Przykład obliczeń i wymiarowania instalacji gromadzenia wód opadowych

W artykule:

• Jakie czynniki są ważne przy obliczeniach dotyczących wykorzystania wód opadowych?
• Obliczenia zużycia wody pitnej, które można zastąpić wodą deszczową
• Obliczenie ilości wody deszczowej uzyskiwanej dla przykładowej inwestycji
• Obliczanie objętości zbiornika i zasady jego doboru
• Obliczenie opłaty za zmniejszenie retencji naturalnej (wg projektowanej nowelizacji ustawy Prawo wodne)

Wykorzystanie wód opadowych na cele inne niż spożywcze czy higieniczne (do mycia się, zmywania naczyń) – m.in. spłukiwanie miski ustępowej, podlewanie ogrodów i upraw, mycie samochodów i innych pojazdów oraz porządki i czynności gospodarcze, np. mycie okien, podłóg i posadzek, a także dróg czy chodników – pozwala zaoszczędzić nawet do 60% uzdatnionej wody o jakości wody pitnej. Dlatego coraz większa grupa inwestorów prywatnych przejawia zainteresowanie wodą deszczową – tym bardziej że od 2020 roku zaczęły pojawiać się gminne i rządowe programy dofinansowania rozwiązań „małej retencji”. Można oszacować, czy inwestycja taka będzie opłacalna w przypadku konkretnego domu jednorodzinnego – taką prostą analizę obliczeniową pokazano na poniższym przykładzie.

Jakie czynniki są ważne przy obliczeniach dotyczących wykorzystania wód opadowych?

Dla każdego domu jednorodzinnego można oszacować:

• ile wody wodociągowej lub ze studni można zastąpić wodą deszczową;
• ile wód opadowych można pozyskać w skali roku;
• jaki zbiornik będzie potrzebny do obsługi tej nieruchomości;
• jaka będzie w przypadku tej działki wysokość rocznej opłaty za zmniejszenie naturalnej retencji terenu przez zabudowanie go, jeśli wejdą w życie projektowane zmiany ustawy Prawo wodne [1].

Oszacowania ilości wody pitnej, którą można zaoszczędzić, dokonuje się na podstawie liczby mieszkańców i wyposażenia domu w przybory sanitarne oraz wielkości ogrodu. Można też uwzględnić liczbę samochodów, jeśli są one myte przy domu. W obliczeniach związanych bezpośrednio z wodą deszczową należy uwzględnić:

• lokalizację – zależy od niej ilość wody deszczowej, którą można pozyskać (średnia wysokość opadów na danym terenie);
• rodzaj i powierzchnię połaci dachowej – od rodzaju materiału zależy skuteczność zbierania wód opadowych;
• rodzaj gruntu – na gruncie przepuszczalnym zastosowanie rozsączania jest łatwiejsze i tańsze, łatwiej też o retencję naturalną w celu ograniczenia ryzyka przepełnienia zbiornika przy deszczu nawalnym.

Do oszacowania możliwej opłaty za zmniejszenie retencji dodatkowo potrzebna będzie powierzchnia działki oraz powierzchnia terenów utwardzonych (dachy, drogi, chodniki, podjazdy, parkingi, tarasy i inne), wraz z rodzajem materiałów wykorzystanych do ich pokrycia.

Zobacz także: Wykorzystanie wody deszczowej w budynku i jego otoczeniu – wyzwania i przyszłość

W ramach przykładu obliczeniowego analizowana jest nieruchomość znajdująca się w Sobótce pod Wrocławiem. Powierzchnia działki wynosi 6,3 a. Na działce znajduje się dom z dachem o powierzchni 200 m² krytym dachówką oraz chodniki i podjazdy z kostki brukowej o powierzchni 120 m². Pozostałą część nieruchomości (310 m²) zajmują tereny zielone – trawnik i uprawa ogrodowa. Dom zamieszkiwany jest przez czteroosobową rodzinę, użytkującą jeden samochód, który raz w miesiącu jest myty przy domu. Ciepła woda w budynku pochodzi z lokalnego źródła ciepła.

Obliczenia zużycia wody pitnej, które można zastąpić wodą deszczową

Do obliczeń przyjęto, że wodę opadową można wykorzystać do podlewania ogrodu, mycia samochodu i spłukiwania toalety. Podstawą obliczeń są normatywy podane w rozporządzeniu w sprawie określania przeciętnych norm zużycia wody [2], ujęte w tabelach 1 i 2.

Zgodnie z normatywami jedno mycie samochodu osobowego pochłania ok. 175 l wody [2]. Na podstawie danych literaturowych przyjęto też, że w budynkach mieszkalnych na spłukiwanie miski ustępowej wykorzystuje się ok. 30% całkowitego zużycia wody w gospodarstwie domowym [3]. Wartość zużycia wody przyjęto jako 100 dm³/d/M (według wyposażenia mieszkania z wersu 4. tabeli 1).

Na podstawie powyższych oszacowań obliczono, że:

• na spłukiwanie toalety każdy mieszkaniec zużywa: 30% · 100 dm³/d = 30 dm³/d/M, dla całego gospodarstwa:
  30 dm³/d/M · 365 d/rok · 4 M/rok = 43 800 dm³/rok = 43,8 m³/rok;
• na mycie samochodu zużywa się:
  12 mies./rok · 0,175 dm³/mies. = 2100 dm³/rok= 2,1 m³/rok;
• na podlewanie ogrodu zużywa się (zgodnie z tabelą 2, wers 1):
  15 dni/mies. · 6 mies. · 2,5 dm³/m² · 310 m² = 69 750 dm³/rok = 69,75 m³/rok.

woda do zaoszczędzenia

= 43,8 + 2,1 + 69,75 = 115,65 m³/rok.

Ponieważ do obliczeń przyjęto określone założenia, realne zużycie wody do potencjalnego zaoszczędzenia może być nieco niższe lub wyższe.

Obliczenie ilości wody deszczowej uzyskiwanej dla przykładowej inwestycji

Szacunkowa ilość wody na rok będzie obliczana według wzoru:

Q = H · A · Ψ m³/rok

gdzie:

H – wysokość opadu, m;

A – powierzchnia dachu w rzucie poziomym, m²,

Ψ – współczynnik spływu, charakterystyczny dla danej powierzchni, -.

Wielkość H jest odczytywana z mapy izohiet [4]. Wartości na mapie podane są w [mm], do obliczeń należy podzielić odczytaną wartość przez 1000.

H_Sobótka = ok. 570 mm/rok = 0,57 m/rok.

Wielkość Ψ można znaleźć w różnych źródłach, np. w normie PN-EN 752-2008 [5], w normie PN 92/B-01707 [8] czy w normie niemieckiej DIN 1989-1 [9]. Według normy PN-EN 752-2008 współczynnik Ψ wynosi 0,9 dla dachów płaskich i 1,0 dla stromych, a według normy PN 92/B-01707 – 1,0 dla dachów o nachyleniu >15° oraz 0,8 dla dachów o nachyleniu <15°.

Dla domu w Sobótce z przykładu obliczeniowego:

• H = 0,57 m,
• A = 200 m²,
• Ψ = 0,9 – przyjęto wartość mniej korzystną (dla której pozyskane zostanie mniej wody):

Q = H · A · Ψ = 0,57 m/rok ∙ 200 m² ∙ 0,9 = 102,6 m³/rok

Uzyskana wartość jest nieco mniejsza od ilości wody pitnej, którą teoretycznie można zastąpić wodą deszczową. Oznacza to, że przy odpowiednim zaprojektowaniu instalacji (np. z wykorzystaniem wody deszczowej do spłukiwania toalet) i sprzyjającym rozkładzie opadów można zrobić użytek ze 100% wód opadowych z danego terenu.

Obliczanie objętości zbiornika i zasady jego doboru

Podstawą systemu wykorzystania wód opadowych jest zbiornik do ich bezpiecznego magazynowania. Zbiornik dobiera się w oparciu o objętość magazynowanej wody opadowej. Objętość zbiornika jest przyjmowana tak, by zapewnić pełną sprawność systemu wody opadowej przez 20–30 dni – w literaturze i materiałach producentów pojawia się często 21 dni, tj. 3 tygodnie.

Objętość zbiornika wyznacza się ze wzoru opartego na wcześniejszych obliczeniach:

V = f ·H · A · Ψ · 1/365 · t [m]

gdzie:

f – sprawność filtra zastosowanego na dopływie wody do zbiornika, przyjmowana według materiałów producentów, -;

H – wysokość opadu, m²;

A – powierzchnia dachu w rzucie poziomym, m²;

Ψ – współczynnik spływu charakterystyczny dla danego rodzaju dachu, -;

t – liczba dni bez opadów, podczas których zbiornik zapewnia pełną sprawność systemu, d; t = 20–30 d.

Dla domu w Sobótce:

• H = 0,57 m,
• A = 200 m²,
• Ψ = 0,9,
• f = 0,9 (wartość przyjęta do oszacowań wstępnych, choć rzeczywista zależy od konkretnego rozwiązania),
• t = 21 d (wartość zalecana w wielu materiałach producentów).

V = 0,9 · 0,57 m/rok · 200 m² · 0,9 · 1/365 rok/d · 21 d = 5,31 m³

Na podstawie tak obliczonej objętości można podjąć decyzję, jakie będzie zastosowanie wód opadowych (podlewanie ogrodu, mycie samochodu, spłukiwanie toalet) i wytypować odpowiedni rodzaj zbiornika.

Przy ostatecznym doborze wielkości zbiornika i decyzji, ile zbiorników zastosować, należy uwzględnić, że zbyt mały zbiornik nie wystarczy do założonych zastosowań, a w zbyt dużym woda będzie przetrzymywana za długo, co może negatywnie wpłynąć na jej jakość.

Zbiorniki wykonuje się z polietylenu, polipropylenu, kompozytów i betonu o różnych kształtach. W przypadku zbiorników z tworzyw sztucznych wzmocniona konstrukcja i użebrowanie zwiększają ich wytrzymałość, co przekłada się na zakres zastosowań.

Zbiorniki wymagają także wyposażenia w przelewy awaryjne lub kanały odpływowe, uruchamiane w przypadku nadmiaru wody deszczowej. Planując dofinansowanie budowy z programów takich jak „Moja Woda” (na 2021 rok planowany jest jej kolejny nabór), należy pamiętać, że cała woda opadowa ma pozostać na działce [6]. W tym przypadku nadmiar wody trzeba odprowadzić na teren działki (do gruntu, oczka wodnego, ogródka wodnego lub studni chłonnej).

Należy bezwzględnie przestrzegać zasad posadowienia zbiorników, uwzględniając wskazania producenta: rodzaj gruntu, głębokość posadowienia i przykrycia oraz zasady wykonania wykopu i zabezpieczenia zbiornika w wykopie (np. zastosowanie podsypki).

Obliczenie opłaty za zmniejszenie retencji naturalnej (wg projektowanej nowelizacji ustawy Prawo wodne)

Do obliczeń związanych z wodami opadowymi można jeszcze dołączyć zasymulowanie opłaty za zmniejszenie naturalnej retencji terenowej (zwanej potocznie, choć błędnie „podatkiem od deszczu”). Trwają konsultacje projektu tzw. specustawy suszowej [1], w wyniku której może nastąpić istotna zmiana ustawy Prawo wodne [7]. Jeśli w życie wejdą zmiany w proponowanym przez rząd kształcie, przybędzie nieruchomości (magazynów, parkingów, sklepów, a nawet domów jednorodzinnych), które będą podlegać tej opłacie. Opłata miałaby dotyczyć nieruchomości o powierzchni powyżej 600 m2, z której więcej niż 50% wyłączono z powierzchni biologicznie czynnej (np. poprzez postawienie budynku lub zastosowanie utwardzonej nawierzchni). Już dziś można obliczyć, czy dana działka będzie podlegała tej opłacie, a jeśli tak – w jakiej wysokości.

Aby obliczyć wysokość tej opłaty dla planowanego domu w Sobótce, należy jeszcze określić powierzchnię utwardzoną (wyłączoną z części biologicznie czynnej), na którą składają się:

a - powierzchnia rzutu dachu, m²;

b - powierzchnia garaży, m²;

c - powierzchnia chodników i podjazdów, m²;

d - powierzchnia tarasów, m²;

e - pozostała powierzchnia utwardzona (np. boisko), m².

W przypadku domu w Sobótce należy uwzględnić powierzchnię rzutu dachu a = 200 m² oraz chodników i podjazdów c = 120 m². Powierzchnia utwardzona wyniesie:

B = a + c = 200 + 120 = 320 m².

Ponieważ powierzchnia działki A = 6,3 a, czyli 630 m², jest ona większa od 600 m² i nieruchomość podlega opłacie za zmniejszenie retencji. Jej stosunek powierzchni utwardzonej do całej powierzchni x wynosi:

x = B/A = 320/630 = 0,508 ≥ 0,5

Jeśli na działce nie ma rozwiązań do retencji wód opadowych, opłata wyniesie 1,5 zł/m²/rok (bierze się tu pod uwagę powierzchnię utwardzoną). Zatem w analizowanym przykładzie:

opłata = 1,5 zł/m²/rok · 320 m² = 480 zł/rok

Jeśli na działce znajdują się rozwiązania do retencji wód opadowych, obowiązuje opłata 0,45 lub 0,9 zł /m²/rok. Wartość opłaty zależy od objętości rozwiązań do retencji, a dokładniej – od procentowego udziału rocznego odpływu maksymalnego z powierzchni działki, jakiemu odpowiada ta objętość:

1. osoby posiadające urządzenia do retencjonowania wody o pojemności od 10 do 30% maksymalnego odpływu rocznego płacą 45 gr za 1 m² powierzchni utwardzonej rocznie;
2. osoby posiadające urządzenia do retencjonowania wody o pojemności do 10% maksymalnego odpływu rocznego – 90 gr za 1 m² powierzchni utwardzonej rocznie.

Roczny odpływ maksymalny z działki

Q = H · Ψ · F m³/rok

Czynnik Ψ · F wyznacza się teraz dla powierzchni uszczelnionych o różnych nawierzchniach, a tym samym różnych współczynnikach spływu:

Ψ · F = Ψ_dach · F_dach + Ψ_bruk · F_bruk + Ψ_beton · F_beton + Ψ_drewno · F_drewno

Można przyjąć bardziej szczegółowe współczynniki spływu Ψ, np. według tabeli 3. Do obliczeń zwykle przyjmuje się wartość pośrednią lub górną graniczną (mniej korzystną).

Dla przykładowego domu w Sobótce:

Ψ · F = Ψ_dach · F_dach + Ψ_bruk · F_bruk = 200 · 0,9 + 120 · 0,85 = 282 m²

Zatem roczny odpływ maksymalny z działki wyniesie:

Q = H · Ψ · F = 0,57 · 282 m³/rok = 160,74 m³/rok

Graniczne pojemności urządzeń retencyjnych, a więc graniczne udziały procentowe w odpływie rocznym (10%Q i 30%Q) wynoszą:

V1 = 10% Q = 0,1 · 160,74 m3/rok = 16,1 m³/rok

V2 = 30% Q = 0,3 · 160,74 m3/rok = 48,2 m³/rok

A zatem opłaty, w zależności od pojemności rozwiązań retencyjnych V, będą wynosić:

• V = 0 (bez rozwiązań do retencji) Ψ opłata wyniesie 1,50 zł/m²/rok · 0,320 m² = 488 zł/rok,
• V < =16,1 m³/rok Ψ opłata wyniesie 0,9 zł/m²/rok · 0,320 m² = 288 zł/rok,
• 16,1 < V < 48,2 m³/rok Ψ opłata wyniesie 0,45 zł/m²/rok · 0,320 m² = 144 zł/rok.

Przykład ten pokazuje, że intencją ustawodawcy jest zachęta do zachowania na terenie nieruchomości większej powierzchni biologicznie czynnej, a tym samym wyższej retencji naturalnej. Ma to m.in. zapobiegać stepowieniu obszarów, obniżaniu poziomu wód gruntowych oraz redukcji dużego napływu wody do systemów kanalizacji i odwadniania.

Literatura

1. Minister Gospodarki Morskiej i Żeglugi Śródlądowej, Ustawa o inwestycjach w zakresie przeciwdziałania skutkom susz. Projekt z dnia 12 sierpnia 2020 r., legislacja.rcl.gov.pl (dostęp: 2.12.2020).
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 14 stycznia 2002 r. w sprawie określania przeciętnych norm zużycia wody (DzU 2002, nr 8, poz. 70).
3. Chudzicki Jacek, Sosnowski Stanisław, Instalacje wodociągowe – projektowanie, wykonanie, eksploatacja, Wyd. Seidel-Przywecki, Warszawa 2011.
4. Klimat Polski, http://klimada.mos.gov.pl/zmiany-klimatu-w-polsce/tendencje-zmian-klimatu (dostęp: 2.12.2020).
5. PN-EN 752:2008 Zewnętrzne systemy kanalizacyjne.
6. Regulamin naboru wniosków w ramach Programu Priorytetowego „Moja Woda” na lata 2020–2024, Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, Warszawa, czerwiec 2020.
7. Ustawa z dnia 20 lipca 2017 roku Prawo wodne (DzU 2017, poz. 1566).
8. PN 92/B-01707 Instalacje kanalizacyjne – Wymagania w projektowaniu.
9. DIN 1989-1 Rainwater harvesting systems – Part 1: Planning, installation, operation and maintenance.
10. Materiały techniczne firm: ASO, Ekobudex, Geberit, Green Water Solutions, Kaczmarek, Libet, MPI, Rehau, Wilo, Wavin.