Проектирование и расчёт систем водоснабжения и водоотведения

Разводка труб выполняется в основном двумя способами:

• Последовательная (тройниковая) разводка труб — задействуется основная труба горячего и холодного водоснабжения, от которой при помощи тройников происходит подача воды потребителю, отличается простотой монтажа и экономичностью. Основной недостаток – резкое падение температуры при одновременном подключении к линии нескольких потребителей, при этом давление воды у последнего потребителя будет намного ниже нормы;
• Параллельная (коллекторная) разводка труб. В этом случае трубы от общего коллектора подводятся к каждому сантехническому прибору отдельно. Система отличается равномерностью давления воды и температуры на всем протяжении, но требует гораздо большего количества труб, что в свою очередь усложняет монтаж и обходится в разы дороже предыдущего способа.

Проектировщики руководствуются многочисленными нормативными документами, инструкциями, сводами правил, гостами. Для расчета системы водоснабжение и водоотведения в частном доме можно использовать упрощённое расчёты, приведенные ниже. Они не имеют высокой точности, но, тем не менее, приведут к  положительным результатам и правильному функционированию системы.

Минимальные расчеты необходимые для монтажа водоснабжения:

1. Оценить расход воды при пиковом потреблении.
2. Выполнить расчет сечения водопроводной трубы, способной обеспечить этот расход при приемлемой скорости потока.

Справка: максимальная скорость потока воды, при которой он не порождает гидравлических шумов, составляет около 1,5 м/с.

3. Вычислить напор на концевом сантехническом приборе. Если он будет неприемлемо низким, стоит подумать либо об увеличении диаметра трубопровода, либо об установке промежуточной подкачки.

Слабый напор на концевом смесителе едва ли порадует владельца.

Расход

Его можно приблизительно оценить по нормам расхода для отдельных сантехнических приборов. Данные при желании несложно найти в одном из приложений к СНиП 2.04.01-85; для удобства мы приведем выдержку из него.

В многоквартирных домах при расчете расхода используется коэффициент вероятности одновременного использования приборов. Нам достаточно просто просуммировать расход воды через приборы, которые могут использоваться одновременно. Скажем, мойка, душевая кабинка и унитаз дадут общий расход, равный 0,12 + 0,12 + 0,10 = 0,34 л/с.

Сечение

Расчет сечения трубы водопровода может быть выполнен двумя способами:

1. Подбором по таблице значений.
2. Расчетом по максимальной допустимой скорости потока.

Подбор по таблице

Собственно, таблица не требует каких-либо комментариев.

Скажем, для расхода в 0,34 л/с достаточно трубы ДУ15.

Обратите внимание: ДУ (условный проход) примерно равен внутреннему диаметру водогазопроводной трубы. У полимерных труб, маркирующихся внешним диаметром, внутренний отличается от него примерно на шаг: скажем, 40-миллиметровая полипропиленовая труба имеет внутренний диаметр около 32 мм.

Условный проход примерно равен внутреннему диаметру.

Расчет по скорости потока

Расчет диаметра водопровода по расходу воды через него может быть выполнен с использованием двух простых формул:

1. Формулы расчета площади сечения по его радиусу.
2. Формулы расчета расхода через известное сечение при известной скорости потока.

Первая формула имеет вид S = π r ^2. В ней:

• S – искомая площадь сечения.
• π – число “пи” (примерно 3,1415).
• r – радиус сечения (половина ДУ или внутреннего диаметра трубы).

Вторая формула выглядит как Q = VS, где:

• Q – расход;
• V – скорость потока;
• S – площадь сечения.

Для удобства вычислений все величины переводятся в СИ – метры, квадратные метры, метры в секунду и кубические метры в секунду.

Единицы СИ.

Давайте своими руками рассчитаем минимальный ДУ трубы для следующих вводных данных:

• Расход через нее составляет все те же 0,34 литра в секунду.
• Скорость потока, используемая в вычислениях – максимально допустимые 1,5 м/с.

Приступим.

1. Расход в величинах СИ будет равным 0,00034 м3/с.
2. Площадь сечения согласно второй формулы должна быть не менее 0,00034/1,5=0,00027 м2.
3. Квадрат радиуса согласно первой формулы равен 0,00027/3,1415=0,000086.
4. Извлекаем из этого числа квадратный корень. Радиус равен 0,0092 метра.
5. Чтобы получить ДУ или внутренний диаметр, умножаем радиус на два. Результат – 0,0184 метра, или 18 миллиметров. Как легко заметить, он близок к полученному первым способом, хоть и не совпадает с ним в точности.

Напор

Начнем с нескольких общих замечаний:

• Типичное давление в магистрали холодного водоснабжения составляет от 2 до 4 атмосфер (кгс/см2). Оно зависит от расстояния до ближайшей насосной станции или водонапорной башни, от рельефа местности, состояния магистрали, типа запорной арматуры на магистральном водопроводе и ряда прочих факторов.
• Абсолютный минимум напора, который позволяет работать всем современным сантехническим приборам и использующей воду бытовой технике – 3 метра. Инструкция к проточным водонагревателям Атмор, к примеру, прямо говорит, что нижний порог срабатывания включающего нагрев датчика давления равен 0,3 кгс/см2.

Датчик давления прибора срабатывает при напоре в 3 метра.

Справка: при атмосферном давлении 10 метров напора соответствуют 1 кгс/см2 избыточного давления.

На практике на концевом сантехническом приборе лучше иметь минимальный напор в пять метров. Небольшой запас компенсирует неучтенные потери в подводках, запорной арматуре и самом приборе.

Нам нужно вычислить падение напора в трубопроводе известной протяженности и диаметра. Если разность напора, соответствующего давлению в магистрали, и падения напора в водопроводе больше 5 метров – наша система водоснабжения будет функционировать без нареканий. Если меньше – нужно либо увеличивать диаметр трубы, либо размыкать ее подкачкой (цена которой, к слову,  явно превысит рост затрат на трубы из-за увеличения их диаметра на один шаг).

Так как же выполняется расчет напора в водопроводной сети?

Здесь действует формула H = iL(1+K), в которой:

• H – заветное значение падения напора.
• i – так называемый гидравлический уклон трубопровода.
• L – длина трубы.
• K – коэффициент, который определяется функциональностью водопровода.

Проще всего определить коэффициент К.

Он равен:

• 0,3 для хозяйственно-питьевого назначения.
• 0,2 для промышленного или пожарно-хозяйственного.
• 0,15 для пожарно-производственного.
• 0,10 для пожарного.

С измерением длины трубопровода или его участка тоже особых сложностей не возникает; а вот понятие гидравлического уклона требует отдельного разговора.

На его значение влияют следующие факторы:

1. Шероховатость стенок трубы, которая, в свою очередь, зависит от их материала и возраста. Пластики обладают более гладкой поверхностью по сравнению со сталью или чугуном; кроме того, стальные трубы со временем зарастают известковыми отложениями и ржавчиной.
2. Диаметр трубы. Здесь действует обратная зависимость: чем он меньше, тем большее сопротивление трубопровод оказывает движению воды в нем.
3. Скорость потока. С ее увеличением сопротивление тоже увеличивается.

Некоторое время назад приходилось дополнительно учитывать гидравлические потери на запорной арматуре; однако современные полнопроходные шаровые вентиля создают примерно такое же сопротивление, что и труба, поэтому ими можно смело пренебречь.

Открытый шаровый кран почти не оказывает сопротивления току воды.

Вычислить гидравлический уклон своими силами весьма проблематично, но, к счастью, в этом и нет необходимости: все необходимые значения можно найти в так называемых таблицах Шевелева.

Чтобы лучше представить себе, о чем идет речь, приведем небольшой фрагмент одной из таблиц для пластиковой трубы диаметром 20 мм.

Что такое 1000i в крайнем правом столбике таблицы? Это всего лишь значение гидравлического уклона на 1000 погонных метров. Чтобы получить значение i для нашей формулы, его достаточно разделить на 1000.

Давайте вычислим падение напора в трубе диаметром 20 мм при ее длине, равной 25 метрам, и скорости потока в полтора метра в секунду.

1. Ищем соответствующие параметры в таблице. Согласно ее данным, 1000i для описанных условий равно 221,8; i = 221,8/1000=0,2218.

Таблицы Шевелева многократно переиздавались с момента первой публикации.

2. Подставляем все значения в формулу. H = 0,2218*25*(1+0,3) = 7,2085 метра. При давлении на входе водопровода в 2,5 атмосферы на выходе оно составит 2,5 – (7,2/10) = 1,78 кгс/см2, что более чем удовлетворительно.

Заключение

Подчеркнем еще раз: приведенные схемы расчетов предельно упрощены и не предназначены для профессиональных расчетов сложных систем. Однако их точность вполне приемлема для нужд владельцев частных домов.

Самая главная неприятность от транспортирующих воду инженерных систем – это затопление. Для этого предусматривается система защиты от затопления, которая состоит из клапанов, устанавливающихся на стояках горячей и холодной воды, контролера управления и датчика затопления. При появлении воды датчик передает сигнал контролеру управления и дается команда клапанам на отключение воды.

Канализация

Проектирование системы канализации начинается с определения места сбора стоков. Здесь вероятно несколько вариантов:

• Вывод во внешнюю сеть (при наличии централизованной канализационной сети). Необходимо получить от хозяйствующей организации технические условия, разработать по ним проект и получить разрешение на реализацию проекта;
• Организация индивидуального накопительного колодца (выгребной ямы). Данный способ не подходит для жилых объектов с постоянным проживанием, так как требует больших затрат на оплату услуг по очистке;
•  Устройство локально — очистной системы. Сточные воды и нечистоты попадают в подземную емкость, проходят там очистку, после чего сбрасываются в водоем, не причиняя ему ущерб и не нарушая экологию местности. Реализация данного проекта может потребовать увеличение энергозатрат объекта. К тому же необходим постоянный контроль соблюдения правил эксплуатации системы;
• Установка септика с фильтрующим колодцем. Нечистоты и сточная вода, очищаются, проходя через септик, и сливаются в грунт. Данный способ является оптимальным, при отсутствии централизованной системы канализации.

После этого составляется перечень мест, от которых необходимо отвести сточные воды. Затем производятся расчеты для определения диаметра труб и маршруты прокладки трасс, выбор способа крепления и техники монтажа.