Kanalizacja podciśnieniowa – zasady projektowania
Vacuum sewerage system – design rules
Kanalizacja podciśnieniowa
Fot. pixabay.com
Normy dotyczące projektowania kanalizacji podciśnieniowej zawierają jedynie ogólne wymagania techniczne, z kolei w wytycznych EPA przy doborze parametrów projektowych występują nieścisłości. W projektowaniu warto posiłkować się algorytmem wymiarowania kanalizacji wg ATV-DVWK-A 116 oraz korzystać z metod projektowania opracowanych przez firmy na podstawie doświadczeń eksploatacyjnych.
Zobacz także
Grupa Aliaxis Biblioteki BIM Grupy Aliaxis – kompletne pod każdym względem
Building Information Modelling (BIM) powoli staje się codziennością w biurach projektowych i na placach budowy. Inwestorzy, projektanci i generalni wykonawcy dostrzegli potencjał cyfryzacji, coraz chętniej...
Building Information Modelling (BIM) powoli staje się codziennością w biurach projektowych i na placach budowy. Inwestorzy, projektanci i generalni wykonawcy dostrzegli potencjał cyfryzacji, coraz chętniej wdrażając nowe technologie i procesy. Producenci materiałów i produktów budowlanych również starają się iść z duchem czasu. Niestety zbyt często „gotowość na BIM” jest upraszczana i sprowadzana do posiadania biblioteki obiektów BIM (np. rodzin Revit). Co gorsza, jakość plików i danych do pobrania...
EcoComfort Koszt budowy domu 2017 – na jaką kwotę musisz być przygotowany?
Koszty budowy domu każdego roku analizuje kilkadziesiąt tysięcy prywatnych inwestorów, którzy rozpoczynają walkę o własne cztery ściany. Jeszcze większa liczba ludzi sprawdza koszty budowy domu, bo marzy...
Koszty budowy domu każdego roku analizuje kilkadziesiąt tysięcy prywatnych inwestorów, którzy rozpoczynają walkę o własne cztery ściany. Jeszcze większa liczba ludzi sprawdza koszty budowy domu, bo marzy o własnym kącie. Budowa domu jest dla większości inwestorów największym wydatkiem w życiu, bo to tam właściciel planuje spędzić swoją przyszłość. Nie da się ukryć, że do budowy domu trzeba się dobrze przygotować. Wbrew pozorom inwestycja nie zaczyna się wraz z wyborem działki czy projektu – rozpocząć...
dr inż. Edmund Nowakowski Metody określania obliczeniowych przepływów wody w budynkach mieszkalnych
Norma PN-92/B-01706 [1], zawierająca wzory i tabele do określania obliczeniowych przepływów wody w instalacjach wodociągowych w budynkach, została w maju 2009 r. unieważniona bez podania normy zastępczej....
Norma PN-92/B-01706 [1], zawierająca wzory i tabele do określania obliczeniowych przepływów wody w instalacjach wodociągowych w budynkach, została w maju 2009 r. unieważniona bez podania normy zastępczej. Wobec konieczności znalezienia innej metody obliczeniowej w artykule omówiono sposoby obliczeń wykorzystywane dotychczas w Polsce.
W artykule:• Zasady wymiarowania zbiorczych rurociągów podciśnieniowych
|
W kanalizacji podciśnieniowej (więcej w artykule [12]) można zastosować węzły opróżniające z zaworami opróżniającymi typu: Flovac [4], Redivac [8], Roevac [9], Qua-Vac [10] i Schluff [11]. Zaleca się stosowanie wyłącznie rozgałęzionej sieci (promienistej) z centralną stacją próżniowo-pompową. Kanalizacja podciśnieniowa służy do zbierania ścieków, a nie do ich transportowania na większe odległości. Długość pojedynczego zbiorczego rurociągu podciśnieniowego nie może przekraczać 4 km [2]. Duże obszary terenu można podzielić na strefy z własną stacją próżniowo-pompową.
Węzeł opróżniający z zaworem opróżniającym będzie pracował prawidłowo, gdy minimalne podciśnienie na podłączeniu będzie wynosić 0,2 bara [5]. System kanalizacji podciśnieniowej musi być szczelny i w razie awarii systemu mieć pojemność rezerwową ok. 25% średniego dobowego dopływu ścieków [6]. Minimalne średnice zbiorczych rurociągów podciśnieniowych należy przyjmować w zależności od występowania w ściekach dużych zanieczyszczeń stałych. Kiedy ich brak, należy przyjmować minimalną średnicę 65 mm, a gdy występują duże zanieczyszczenia stałe – 80 mm [6].
Do projektowania kanalizacji podciśnieniowej ogólnie dostępne są wytyczne ATV-DVWK‑A 116 [2], PN-EN 1091 [6] i EPA/625/1‑91/024 [3]. Obowiązująca norma PN-EN 1091 [6] odnośnie do projektowania kanalizacji podciśnieniowej zawiera minimalne wymagania, które ograniczają się do ogólnych wymagań technicznych dotyczących budowy i zastosowania urządzeń w systemach kanalizacji podciśnieniowej. Natomiast w wytycznych EPA/625/1-91/024 [3] przy doborze parametrów projektowych występuje wiele nieścisłości. W wytycznych brakuje informacji, jak te parametry prawidłowo przyjmować. Dlatego w artykule przedstawiony został tylko algorytm wymiarowania kanalizacji podciśnieniowej wg ATV-DVWK-A 116 [2].
Zasady wymiarowania zbiorczych rurociągów podciśnieniowych
Do obliczania maksymalnej odległości pomiędzy wzniesieniami w zależności od rodzaju zastosowanego profilu ułożenia rurociągu (rys. 1) zaleca się stosowanie poniższych wzorów [2]:
- dla profilu falowego F (rys. 1a):
H ≥ d + 0,05 (1)
h = H – d (2)
l1 ≥ 2 · (R · H)1/2 (3)
l2 ≤ 500 · H (4)
- dla profilu piłokształtnego P (rys. 1b):
H ≥ d + 0,05 (5)
h = H – d (6)
L ≤ 500 · H (7)
- dla profilu kieszeniowego K (rys. 1c):
H > d + 0,05 (8)
h = H (9)
L < 500 · H (10)
gdzie:
L – dopuszczalna odległość pomiędzy wzniesieniami, m;
H – wysokość wzniesienia rurociągu podciśnieniowego, m;d – wewnętrzna średnica rurociągu podciśnieniowego, m;
h – wysokość wzniesienia wewnątrz rurociągu podciśnieniowego – strata statyczna, m;
R – promień wygięcia rurociągu podciśnieniowego, m.
Rys. 1. Profil zbiorczego rurociągu podciśnieniowego [5]: a) w kształcie fali, b) w kształcie zębatej piły, c) w kształcie kieszeni
Promień wygięcia rurociągu podciśnieniowego R w zależności od rodzaju materiału wyznacza się ze wzorów [2]:
- dla PVC-U: R > 300 · D (11)
- dla PE-HD: R > 50 · D (12)
gdzie: R – promień wygięcia rurociągu podciśnieniowego, m;
D – zewnętrzna średnica rurociągu podciśnieniowego, m.
Wymiarowane rurociągów podciśnieniowych w pierwszym rzędzie zależy od długości gałęzi i gęstości zasiedlenia. Długość gałęzi to odległość zbiorczego rurociągu podciśnieniowego od stacji próżniowo-pompowej do najbardziej oddalonego węzła opróżniającego, bez uwzględniania krótkich rurociągów bocznych i podłączeniowych. Jako gęstość zasiedlenia przyjmuje się liczbę mieszkańców na metr długości gałęzi [2]:
(13)
gdzie:
Gz – gęstość zasiedlenia dla pojedynczej gałęzi, m–1;
∑Mi – liczba mieszkańców podłączonych do pojedynczej gałęzi, –;
Lg – długość pojedynczej gałęzi, m.
Na podstawie długości gałęzi i gęstości zasiedlenia z tabeli 1 określa się średni stosunek powietrza do ścieków w danej gałęzi zbiorczego rurociągu podciśnieniowego. Natomiast stosunek powietrza do ścieków na poszczególnych odcinkach zbiorczego rurociągu podciśnieniowego zaleca się przyjmować jako od 2:1 do 12:1. Wskazane jest, żeby stosunek powietrza do ścieków na poszczególnych odcinkach zbiorczego rurociągu podciśnieniowego malał w kierunku stacji próżniowo-pompowej. Po ustaleniu stosunku powietrza do ścieków fi na poszczególnych odcinkach gałęzi z tabeli 2 dobiera się wewnętrzne średnice zbiorczego rurociągu podciśnieniowego.
Tabela 1. Wartości stosunku powietrza do ścieków dla zbiorczych rurociągów podciśnieniowych [2]
*) Zalecane tylko dla specjalnych przypadków
Tabela 2. Wartości do wymiarowania wewnętrznych średnic d zbiorczych rurociągów podciśnieniowych [2]
Zaleca się stopniowanie średnicy podciśnieniowego rurociągu, nawet jeśli z punktu widzenia hydraulicznych wartości granicznych nie ma jeszcze potrzeby jej zwiększania, ponieważ rurociąg podciśnieniowy dodatkowo pełni funkcję akumulatora podciśnienia. Zbiorcze rurociągi podciśnieniowe należy tak projektować, aby suma strat statycznych h na długości pojedynczej gałęzi nie była większa niż 5 m.
Zasady wymiarowania stacji próżniowo-pompowej
Obliczanie ilości ścieków dla zbiornika podciśnieniowego sprowadza się do obliczenia dobowego dopływu ścieków do zbiornika podciśnieniowego ze wzoru [2]:
(14)
gdzie:
Qdśr – dobowy dopływ ścieków, dm3 · d–1;
∑M – liczba mieszkańców podłączonych do kanalizacji podciśnieniowej, –;
qdśr – średnia dobowa ilość ścieków na jednego mieszkańca (w krajach UE waha się od 120 do 400 [7]), dm3 · d–1.
Natomiast sekundowy przepływ ścieków w poszczególnych gałęziach zbiorczych rurociągów podciśnieniowych oblicza się ze wzoru [2]:
(15)
gdzie:
QSi – sekundowy przepływ ścieków w pojedynczej gałęzi, dm3 · s–1;
∑Mi – liczba mieszkańców podłączonych do pojedynczej gałęzi, –.
Całkowity sekundowy dopływ ścieków QS do zbiornika podciśnieniowego oblicza się ze wzoru [2]:
(16)
Natomiast maksymalny sekundowy przepływ strumienia powietrza w poszczególnych gałęziach zbiorczych rurociągów podciśnieniowych oblicza się ze wzoru [2]:
(17)
gdzie:
QPi – sekundowy przepływ powietrza w pojedynczej gałęzi, dm3 · s–1;
QSi – sekundowy przepływ ścieków w pojedynczej gałęzi, dm3 · s–1;
fśri – średni stosunek powietrza do ścieków występujący w pojedynczej gałęzi, –.
Całkowity sekundowy dopływ powietrza QP do zbiornika podciśnieniowego oblicza się ze wzoru [2]:
(18)
Średni stosunek powietrza do ścieków w całym systemie kanalizacji podciśnieniowej f oblicza się ze wzoru [2]:
(19)
Wydajność pojedynczej pompy i ich liczbę w kanalizacji podciśnieniowej dobiera się w taki sposób, aby spełniony został warunek [2]:
- dla pomp ściekowych:
(20)
- dla pomp próżniowych:
(21)
gdzie:
QSs – wydajność pojedynczej pompy ściekowej, dm3 · s–1;
QS – całkowity sekundowy dopływ ścieków do zbiornika podciśnieniowego, dm3 · s–1;
ns – liczba pomp ściekowych, –;
QPp – wydajność pojedynczej pompy próżniowej, dm3 · s–1;
QP – całkowity sekundowy dopływ powietrza do zbiornika podciśnieniowego, dm3 · s–1;
a – współczynnik bezpieczeństwa, który zaleca się przyjmować jako 1,2–1,5, –;
np – liczba pomp próżniowych, –.
Szczytowy przepływ powietrza w eksploatacyjnych warunkach pracy pomp próżniowych oblicza się ze wzoru [2]:
(22)
gdzie:
QPs – szczytowy przepływ powietrza w warunkach eksploatacyjnych, m3 · h–1;
a – współczynnik bezpieczeństwa, który zaleca się przyjmować jako 1,2–1,5, –;
QP – całkowity sekundowy dopływ powietrza do zbiornika podciśnieniowego, m3 · h–1;
pb – ciśnienie barometryczne, kPa;
pśr – średnie bezwzględne ciśnienie pomiędzy ciśnieniem, przy którym następuje wyłączanie się i załączanie pomp próżniowych, kPa.
Wymaganą wydajność ssania pomp próżniowych w kanalizacji podciśnieniowej oblicza się ze wzoru [2]:
(23)
gdzie:
QPps – wydajność pomp próżniowych w kanalizacji podciśnieniowej, m3 · h–1;
pb – ciśnienie barometryczne, kPa;
QPp – wydajność pojedynczej pompy próżniowej, m3 · h–1;
pmax – maksymalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje załączenie pomp próżniowych, kPa;
pmin – minimalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje wyłączenie pomp próżniowych, kPa.
Dobrze dobrane pompy ściekowe i próżniowe dla projektowanej kanalizacji podciśnieniowej muszą spełniać następujące warunki [2]:
(24)
(25)
gdzie:
QSp – wydajność dobranych pomp ściekowych, dm3 · s–1;
QS – całkowity sekundowy dopływ ścieków do zbiornika podciśnieniowego, dm3 · s–1;
ns – liczba pomp ściekowych, –;
QPps – wydajność pomp próżniowych w kanalizacji podciśnieniowej, m3 · h–1;
QPs – szczytowy przepływ powietrza w eksploatacyjnych warunkach, m3 · h–1;
np – liczba pomp próżniowych, –.
Obliczanie objętości zbiornika podciśnieniowego sprowadza się do obliczenia minimalnej objętości ścieków w zbiorniku podciśnieniowym ze wzoru [2]:
(26)
gdzie:
VS – minimalna objętość ścieków w zbiorniku podciśnieniowym, m3;
QSp – wydajność dobranych pomp ściekowych, m3 · h–1;
ks – liczba załączeń pomp ściekowych w ciągu godziny (maksymalnie 12/h), –.
Natomiast minimalną objętość powietrza w zbiorniku podciśnieniowym oblicza się ze wzoru [2]:
(27)
gdzie:
VP – minimalna objętość powietrza w zbiorniku podciśnieniowym, m3;
QPps – wydajność pomp próżniowych w kanalizacji podciśnieniowej, m3 · h–1;
pmax – maksymalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje załączenie pomp próżniowych, kPa;
pmin – minimalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje wyłączenie pomp próżniowych, kPa;
kp – liczba załączeń pomp ściekowych w ciągu godziny (maksymalnie 12/h), –;
np – liczba pomp próżniowych, –.
Całkowitą objętość zbiornika podciśnieniowego oblicza się ze wzoru [2]:
(28)
gdzie:
V – objętość zbiornika podciśnieniowego, m;
VS – minimalna objętość ścieków w zbiorniku podciśnieniowym, m3;
VP – minimalna objętość powietrza w zbiorniku podciśnieniowym, m3.
Następnie należy sprawdzić, czy spełniony został warunek [2]:
(29)
W przypadku gdy w katalogu pomp próżniowych lub ściekowych trzeba oddzielnie dobierać silniki, dla pomp próżniowych całkowitą moc silników można obliczyć ze wzoru [2]:
(30)
gdzie:
Pp – moc pomp próżniowych, kW;
QPps – wydajność pomp próżniowych w kanalizacji podciśnieniowej, m3 · s–1;
pmax – maksymalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje załączenie pomp próżniowych, kPa;
pmin – minimalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje wyłączenie pomp próżniowych, kPa;
pb – ciśnienie barometryczne, kPa;
ηp – sprawność pompy próżniowej, –;
κ – współczynnik adiabatyczny dla powietrza, który wynosi 1,4, –.
Natomiast całkowitą moc silników dla pomp ściekowych oblicza się ze wzoru [2]:
(31)
gdzie:
Ps – moc pomp ściekowych, W;
QSp – wydajność dobranych pomp ściekowych, m3 · s–1;
ρ – gęstość cieczy, kg · m–3;
g – przyspieszenie ziemskie, m · s–2;
Hu – użyteczna wysokość podnoszenia pomp, m;
ηs – sprawność pompy ściekowej, –.
Użyteczną wysokość podnoszenia pomp ściekowych oblicza się ze wzoru [2]:
(32)
gdzie:
HU – użyteczna wysokość podnoszenia pomp ściekowych, m H2O;
∆H – straty hydrauliczne w rurociągu ciśnieniowym, m H2O;
∆Z – geometryczna różnica wysokości, m H2O;
∆pvac – maksymalne podciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, m H2O.
Natomiast maksymalne podciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym oblicza się ze wzoru [2]:
(33)
gdzie:
∆pvac – maksymalne podciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, kPa;
pb – ciśnienie barometryczne, kPa;
pmin – minimalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje wyłączenie pomp próżniowych, kPa.
Podsumowanie
Poprawnie zaprojektowany system kanalizacji podciśnieniowej pracuje zwykle bez zakłóceń. Podczas projektowania należy zwracać szczególną uwagę, żeby suma strat statycznych h na długości pojedynczej gałęzi nie przekraczała 5 m. Natomiast w trakcie budowy rurociągi podciśnieniowe muszą być ułożone w gruncie zgodnie z projektem, z zachowaniem charakterystycznego pilastego profilu.
System kanalizacji podciśnieniowej w pewnych określonych warunkach jest alternatywą dla kanalizacji grawitacyjnej i ciśnieniowej. Jednak często w sytuacjach ewidentnej konieczności zastosowania systemu kanalizacji podciśnieniowej jako alternatywnego rozwiązania jest on przez projektantów pomijany. Przyczyny są m.in. następujące:
- system kanalizacji podciśnieniowej budzi nieufność, a nawet lęk wielu projektantów, często jest to spowodowane brakiem rzetelnej wiedzy oraz rozpowszechnianiem na temat kanalizacji podciśnieniowej informacji nieścisłych lub nawet nieprawdziwych;
- dostępne w literaturze naukowo-technicznej krajowe i zagraniczne wytyczne do projektowania często przypominają bardziej materiały reklamowe niż rzetelne opracowania, które powinny przedstawiać metody projektowania systemu kanalizacji podciśnieniowej;
- wprowadzona w Polsce do stosowania norma europejska [6] jest ogólnikowa, formułuje ogólne wymagania, jakie powinien spełniać system kanalizacji podciśnieniowej, a nie zawiera szczegółowych wytycznych projektowania, natomiast istniejące wytyczne niemieckie [2] i amerykańskie [3] dotyczą ich rodzimych systemów kanalizacji podciśnieniowej, w USA – firmy Airvac [1], w Niemczech – firm Roevac i Schluff [9, 11];
- metody projektowania systemu kanalizacji podciśnieniowej są najczęściej określane na podstawie doświadczeń eksploatacyjnych; każda firma opracowała własne, odmienne metody projektowania, których ze względów komercyjnych nie udostępnia projektantom niezwiązanym z firmą;
- wiedza na temat hydraulicznych warunków pracy systemu kanalizacji podciśnieniowej jest niepełna; konieczne są badania eksperymentalne na modelach w skali 1:1 i rzeczywistych obiektach.
Literatura
- Airvac, Techniczne materiały informacyjne, http://www.airvac.com/indx.htm, 10.09.2016.
- ATV-DVWK-A 116: Part 1. Vacuum drainage outside of buildings, April 2004.
- EPA/625/1-91/024: Alternative Wastewater Collection Systems. Manual, United States Environmental Protection Agency, Washington 1991.
- Flovac, Techniczne materiały informacyjne, http://www.flovac.pl, 10.09.2016.
- Kalenik M., Niekonwencjonalne systemy kanalizacji, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2011.
- PN-EN 1091:2002 Zewnętrzne systemy kanalizacji podciśnieniowej.
- PN-EN 752:2008 Zewnętrzne systemy kanalizacyjne.
- Redivac, Techniczne materiały informacyjne, http://www.redivac.co.uk/index.html, 10.09.2016.
- Roevac, Techniczne materiały informacyjne, http://www.roevac.pl, 10.09.2016.
- Qua-Vac, Techniczne materiały informacyjne, http://www.quavac.com/indx.htm, 10.09.2016.
- Schluff, Techniczne materiały informacyjne, http://www.schluff.com/pol/content/ schluff19_ po.pdf, 10.09.2016.
- Kalenik M., Kanalizacja podciśnieniowa – rozwiązania konstrukcyjne na przykładzie systemu Roevac, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2018.
Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!