随着房地产业的发展，住宅建筑越来越精致。为了满足人们对美观和空间的双重要求，一些不同于传统、构造特殊的住宅也应运而生。含内天井的高层住宅，在缩小每户面宽、节约用地方面，已经显示出其优越性，得到了越来越广泛的应用。在天然气设计中，这类住宅的水力工况、管道的自重和伸缩以及防火都是天然气设计中需要考虑的问题。
一、含内天井住宅的水力工况分析
有些住宅在设计的时候，在底层为天然气管道留了通往天井的通道，这些住宅的水力工况跟普通高层相同；但很多住宅并没有这样的通道，天然气管道设计时，只能上翻到楼顶进入天井，再下翻下来为各个厨房供气。下面就这种上翻的管道做下水力分析。
1、附加压力分析
《城镇燃气设计规范》规定，天然气燃具的额定压力为2000Pa。由于低压管网沿程阻力和局部阻力的影响，允许燃具前压力在一定范围内波动。当燃具前压力在0.75Pn～1.5Pn内波动时，仍能达到燃具燃烧的要求。若超出此范围，燃具的热效率低，燃烧不稳定，燃烧噪声大，出现脱火和回火等现象。另外由于不完全燃烧，烟气中的C0含量超标，导致引发事故。
当高层建筑的燃气设计采用低压进户时，在计算低压燃气管道的压力损失时，应考虑因建筑高度而引起的燃气附加压力△P。计算公式如下：
△P=9.8×(ρ空气-ρ燃气)×h
式中：
△P——燃气的附加压力，Pa；
ρ空气——空气的密度，kg/m3；
ρ燃气一一燃气的密度，kg/m3；
h——燃气管道终、起点的高程差，m。
按照天然气ρ燃气=0.79kg/m3计算，
ρ空气=1.29kg/m3，由计算公式得：
△P=4.9h
不同于普通自下而上的立管，上翻的天然气低压管道必须同时满足两个条件才能正常供气：
(1) 最高层用户的灶前压力不能高于3000Pa；
(2) 最底层用户的灶前压力不能低于1500Pa。
下面我们以嘉兴的情况为例来分析。嘉兴区域调压柜的出口压力为2400Pa，我们假设引入管离调压柜出口很近，几乎无压力降，则压力P1=2400Pa，对于上面两个条件，我们均设立最不利工况：
对于条件(1)，我们设定只有几户用气，管道沿程阻力接近于0，而局部阻力仅为燃气表的阻力(取150Pa)。设最高层用户燃具前的压力为P2，则
P2=P1+△P-150Pa=2250Pa+4.9h
当P2=3000Pa时，h=153m。
对于条件(2)，我们设定所有的用户都在用气，燃气表阻力取150Pa。由于已经有了条件(1)的限制，高度已经不能超过153米。我们根据常见的小区高层建立一个模型，分析下该模型的水力工况。
模型：
嘉兴某小区高层住宅153米，立管50户，层高3m，37～50层立管管径DN50，19～36层立管管径DN40，7～18层立管管径DN32，1～6层立管管径DN25。局部阻力系数：三通直流取1，三通分流1.5，球阀DN15取4，DN15的90°弯头取2.2。
在此模型下计算，从楼顶至最下层用户燃具前的压力降为1450Pa，加上从引入管至楼顶的沿程阻力350Pa，总压力降达到了1800Pa，这是不允许的。
经详细计算，当立管户数为43户，楼层高度为130米时，最底层用户燃具前的压力约为1500Pa。
但在实际工程中，由于天然气的密度不同，而最上层的用户燃具前压力为3000Pa同时最底层的用户燃具前压力1500Pa在运行中也不可能实现。为了使用户燃具前的压力波动范围变小，更接近Pn，可根据情况采取措施，减小附加压力的影响：
(1)对于较低的高层建筑，因附加压力相对较小，可以在下翻管上用减少管道阻力的方法(如增大立管管径)来减小沿程阻力和局部阻力。
在设计此类建筑时，一定要进行严格的水力计算，充分考虑管道沿程阻力和局部阻力及其他影响因素，并考虑留有一定的余量，使所有用户均能正常用气。
(2)对于较高的高层建筑，可以通过计算，在上面的若干户表前设置低-低压调压器，使燃具前压力接近2000Pa。
不过此方法在运行中管理较困难，设计时应慎用。
(3)对于较高和超高的高层建筑，也可使调压设备出口压力为较高的低压(如8000Pa)，然后在每户表前统一设置低-低压调压器，使燃具前压力接近2000Pa。
这样做的优点：①具有稳定的燃具前压力。燃具全部在接近额定压力条件下工作，保证燃具的最佳燃烧工况。②充分利用燃气压力。在相同输气量、相同管径条件下，此方案输送距离较远。③立管平均管径较小，降低成本。
二、对燃气管道自重及伸缩的处理
1、对自重的处理
随着建筑物层数的增加，燃气立管的长度也变长，管道的自重变大，所以应设置管道的固定支架，使固定支架与建筑物成为一体，防止因管道下沉而引起引入管受力折断或变形引起倒坡。
由于立管是上面管径大，下面管径小，建议使用以下方式设置固定支撑：对于室内立管，在每隔7～10层的穿楼板处加设固定支撑；对于室外立管，在每隔7～10层的高度处加设固定支撑。
2、对伸缩的处理
室外管道用于温度的影响，会热胀冷缩。由于高层住宅燃气立管较长，伸缩量较大，容易造成管道断裂漏气，燃气管道设计中应采取一定的措施来保护管道。
一是在立管上加设一个波纹管补偿器，利用补偿器的补偿能力来抵消管道的收缩。二是在立管上加设几个弯头(最好用煨弯)，相当于加设一个Π型补偿器，用弯头的自然补偿来抵消管道的收缩。这两种方法简单易行，在实际工程中也比较常用。
三、用气安全
高层建筑高度高，层数多，人员密集，一旦发生火灾，人员疏散困难，而天井内一旦着火，消防将更加困难，因此应合理配置先进设备，采取安全措施。
根据有关资料：
1、通天的内天井在火灾时烟囱效应显著，火焰扩散速度很快；
2、如内天井尺寸超过13m×13m，内天井周围是防火分隔较好的独立房间时，经内天井向上排出的烟气温度较低，不足以引燃上部楼层的普通可燃物，火灾一般不会在垂直方向上蔓延。
因此，对于尺寸小于13m×13m的天井，建议采取以下措施：
1、在引入管处设置陕速切断阀。
2、天井中的燃气管道，每隔3～4层设置一探头，探头跟引入管处的紧急切断阀连锁；
3、天井中的燃气管道要定期检查，保证其运行安全。
四、结语
未来，各种特殊构造的建筑肯定会更加层出不穷，给天然气管道的设计带来更多的困难和难题。天然气管道设计应根据当地的气源、压力、建筑、安全、地理、环境等特点综合考虑，选择最佳的设计方案。
当然，解决这些问题的最佳途径是从房屋的整体设计予以考虑。楼房的主体设计人员在设计时，能参考下燃气专业的意见，做好整体设计，才能更好的解决这些难点问题。
参考文献：
[1] 吕忠良.高层建筑室内燃气管道设计若干问题的探讨.科技致富向导.2011.06
[2] 朱国庆、季经纬等.含内天井的高层建筑火灾烟气流动数值模拟.建筑科学，2007.09
[3] 城镇燃气设计规范GB50028—2006
(本文作者：黄魁清 蒋燕芳 杭州市城乡建设设计院有限公司)
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