Wpływ prędkości przepływu wody na pracę miedzianej instalacji wody ciepłej i zimnej

Aspekty pracy instalacji wodociągowej

Dla większości inwestorów, projektantów, instalatorów czy zarządców budynków głównym kryterium wyboru materiału w instalacji wody ciepłej, zimnej i cyrkulacyjnej jest koszt inwestycyjny.

Liczne publikacje naukowe i fora internetowe informują o problemach eksploatacyjnych w instalacjach z różnych materiałów, dowodząc, że o wyborze materiału powinny decydować również inne przesłanki, koszt przedwczesnej wymiany instalacji wodociągowej (np. z powodu korozji) jest bowiem dużo wyższy niż pierwotny koszt zakupu.

Ważną kwestią jest również spełnienie wymagań przepisów dotyczących stosowania materiałów instalacyjnych. Należy ponadto zwrócić uwagę na: bezpieczeństwo użytkowania, warunki zdrowotne, oszczędność energii oraz problemy ekologiczne i energetyczne związane z utylizacją wycofanych z użytkowania przewodów [1, 2].

Wskazówki te, choć wydają się oczywiste, kryją szereg aspektów prawnych, projektowych, wykonawczych i eksploatacyjnych, które decydują o prawidłowej pracy instalacji.

Czynnikami wpływającymi na właściwą pracę instalacji są: jakość wody zasilającej instalacje wodociągowe, temperatura wody, rodzaj materiału instalacyjnego, warunki hydrauliczne pracy oraz warunki użytkowania instalacji.

Warunki hydrauliczne – prędkość

Norma PN-92/B-01706 [3] została wycofana przez Polski Komitet Normalizacyjny bez zastąpienia, ale w nowelizacji rozporządzenia w sprawie warunków technicznych z 17 lipca 2015 r. [4] została ona przywołana między innymi w zakresie zalecanych prędkości przepływu wody, które są decydującym kryterium przy doborze średnic przewodów i wynoszą:

• w połączeniach od pionu do punktów czerpalnych i w pionach w instalacji wodociągowej – do 1,5 m/s,
• w głównych przewodach rozprowadzających i w przyłączach domowych – do 1 m/s.

Stosowanie prędkości zgodnych z PN-92/B-01706 [3] ma istotne znaczenie, wpływa bowiem bezpośrednio na: stopień korozji rury, poziom głośności pracy instalacji, uderzenia hydrauliczne, liniowe i miejscowe straty ciśnienia w instalacji oraz rozwój biofilmu, który obok temperatury i stagnacji wody ma decydujące znaczenie dla zapobiegania namnażaniu się bakterii Legionella oraz ich zwalczania [5].

Warunki pracy instalacji

Korozja

Korozja uważna jest za podstawową przyczynę nieprawidłowej pracy instalacji. Odkładanie się produktów korozji na wewnętrznych powierzchniach przewodów i urządzeń powoduje zanieczyszczenie wody, zwiększenie chropowatości rur, ograniczenie pola przepływu, tworzenie biofilmu i doprowadzenie do perforacji [1, 6, 7].

W instalacjach miedzianych ze względu na korozję erozyjną należy przestrzegać zasady, by prędkość przepływu wody nie przekraczała 1 m/s w poziomach i 2 m/s w podłączeniach i pionach [8].

Zalecana dla miedzianych przewodów poziomych prędkość 1 m/s jest zgodna z zaleceniami normy PN-92/B-01706 [3]. Natomiast dopuszczalna dla miedzi prędkość w odcinkach pionowych i węzłach sanitarnych jest wyższa od zaleceń normy.

Zdaniem autorek przyjęcie kryterium prędkości 2 m/s przy doborze tych średnic jest poprawne i wskazane, nie będzie bowiem generować problemów eksploatacyjnych opisanych poniżej i zarazem będzie bezpieczne dla trwałości materiału.

Wskazane jest stosowanie zamiast kolan łuków, mniej wrażliwych na zarysowanie i zniszczenie warstwy tlenkowej przez zanieczyszczenia niesione w wodzie wodociągowej.

Na początku instalacji miedzianej (za zestawem wodomierzowym) należy instalować filtr mechaniczny o zdolności zatrzymywania cząstek większych niż 80 mm [8].

Hałas

Kwestia hałasu w instalacjach wodociągowych i mostków akustycznych nie jest szeroko omawiana w literaturze. Są to zjawiska niepożądane, badania pokazują, że hałas może stanowić jedną z przyczyn nadciśnienia tętniczego, bólu głowy, dyskomfortu psychicznego i fizjologicznego oraz nerwicy [9].

Szum w przewodach wodociągowych powstaje podczas poboru wody, głównie w przewężeniach przekrojów wewnętrznych.

Hałas pochodzący od przewodów jest tym większy, im większe jest ciśnienie wypływu z armatury, a tym samym i przepływ.

Zależność poziomu hałasu instalacyjnego od prędkości przepływu wody i zastosowanego materiału instalacyjnego przedstawiono w tabeli 1 [10]. Przewody miedziane, zwłaszcza pokryte tworzywem sztucznym, charakteryzują się najlepszą izolacyjnością akustyczną.

Straty ciśnienia

Wyniki obliczeń strat hydraulicznych często odbiegają od rzeczywistych strat w instalacji, powodując np. niekorzystną pracę zestawu hydroforowego. Zarówno zaniżenie, jak i zawyżenie tej wartości negatywnie wpływa na efektywność ekonomiczną pracy instalacji [11]. Błędy obliczeniowe występują w wyniku stosowania różnych wzorów i wartości współczynników, nieuwzględniania temperatury wody i nieprawidłowego wykonania instalacji.

Do obliczeń strat ciśnienia można stosować różne wzory, choć ze względu na uwikłaną postać współczynnika oporów liniowych w tych zależnościach w praktyce inżynierskiej korzysta się z tablic lub nomogramów, ujmujących zależność między: średnicą przewodów, przepływem, prędkością i jednostkową wysokością strat ciśnienia.

Współczynnik oporów liniowych zależy od wartości współczynnika chropowatości bezwzględnej k. Jest on różny dla różnych materiałów i im jego wartość jest mniejsza (czyli powierzchnia gładsza), tym mniejsze są opory przepływu wody i mniejsza możliwość powstawania osadu i niszczenia materiału.

Na podstawie badań różnych systemów rur z tworzywa sztucznego ocenia się, że wartości chropowatości bezwzględnej podawane przez producentów (np. k = 0,007) są zaniżone i w rzeczywistości mogą wynosić nawet 0,5 mm dla prędkości 0,5 m/s i 0,15 mm dla prędkości 2,8 m/s [2].

Dodatkowo największe wartości współczynnika oporów liniowych występują dla mniejszych średnic, stosowanych przy podejściach do przyborów [2, 11].

W praktyce do wykonania podejść do umywalek i płuczek zbiornikowych używane są przewody DN 16, a do pozostałych przyborów (zlewozmywaki, wanny, natryski) – DN 20.

Współczynnik chropowatości dla rur miedzianych wynosi k = 0,0015 mm [6].

Jednostkowe straty ciśnienia R [Pa/m] w przewodach miedzianych oraz spadki ciśnienia wywołane oporami miejscowymi można znaleźć w wytycznych Europejskiego Instytutu Miedzi [12] oraz COBRTI „Instal” [13].

Autorki nie natrafiły na publikacje dotyczące innych badań strat ciśnienia dla rur miedzianych.

Wyższa prędkość przepływu wody generuje większe straty ciśnienia. Dobór średnic przewodów dla podawanego przez niektórych producentów kryterium prędkości 3 m/s sprawia, że dla budynku pięciokondygnacyjnego przekraczane jest ciśnienie dopuszczalne i występuje problem z doborem układu pompowego.

Z przyczyn opisanych powyżej przyjmowanie wysokości strat ciśnienia na granicy dopuszczalności jest niebezpieczne, gdyż w rzeczywistości straty mogą być znacznie większe od obliczonych.

Przy wyznaczaniu strat ciśnienia istotna jest jeszcze jedna wartość – przepływ obliczeniowy wody. W literaturze branżowej toczy się dyskusja nad wyborem właściwej metody obliczania tego parametru, dostosowanej do współczesnych uwarunkowań.

W tabeli 2 pokazano spadki ciśnienia odcinka magistralnego wody ogólnej wyznaczone dla przepływów wody obliczonych różnymi metodami obliczeniowymi dla ośmiokondygnacyjnego budynku mieszkalnego o standardowym wyposażeniu mieszkań [14]. Doboru średnic dokonano, kierując się kryterium prędkości wody zgodnie z PN-92/B01706 [3] oraz EIM [12] dla przewodów poziomych.

Jak wynika z tabeli 2, chcąc zachować ten sam typoszereg dla rur z PP co dla rur z miedzi, dopuszczalna prędkość 1 m/s dla rur z tworzywa przekroczona jest w każdym przypadku, a dla przepływu 1,5 dm³/s oraz 1,82 dm³/s wskazany jest dobór średnicy przewodu PP o większej dymensji.

Należy zauważyć, że przyjęty dla przykładu typ rur z PP charakteryzuje się małą grubością ścianki, na rynku dostępne są również przewody o średnicy 50×8,3 mm, dla których prędkość i straty ciśnienia będą oczywiście większe.

Z porównania strat ciśnienia dla przewodów wykonanych ze stali, miedzi i PP wynika, że najniższe straty ciśnienia występują dla przewodu wykonanego z miedzi.

Biofilm

Czynniki związane z rodzajem zastosowanego materiału, takie jak podatność na korozję, chropowatość powierzchni oraz skład chemiczny, wpływają znacząco na rozwój biofilmu. Na podstawie wielu badań [5] stwierdzono hamujący wpływ jonów miedzi na namnażanie się bakterii Legionella.

Wpływ prędkości jest tu również bardzo istotny. Z jednej strony duża prędkość jest pożądana ze względu na działanie sił ścinających, które redukują górne warstwy biofilmu, z drugiej zaś sprzyja powstawaniu biofilmu, gdyż zapewnia dostawę substancji pokarmowych [5].

Z kolei zbyt niska prędkość przepływu wody sprzyja rozwojowi biofilmu odpornego na niekorzystne warunki środowiskowe, w którym namnażają się mikroorganizmy.

Przewody wody ciepłej i cyrkulacyjnej, w których odbywa się stały przepływ wody, nie są narażone na jej stagnację, tak jak przewody wody zimnej.

Z punktu widzenia ochrony przed legionelozą zaleca się w przewodach miedzianych wody zimnej oraz ciepłej bez cyrkulacji zapewnienie prędkości maksymalnej 1–2 m/s odpowiednio dla odcinków magistralnych lub pionowych zgodnie z zaleceniem EIM [12].

Należy dodać, że przeprowadzenie dezynfekcji cieplnej zalecanej w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych [4] odbywa się bez żadnych negatywnych skutków dla trwałości instalacji miedzianej [8].

Podsumowanie

• Zalecane przez normę PN-92/B-01706 [3] prędkości przepływu wody wpływają na prawidłową pracę instalacji wodociągowej w każdym jej aspekcie.
• Wskazane dla instalacji miedzianej prędkości 1 m/s dla przewodów poziomych i 2 m/s w pionach i podłączeniach gwarantują bezpieczną i cichą pracę.
• Pozytywne cechy miedzi sprawiają, że jest to właściwy materiał instalacyjny i przy zachowaniu odpowiednich warunków pracy jej trwałość wynieść może nawet 100 lat.

Literatura

1. Górecki A., Przepisy – instalacje – materiały – woda, „Instal” nr 1/2016.
2. Piechurski F.G., Badania porównawcze współczynników liniowych strat ciśnienia w instalacjach wodociągowych z polipropylenu, „Nowe technologie w sieciach i instalacjach wodociągowych i kanalizacyjnych”, Wisła 2006.
3. PN-92/B-01706 Instalacje wodociągowe. Wymagania w projektowaniu.
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690, z późn. zm.).
5. Toczyłowska B., Rola biofilmu w zapobieganiu i zwalczaniu bakterii Legionella w instalacjach wodociągowych, „Instalacje wodociągowe i kanalizacyjne – projektowanie, wykonanie, eksploatacja”, Seidel-Przywecki, Warszawa 2015.
6. Stefański W., Wpływ zwiększenia chropowatości i zmniejszenia średnicy rur na opory hydrauliczne, „Instal” nr 9/2006.
7. Górecki A., Korozyjność wody wodociągowej a materiał instalacyjny, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2011.
8. Zakrzewski K., Miedź w instalacjach wody pitnej, „Polski Instalator” nr 4/2015.
9. Piechurski F., Ochrona przed hałasem w instalacjach wod-kan, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2008.
10. www.budnet.pl/Izolacyjnosc_akustyczna_instalacji_wodnokanalizacyjnej,Izolacje_akustyczne,115602-czytaj.html, 21.10.2016.
11. Hirol M., Hirol A., Numeryczne badania współczynnika oporów liniowych dla rur polimerowych, „Instalacje wodociągowe i kanalizacyjne – projektowanie, wykonanie, eksploatacja”, Seidel-Przywecki, Warszawa 2015.
12. Instalacje wodociągowe, ogrzewcze i gazowe na paliwo gazowe, chłodnicze, klimatyzacyjne, medycznych z rur miedzianych i stopów miedzi. Wytyczne stosowania i projektowania, Europejski Instytut Miedzi, 2016.
13. Wytyczne projektowania i stosowania instalacji z rur miedzianych, COBRTI „Instal”, Zeszyt nr 10.
14. Szaflik W., Nejranowski J., Porównanie wybranych metod określania przepływów obliczeniowych w instalacjach wodociągowych budynków mieszkalnych, „Instalacje wodociągowe i kanalizacyjne – projektowanie, wykonanie, eksploatacja”, Seidel-Przywecki, Warszawa 2015.