Odprowadzanie wody z dachów płaskich

Systemy odwadniania dachów jako układy hydrauliczne można podzielić na dwa rodzaje:

• systemy grawitacyjne,

• systemy podciśnieniowe.

System grawitacyjny

Tradycyjny system grawitacyjny składa się z przewodów odprowadzających wodę deszczową, które nawet przy dużej intensywności opadów, równej maksymalnej wartości obliczeniowej, pracują jako częściowo wypełnione.

Dokładne obliczenia hydrauliczne przewodu spustowego prowadzącego mieszaninę wody i powietrza są trudne, a w praktyce wręcz niemożliwe. Dlatego do wymiarowania instalacji przyjmuje się duży współczynnik bezpieczeństwa i w efekcie przewody spustowe oraz kolektory zbiorcze w systemie grawitacyjnym mają duże średnice. Ponadto w dachach płaskich wpusty dachowe połączone z przewodami grawitacyjnymi mają bardzo małą wydajność i przewody te muszą być prowadzone z odpowiednim spadkiem.

Zgodnie z normą [1] stopień wypełnienia przewodów odprowadzających wody opadowe w obrębie budynku powinien wynosić max 0,7 (h/d = 0,7). Gwarantuje to właściwe napowietrzanie i odpowietrzanie przewodów spustowych. W tradycyjnym systemie odwodnienia dachów stosuje się dużą ilość wpustów dachowych i wiele pionów spustowych (rys. 2a).

System podciśnieniowy

 Rozwiązanie to wykorzystuje tworzące się w przewodach podciśnienie. Energia potrzebna do wytworzenia podciśnienia powstaje w wyniku różnicy wysokości pomiędzy poziomem, na którym znajduje się wpust dachowy a poziomem, na którym woda odpływa do zbiornika lub przewodu kanalizacji grawitacyjnej o swobodnym zwierciadle wody.

Podstawową różnicą w stosunku do systemu grawitacyjnego jest to, że przewody mogą być prowadzone także odcinkami poziomymi, gdyż spływająca woda tworzy podciśnienie, zasysając tą znajdującą się wokół wpustu.

Wystąpienie podciśnienia i praca instalacji przy całkowitym napełnieniu przewodów jest uzależniona od spełnienia kilku warunków:

• natężenie deszczu jest zbliżone do obliczeniowego; 

• średnice przewodów są tak dobrane, żeby zapewnić uzyskanie odpowiednich prędkości przepływu; 

• zapewniona jest wystarczająca różnica wysokości; 

• nie następuje zasysanie powietrza przez wpusty dachowe i nie występuje kawitacja.

Gdy nie ma opadów o tak dużej intensywności, aby wypełnić wodą całkowicie przewód odprowadzający, system pracuje jak tradycyjny, grawitacyjny. 

Wraz ze wzrostem natężenia deszczu podnosi się poziom wody wokół wpustu i do przewodów wpływa coraz więcej wody, tak iż do przewodów nie dostaje się powietrze, a to powoduje powstanie podciśnienia, które zasysa wodę z dachu i przyspiesza jej przepływ.

Do budowy systemów podciśnieniowych wymagane są odpowiedniej jakości przewody i kształtki z trwałych materiałów, gwarantujące szczelność połączeń oraz specjalnej budowy wpusty dachowe. Istotne też jest prawidłowe wykonanie mocowań instalacji.

Na naszym rynku oferowane są systemy podciśnieniowe z rurami i kształtkami wykonanymi z polietylenu wysokiej gęstości (HDPE) oraz z PVC-U.

Elementy z HDPE są odporne na niskie i wysokie temperatury (–40÷100°C), mają niską przewodność cieplną (0,43 W/m×K), łączy się je przez zgrzewanie, co gwarantuje szczelność połączeń, są elastyczne i lekkie, a tym samym łatwe w montażu.

Stosowany w HDPE stabilizator czyni je odpornymi na promieniowanie UV, wyróżnia je też odporność na uderzenia (nie ulegają uszkodzeniu przy uderzeniu w temp. nawet do –40°C), są one odporne na ścieranie (piasek) i na większość stosowanych substancji chemicznych. Ich wadą jest dość duży współczynnik rozszerzalności liniowej, co należy uwzględniać przy montażu i mocowaniu przewodów.

Z uwagi na wysoką wydajność system podciśnieniowy jest stosowany przede wszystkim do odwadniania dużych powierzchni, takich jak dachy hal przemysłowych, centrów handlowych, dużych obiektów użyteczności publicznej czy obiektów sportowych. Stosuje się go także do odwadniania tarasów, parkingów, „zielonych” dachów i budynków mieszkalnych.

System można również stosować w obiektach o nietypowych konstrukcjach połaci dachowych. Zasadniczym kryterium możliwości zastosowania systemu podciśnieniowego w małych obiektach jest wielkość powierzchni przeznaczonej do odwodnienia – producenci zalecają, że powinna ona być większa od 70 m2 [4].

Zalety systemu podciśnieniowego w stosunku do grawitacyjnego to:

• mniejsze średnice przewodów, o ok. 1/2 średnic w stosunku do tradycyjnego systemu;

• nie są wymagane spadki na całej długości instalacji, co stwarza większe możliwości dowolnego, w tym poziomego, prowadzenia przewodów;

• lepsze wykorzystanie powierzchni pomieszczeń wewnętrznych budynku w wyniku możliwości stosowania mniejszej liczby pionów kanalizacji deszczowej;

• samooczyszczanie przewodów rurowych pod wpływem dużych prędkości przepływu wody;

• mniejsza ilość przewodów znajdujących się pod ziemią, mniejsza liczba połączeń z kanałami i zmniejszenie ilości robot ziemnych.

Wytyczne projektowe

Projektowanie instalacji ścieków deszczowych reguluje norma PN-B-01707:1992 Instalacje kanalizacyjne – Wymagania w projektowaniu [1]. Normą tą objęto instalacje kanalizacyjne ścieków deszczowych dla obiektów budowlanych. Zawiera ona m.in. wymagania ogólne i szczegółowe dla instalacji, ścieków, materiałów oraz wymagania ochronne instalacji.

Ustala także zasady obliczania przepływów, wymiarowania podejść i przewodów kanalizacyjnych oraz wentylacyjnych kanalizacji. Norma precyzuje m.in. minimalne miarodajne natężenie deszczu oraz współczynniki spływu w zależności od rodzaju dachu. Zawarte w tej normie wytyczne dotyczące sposobu projektowania instalacji deszczowej dotyczą tylko systemów grawitacyjnych.

Drugą normą regulującą projektowanie instalacji ścieków deszczowych jest norma PN-EN 12056-3:2002 Systemy kanalizacji grawitacyjnej wewnątrz budynków. Część 3: przewody deszczowe [2]. Norma ta wprawdzie jest bardziej ogólna, jednak wyodrębnia – jako jeden z rodzajów instalacji kanalizacji deszczowej – systemy syfonowe (podciśnieniowe).

Norma nie precyzuje jednak współczynników spływu dla różnych dachów i wskazuje, aby wielkość natężenia deszczu przyjmowaną do obliczeń określać na podstawie danych statystycznych o opadach atmosferycznych, z uwzględnieniem charakteru i sposobu wykorzystania budynku oraz odpowiednio do stopnia ryzyka, jaki można zaakceptować.

Projektanci mogą się jednak spotkać z brakiem danych statystycznych i wówczas należy się kierować wartościami odpowiednimi do warunków klimatycznych w miejscu usytuowania budynku, a także zgodnie z krajowymi i lokalnymi przepisami oraz wytycznymi.

Firmy oferujące systemy instalacji kanalizacji deszczowej podciśnieniowej zalecają, aby – z uwagi na bezpieczeństwo konstrukcji dachu – do obliczeń przyjmować, zgodnie z normą PN 92/B-01707 [1], wartość natężenia deszczu nie mniejszą niż 300 l/s×ha oraz stosować następujące współczynniki spływu w zależności od nachylenia i rodzajów dachów:

• dla dachów „zielonych (ogrodów dachowych) – 0,3;

• dla dachów żwirowych – 0,5,

• dla dachów o nachyleniu >15° – 1,0,

• dla dachów o nachyleniu <15° – 0,8.

Dysponując informacją o powierzchni dachu oraz współczynnikiem spływu, a także miarodajnym natężeniem opadu deszczu, możemy wyliczyć wymaganą wydajność instalacji odprowadzającej wody deszczowe wg wzoru:

Q=Ψ×A×q [l/s]

gdzie:
Ψ – współczynnik spływu,
A – powierzchnia dachu [m²],
q – miarodajne natężenie deszczu [l/s×ha].

Ta wartość da nam wiedzę o ilości wymaganych wpustów dla danej powierzchni dachu. Przy wyliczeniach ilości i lokalizacji wpustów warto wziąć pod uwagę jeszcze inne czynniki, takie jak: konstrukcję dachu i sposób wykonania spadków, przeznaczenie obiektu, możliwości wykonania przelewów awaryjnych, ściany ogniowe, a także ewentualnie inne dachy z których woda jest odprowadzana na powierzchnię dachową z wpustami.

Z asortymentu wpustów dachowych należy wybrać odpowiedni dla danego typu dachu. W każdym najniższym punkcie konstrukcji dachu należy umieścić wpust dachowy. Maksymalna odległość między dwoma wpustami dachowymi nie powinna przekraczać 20 m [3, 5]. Wpusty dachowe należy umieszczać przynajmniej w odległości 1 m od sąsiadujących ścian z uwagi na możliwość zalegania śniegu.

Do systemu podciśnieniowego odwadniania dachów można podłączyć kilka powierzchni dachowych, pod warunkiem jednak, że nie występuje zbyt duża różnica wysokości oraz że są to te same typy dachów. Do jednego systemu nie można podłączyć jednocześnie dachu zwykłego z dachem z roślinnością lub dachem żwirowym, gdyż ma miejsce różna intensywność spływu wody i praca systemu będzie zakłócona.

Niedozwolone jest prowadzenie przewodów zbiorczych ze spadkiem i włączanie innych przewodów do instalacji odwodnienia, np. przewodów z klimatyzatorów. Nie powinno się umieszczać wpustów oraz prowadzić instalacji nad pomieszczeniami, w których ewentualne wystąpienie skraplania wody lub awaria instalacji mogłyby spowodować znaczne straty materialne lub stanowić zagrożenie dla życia lub zdrowia pracowników, np. sale operacyjne, archiwa, stacje transformatorowe itp. [4].

W celu unikania roszenia przewodów prowadzonych wewnątrz budynku zaleca się ich izolowanie, np. otulinami izolacji technicznych. Spływająca do wpustów woda nie może nanosić zanieczyszczeń, zwłaszcza unoszących się na wodzie (np. piłeczki) i w tym celu wpust powinien być wyposażony w odpowiednie rozwiązania techniczne adekwatne do typu dachu.

Wymiarowanie systemu

Zasady projektowania całkowicie wypełnionego wodą systemu podciśnieniowego oparte są na równaniu Bernoulliego wiążącego prędkość i ciśnienie płynącej nieściśliwej cieczy ze zmiennymi przekrojami przewodu. Aby zapewnić wymagany efekt ssący przy założonej intensywności opadów, należy dobrać idealne średnice przepływu dla każdego odcinka rurociągu.

Średnice rur i kształtek (trójników, redukcji) muszą być tak dobrane, aby aktualny spadek ciśnienia równoważył straty spowodowane zmniejszeniem wysokości słupa wody. Obliczenia te należy wykonać dla każdego odcinka, od wpustu dachowego aż do miejsca odprowadzenia na zewnątrz. Celem obliczeń jest ograniczenie zmian ciśnienia przypadających na jeden odcinek.

Gdy ta różnica jest większa od 100 mbar, może to wpłynąć negatywnie na wydajność systemu. Obliczenia dla poszczególnych odcinków przewodu należy rozpocząć od najbardziej niekorzystnego ze względu na opór. W większości przypadków jest to odcinek od wpustu dachowego, znajdującego się najdalej od miejsca odprowadzenia wody na zewnątrz.

Ze względu na skomplikowane algorytmy obliczeń przy doborze systemu warto skorzystać ze specjalnego oprogramowania oferowanego przez producentów. Producenci oferują także doradztwo i katalogi do doboru średnic przewodów oraz strat ciśnienia dla poszczególnych elementów systemu (przewodów, trójników, łuków, redukcji itp.).

Niektóre firmy wręcz sugerują, aby korzystać z ich doradztwa technicznego przy projektowaniu systemu i doborze elementów, a każdorazowe zmiany koniecznie konsultować z doradcą technicznym. 

Przelewy awaryjne

Wytyczne i normy niemieckie zalecają, aby każdy dach płaski lub wydzielona część płaska dachu i każda rynna były wyposażone w odpowiednie przelewy bezpieczeństwa, bez względu na ilość wpustów dachowych oraz sposób odwadniania dachu [3].

Instalacja przelewu bezpieczeństwa nie może być włączana do tego samego kolektora zewnętrznej sieci odprowadzającego wodę deszczową, do którego jest podłączony system podciśnieniowy. Najlepiej odprowadzić wody deszczowe przelewem bezpieczeństwa na powierzchnię terenu poprzez przewody umiejscowione w attyce.

Zaleca się wykonywanie tych przewodów o przekroju prostokątnym, gdyż umożliwiają one szybsze odprowadzenie wody niż okrągłe. Przewody instalacji przelewu bezpieczeństwa prowadzone wewnątrz budynku mają przekrój okrągły. Wysokość umiejscowienia krawędzi wpustów przelewów bezpieczeństwa i średnice przewodów należy obliczyć, biorąc pod uwagę powierzchnię i konstrukcję dachów.

Dla wpustów umieszczonych przy ścianie zewnętrznej przelewy awaryjne w attyce należy lokalizować w pobliżu miejsca zamontowania tych wpustów. Wydajność takiego przelewu powinna mieć wydajność co najmniej dwukrotnie większą od wydajności pobliskiego wpustu podciśnieniowego.

W przypadku gdy kilka wpustów jest umieszczonych w jednej linii biegnącej w środku dachu, przelewy w attyce mogą zostać umieszczone tylko w pobliżu wpustów skrajnych. Z tego względu powierzchnia przelewów musi być na tyle duża, żeby zapewnić odprowadzenie wody również z części środkowej dachu – przy założeniu, że jest możliwy swobodny przepływ wody pomiędzy sąsiadującymi wpustami.

Jeżeli konstrukcja dachu uniemożliwia przepływ wody między wpustami, to dla wpustów skrajnych można wykonać przelewy awaryjne w attyce, natomiast dla wpustów wewnętrznych można wykonać instalację awaryjnego odwodnienia w systemie rurowym [4]. Producenci oferują tabele pomocne w doborze typowych przelewów awaryjnych.

Połączenia z kanalizacją grawitacyjną

Woda odprowadzana z dachu przez system podciśnieniowy może być odprowadzana do kanalizacji grawitacyjnej lub innego odbiornika, np. zbiornika retencyjnego lub systemu rozsączania. W każdym przypadku należy zredukować prędkość przepływu wody do wartości akceptowalnych dla konkretnego odbiornika i jego budowy.

Redukcję prędkości można osiągnąć np. poprzez zwiększenie średnicy przewodu odpływowego. Nie wolno odprowadzać wody z przelewów awaryjnych do tego samego odbiornika co system podstawowy. W każdym przypadku instalacja kanalizacyjna musi zapewnić sprawne odprowadzenie obliczeniowej ilości wody tak, aby nie następowało jej podtapianie, gdyż może to spowodować zmniejszenie wydajności hydraulicznej tej instalacji.

Literatura

1. PN-B-01707:1992 Instalacje kanalizacyjne – Wymagania w projektowaniu.

2. PN-EN 12056-3:2002 Systemy kanalizacji grawitacyjnej wewnątrz budynków. Część 3: przewody deszczowe.

3. Podciśnieniowy system odwadniania dachów Geberit Pluvia, materiały firmy Geberit.

4. System instalacji do podciśnieniowego odwadniania dachów Wavin QuickStream, Poradnik techniczny, Wavin 2006.

5. Akatherm, Katalog Techniczny, Marley 2008.