ЕЩЕ РАЗ О ГРАВИТАЦИОННО-ВАКУУМНЫХ СИСТЕМАХ ВНУТРЕННИХ ВОДОСТОКОВ ЗДАНИЙ

А. Я. Добромыслов, канд. техн. наук, руководитель Учебно-методического центра по подготовке специалистов в области пластмассовых трубопроводных систем МИПК МГТУ им. Н. Э. Баумана

Гравитационно-вакуумные системы внутренних водостоков зданий были созданы в Скандинавии около 30 лет назад и с тех пор с успехом применяются в различных европейских странах, в том числе в течение последних 15-20 лет и в России. Следует, однако, подчеркнуть, что проектирование, расчет и монтаж таких систем не регламентирован ни европейскими, ни тем более российскими нормативными документами, чем, на наш взгляд, и объясняется тот факт, что их применение не носит массового характера.

Публикации в технической литературе (например, /1,2/) носят восторженный характер и создают впечатление беспредельности пропускной способности гравитационно-вакуумных систем внутренних водостоков диаметром даже 50 мм. Так, в работе /1/ сказано, что водосточная воронка с выпуском 50 мм пропускает 15 л/с воды, а в работе /2/ - 12 л/с при скорости движения воды по трубам 10-12 м/с!

Естественно, что при таких параметрах гравитационно-вакуумная система водостока намного экономичнее традиционных систем. Поэтому очень важно понять, за счет чего достигается такой эффект.

До известных пределов работа водосточного стояка аналогична работе стояка канализационного. И там и там при отсутствии опускного движения жидкости воздух, вследствие гравитационного напора, из наружных сетей поднимается по вертикальной трубе в атмосферу. (Заметим, что таким образом вентилируется безнапорная сеть хозяйственно-фекальной канализации). Но, как только начинается опускное движение воды (или стоков) по стояку, скорость воздуха меняет знак на противоположный, т.е воздух начинает двигаться в обратном направлении, сверху вниз. Это свидетельствует о наличии у жидкости эжектирующей способности, т.е способности увлекать за собой воздух. Наши измерения показывают, что величина эжектирующей способности жидкости достаточно велика. Так, например, в стояке диаметром 100 мм жидкость в количестве 1 л/с стремиться увлечь из атмосферы 25 л/с воздуха /3/.

При входе в водосточную воронку вода создает воздушному потоку местное сопротивление большой величины. В связи с этим расход воздуха, фактически поступающего в стояк, меньше, чем эжектирующая способность жидкости, движущейся сверху вниз по вертикальной трубе: ниже водосточной воронки возникает дефицит воздуха и связанное с ним разрежение. Канд. техн. наук М. А. Гурвиц /4,5/, подробно исследовавший эти явления в лабораторных условиях, отмечает, что величина разрежений в водосточных стояках достигает 4000- 5000 мм вод. ст. При этом возникают вибрации, способные разрушить и стояк, и крепление водосточной воронки на кровле здания.

Рисунок 1. Вакуумная кровельная воронка HL 61

Таблица пропускной способности водосточных стояков в СНиП 2.04.01-85* «Внутренний водопровод и канализация зданий» рассчитана таким образом, чтобы величина разрежений в них не превышала 100 мм.

Гравитационно-вакуумная система водостоков работает иначе. Водосточная воронка специальной конструкции (см., например, рис. 1) обязательно имеет вертикальный патрубок, при опускном движении в котором вода создает разрежение большой величины (поданным /2/, до 800 мбар (8000 мм вод. ст.). Под действием разрежения вода с кровли с высокой интенсивностью поступает через воронку в систему водоотводящих трубопроводов. Конструкция водосточной воронки и правильно рассчитанная водосточная трубопроводная система (диаметры и гидравлические сопротивления труб, учет местных сопротивлений, использование располагаемого напора) должны обеспечить режим напорного течения в системе. Как известно, напорное течение образуется при полном отсутствии воздуха в трубопроводах.

Таким образом, водосточная воронка является диктующим элементом гравитационно-вакуумной системы: она должна способствовать созданию вакуума ниже входа в нее воды и напорного течения в отводных трубопроводах.

Считается, что система начинает работать в напорном режиме, как только величина притока атмосферных осадков становится равной пропускной способности воронки. В таком случае на кровле здания неизбежно образуется слой воды определенной высоты, что необходимо учитывать при расчетах нагрузок на кровлю. В связи с этим, оптимальной следует считать конструкцию воронки, которая при прочих равных условиях обеспечивает минимальную дополнительную нагрузку на кровлю здания.

Естественно, что с этим связан очень серьезный вопрос об определении расходов воды атмосферных осадков, выпадающих в различных регионах страны. Это касается как величины расчетной интенсивности дождя, так и формул по определению расходов. В соответствии с действующими нормами /7/, расчетный расход дождевых вод Q с водосборной площади определяется по формулам:

- для кровель с уклоном до 1,5% включительно
	(1)

- для кровель с уклоном свыше 1,5%
	(2)

где:

F - водосборная площадь, м²;

q₂₀ - интенсивность дождя, л/с 1 га для данной местности, продолжительностью 20 мин. при периоде однократного превышения расчетной интенсивности, равной 1 году (принимаются согласно /8/);

q₅ - интенсивность дождя, л/с с 1 га (для данной местности), продолжительностью 5 мин. при периоде однократного превышения расчетной интенсивности, равной 1 году, определяемая по формуле:

q₅= 4ⁿ•q₂₀ (3)

где:

n - параметр, принимаемый согласно /8/

С учетом (3), формула (2) принимает вид:

(4)

Сравнение формул (1) и (4) показывает, что они отличаются на множитель 4ⁿ, и таким образом, расчетные расходы для кровель с примерно одинаковым уклоном, равным и несколько превышающим 1,5%, могут существенно отличаться друг от друга, что даже чисто формально вызывает вопросы.

По данным /2/ расчетная интенсивность дождя в Европе принимается равной 300 л/с с 1 га, для Москвы же q₂₀=80 л/с с 1 га, и это тоже является серьезным вопросом при проектировании гравитационно-вакуумных систем водостоков. На наш взгляд, этот вопрос нуждается в специальном обсуждении После того как определены расходы по участкам и в системе создан напорный режим, необходимо на основании гидравлических расчетов определить диаметры участков трубопроводной системы, гарантированно обеспечивающие сохранение напорного режима до ее конечной точки. При этом потери напора на трение и в местных сопротивлениях должны соответствовать располагаемому напору, равному разности между геодезическими отметками кровли и конечной точкой водосточной системы. Невязка здесь не должна превышать 1 м вод. ст., допустимая невязка по величинам притока и отвода воды – ±5%.

Очевидно, что цена ошибок при расчетах гравитационно-вакуумных систем водостоков велика.

В связи с этим рассмотрим более подробно только один вопрос, касающийся гидравлических расчетов полиэтиленовых трубопроводов, а именно вопрос о величине расчетного коэффициента шероховатости пластмассовых труб Кэ. Как известно, в отечественной практике расчетов трубопроводов водоснабжения и канализации он принят равным 0,02 мм /6/, целый ряд зарубежных фирм рекомендует принимать его равным 0,007 мм, а в некоторых изданиях технической литературы – 0,25 мм

Вернемся к цифрам, приведенным в работе /2/: расход воды 12 л/с в воронке с выпуском диаметром 50 мм. Из условий неразрывности потока скорость движения воды V=5,877 м/с. По формулам свода правил /6/ удельная потеря напора на трение при К_э=0,02 мм, i=0,658 м/м; при К_э=0,007 мм i=0,598 м/м; при К_э=0,25 мм, i=1,04 м/м. Читатель легко может убедиться, что только за счет ошибочно выбранного коэффицинта шероховатости материла труб допустимая невязка (1 м вод. ст.) между потерями напора и располагаемым напором в системе будет превышена на первых 2-5 метрах течения. Поэтому представляется весьма полезной информация производителей полиэтиленовых труб о фактическом коэффициенте их шероховатости, что может способствовать повышению точности гидравлических расчетов.

Что касается скоростей движения воды 10-12 м/с, о чем упоминается в работе /2/, то в трубах диаметром 50 мм такие скорости, по-видимому, недостижимы, поскольку потери напора при этом только за счет шероховатости стенок приближаются к 4 м/м. Следовательно, напор, необходимый для обеспечения движения воды с такой скоростью в трубопроводе длиной, например, 100 м, должен быть равен 400 м.

В заключение подчеркнем, что не ставя под сомнение высокую эффективность гравитационно- вакуумных систем водостоков, мы, тем не менее, считаем необходимым выполнение дополнительных исследований некоторых гидравлических параметров этих систем.

Литература

1. Якушин С. М. «Клик-Клак» и вакуумная система от фирмы НL // Сантехника, 2003, № 6

2. Яковлев А. К. Гравитационно-вакуумная система внутреннего водостока на основе труб ПНД Geberit Pluvia // Сантехника, 2003, № 6

3. Добромыслов А. Я. Расчет и конструирование систем канализации зданий. М., Стройиздат, 1978

4. Гурвиц М. А. Исследование влияния гидравлических режимов на надежность работы канализационных систем внутренних водостоков зданий. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1970

5. Гурвиц М. А., Казаков С. П. Новый метод расчета внутренних водостоков зданий. Сб. трудов НИИ санитарной техники, №33, М., ОНТИ НИИСТ, 1970

6. СП 40-102-2000. Свод правил по проектированию и монтажу трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования

7. СНиП 2.04.01-85* «Внутренний водопровод и канализация зданий»

8. СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения»