2. HVAC (油圧)、配管 (家庭用水、下水、換気)、化学および特殊配管システム (海水システム、危険な化学物質) の 3 種類の配管システムを理解します。
配管と配管システムは、建物の様々な部分に存在します。シンク下のPトラップや冷媒配管がスプリットシステムと接続しているのを見たことがある人は多いでしょう。しかし、セントラルプラントの主要エンジニアリング配管や、プール設備室の化学洗浄システムを見る人はほとんどいません。これらの用途にはそれぞれ、仕様、物理的制約、規格、そしてベストプラクティスを満たす特定の種類の配管が必要です。
すべての用途に適合するシンプルな配管ソリューションは存在しません。これらのシステムは、特定の設計基準を満たし、所有者とオペレーターに適切な質問をすることで、すべての物理的要件と規制要件を満たします。さらに、適切なコストとリードタイムを維持し、成功する建物システムを構築できます。
HVACダクトには、様々な流体、圧力、温度が存在します。ダクトは地上または地下に設置でき、建物の内外を貫通します。プロジェクトでHVAC配管を指定する際には、これらの要素を考慮する必要があります。「流体サイクル」とは、冷暖房の熱伝達媒体として水を使用することを指します。それぞれの用途において、水は所定の流量と温度で供給されます。室内における典型的な熱伝達は、設定温度で水を返すように設計された空気水循環コイルによって行われます。これにより、一定量の熱が空間から移動または除去されます。冷暖房水の循環は、大規模な商業施設の空調に使用される主要なシステムです。
ほとんどの低層建築物では、システムの動作圧力は通常150ポンド/平方インチ（psig）未満です。油圧システム（冷水および温水）は閉回路システムです。つまり、ポンプの全動圧は、配管システム、関連コイル、バルブ、および付属品における摩擦損失を考慮に入れた値となります。システムの静圧高さはポンプの性能には影響しませんが、システムに必要な動作圧力には影響します。冷却装置、ボイラー、ポンプ、配管、および付属品は、機器および部品メーカーで一般的に使用されている150psiの動作圧力で定格されています。可能な限り、システム設計においてこの圧力定格を維持する必要があります。低層または中層建築物とみなされる多くの建物は、150psiの動作圧力カテゴリに分類されます。
高層ビルの設計において、配管システムや機器を150psiの基準値未満に保つことはますます困難になっています。約350フィートを超える静的ラインヘッド（システムにポンプ圧力を加えない場合）は、これらのシステムの標準作動圧力定格（1psi = 2.31フィートヘッド）を超えます。システムでは、カラムの高圧要件を接続された他の配管や機器から分離するために、圧力ブレーカー（熱交換器の形）が使用される可能性があります。このシステム設計により、標準的な圧力冷却器の設計と設置が可能になり、冷却塔に高圧配管や付属品を指定することもできます。
大規模なキャンパス プロジェクトの配管を指定する場合、設計者/エンジニアは、個別の要件 (または圧力ゾーンを分離するために熱交換器が使用されていない場合は集合的な要件) を反映して、ポディウムに指定されたタワーと配管を意識的に特定する必要があります。
クローズドシステムのもう一つの構成要素は、水の浄化と水中の酸素の除去です。ほとんどの油圧システムには、様々な化学薬品と抑制剤からなる水処理システムが装備されており、配管を流れる水を最適なpH（約9.0）に保ち、微生物レベルを低下させることで、配管内のバイオフィルムや腐食を抑制します。システム内の水を安定させ、空気を除去することで、配管、関連ポンプ、コイル、バルブの寿命を延ばすことができます。配管内に空気が閉じ込められると、冷暖房用水ポンプでキャビテーションが発生し、クーラー、ボイラー、循環コイルにおける熱伝達が低下する可能性があります。
銅: ASTM B88 および B88M に準拠したタイプ L、B、K、M、または C の引抜硬化チューブと、ASME B16.22 鍛造銅継手および鉛フリーはんだまたは地下用途のはんだを使用した継手との組み合わせ。
ASTM B88およびB88M準拠のL型、B型、K型（通常は地下でのみ使用）またはA型の硬化管で、ASME B16.22準拠の錬銅製継手および鉛フリーまたは地上はんだ付けで接続された継手を使用します。この管は密閉継手の使用も可能です。
K型銅管は最も太い管で、1/2インチあたり100°Fで1534 psiの作動圧力を提供します。L型とM型はK型よりも作動圧力が低くなりますが、HVAC用途には十分適しています（圧力範囲は100°Fで1242 psiから12インチあたり435 psiと395 psiです）。これらの値は、銅開発協会発行の「銅管ガイド」の表3a、3b、3cから引用されています。
これらの動作圧力は、通常、システムの圧力制限を受けない直管部を対象としています。2本のパイプを接続する継手や接続部は、一部のシステムの動作圧力下では、漏れや破損が発生する可能性が高くなります。銅管の一般的な接続方法は、溶接、はんだ付け、または加圧シールです。これらの接続方法は、鉛フリー材料を使用し、システム内で想定される圧力に耐えられる定格でなければなりません。
各接続タイプは、継手が適切に密閉されている場合、水漏れのないシステムを維持できますが、継手が完全に密閉またはスウェージングされていない場合、これらのシステムは異なる反応を示します。はんだ接合部は、システムが最初に充填およびテストされ、建物がまだ使用されていないときに、故障して水漏れを起こす可能性が高くなります。この場合、請負業者と検査員は、システムが完全に稼働して乗客や内装が損傷する前に、接合部の漏れ箇所を迅速に特定し、問題を修正できます。リーク検出リングまたはアセンブリが指定されている場合は、リークタイト継手でもこれを再現できます。問題領域を特定するために完全に押し込まない場合、はんだのように継手から水が漏れる可能性があります。設計でリークタイト継手が指定されていない場合、建設テスト中に圧力がかかったままになり、一定期間の運用後に故障する可能性があります。その結果、使用空間への損傷が拡大し、特に加熱された高温のパイプがパイプを通過する場合、居住者が負傷する可能性があります。
銅管のサイズ選定に関する推奨事項は、規制要件、メーカーの推奨事項、およびベストプラクティスに基づいています。冷水用途（給水温度は通常42～45°F）の場合、銅配管システムの推奨速度制限は、システムノイズを低減し、浸食/腐食の可能性を低減するため、8フィート/秒です。温水システム（暖房では通常140～180°F、ハイブリッドシステムでの家庭用給湯では最大205°F）の場合、銅管の推奨速度制限ははるかに低くなります。銅管マニュアルでは、給水温度が140°Fを超える場合の速度を2～3フィート/秒と記載しています。
銅管のサイズは通常、最大12インチまでと決まっています。そのため、キャンパス内の主要ユーティリティでは銅管の使用が制限されます。これらの建物の設計では、12インチを超えるダクトが必要になることが多いためです。中央プラントから関連する熱交換器まで。直径3インチ以下の油圧システムでは、銅管がより一般的です。3インチを超えるサイズでは、スロット付き鋼管がより一般的に使用されます。これは、鋼管と銅管のコスト差、コルゲート管と溶接管またはろう付け管の工数差（圧力継手は所有者またはエンジニアによって許可または推奨されていません）、そして各材料パイプライン内の推奨される水流速度と温度によるものです。
鋼管：ASTM A 53/A 53M準拠の黒色鋼管または亜鉛メッキ鋼管。ダクタイル鋳鉄（ASME B16.3）または錬鉄（ASTM A 234/A 234M）継手、およびダクタイル鋳鉄（ASME B16.39）継手付き。フランジ、継手、クラス150および300の接続部は、ねじ込み継手またはフランジ継手が利用可能です。本管はAWS D10.12/D10.12Mに準拠したフィラーメタル溶接が可能です。
ASTM A 536 クラス 65-45-12 ダクタイル鋳鉄、ASTM A 47/A 47M クラス 32510 ダクタイル鋳鉄、ASTM A 53/A 53M クラス F、E、または S グレード B アセンブリ鋼、あるいは ASTM A106 、鋼グレード B に準拠しています。溝付きエンド フィッティングを取り付けるための溝付きまたはラグ フィッティング。
前述のように、油圧システムの大口径パイプには鋼管が一般的に使用されています。このタイプのシステムでは、冷水および温水システムのニーズを満たすために、さまざまな圧力、温度、およびサイズの要件が可能です。フランジ、継手、および継手のクラス指定は、対応するアイテムの飽和蒸気の使用圧力をpsiで表します。インチ。クラス150継手は366°Fで150 psiインチの使用圧力で動作するように設計されていますが、クラス300継手は550°Fで300 psiインチの使用圧力を提供します。クラス150継手は150°Fで300 psiを超える使用水圧を提供します。インチ、クラス300継手は150°Fで最大2,000 psiの使用水圧を提供します。インチ。特定のパイプタイプには、他のブランドの継手を使用できます。たとえば、鋳鉄製パイプフランジとASME 16.1フランジ継手の場合、グレード125または250を使用できます。
溝付き配管および接続システムは、パイプ、継手、バルブなどの端部に切断または成形された溝を使用し、フレキシブルまたはリジッド接続システムを使用して、パイプまたは継手の各長さ間を接続します。これらのカップリングは、2つ以上のボルト締め部品で構成され、カップリングボアにワッシャーが取り付けられています。これらのシステムは、150クラスおよび300クラスのフランジタイプとEPDMガスケット材質で提供されており、流体温度230～250°F（パイプサイズによって異なります）で動作可能です。溝付きパイプに関する情報は、Victaulicのマニュアルおよび文献から引用されています。
HVACシステムには、スケジュール40および80の鋼管を使用できます。パイプの仕様はパイプの肉厚を示し、仕様番号が大きくなるにつれて肉厚も増加します。パイプの肉厚が増加すると、直管の許容作動圧力も増加します。スケジュール40のチューブでは、1/2インチ（-20～650°F）のパイプで1694 psi、12インチ（-20～650°F）のパイプで696 psiインチの作動圧力が許容されます。スケジュール80のチューブの許容作動圧力は、1/2インチ（-20～650°F）で3036 psiインチ、12インチ（-20～650°F）で1305 psiインチです。これらの値は、Watson McDaniel Engineering Dataセクションから取得されています。
プラスチック: CPVC プラスチック パイプ、仕様 40 および仕様 80 に準拠したソケット継手 (ASTM F 441/F 441M 準拠、ASTM F 438 準拠、仕様 40 に準拠、ASTM F 439 準拠)、および溶剤接着剤 (ASTM F493)。
PVCプラスチックパイプ、ASTM D 1785スケジュール40およびスケジュール80（ASM D 2466スケジュール40およびASTM D 2467スケジュール80）準拠のソケット継手、および溶剤系接着剤（ASTM D 2564）。ASTM F 656準拠のプライマーを含む。
CPVC 配管と PVC 配管はどちらも地下の油圧システムに適していますが、このような条件下でも、プロジェクトにこれらの配管を設置する際には注意が必要です。プラスチック パイプは、下水道や換気ダクト システム、特にむき出しのパイプが周囲の土壌と直接接触する地下環境で広く使用されています。同時に、一部の土壌の腐食性により、CPVC パイプと PVC パイプの耐食性が有利になります。油圧配管は通常、絶縁され、金属配管と周囲の土壌の間に緩衝材となる保護用の PVC シースで覆われています。プラスチック パイプは、より低い圧力が予想される小規模の冷水システムで使用できます。PVC パイプの最大使用圧力は、8 インチまでのすべてのパイプ サイズで 150 psi を超えますが、これは 73 F 以下の温度にのみ適用されます。73°F を超える温度では、配管システム内の動作圧力が 140°F に低下します。この温度でのディレーティング係数は0.22、73°F（約22℃）では1.0です。最高動作温度140°F（約62℃）は、スケジュール40およびスケジュール80のPVCパイプの場合です。CPVCパイプはより広い動作温度範囲に耐えることができ、最大200°F（約91℃）まで使用可能です（ディレーティング係数0.2）。しかし、PVCと同じ耐圧性能を備えているため、標準圧力の地下冷蔵用途にも使用できます。最大8インチ（約20cm）までの給湯システムに対応しています。180°F（約84℃）または205°F（約93℃）までの高温水を維持する温水システムには、PVCまたはCPVCパイプは推奨されません。すべてのデータは、Harvel PVCパイプ仕様およびCPVCパイプ仕様に基づいています。
パイプ パイプは、様々な液体、固体、気体を輸送します。これらのシステムには、飲料水と非飲料水の両方が流れています。配管システムで輸送される流体の種類が多岐にわたるため、対象となるパイプは家庭用給水管、または排水・換気管に分類されます。
家庭用水: 軟銅管、ASTM B88 タイプ K および L、ASTM B88M タイプ A および B、錬銅製圧力継手付き (ASME B16.22)。
ASTM B88タイプLおよびM、ASTM B88MタイプBおよびCに準拠した硬質銅管。鋳銅溶接継手（ASME B16.18）、鍛造銅溶接継手（ASME B16.22）、青銅フランジ（ASME B16.24）、銅継手（MCS SP-123）付き。密閉継手も使用可能です。
銅管の種類および関連規格は、マスタースペックのセクション22 11 16に基づいています。家庭用給水用銅管の設計は、最大流量の要件によって制限されます。これらの要件は、パイプライン仕様書において以下のように規定されています。
2012年統一配管規則のセクション610.12.1には、「銅管および銅合金管と継手システムの最高速度は、冷水で毎秒8フィート（約2.4メートル）、温水で毎秒5フィート（約1.5メートル）を超えてはなりません」と規定されています。これらの値は「銅管ハンドブック」にも記載されており、これらの値はこの種のシステムの推奨最高速度として使用されています。
ASTM A403に準拠したType 316ステンレス鋼配管および類似継手。溶接またはローレット加工された継手を使用し、大口径の家庭用水道管や銅管の直接代替として使用できます。銅価格の高騰に伴い、家庭用水道システムではステンレス鋼管が一般的になりつつあります。配管の種類および関連規格は、退役軍人局（VA）のMasterSpec Section 22 11 00に準拠しています。
2014年に施行・施行される新たなイノベーションとして、連邦飲料水リーダーシップ法（Federal Drinking Water Leadership Act）が挙げられます。これは、カリフォルニア州とバーモント州における、家庭用水道システムで使用されるあらゆる配管、バルブ、継手などの水路における鉛含有量に関する現行法を連邦レベルで施行するものです。この法律では、配管、継手、器具の接液面はすべて「鉛フリー」でなければならないと規定されており、鉛含有量の上限は「加重平均0.25%（鉛）を超えない」ことを意味します。この法律により、製造業者は新たな法的要件を満たすため、鉛フリーの鋳造製品を製造することが義務付けられます。詳細は、ULの「飲料水部品における鉛に関するガイドライン」に記載されています。
排水と換気: ASTM A 888 または鋳鉄下水管協会 (CISPI) 301 に準拠したスリーブレス鋳鉄下水管および継手。ASME B16.45 または ASSE 1043 に準拠した溶剤継手は、ノーストップ システムで使用できます。
鋳鉄製下水管およびフランジ継手は、ASTM A 74、ゴム製ガスケット (ASTM C 564)、および純鉛とオークまたは麻繊維のシーラント (ASTM B29) に準拠する必要があります。
どちらのタイプのダクトも建物内で使用できますが、商業ビルでは地上階でダクトレスダクトと継手が最も一般的に使用されています。CISPIプラグレス継手を備えた鋳鉄管は、恒久的な設置が可能で、再構成やバンドクランプの取り外しによるアクセスも可能であり、金属管としての品質を維持しているため、配管を通る排水流の破裂音を低減します。鋳鉄配管の欠点は、一般的な浴室設備に含まれる酸性廃棄物によって配管が劣化することです。
ASME A112.3.1規格に準拠したステンレス鋼製の管および継手（フレア端およびフレア端）は、鋳鉄管の代わりに高品質な排水システムに使用できます。また、炭酸化製品の排水口となる床シンクに接続する配管の第一セクションにもステンレス鋼製の配管が使用され、腐食による損傷を軽減します。
ASTM D 2665（排水、迂回、通気）準拠のソリッドPVCパイプ、ASTM F 891（付録40）準拠のPVCハニカムパイプ、スケジュール40パイプに適したフレア接続部（ASTM D 2665からASTM D 3311、排水、廃棄物、通気）、接着剤プライマー（ASTM F 656）、溶剤接着剤（ASTM D 2564）などがあります。PVCパイプは商業ビルの地上レベルと地下レベルの両方で使用されていますが、パイプのひび割れや特別な規則要件のため、地下レベルで使用されることが一般的です。
南ネバダ州の建設管轄区域では、2009 年の国際建築基準 (IBC) 改正で次のように規定されています。
603.1.2.1 設備。可燃性配管は、2時間耐火構造で囲み、自動スプリンクラーで完全に保護された状態で機関室に設置することができます。可燃性配管は、承認された特別な2時間耐火構造で囲まれている限り、機関室から他の部屋まで配管することができます。このような可燃性配管が防火壁や床・天井を通過する場合、貫通部は、その貫通部に必要な耐火性よりも低くないグレードFおよびTの特定の配管材料で指定する必要があります。可燃性配管は、複数の層を貫通してはいけません。
この規定では、IBCで定義されるクラス1Aの建物内にあるすべての可燃性配管（プラスチック製を含む）を2時間構造で覆うことが義務付けられています。排水システムにPVCパイプを使用すると、いくつかの利点があります。鋳鉄パイプと比較して、PVCパイプは浴室の廃棄物や土壌による腐食や酸化に対してより耐性があります。また、地中に埋設されたPVCパイプは、周囲の土壌の腐食にも耐性があります（HVAC配管セクションを参照）。排水システムに使用されるPVCパイプは、HVAC油圧システムと同じ制限を受け、最高動作温度は140°F（約62℃）です。この温度は、統一配管規格および国際配管規格の要件によってさらに厳しく規定されており、廃棄物受容器への排出は140°F（約62℃）未満でなければならないと規定されています。
2012 年統一配管規則のセクション 810.1 では、蒸気管を配管や排水システムに直接接続してはならず、140 F (60 C) を超える水を加圧排水管に直接排出してはならないと規定されています。
2012 年国際配管規格のセクション 803.1 では、蒸気管は排水システムまたは配管システムのどの部分に接続してはならず、140 F (60 C) を超える水は排水システムのどの部分にも排出してはならないと規定されています。
特殊配管システムは、非定型液体の輸送に関連しています。これらの流体は、海水水槽用の配管から、スイミングプール設備システムへの化学薬品供給用の配管まで多岐にわたります。水族館用配管システムは商業ビルでは一般的ではありませんが、一部のホテルでは、中央ポンプ室から様々な場所に接続された遠隔配管システムが設置されています。ステンレス鋼は、他の水系との腐食を抑制する能力があるため、海水システムに適した配管タイプと思われますが、実際には海水はステンレス鋼管を腐食させる可能性があります。このような用途では、プラスチックまたは銅ニッケルCPVC海洋配管は耐腐食性要件を満たしています。大規模な商業施設にこれらの配管を敷設する場合は、配管の可燃性を考慮する必要があります。前述のように、南ネバダ州で可燃性配管を使用する場合は、関連する建築基準法への準拠を示すために、代替手段を申請する必要があります。
身体浸漬用の浄水を供給するプール配管には、保健所の規定に従って特定のpH値と化学バランスを維持するために、希釈された化学物質（12.5％次亜塩素酸ナトリウム漂白剤と塩酸を使用可能）が含まれています。希釈された化学薬品配管に加えて、バルク材料保管エリアと特別な機器室から、完全な塩素系漂白剤やその他の化学物質を輸送する必要があります。CPVCパイプは塩素系漂白剤の供給に耐薬品性がありますが、不燃性建物タイプ（タイプ1Aなど）を通過する場合は、化学パイプの代替として高フェロシリコンパイプを使用できます。強度はありますが、標準的な鋳鉄管よりも脆く、同等のパイプよりも重いです。
この記事では、配管システムの設計における様々な可能性のうち、ほんの一部を取り上げます。これらは大規模商業ビルに設置されているほとんどのシステムに対応していますが、例外も存在します。マスタースペック全体は、特定のシステムに適した配管の種類を決定し、各製品の適切な基準を評価する上で非常に貴重なリソースとなります。標準仕様は多くのプロジェクトの要件を満たしますが、高層ビル、高温、危険な化学物質、法律や管轄の変更などについては、設計者やエンジニアが標準仕様を確認する必要があります。配管に関する推奨事項と制限事項について詳しく理解し、プロジェクトに設置する製品について十分な情報に基づいた決定を下してください。当社は設計のプロフェッショナルとして、お客様から適切なサイズ、バランスの取れた、手頃な価格の設計を提供することで信頼を得ています。ダクトが想定寿命に達し、重大な故障が発生することはありません。
マット・ドーランは、JBAコンサルティング・エンジニアズのプロジェクトエンジニアです。商業オフィス、医療施設、高層ゲストタワーや多数のレストランを含むホスピタリティ施設など、様々な建物の複雑なHVACおよび配管システムの設計に携わってきました。
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