Кондратьев А. С., Владислав Овсянников, Ольга Самусь
Руководство по изучению дисциплины «Водоснабжение и водоотведение». Часть 1

Введение

   Дисциплина «Водоснабжение и водоотведение высотных зданий» изучается студентами четвертого курса строительного факультета специальности 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений», специализация 1 «Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений».
   Высотное домостроение является привлекательным для инвесторов, а также позволяет более эффективно использовать городские территории. С точки зрения архитектурного облика застройки территории такие здания являются ее украшением и придают ей выразительность и яркость. Высотными принято считать здания, высота которых достигает 72 м (более 25 этажей). Строительство и проектирование таких зданий требует использования правильного расположения объекта, детальной проработки геологии участка строительства, обеспечения необходимой устойчивости и прочности сооружения.
   Решение проблемы проектирования вертикальных коммуникаций систем водоснабжения и водоотведения высотных зданий, с учетом аэродинамических процессов, требует от будущих специалистов знаний в различных областях науки. Изучение зарубежного опыта строительства и проектирования коммуникаций высоток является важным и обязательным при изучении данного курса. Ряд вопросов, связанных с обеспечением надежности работы коммунальных систем водоснабжения и водоотведения высотных зданий, напрямую связаны с безопасностью проживания людей и должны быть учтены при строительстве этих объектов.
   Сооружение высотных зданий осуществляется по специальным техническим условиям, то есть индивидуальным регламентам и нормативам, утвержденным на федеральном уровне для каждого конкретного случая. В настоящее время Правительством Москвы вместе с Госстроем России создана нормативная база, включающая разработку московских городских строительных норм МГСН 4.19–2005 «Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве». В Санкт– Петербурге важнейшим документом, регламентирующим вопросы проектирования и строительства высотных зданий, являются ТСН «Жилые и общественные высотные здания». Ряд важных расчетных характеристик систем водоснабжения и водоотведения может быть определен по СП 40–107–2003 «Проектирование, монтаж и эксплуатация систем внутренней канализации из полипропиленовых труб», СНиП 2.04.01–85* «Внутренний водопровод и канализация зданий», СП 40– 102–2000 «Проектирование и монтаж трубопроводов из полиэтиленовых труб».

1. Инженерные решения систем водоснабжения и водоотведения уникальных высотных зданий и сооружений мира

   В конце 20-го века строительство высотных зданий и сооружений могло показаться лишь набором технических задач, в результате решения которых все элементы здания уравновешивали друг друга, и оно не складывалось как карточный домик. Однако, несмотря на всю сложность этих задач, одно только их решение никогда бы не сделало возведение высотных зданий практичным и привлекательным делом. Их изобретение требовало развития множества технологий (системы электрического освещения, лифтовое оборудование и системы диспетчеризации лифтов, водопроводные и отопительные системы, телефонная связь), большинство из которых к середине 19-го века, если и существовало, то в примитивной форме. Большинство технологий, необходимых для возведения высотных зданий, технологий, были уже доступны к 1880 году, но связывание их всех воедино требовало неимоверных усилий от архитекторов и строителей [7]. Например, контролируемый и независимый источник света был особенной проблемой до 1880 года. Ранее для освещения в зданиях использовался газ, что было очень небезопасным и делало невозможным использование подобного способа освещения в небоскребах. В 1880 году уже встречались работающие лифтовые системы [1 - В 1861 году американский изобретатель Элиша́ Грейвс От́ис запатентовал лифтовую систему, в которой лифты приводились в движение паровой машиной. В построенной по проекту Гюстава Эйфеля в 1889 году башне, названной в его честь, использовались лифты фирмы Отис.], однако они требовали значительного усовершенствования прежде, чем впервые появились в небоскребах (в Нью-Йоркском небоскребе ЗингерБилдинг (Singer Building), построенном в 1908 году). Механизмы водоснабжения и водоотведения в те времена также были в зачаточном состоянии и не могли поднимать воду на значительную высоту. Считается, что бесперебойная подача воды является американским достижением, как и ванна, и туалет со сливом [2 - Первый американский патент на туалетную систему датируется 1830 годом.]. Развитие и внедрение технологий водоснабжения было сопряжено со значительными трудностями и шло медленно [3 - К 1860 году в США функционировало 136 систем водоснабжения, на которые приходилось всего 10 муниципальных систем очистки сточных вод.]ввиду того, что бесперебойная подача воды требовала создание систем утилизации сточных отходов. Когда в 1931 году было окончено строительство Нью-Йоркской Эмпайр-стейт-билдинг (Empire State Building), потребовалось четыре магистрали диаметром 15 см для обеспечения объема воды 25 000 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Здание должно было выдерживать колоссальную нагрузку: Пропускная способность ливневой системы составляла 4.5 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/с. По всему зданию было смонтировано десять канализационных трубами диаметром от 15 до 30 см. Система водоотведения также должна была обслуживать сливы кондиционеров и эжекторов. Требования наличия централизованного отопления ограничили возможность применения традиционных систем отопления в небоскребах. В большинство первых систем центрального отопления использовали подогреваемый от раскаленного угля теплый воздух. Стремительное развитие данных систем началось с изобретением в США радиатора и его активным использованием в 1890-х годах. В восьмидесятиэтажной Эмпайр-стейтбилдинг, которая была возведена до ввода в эксплуатацию централизованных систем отопления [4 - Первый кондиционер был изобретен Уиллисом Хэвилэндом Кэрриером еще 1906 году.], использовалось 7 000 радиаторов. Система отопления была разделена на 4 зоны. Каждая зона обслуживалась отдельными водопроводными магистралями. Первые пять этажей получали воду из магистралей в подвале; вторая зона (этажи 6–29) обслуживались сверху вниз из магистрали, вмонтированной в потолок 29 этажа; третья зона (этажи 30–54) питалась из той же магистрали но, снизу вверх; остальные этажи обслуживались из магистрали, вмонтированной в потолок 54 этажа. В сердце этой системы отопления располагались четыре турбинных вакуумных насоса [7].
   В данной главе студентам предлагается ознакомиться с особенностями устройства и эксплуатации инженерных систем ряда современных уникальных высотных зданий мира.
   В настоящее время в России ведутся активные работы по строительству высотных зданий. В Санкт– Петербурге началось строительство объекта Лахтацентр (высота 463 м), в Екатеринбурге ведется строительство башни «Исеть» (высота 209 м) и планируется строительство 383-тиметровой башни «Урал». В Грозном одобрено строительство башни «Ахмат тауэр» высотой 400 м. В Москве продолжается внедрение программы «Новое кольцо», предусматривающей строительство более 60 высотных зданий. Среди них башня «Россия» (высота 645 м), башня «Федерация» (высота 450 м), башня «Евразия» (высота 309 м), башня «Evolution» (высота 25 м). Заслуживает внимание работа систем водоснабжения и водоотведения в жилых комплексах «Алые паруса», «Воробьевы горы», в высотных зданиях Москвы 1950–1960 лет постройки. Интерес представляет проектное решение коммунальных систем в «Высотном центре» Мельбурна. Системы водоснабжения и водоотведения высотного комплекса «Умеда», расположенного в северной части Осаки, уникальны даже для высокотехнологичной Японии. Небоскребы в Шанхае по высоте и конструкции являются чудом современной архитектуры. В 2004 была построена гигантская башня Тайбэй-101 высотой 508 м в одноименном городе Тайваня (краткие сведения о некоторых других чудесах современной архитектуры приведены в приложении). Интерес представляют и инженерные решения системы канализации в Рокфеллер центре и Нью-Йоркском небоскребе Крайслер.
   Рассматриваемый зарубежный опыт строительства современных высотных зданий, позволит студентам правильно осмыслить задачи проектирования систем водоснабжения и водоотведения подобных сооружений, ознакомиться с новыми технологиями их прокладки, строительными материалами, режимом работы насосного оборудования.

2. Анализ схем водоснабжения высотных зданий и их выбор

   Чтобы приступить к анализу особенностей устройства систем водоснабжения высотных зданий следует ознакомиться с устройством и оборудованием внутренних водопроводов обычных зданий этажностью до 15 этажей.
   Изучая этот вопрос следует знать:
   – системой водоснабжения здания называется совокупность устройств, обеспечивающих получение воды из наружного водопровода и подачу ее потребителям в здание под требуемым напором и необходимого качества;
   – система холодного водоснабжения называется внутренним водопроводом, устройство и конструкция которой, будет изучаться в данном курсе..
   Необходимо знать из каких основных элементов состоит система внутреннего водопровода (рис. 1). Как видно из рисунка 1 система включает ввод (один или несколько), водомерный узел, магистральный трубопровод и подводки к водоразборным устройствам, арматуру (запорную и регулирующую), поливочные краны.
   В ряде случаев в систему включают установки для повышения напора, а также установки для дополнительной обработки воды(умягчения, обесцвечивания, обезжелезивания и др.)
   Противопожарные системы водоснабжения предназначены для тушения огня или для предотвращения его распространения. В зданиях может быть запроектирована единая система хозяйственно-противопожарного водопровода, или раздельная. Это зависит от назначения здания и его этажности.

   Рис. 1 [5 - Рисунок взят из [2].]. Элементы внутреннего водопровода (1 – ввод; 2 – водомерный узел; 3 – разводящая магистраль; 4 – стояк; 5 – подводки к водоразборной арматуре; 6 – водоразборные устройства; 7 – поливочный кран; 8 – запорная арматура, В-1 сети водопровода)

   Для нормальной работы внутреннего водопровода на вводе в здание должен быть создан такой напор (требуемый), который бы обеспечивал подачу нормативного расхода воды к наиболее высокорасположенному (диктующему) водоразборному устройству и покрывал бы потери напора на преодоление сопротивлений по пути движения воды. Напор в наружном водопроводе у места присоединения ввода – гарантийный напор (Нg) может быть больше, равен или меньше напора, который требуется для внутреннего водопровода. Поэтому при выборе системы водоснабжения здания по способу подачи воды следует знать как правильно выбрать систему действующую по напором городской сети, систему с повысительной насосной установкой или только с водонапорным баком, расположенным на чердаке здания, либо с повысительной насосной установкой и водонапорным баком [2].
   Следует знать, что схему сети внутреннего водопровода выбирают исходя из следующих факторов (рис. 2):

Рис. 2. Выбор схемы внутреннего водопровода

Тупиковую схему (рис. 1) применяют в зданиях допускающих перерывы в подаче воды и наличии не более 12 пожарных кранов. Кольцевые сети применяют в зданиях более 10 этажей с системой противопожарного водопровода, когда необходимо обеспечить надежное и бесперебойное водоснабжение (рис. 3). Комбинированные системы, состоящие из кольцевых и тупиковых магистральных трубопроводов, применяют в крупных зданиях с большим разбросом водоразборных устройств. При проектировании кольцевых и тупиковых схем водоснабжения жилых зданий следует руководствоваться положениями СНиП 2.04.01–85* «Внутренний водопровод и канализация зданий».

   Рис. 3 [6 - Рисунок взят из [2].]. Система водоснабжения здания с повысительной насосной установкой (кольцевая сеть) (1 – ввод № 1; 2 –обратный клапан; 3 – перемычка; 4 – подводки; 5 – пожарный стояк; 6 – пожарные краны; 7 – запорные вентили стояков; 8 – поливочный кран; 9 – спускное устройство; 10 – кольцевая магистраль; 11 – ввод № 2; 12 – водомерный узел; 13 – насосная установка; 14 – задвижки)

   В высотных зданиях устраивают самостоятельные сети водоснабжения и противопожарные системы.
   Следует знать правила прокладки вводов в обычные и высотные здания, материал труб, способы их присоединения к городской магистрали, глубину заложения и как вводы пропускается через стену фундамента зданий.
   Уметь выбрать тип водомерного узла и правильно его установить. Изучить из каких элементов он состоит (рис. 4).

   Рис. 4. Водомерный узел со счетчиком ВСХ (1 – водосчетчик крыльчатый, ВСХ 1–25 с импульсным входом; 2 – магнитный фильтр ФММ-25; сгон (d=25); 4 – сгон (d=32); 5 – чугунная муфта; 6, 7 – чугунные концентрические переходы; 8, 9 – стальные оцинкованные патрубки; 10 – запорный вентиль; 11– трехходовой кран; 12 – манометр; 13– длинная прямая муфта; 14 – контргайка; 15 – стальной фланец)

   Проектирование систем водоснабжения высотных зданий отличается от правил проектирования аналогичных систем обычных зданий, так как пользоваться водой на первых этажах, находящейся под давлением 2.5-6 МПа не только невозможно, но и опасно, и поэтому, трубопроводы не могут быть размещены в жилых помещениях.
   Для зданий высотой более 150 м следует предусматривать не менее двух двухтрубных водопроводных вводов, присоединяемых к различным участкам наружной кольцевой водопроводной сети. При этом каждый трубопровод двухтрубного ввода рассчитывается на 50 % расчетного расхода воды на хозяйственные нужды.
   Следует знать, что чтобы избежать присутствия трубопроводов с высоким давлением в жилых и общественных высотных зданиях применяется система зонирования водоснабжения.
   Высотные здания делятся на зоны определенной высоты, разделенные техническими этажами. На них производится разводка магистралей сетей водоснабжения и прокладка сборных сетей канализации.
   Следует учесть, что наличие технических этажей является оптимальным вариантом эксплуатации сетей водоснабжения, однако, вследствие удорожания строительства, инвесторы стараются обойтись без них. В высотных зданиях проектируются, как правило, отдельная система пожаротушения. Число зон в здании и их размеры назначают в зависимости от величин допустимого давления в сети внутреннего водопровода. В системе раздельного противопожарного водопровода величина гидростатического напора на нижних этажах допускается до 90 м.
   Важным при проектировании системы водоснабжения высотного здания является необходимость устройства первой (нижней) зоны так, чтобы максимально использовать гарантийный напор городского водопровода.
   Студенты должны знать, что высота зоны определяется значением допустимого гидростатического давления в нижних приборах или других элементах систем, а также возможностью размещения оборудования и коммуникаций на технических этажах Зона инженерного оборудования, как правило, совпадает с границами пожарного отсека по высоте. Зонирование осуществляется между соседними техническими этажами, которые располагают по высоте на расстоянии не более 50 метров. Организация зонирования оказывает существенное влияние на требования, предъявляемые к насосам и на потребление ими электроэнергии.
   Важно знать особенности проектирования систем водоснабжения здания в зависимости от архитектурно-планировочных решений.
   Современные высотные здания – это либо развитый стилобат (общий цокольный этаж, объединяющий несколько зданий) с несколькими башнями, либо точечная застройка. В зависимости от этих архитектурно – планировочных решений применяют следующие варианты устройства систем водоснабжения.
   При одиночном здании устраиваются повысительные насосные установки и теплообменники для каждой высотной зоны.
   В случае развитого комплекса со стилобатной частью проектируются повысительные насосные установки горячего и холодного водоснабжения и несколько теплообменников под каждым или группой корпусов для каждой высотной зоны (пожарного отсека). В таких развитых по горизонтали и высоте комплексах прокладка магистралей к зданиям предусматривается в выделенных технических коридорах совместно с другими трубопроводами (Рис. 5 а, б).
   Необходимо предусмотреть установку под корпусами емкостных электробойлеров, обеспечивающих бесперебойное горячее водоснабжение при плановых отключениях в теплосети.

   Рис. 5 [7 - Источник: images.google.com]. (а) Прокладка магистралей в техническом коридоре, (б) Установка компенсаторов в техническом коридоре

   Существует два принципиально разных подхода к проектированию систем водоснабжения высотных зданий -последовательная и параллельная схемы.
   При последовательной (каскадной) схеме, которая является традиционной для Азии, снабжение водой зон здания по вертикали осуществляется путем последовательной подачи воды в баки, устанавливаемые на технических этажах (рис. 6).

   Рис. 6 [8 - Источник: images.google.com]. Каскадная схема водоснабжения высотного здания (1 – повысительные насосы зон)

   При этом нижний насос подает воду в бак на среднем техническом этаже, из этого бака другой насос подает воду в бак на следующем этаже и т.д. Из баков вода поступает самотеком вниз, обеспечивая водой нижележащие этажи. При этом насосы ХВС располагают вместе с теплообменниками и циркуляционными насосами. Они должны развивать напор, достаточный для того, чтобы обеспечить водоснабжение обслуживаемой зоны и поднять воду к следующей по высоте зоне.
   Следует учитывать, что чтобы избежать наращивание гидростатического давления по высоте здания, зоны разделяются обратными клапанами, благодаря чему наращивание давления происходит только в пределах зоны. Обратные клапаны при рассматриваемой схеме лучше располагать перед насосами. Это позволит избежать осушения насосов через водоразборную арматуру нижележащей зоны. С целью исключения аварийного затопления помещений вследствие неисправности обратных клапанов, необходимо, чтобы все элементы системы холодного водоснабжения выдерживали гидростатическое давление всех выше расположенных зон. Кроме того. При последовательной схеме водоснабжения высотных зданий применять частотный привод насосов необходимо с большой осторожностью (раздел 5).
   Все баки проектируются двухсекционными для возможности их очистки и ремонта без остановки водоснабжения.
   Основные недостатки последовательной семы водоснабжения здания состоят в том, что система затратная по количеству оборудования и занимаемым площадям. Возникают дополнительные шумы и вибрация. Кроме того в современных высотных зданиях, как правило, отсутствуют технические этажи в чистом виде.
   Параллельная схема зонирования водоснабжения высотных зданий (рис. 7) предусматривает, что все проектируемые зоны являются независимыми. Каждую зону обслуживаю свои насосы, расположенные в нижней части здания и подающие воду только в свою зону. При использовании этой схемы воздействие высокого давления на теплообменники, арматуру и санитарно– техническое оборудование, расположенные на этажах зоны, полностью исключается. Воздействию высокого давления подвергаются только насосы и вводы, подающие воду из городского водопровода. Кроме того установка насосов с частотным регулированием в этой схеме более надежна и экономична.

Рис. 7 [9 - Источник: images.google.com]. Параллельная схема зонирования водоснабжения высотного здания (1– зонные повысительные насосы)

3. Устройство и конструкция систем водоснабжения высотных зданий. Материал труб и оборудования

   Материал труб сети водопровода в обычных зданиях следует принимать по СНиП 2.04.01–85*. Магистральный трубопровод прокладывают под потолком подвала здания, а стояки располагаются либо за унитазом (монтаж труб в сантехкабинах, либо у мест подачи воды (монтаж труб россыпью).
   Вводы водопровода в квартиры в обычных зданиях оборудуются запорным устройством и фильтром перед квартирными счетчиками воды.
   Следует знать, что в высотных зданиях стояки системы водоснабжения прокладываются в нише лестнично– лифтового холла, откуда обеспечивается ввод в квартиру холодной и горячей вод. Такое расположение стояков оправдывается очень высокой стоимостью страховых полюсов в случае аварии (80–120 тыс. долларов США), и вредным для проживания людей значениями напоров. Магистрали, как указывалось выше, прокладываются в пределах технического этажа. Стояки магистральных транзитных трубопроводов могут обслуживать две и более зон водоснабжения.
   Ввод в квартиры выполняется в пространстве подшивного потолка трубопроводами, на которых устанавливаются запорное устройство, фильтр, регулятор давления. Чтобы избежать подмеса при перетоке воды из холодной магистрали в горячую, на вводах следует предусмотреть установку обратного клапана. Полотенцесушители в высотных зданиях подключаются к трубопроводам горячего водоснабжения. Допускается устройство полотенцесушителя с электронагревом. В коммуникационные шахты или специальные шкафы, в которых размещаются водоразборные стояки и вводы водопровода в квартиры с установкой запорной арматуры, фильтров, измерительных приборов, регуляторов давления, следует обеспечить доступ обслуживающего персонала.
   Необходимо учесть, что квартирные холлы высотных зданий приравниваются по чистоте к офисным помещениям, и для их мытья требуется достаточно большой расход воды – 2.8 л/м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Поэтому в помещениях перед мусоропроводом устанавливаются смесители и трапы, позволяющие набрать воду для мытья пола и слить ее. Трубопроводы вводов водопровода в квартиры не имеют фитингов. Трубы выполняются из сшитого полиэтилена РEX-а, PEX-b, PEX-c, а также PE-RT, имеющие сертификат для применения в системах водоснабжения, а трубопроводах системы водоснабжения следует предусматривать компенсацию температурных удлинений. Для подачи воды в баки применяются трубы из пластичного чугуна, а для раздачи воды потребителям из баков – медные. Из медных труб могут быть выполнены стояки и вся горизонтальная разводка. Такие трубы обладают свойствами бактеостатичности.

4. Характеристика насосного оборудования высотных зданий

   Побор насосного оборудования для обычных зданий (10–15 этажей) производится по значению недостающего напора, т.е. разности между требуемым напором воды в здании – Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и величине гарантийного напора – Нg в сети городского водопровода в месте присоединения ввода к городской сети – (Нr-Нg) и расчетному расходу воды в здании. При этом насосная установка располагается вместе с водомерным узлом либо в здании бойлерной, либо в Центральном тепловом пункте (ЦТП). Требуемый напор в здании определяется согласно требованиям СНиП 2.04.01–85*.
   Следует знать, правила размещения насосного оборудования и присоединения водомерного узла. При подборе насосного оборудования следует стремиться к тому, чтобы оно обеспечивало подачу расчетного расхода воды потребителям при наибольшем значении КПД-η .Следует изучить тип арматуры на всасывающих и напорных патрубках центробежных насосов, возможность бесперебойной подачи электроэнергии.
   В высотных зданиях при проектировании каскадных и параллельных схем водоснабжения подбор насосного оборудования имеет ряд особенностей.
   Насосы при каскадной схеме водоснабжения располагаются на технических этажах вместе с теплообменниками и циркуляционными насосами и должны развивать напор, достаточны для того, чтобы обеспечить водоснабжение обслуживаемой зоны и поднять воду к следующей по высоте зоне. Как указывалось ранее, зоны должны быть разделены обратными клапанами, чтобы не происходило наращивания давления вне зоны их работы.
   Следует обратить внимание на требования, предъявляемые к арматуре, теплообменникам и насосам, уметь объяснить принцип их работы и знать, почему при каскадной схеме применять частотный привод насосов надо с большой осторожностью.
   При подборе насосов в системах с каскадным зонированием водоснабжения надо исходить из того, что насосы нижней зоны должны подать такое количество воды, чтобы обеспечит ею свою и все выше расположенные зоны. В то время как насосы самой верхней зоны должны обеспечить водой только свою зону. Производительность насоса любой промежуточной зоны можно определить по формуле:

   где j – номер зоны, где расположен насос; i – текущий номер зоны; q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– расход i-той зоны; n – общее количество зон.
   При параллельной схеме зонирования каждая зона является независимой и обслуживается своими насосами, расположенными в нижней части здания. При использовании данной схемы воздействие высокого давления на теплообменники, арматуру и санитарно– техническое оборудование, расположенные на этажах зоны полностью исключается. Воздействию высокого давления подвергаются только насосы и трубопроводы, поднимающие воду из городского водопровода.
   Несмотря на большие требуемые высокие напоры насосов и на большие гидростатические давления, которые должен выдерживать насосы, подобрать насосы для параллельных схем зонирования не представляет особого труда. Фирма «ЛИНАС», например, поставляет насосы типа АЦГГС с напорами до 600 м и рабочим давлением в корпусе до 6 МПа. При параллельном зонировании энергоснабжение обеспечивается путем оптимального выбора числа зон и применения насосов с частотным приводом.
   Оптимизация числа зон основывается на том, что гидравлическая мощность, передаваемая насосом жидкости, определяется произведением подачи насоса на его напор. Если здание не разделяется на зоны, гидравлическая мощность, необходимая для его водоснабжения будет:

   N=Q*H/367,квт, где

   Q – подача насоса (м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/ч);
   Н – напор насоса (м.вод. ст.).
   Здесь 367 есть коэффициент, связанный с принятыми единицами измерения.
   При двух зонах половина потребляемой воды поднимается на всю высоту здания, а вторая половина – только на половину высоты. При трех зонах треть воды поднимается на всю высоту здания, треть – на две трети высоты и оставшаяся треть – на одну треть и т.д. Суммарная гидравлическая мощность насосов, подающих воду в здание, будет равна:

   N= Q/n*(H/n+2H/n +…+ i*H/n + …+n*H/n)*1/367, кВТ,

   где n – общее число вертикальных зон водоснабжения; i-принимает значение от 1 до n.
   Снижение гидравлической мощности при разбиение систем водоснабжения на зоны приведено в таблице ниже.

   Из приведенных данных видно, что разбиение системы водоснабжения на две зоны дает эффект снижения мощности на 25 %, разбиение на три – на 33 %; при дальнейшем увеличении числа зон рост эффективности замедляется. С точки зрения энергоснабжения можно рекомендовать четырех и пяти зонные системы водоснабжения.
   При реальном проектировании следует учитывать и другие факторы: высоту зоны; капитальные затраты на оборудование; оптимальная высота зоны составляет 50 м.
   Для водоснабжения помещений, расположенных на высоте менее 75 м, применение частотного привода насосов при параллельных схемах зонирования ничем не отличается от частотного регулирования насосов водоснабжения обычных зданий.
   Необходимо учитывать, что для зон, расположенных выше 75 м, с целью снижения мощности преобразователя частоты, можно рекомендовать две группы последовательно соединенных насосов. Первая группа (базовые насосы) располагаются внизу, она подает воду до технического этажа соответствующей зоны. На техническом этаже расположена вторая группа насосов(зональные насосы) с гидроаккумулирующим баком, подающая воду на этажи зоны. Давление на этажах здания при этой схеме водоснабжения складывается из четырех составляющих: давления в городском трубопроводе – Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, напора базовых насосов – Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, напора зональных насосов – Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и геометрической высоты расположения этажа – Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

.
   Базовые насосы, расположенные в нижней части здания, работают с постоянной частотой вращения. Регулирование насосов каскадное. Насосы включаются и выключаются по сигналу датчика давления или по сигналу от датчика расхода, расположенного в напорном трубопроводе базовых насосов. Управление насосами от датчика расхода является более предпочтительным, т.к. в этом случае изменение давления в городском водопроводе не будет влиять на момент подключения и отключения дополнительного насоса. Следует также иметь в виду, что датчики давления рассчитанные на большие давления, имеют меньшую чувствительность, а недостаточная чувствительность датчика не позволит своевременно производить переключение насосов. Напор базовых насосов определяется следующим образом:
   – при максимальном давлении в городском трубопроводе на нулевой подаче насоса давление на входе зональных насосов должно быть на 0.05–0.1 МПа меньше расчетного;
   – при минимальном давлении в городском водопроводе это давление должно быть не менее 0.1 МПа расчетного давления.
   Требования к зональным насосам предъявляются такие же, как и к повысительным насосам обычных зданий с той разницей, что они должны обладать пониженной шумностью, т.к.устанавливаются на перекрытия технических этажей.
   Следует знать, что для снижения шумности необходимо так подобрать базовые насосы, чтобы мощность зональных насосов была минимальной. Регулирование зональных насосов-каскадно-частотное. Гидроаккумулирующий бак, подключенный к напорной линии зональных насосов, позволяет отключать зональные и базовые насосы в периоды малого водопотребления.
   Проектирование насосного оборудования должно выполняться в соответствии с требованиями СНиП 2.04.01–85* и СНиП 2.04.02– 84*. Насосные установки, предназначенные для систем противопожарного водопровода, должны иметь отдельный выход наружу или на лестничную клетку, ведущую непосредственно наружу. Количество резервных насосных агрегатов принимается по СНиП 2.04.02– 84*. Габариты помещений для размещения насосного оборудования, трубопроводов и арматуры выбирается также по СНиП 2.04.02– 84*. В помещениях вместе с насосными установками могут располагаться мембранные баки и другое инженерное оборудование, инвентарное и подъемно-транспортные устройства для возможности демонтажа и замены оборудования.

5. Методика определения расчетных расходов воды в системе водоснабжения высотных зданий

   Сети внутреннего водопровода высотных зданий рассчитываются с учетом требований СНиП 2.04.01– 85* на пропуск расчетных секундных расходов воды ко всем водоразборным устройствам в здании. Показателем водообеспеченности зоны сети служит подача нормативного расхода к диктующей у водоразборного устройства зоны с максимальным значением рабочего напора – Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

Максимальный секундный расход воды на расчетном участке q ( q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

,q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

) определяется по формуле:

   q=5q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

α, л/с (6.1)

   где q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

(q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

),л/с,– секундный расход воды одним прибором.
   Допускается принимать – q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= 0.3 л/с, q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

=0.2 л/с.; α – коэффициент. зависящий от произведения общего числа водоразборных устройств – N, т.е. α=f (PN) – принимается по СНиП 2.04.01–85*.
   Вероятность действия водоразборных устройств – Р определяется для одинаковых потребителей в здании по формуле:

   Р q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

U /3600 q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

α, (6.2)

   где q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– ( qhr,u -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, qhr,u -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, qhr,u -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

), л/ч – норма расхода воды на одного потребителя в час наибольшего водопотребления, определяется по СНиП 2.04.01–85*; U – количество жителей в здании, определяется в каждом конкретном случае в зависимости от санитарной нормы площади на одного человека (региональный показатель), а для высотных зданий – от заселенности квартиры.

6. Устройство и конструкция системы водоотведения высотных зданий

Изучая специфику проектирования систем канализации высотных зданий следует знать правила проектирования и условия работы системы водоотведения в обычных зданиях.
Конструирование сети в этом случае сводится к правильному размещению санитарно-технических приборов и их оборудования гидравлическими затворами (сифонами), располагаемыми на выпусках под приборами (рис. 8).

   Рис. 8 [10 - Рисунок взят из [2].]. Гидрозатворы санитарно-технических приборов (а, б – U-образные; в – бутылочный; г – напольный для ванн с присоединением переливной трубы; 1 – болт; 2 – крышка; 3 – тройник; 4 – накидная гайка; 5 – переливная труба; 6 – водопереливная решетка; 7 – выпуск)

   Отводные трубопроводы от приемников сточных вод: ванн, умывальников, моек и унитазов и т.д. прокладываются с уклоном в сторону канализационного стояка выше пола на 0.2 м. Диаметры отводных трубопроводов зависят от прибора и принимаются:
   – от ванн, моек и раковин – 50 мм, с уклоном 0.035;
   – от унитазов – 100 мм, с уклоном 0.02.
   Следует учесть, что в обычных зданиях (до 10 этажей) диаметр канализационного стояка может быть принят конструктивно – по большему диаметру присоединяемой к нему отводной трубы.
   Количество стояков и места их расположения, как и в водопроводе, зависят от способа монтажа труб. Стояки присоединяются к выпускам, проложенным в подвале здания на (0.3 м от пола). В месте присоединения стояка в выпуску устанавливается пологое колено или два отвода по 135 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

.
   Выпуски транспортируют сточную воду в дворовую или внутриквартальную сеть. Длина выпуска принимается согласно СНиП 2.04.01–85*. Диаметр выпуска следует принимать не менее наибольшего диаметра стояков, присоединяемых к нему. Пропуск выпуска через стену подвала здания, как и ввода, осуществляется также по СНиП 2.04.01–85*.
   На сетях системы водоотведения устанавливаются устройства для прочистки.
   Необходимо изучить места и правила их установки (СНиП 2.04.01–85*).Система вентиляции канализационных стояков обычных зданий принимается однотрубной. Диаметр вытяжной части канализационного стояка равен диаметру его сточной части. Допускается объединять, поверху, одной вытяжной частью канализационного стояка стояки одной секции здания. Вентиляция канализационных стояков осуществляется через их продолжение над кровлей здания в зависимости от характера кровли (СНиП 2.04.01–85*). Материал труб стояков принимается из ПВХ либо из чугуна. Отводные трубы, как правило, проектируются из полипропилена или металлопластиковых труб. Выпуски – преимущественно из чугуна.
   Система внутренней канализации здания работает в самотечном режиме.
   Следует знать значения требуемой величины наполнения труб и скоростей самоочищения для различных диаметров труб (СНиП 2.04.01–85*).
   Как указывалось ранее в высотных зданиях, из-за необходимости размещения возросшего количества инженерных коммуникаций и оборудования, требуется иной принцип их прокладки для достижения необходимого уровня комфортности, надежности и безопасности проживания людей. Для их проектирования и обслуживания предусматриваются специальные технические коридоры.
   Следует знать, что системы водоотведения в высотных зданиях выполняются по двум вариантам:
   – вариант с парными стояками (рабочий и вентиляционный) – двухтрубная система, соединенными между собой перемычками на каждом этаже (рис. 9);
   – вариант с одиночными стояками повышенного диаметра (рис. 10). Обе схемы показали свою пригодность, причем схемы с парными стояками применены и в 30-этажных муниципальных домах.

Рис. 9 [11 - Рисунок взят из [1].]. Принципиальная схема системы канализации с использованием парных стояков (1 – стояки; 2 – ревизии; 3 – прочистки)

   Рис. 10 [12 - Рисунок взят из [1].]. Принципиальная схема канализации высотного здания с одиночными стояками повышенного диаметра (1 – стояки; 2 – ревизии)

   Вопросы надежности и безопасности систем водоотведения высотных зданий возникали у специалистов нашей страны, по крайней мере, дважды: в 1950-х годах в начале массового строительства зданий МГУ, Министерства иностранных дел, гостиницы «Украина» жилых зданий на пл. Восстания и Котельнической набережной и в конце 1960-х при проектировании первого в СССР 25-этажного жилого дома на Проспекте Мира. В них запроектирована двухтрубная система водоотведения аналогичная системам канализации высотных зданий в США. В каждом конкретном случае двухтрубная система канализации должна быть подтверждена расчетом.
   Однако именно в 25-этажном доме система канализации включает один стояк диаметром 100 мм, к которому поэтажные трубопроводы присоединены под углом 90 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

.
   Необходимо отметить, что положительный опыт эксплуатации этой системы подтвердил правильность предпосылок, положенных в основу полуэмпирической модели системы канализации зданий. В соответствии с этой моделью, при истечении из поэтажного отвода в стояк жидкость перекрывает часть его сечения (рис. 11), образуя сжатое сечение стояка. При своем движении вниз жидкость увлекает из атмосферы воздух.
   При этом величина эжектирующей способности жидкости больше, чем величина фактического расхода воздуха, поступающего в стояк. В результате ниже сжатого сечения стояка возникает дефицит воздуха, то есть разрежение. С увеличением расхода жидкости уменьшается площадь живого сечения воздуха в сжатом сечении стояка и, следовательно, уменьшается расход воздуха, фактически поступающего в стояк из атмосферы.

   Рис. 11 [13 - Источник: images.google.com]. Схема истечения воды из поэтажного отвода в стояк; разрез по оси стояка (1 – воздух; 2 – вода)

   Специально выполненные исследования показывают, что срыв гидравлического затвора происходит при разрежении, примерно равном высоте этого затвора, поэтому величина разрежения подлежит расчету.
   Важно знать, что канализационный стояк, высотного здания по всей высоте, по которой движется сточная жидкость, должен быть прямолинейным.
   Следует знать, что материал труб в системе водоотведения высотных зданий играет большую роль в части обеспечения безопасности работы всей системы водоотведения.
   Рекомендуется применять безраструбные чугунные трубы. Такие трубы не горят в отличие от труб из ПВХ. Кроме того они шумоизолированы, что немаловажно для элитных зданий. По европейским нормам в каждом перекрытии стоит противопожарный клапан, который при нагревании «схлопывает» трубу, однако, как показали исследования, проведенные в Германии, эти клапаны хорошо работают только для верхнего перекрытия. Нижний клапан не успевает сработать, расплавленный пластик капает на нижний этаж, и пожар распространяется не вверх, а вниз. Одним из преимуществ безраструбных труб является возможность быстрого демонтажа отдельных участков лежаков на техническом этаже с целью их очистки от отложений, которыми они зарастают на ¾ своего сечения во время ремонтов, проводимых в квартирах пред заселением. С целью высококачественной прочистки применяют машину «Кобра» или системы из двух полуотводов. Существует еще одна важная особенность при проектировании систем водоотведения высотных зданий. Это перепланировка и перенос « мокрых зон» (ванные комнаты, санузлы) в другое место в квартире. Изменение проекта в обязательном порядке согласовывается со службой эксплуатации.
   Особое внимание должно уделяться выпускам высотных зданий. Поскольку здания имеют значительную просадку, выпуски прокладываются с применением специальных демпфирующих устройств, не позволяющих трубе выпуска переломиться. Это касается прокладки и всех остальных сетей.
   Особое внимание уделяется отводу воды при пожаре. Если предусмотрено спринклирование квартир, гидроизоляция должна быть предусмотрена во всей квартире, так как будут значительные протечки на нижние этажи. Для межквартирных холлов необходимо предусмотреть уклон пола к приемным отверстиям и выводить патрубки на уровне пола межквартирного холла со сбросом в сеть водостока трапы не используются, т.к. имеют небольшую пропускную способность).
   Необходимо знать способ отвода конденсата от наружных блоков сплит-систем.
   Актуальным является удаление снега с кровель высотных зданий.
   Следует учесть, что присоединение стояков к горизонтальным трубопроводам следует выполнять плавно (с помощью трех отводов по 30 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

или четырех по 22.5 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

). В основании стояков следует предусматривать бетонные упоры или другие надежные крепления. Необходимо также предусматривать компенсацию линейных удлинений канализационных стояков, применяя, как правило, соединение стыков канализации (труб и фасонных частей) на резиновых уплотнительных кольцах или манжетах с зазорами между трубами. Во избежание самосифонирования гидравлических затворов санитарно-технических приборов, расположенных на значительном удалении от канализационного стояка, если произведение уклона, выраженного в мм/м, трубопровода на его длину превышает высоту гидравлического затвора этого прибора, рекомендуется установка в начале этого трубопровода (считая, по ходу движения стоков) вентиляционного клапана.
   При установке в подвальных помещениях санитарно-технических приборов на отметках, не позволяющих выполнить выпуски канализации самотеком, следует предусмотреть насосные установки, работающие в автоматическом режиме.
   При расположении санитарно-технических приборов ниже уровне люка ближайшего смотрового колодца на внутренней канализационной сети устанавливаются обратные клапаны различных конструкций, разработанные специально для канализационных систем.
   Вода из систем внутренних водостоков отводится в наружные сети ливневой канализации Выпуски водостока от стилобатной и подземной частей здания не допускается объединять со стояками высотной части.

7. Особенности расчета внутренних систем водоотведения высотных зданий

   В высотных зданиях из-за особенностей работы канализационных стояков и поэтажных отводов, о которых упоминалось ранее, их диаметры рассчитываются с учетом принятого материала труб и пропуска максимального секундного расхода сточных вод – q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

по методике института Мосводоканал НИИпроект.
   Диаметр канализационного стояка не должен быть меньше 125 мм.
   Пропускная способность вентилируемых стояков при высоте гидравлических затворов санитарно– технических приборов 60 мм определяется по СП 40– 107–2003.
   Величина расчетных расходов сточных вод может быть определена по СП40–107–2003 по следующей зависимости:

   q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

Q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/3/6+K -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, (8.1)

   где Q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– часовой расход сточных вод на участке, м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

ч; 3.6 – переводной коэффициент; K -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– коэффициент, учитывающий влияние аккумулирующей емкости отводных самотечных трубопроводов на формирование величины расчетного расхода сточных вод (табл. 1 СП40–107–2003) в зависимости от длины отводного трубопровода и количества санитарно-технических приборов на расчетном участке; q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– секундный расход сточных вод от прибора с максимальной емкостью (для жилых зданий принимается равным 1.1 л/с – расходу от полностью заполненной ванны).
   Следует отметить, что формула (8.1) получена аналитически и многократно подтверждена результатами экспериментальных измерений.
   Определяется расчетом и суммарная величина разрежений в стояке, чтобы гарантировать устойчивость против срыва гидрозатворов в системе канализации конкретного высотного здания.
   Длины выпусков из зданий зависят от его диаметра, который определяется суммой расходов присоединяемых к выпуску стояков.
   Последним этапом расчетов является гидравлический расчет трубопроводов канализационных выпусков из здания, т.е. определения их диаметров, уклонов, скорости течения жидкости и наполнения трубопроводов. В соответствии со СНиП 2.04.01–85* незасоряемость отводных трубопроводов гарантируется выполнением условия:

8. Контрольные вопросы

   1. Назовите наиболее часто проектируемые системы водоснабжения высотных зданий.
   2. Укажите основные конструктивные отличия систем водоснабжения высотных от обычных зданий.
   3. Где устанавливаются базовые насосы?
   4. Назовите основные особенности проектирования насосных установок высотных зданий.
   5. Где располагаются водопроводные стояки и подводки к водоразборным устройствам в системах водоснабжения высотных зданий?
   6. Как пропускаются чрез стены подвала вводы и выпуски в высотных зданиях?
   7. Где устанавливаются счетчики воды?
   8. Где располагаются технические коридоры?
   9. Где располагаются аккумулирующие баки?
   10. Как определить высоту зон и их количество при зонировании системы водоснабжения высотного здания?
   11. Какие системы водоотведения проектируются в высотных зданиях?
   12. Назовите требования, предъявляемые к материалу труб систем водоснабжения и водоотведения высотных зданий.
   13. В чем заключается особенность определения расчетных расходов сточных вод.
   14. В чем заключается особенности расчета диаметров и уклонов отводных труб систем водоотведения зданий.
   15. Назовите нормативную и техническую документацию для проектирования систем водоснабжения и водоотведения высотных зданий.
   16. Когда на внутренних канализационных сетях устанавливаются обратные клапаны?
   17. Каким образом канализационные стояки присоединяются к горизонтальным трубопроводам?
   18. Как определить количество резервных насосов?
   19. Назовите основные меры обеспечения безопасности работы систем водоснабжения и водоотведения в высотных зданиях.
   20. От чего зависит высота зоны зонированной системы водоснабжения здания?

Литература

   1. Бородач М.М., Антонов А.А., Бирюков С.В. и др. Инженерное оборудование высотных зданий – Учебное пособие. 2-е изд., испр. и доп. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2011 г.
   2. Е.Н.Бухаркин, В.М.Овсянников, К.С.Орлов, О.Р. Самусь и др. Инженерные сети, оборудование зданий и сооружений. Учебник-3-е изд. – М.: Высшая школа, 2009 г.
   3. МГСН 4.19–2005 Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий-комплексов в городе Москве – М.: ОАО ЦНИИЭП жилища, 2005 г.
   4. СП 40–107–2003 Проектирование, монтаж и эксплуатация систем внутренней канализации из полипропиленовых труб. – М.: «Стройполимер», ГУП, ГОССТРОЙ РОССИИ, 2003.
   5. СНиП 2.04.01–85* Внутренний водопровод и канализация зданий. – М.:, (ЦИТП), 1995 г.
   6. СП40–102–2000 Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования. – М.:, ГОССТРОЙ РОСИИ, 2001.
   7. George H. Douglas Skyscrapers: A Social History of the Very Tall Building in America. McFarland, 2004 ISBN 0786420308, 9780786420308

Приложение

Башня EDF [14 - Источник: wikipedia.org, images.google.com]Город: Париж. Архитектор: Pei Cobb Freed & Partners, Число этажей: 41. Год возведения: 2001

Куатро-Торрес [15 - Источник: wikipedia.org, images.google.com]Город: Мадрид. Архитекторы (слева направо): Норман Фостер, Генри Н. Кобба, Сезар Пелли, Карлос Рубио Карвахаль и Энрике АльваресСала Вальтер. Число этажей (слева направо): 45, 57, 52, 52. Год возведения (слева направо): 2009, 2007, 2009, 2008

Башня Shard [16 - Источник: wikipedia.org, images.google.com]Город: Лондон. Архитектор: Ренцо Пиано. Число этажей: 72. Год возведения: 2012

Небоскреб Мессетурм [17 - Источник: wikipedia.org, images.google.com]Город: Франкфурт– на-Майне. Архитектор: Хельмут Ян. Число этажей: 55. Год возведения: 1990

Двойная башня Бахрейнского всемирного торгового центра [18 - Источник: wikipedia.org, images.google.com]Город: Манама. Архитектор: WS Atkins plc. Число этажей: 50. Год возведения: 2008

Башня XXI века [19 - Источник: wikipedia.org, images.google.com]Город: Дубаи. Архитектор: WS Atkins plc and Partners. Число этажей: 55. Год возведения: 2003

Эмиратские башни [20 - Источник: wikipedia.org, images.google.com]Город: Дубаи. Архитектор: Hazel W.S. Wong Norr, Norr Group Consultants Int. Число этажей (слева направо): 56, 54. Год возведения: 2000

Башня Бурдж-Доха [21 - Источник: wikipedia.org, images.google.com]Город: Доха. Архитектор: Jean Nouvel. Число этажей: 46. Год возведения: 2012

Кондратьев А. С., Владислав Овсянников, Ольга Самусь Руководство по изучению дисциплины «Водоснабжение и водоотведение». Часть 1