一般可取α＝12×10-6m/m.。C；t2——管道的最高使用温度。C，根据设计取供水温度60。C；t1——管道安装时的温度，近似取0。C；Ｌ——管道的长度，m
水管伸缩器及固定支架承重计算书
1) 固定支架上部水管的伸缩量计算
a) 伸缩量= 23(管长)* 0.012 * 60(温差)= 16.56 mm
b) 膨胀引起的弹性力= K * Δδ=231(DN200的刚度N/mm) * 16.56(膨胀量) =3825.36N
2) 固定支架下部水管的伸缩量计算
a) 伸缩量= 17(管长) * 0.012 * 60(温差)= 12.24 mm
b) 膨胀引起的弹性力(为L形补偿的长臂固定点的弹性力) 如图：
= ( B`/L21) * (a*E*J*Δt / 107 )=(1.8/16) * 14423.04= 1622.6N式中：B`—L形补偿器长臂弹性力系数;(a*E*J*Δt / 107 )——辅助数值
3) 支架的受力计算
F=L1q1+L2q2+L3q3+L4q4-Pn0A1+Pn1(A1-A2)+Pn2(A2-A3)+Pn3(A3-A4)+P n4A4+Fy
F = 18.8(管道加保温的重量N/m)*5.5 (管长m) + 103.8(管道加保温的重量N/m)* 6.5(管长m) + 316.4(管道加保温的重量N/m)*15 (管长m) + 626.6(管道加保温的重量N/m)*13 (管长m)–350 (顶端管内的水压力N) –5549.25 (变径管水压N) - 19311(变径管水压N) - 36670(变径管水压N) + 86100 (管内的水压力N) + 1622.6(L形补偿的长臂固定点的弹性力N)= 39512.25N
固定支架最大承重力= 39512.25*2 (供回水管) =79024.5 N
以上计算选择了裙楼最大管径的管井L4作为裙楼的固定架受力计算。裙楼的其余管井可选用此受力难以确定立管固定支架最大承重力。
8立管上，下方自由端处的横管采用弹性悬挂式管道支架，以吸收自由端处的热补偿量。上方自由端的横管处，当管径较小时，其热补偿量由管道自行吸收。
9塔楼部分的暖通空调水立管，其热补偿的布置采用小于/等于50米设置一组补偿的连续布置方式，其膨胀伸缩补偿和固定支架的受力计算如下：冷冻水管系统
冷冻水管伸缩器及固定支架承重计算书
立管1总的热伸长量：
立管总的热伸长量ΔL(mm)可按下式计算：ΔL＝αL(t2-t1) = 0.012 * 90 (60 –0)= 64.8 mm。按补偿量，立管设2个补偿量为40mm 的波纹补偿器。
立管2总的热伸长量：
立管总的热伸长量ΔL(mm)可按下式计算：ΔL＝αL(t2-t1) = 0.012 * 112(60 –0)= 80.64mm。按补偿量，立管设3个补偿量为40mm 的波纹补偿器。
1) 固定支架1与2之间的伸缩量计算
a) 伸缩量= 38(管长) * 0.012 * 60(温差)= 27.36 mm
b) 膨胀引起的弹性力= K * Δδ=218(DN350的刚度N/mm) * 27.36(膨胀量) =5964.48N
2) 固定支架2与3之间的伸缩量计算
a) 伸缩量= 43(管长) * 0.012 * 60(温差)= 30.96 mm
b) 膨胀引起的弹性力= K * Δδ=218(DN350的刚度N/mm) * 30.96(膨胀量) =6749.28N
3) 固定支架4与5之间的伸缩量计算
a) 伸缩量= 38(管长) * 0.012 * 60(温差)= 27.36 mm
b) 膨胀引起的弹性力= K * Δδ=196(DN250的刚度N/mm) * 27.36(膨胀量) =5362.56N
