ABOUT FEATURES OF WATER CONSUMPTION CALCULATION WHEN DESIGNING WATER SUPPLY SYSTEMS OF HIGH-RISE BUILDINGS

Full Text

Высокое качество систем водоснабжения высотных зданий (СВВЗ) обусловлено полнотой соответствия предъявляемым к водопроводам требованиям, правильным определением расчетных расходов, оптимальным выбором труб на основании гидравлических расчетов. Нормативные расходы определяют в соответствии с СП 30.13330.2012 «Внутренний водопровод и канализация зданий», СП 31.13330.2012 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» и СТО 024947335.02-01-2006 «Внутренний водопровод и канализация зданий». Согласно [1] определение социального статуса систем водоснабжения в технических регламентах и детализация его в нормативно-правовых документах (Водный кодекс, Закон о питьевой воде, ГОСТы, СниПы, СП, различные положения и методики) позволят создать единый государственный поход к этой системе жизнеобеспечения и обеспечить комплексную безопасность высотных зданий. При проектировании уникальных высотных зданий с высокой степенью риска необходимо очень четко сформулировать требования к системам водоснабжения, как этого требует СНиП 10.01-94 «Система нормативных документов в строительстве. Основные положения». В соответствии с социальной значимостью водопровод можно определить как систему жизнеобеспечения человека и производства, предназначенную для подачи потребителям необходимого количества воды требуемого качества бесперебойно в течение всего срока эксплуатации при минимальных ущербах здоровью населения и окружающей среде [2-4]. В этой связи основным критерием работы СВВЗ является обеспечение потребителя водой в количестве, равном его потребности, qпотр. Второй критерий с точки зрения экологии - это количество воды, изъятое из природных ресурсов, qприр. Данную величину можно вычислить из уравнения водного баланса [5]: qприр = qпотр - qпот, (1) где qпот - потери воды, л. Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 2 30 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Соотношение qприр. и qпотр. характеризует рациональность использования природного ресурса, а именно комплексную оценку эффективности системы водоснабжения в условиях интенсивного развития народного хозяйства, экономии природных ресурсов и внесения наименьших изменений в окружающую среду [5], т. е.: (2) В соответствии с концепцией бесперебойного обеспечения потребителя водой при минимальных строительных затратах, системы рассчитывают только на предельный режим работы, продолжительность которых крайне незначительна по сравнению с длительным периодом эксплуатации трубопроводов системы водоснабжения (25-50 лет). Важные эксплуатационные параметры (нормы расхода холодной и горячей воды) для технико-экономической оценки проектов даны в СНиП 2.04.01-85* «Внутренний водопровод и канализация зданий» как справочные (не расчетные). Они соответствуют осредненным условиям эксплуатации и включают потери воды до 25 %, которые определяются сложившимися условиями эксплуатации, конструкцией и качеством серийной водоразборной арматуры (смесителей, поплавковых клапанов смывных бачков и т. д.). Такой подход к проектированию сформировался во время интенсивного развития строительства, требовавшего быстрых и дешевых технических решений, главным критерием совершенства которых являлись минимальные материалоемкость и сметная стоимость. В результате стали повсеместно применяться системы внутреннего водоснабжения с оборудованием низкого качества и, соответственно, со значительными потерями воды, а прогрессивные водосберегающие системы до сих пор находятся на стадии экспериментального проектирования. Методика определения расчетных расходов, отвечающая современной концепции, должна выделять технологическую потребность (полезные расходы) и потери воды, которые складываются из утечек, нерациональных расходов и сливов. Логическая (качественная) оценка процесса фактического водопотребления показывает, что технологическая потребность во внутреннем водоснабжении является случайной величиной, зависящей от количества потребителей U, режима работы (жизни), числа приборов N и вида санитарно-технического оборудования, частоты и продолжительности пользования оборудованием, секундного, часового, суточного расходов, необходимых для удовлетворения хозяйственных и гигиенических процедур, требований к бесперебойности подачи воды (обеспеченности Р). Технологическая потребность неравномерна в течение суток. Она реализуется через включение водоразборных точек (приборов) внутреннего водоснабжения в определенные периоды суток (рис. 1). Рис. 1. Суточный график водопотребления В системах внутреннего водоснабжения технологическая потребность проявляется в виде определенных расходов, которые должны проходить по расчетным сечениям трубопроводов. Как любая случайная величина, она изменяется в интервале около среднего значения q. Величина отклонения от среднего, обусловленная случайной составляющей процесса, зависит от числа приборов (потребителей), расхода одного прибора q0, относительной продолжительности пользования прибором - вероятности его действия Р. При малом числе приборов случайная составляющая (отклонение) значительно больше среднего значения. При увеличении числа приборов доля случайной составляющей уменьшается, а доля среднего значения увеличивается. При бесконечно большом числе потребителей случайная составляющая будет равна нулю. Расход одного прибора может изменяться в пределах от 0,07 до 1,6 л/с в зависимости от назначения и вида санитарно-технического прибора. При одном потребителе технологический расход равен расходу прибора. При большем числе потребителей из всех установленных на системе приборов N в определенный момент включается только их часть, так как потребность в воде у различных потребителей не совпадает во времени. Поэтому технологические расходы меньше, чем сумма расходов отдель- С. Ш. Сайриддинов 31 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 2 ных приборов. При увеличении числа приборов относительное количество включенных приборов уменьшается и влияние секундного расхода сокращается. Увеличение продолжительности использования ведет к возрастанию числа одновременных пользований и, соответственно, к увеличению технологических расходов в системе. Нерациональные расходы воды возникают, когда из труб подается больше воды, чем требуется для технологических процедур. Нерациональные расходы зависят от характеристик водоразборной арматуры (подача воды только в те периоды, когда она необходима), избыточного давления перед арматурой. Во времени они совпадают с технологическим водопотреблением и изменяются незначительно в процессе эксплуатации. Сливы воды возникают при нарушении качественных показателей воды: снижение температуры горячей воды, увеличение цветности, появление запаха, привкуса и т. п. Они обусловлены нарушением технологических режимов нагрева, подготовки, хранения воды и предшествуют по времени проведению технологических процедур. Соотношение составляющих водопотребления значительно изменяется в течение суток: в часы максимального водопотребления преобладает технологическое водопотребление, в часы минимального - потери. В среднем суточном водопотреблении величина потерь значительно выше, чем в часы максимума. Существует несколько зарекомендовавших себя на практике методик определения расходов [6, 7].Одна из них, подтвержденная многолетним опытом проектирования систем водоснабжения, разработана НИИ санитарной техники, ЦНИИЭП инженерного оборудования, МосжилНИИпроектом и МРГСИ. Эта методика основана на большом экспериментальном материале (более 250 объектов), учитывает более 15 факторов и хорошо согласуется с данными отечественных и зарубежных исследований. В этой модели водопотребление в период максимальной нагрузки и в остальные часы суток связано в единое целое коэффициентом часовой неравномерности Kц. Для периода максимальной нагрузки выведены основные закономерности случайного процесса водопотребления. На начальных участках он дискретен [6] (рис. 2, кривая 3). На основе исследований НИИ санитарной техники, ЦНИИЭП инженерного оборудования, МГСУ им. В. В. Куйбышева, МосжилНИИпроекта создана теоретическая модель водопотребления, подтвержденная многочисленными отечественными и зарубежными исследованиями. На основе модели разработана методика [8] определения суточных, часовых, секундных расходов в зависимости от вида, количества потребителей, заселенности квартир, типа и количества водоразборной арматуры и оборудования, давления в водопроводной сети, срока ее эксплуатации. Кафедрой водоснабжения МГСУ разработаны программы для реализации этой методики. По мере увеличения числа потребителей водопотребление превращается в непрерывный процесс (рис. 2, кривая 3-5), который описывается законом нормального распределения. На основании исходных данных (qi;ti, РiNi) и законов распределения, наиболее близких к фактическому процессу водопотребления, модель позволяет определять расчетные расходы с заданной обеспеченностью. Получается, что при одном потребителе расход в системе равен расходу прибора q0, случайная составляющая (относительно средней) максимальна. Увеличение числа приборов (потребителей) ведет к уменьшению доли случайной составляющей. При среднем числе приборов (от 100 до 10000) расход зависит от вероятности действия и количества приборов. Если число приборов превышает 10000, происходит значительное осреднение расходов и средние расходы составляют основную часть (80-90 %) расчетных расходов. Нерациональные расходы в системе могут быть оценены в зависимости от давления в трубопроводах. Утечки воды являются постоянной величиной в час наибольшего водопотребления и включают в себя также средний расход, что еще больше увеличивает их долю в расчетных расходах. Утечки определяют в зависимости от давления в системе и срока службы арматуры. Модель дает возможность определить расчетные расходы в зависимости от давления (этажности) здания и секундного расхода одного прибора. Водопотребление в течение суток в этой модели представлено ранжированными и интегральными графиками водопотребления. Преимущества и недостатки указанной методики представлены в таблице (графы 1, 2). Для возможности использования модели в практике проектирования была предложена упрощенная модель, которая положена в основу СНиП 2.04.01-85*. В данной модели количество факторов уменьшено до пяти, а остальные приняты постоянными для средних по стране условий водопользования. Это позволило сократить возможности модели и решить основную проектную задачу: определять максимальные (расчетные) секундные и часовые расходы, по которым будут в дальнейшем подбираться диаметры труб, типы соединительных деталей, способы их соединения и виды санитарно-технических приборов и оборудования. Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 2 32 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Другая практическая методика разработана в МосводоканалНИИпроекте. Она базируется на статистической обработке общих графиков водопотребления, измеренных на водопроводных вводах. Предполагается рассматривать общее водопотребление (технологическое и потери) как сумму двух процессов, двух составляющих: детерминированной, учитывающей периодический характер измерения расходов в соответствии с ритмом деятельности потребителей (осредненный график водопотребления), и случайной, учитывающей случайные отклонения от детерминированного расхода. Исходными данными (параметрами) приняты удельный средний за год расход воды q и количество потребителей (приборов) U. При разработке методики была получена эмпирическая зависимость между величиной дисперсии расхода (отклонением от среднего значения) и исходными данными для различных временных интервалов на основе обработки экспериментальных данных. С учетом нормального закона распределения вероятностей случайных расходов (а на начальных участках - усеченный нормальный) найдены функции распределения расходов при рассчитанной дисперсии Д. Из этих функций по заданной обеспеченности находят в дальнейшем расчетные расходы для временных интервалов различной продолжительности (сутки, час и менее). Преимущества и недостатки указанной методики представлены в таблице (графы 5, 6). Принятое авторами положение МосводоканалНИИпроекта об однозначной связи Рис. 2. Расходы в часы максимального водопотребления: а - максимальные расходы; б - суточные (осредненные) графики водопотребления; 1 - наименьший секундный расход; 2 - наибольший секундный расход; 3-5 - распределение случайных отклонений расходов в час наибольшего водопотребления б а N С. Ш. Сайриддинов 33 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 2 Сравнительный анализ методов определения расходов воды НИИ санитарной техники, ЦНИИЭП инженерного оборудования, МосжилНИИпроект и МРГСИ НИИКВОВ АКХ МосводоканалНИИпроект 1 2 3 4 5 6 Преимущества Недостатки Преимущества Недостатки Преимущества Недостатки • Универсальность • Большое количество учитываемых факторов • Возможность выделить составляющие процесса водопотребления, в т. ч. потери воды • Возможность оценивать новые водосберегающие технические решения, что позволяет проектировщику осуществлять многовариантный расчет для выбора наиболее оптимального по затратам водо - и энергоресурсов • Отсутствие зависимостей по сливу недогретой или остывшей воды при разрегулированной циркуляции горячего водоснабжения • Использование осредненного давления (на вводе в здание) • Невозможность табулирования всех многовариантных расчетов (вторая сторона преимущества), ведущая к их усложнению • Выделение полезных расходов и потерь • Возможность оценки осредненного полезного водопотребления и потерь, качества эксплуатации систем и эффективности различных проектных решений • Невысокая точность определения расходов • Отсутствие данных отдельно по холодной и горячей воде • Невозможность применения к зданиям других типов • Отсутствие учета динамики водопотребления при износе системы и в зависимости от качества санитарно-технического оборудования • Универсальность • Небольшое количество исходных данных • Простота исполнения, сопоставимая с номограммами СНиП 2.04.01-85* • Универсальность методики, по мнению авторов, заключается в том, что позволяет определить расчетные расходы во всех типах зданий, наружной и внутренней системах водоснабжения, а также потери давления и затраты электроэнергии • Удельный средний расход за год включает значительные потери воды, которые невозможно отделить от полезного расхода, оценить новые технические решения по экономии воды с ее помощью принципиально невозможно • Принятое авторами положение об однозначной связи дисперсии и удельного расхода противоречит фактическому процессу водопотребления дисперсии и удельного расхода противоречит фактическому процессу водопотребления. Например, среднему расходу 5,5 л / (чел.·ч) или 135 л / (чел.·сут) могут соответствовать потери от 0,5 до 15 л / (чел.·ч) (утечка через один смывной бачок), а суммарные расходы будут изменяться от 6,0 до 25,5 л / (чел.·ч), т. е. более чем в 4 раза. При этом дисперсия, определяемая в основном технологическим расходом, практически не изменится. Более того, может быть и обратная ситуация: одному расходу - 5,5 л / (чел.·ч) соответствуют различные дисперсии - коэффициенты часовой неравномерности: в жилых зданиях - 1,5-2,0, в общественных - 2,0-2,5, а в бытовых помещениях промышленных предприятий - 2,5-3,0. Вызывает сомнение универсальность математической модели и методики, так как экспериментальные материалы, положенные в их основу, в подавляющем большинстве (80 %) относятся к жилым зданиям (наиболее изученным). Поэтому достоверность методики и возможность ее использования для описания водопотребления обоснованы только для этого вида зданий или других зданий, имеющих аналогичные санитарно-техническое оборудование и режим эксплуатации. Для других типов зданий (их более 40 наименований), с существенно отличающимися режимами работы и характеристиками оборудования, потребуются дополнительные обширные исследования процесса водопотребления для выявления зависимости дисперсий от удельного расхода в каждом типе зданий. Отмеченные недостатки вместе с минимальным количеством учитываемых факторов (два) привели к значительному огрублению модели и снижению точности описания процесса Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 2 34 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ до такой степени, что на начальных участках расчетные расходы получились меньше расхода одного прибора (рис. 2, кривая 4) [6] что противоречит фактическому водопотреблению. Кроме того, занижение расчетных расходов на этих участках может привести к нарушению гидравлической устойчивости системы, особенно в зданиях с централизованной системой горячего водоснабжения. При этом будет происходить резкое снижение давления перед водоразборной арматурой при открытии дополнительных приборов, что приведет к резким колебаниям расхода и температуры воды, выходящей из смесителей. Для устранения этого недостатка авторы [6] предлагают прибавлять к вычисленному значению секундный расход прибора, что является искусственным приемом приближения модели к фактическому процессу, снижает точность расчетов и экономичность проектов. При большом числе потребителей, когда процесс требуется описывать теми же законами, что и в методике СНиП 2.04.01-85, наблюдается завышение расходов (рис. 3) [6]. Это происходит потому, что в расчетные расходы включены потери воды, возрастающие из-за повышения среднего давления в сетях водоснабжения, протяженность которых увеличивается с ростом числа потребителей. Наличие значительных потерь воды в удельных средних за год расходах приводит к повышенным расходам в трубопроводе холодного водоснабжения (рис. 3, кривая 4), в котором имеются большие утечки через поплавковые клапаны. Однако такой подход «узаконивания» потерь воды (вместо их устранения) не может быть принят. Еще одна методика, разработанная НИ- ИКВОВ АКХ, позволяет вычислить суточные расходы (на вводах в здание) в зависимости от степени благоустройства зданий, величины удельного часового ночного расхода для средней заселенности квартир. В методике произведена качественная оценка процесса водопотребления, выделены основные факторы, определяющие водопотребление, и на основе статистической обработки суточных графиков водопотребления (457 объектов) определены коэффициенты регрессии для каждого из вышеперечисленных факторов. Преимущества и недостатки указанной методики представлены в таблице (графы 3, 4). Выводы. Выполненные научные исследования по особенностям расчета водопотребления при проектировании систем водоснабжения высотных зданий в заданном проектируемом объекте позволяют сделать следующие выводы: - выполнен эксплуатационно-технологический анализ применимости методов определения расходов воды для повышения эффективности работы систем водоснабжения высотных зданий; - указаны преимущества и недостатки методов определения расходов внутреннего водоснабжения, выполненных различными научно-исследовательскими и проектными институтами; - обосновываны технологическая потребность (полезные расходы) и потери воды, которые складываются из утечек, нерациональных расходов и сливов, и указана логическая оценка процесса фактического водопотребления; - отмечено, что методика определения расчетных расходов, отвечающая современной концепции, должна выделять технологическую потребность, проявляющуюся в виде определенных расходов, которые должны проходить по расчетным сечениям трубопроводов, и являющуюся случайной величиной, и как любая случайная величина она изменяется в интервале около среднего значения q; - установлено, что точность определения расчетных расходов и соответственно оптимальный выбор диаметров и материалов труб обеспечивают предъявляемые нормативные требования к водопроводам, гарантируют гидравлические, эксплуатационные и технологические надежности систем водоснабжения высотных зданий (СВВЗ). Указанные выводы позволяют проектировщикам выполнить гидравлические и технологические расчеты водопотребления с целью повышения эффективности подачи и распределения воды при проектировании систем водоснабжения высотных зданий в заданном проектируемом объекте. Рис. 3. Сравнение расчетных расходов, вычисленных по различным методикам: 1 - методика СНиП 2.04.01-85 ; 2 - расширенная методика СНиП 2.04.01-85* при давлении в сети 0,65 МПа и сроке эксплуатации 10 лет; 3 - расширенная методика СНиП 2.04.01-85* при давлении в сети 0,32 МПа и сроке эксплуатации один год; 4 - методика МосводоканалНИИпроекта

About the authors

Sayriddin Sh. SAYRIDDINOV

Togliatti State University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files