Текст книги "Руководство по изучению дисциплины «Водоснабжение и водоотведение». Часть 1"

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 системы11
  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.


[Закрыть], 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 сливом22
  Первый американский патент на туалетную систему датируется 1830 годом.


[Закрыть]. Развитие и внедрение технологий водоснабжения было сопряжено со значительными трудностями и шло медленно33
  К 1860 году в США функционировало 136 систем водоснабжения, на которые приходилось всего 10 муниципальных систем очистки сточных вод.


[Закрыть]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 м³. Здание должно было выдерживать колоссальную нагрузку: Пропускная способность ливневой системы составляла 4.5 м³/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 отопления44
  Первый кондиционер был изобретен Уиллисом Хэвилэндом Кэрриером еще 1906 году.


[Закрыть], 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. 155
  Рисунок взят из [2].


[Закрыть]. 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. 366
  Рисунок взят из [2].


[Закрыть]. 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. 577
  Источник: images.google.com


[Закрыть]. (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. 688
  Источник: images.google.com


[Закрыть]. 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. 799
  Источник: images.google.com


[Закрыть]. 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/м². 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.