Využití srážkové vody z povrchového odtoku pro zásobování budov
Ačkoliv plochy střech jsou jen zlomkem z celkové plochy městského povrchového odtoku, dokonce i malé zásobníky mají příznivý vliv při odkanalizování území. Dříve se jednalo o betonové nádrže, dnes je nejčastějším materiálem plast.
Úvod
Jedným z naliehavých problémov nového tisícročia je hospodárenie s vodnými zdrojmi. Neustály nárast populácie a tým zvyšovanie potrieb pitnej vody je globálnym svetovým problémom a preto sa neustále hľadajú nové spôsoby na čo najefektívnejšie využívanie zdrojov a to nielen pitnej, ale aj úžitkovej a zrážkovej vody z povrchového odtoku. Akékoľvek zvyšovanie efektívnosti využitia pitnej vody len pre účely potrieb človeka a znižovanie potrieb pitnej vody na iné účely má veľký význam do budúcnosti. Dôvodom je aj to, že v budúcnosti budú zásoby pitnej vody neustále klesať a potreba pitnej vody bude vzhľadom na neustály nárast populácie stále stúpať. Využívanie zrážkových vôd z povrchového odtoku v objektoch je jednou z alternatív šetrenia vzácnej pitnej vody.
Spôsoby využitia zrážkovej vody z povrchu budov
Zrážkovú vodu možno v objektoch využiť na:
- splachovanie WC,
- dopúšťanie zrážkovej vody do systému ústredného vykurovania,
- zavlažovanie,
- umývanie,
- pranie bielizne,
- v zahraničí sa uvažuje so zrážkovou vodou po príslušnej úprave aj ako o vode pitnej
Predpoklady na využívanie zrážkovej vody z povrchového odtoku má praktický každý stavebný objekt. Plocha povodia resp. záchytná plocha zrážkovej vody je tvorená buď strešnou konštrukciou alebo spevnenou plochou, z ktorej sa následne zrážková voda odvádza dažďovými odpadovými potrubiami do akumulačnej nádže.
Najčastejšie sa však systém na využívanie zrážkovej vody pre zásobovanie vodou využíva v rodinných domoch. Priemernú celoročnú potrebu vody domácnosti dokáže štvorčlennej rodine zabezpečiť strecha s plochou asi 160 m2, samozrejme za predpokladu, že zrážková voda by bola aj pitná. Tá sa však v našich podmienkach využíva len ako úžitková voda, ale aj tak vie nahradiť až 60 % potreby vody rodinného domu.
Obr. 1 Priemerná potreba vody v domácnosti (pri priemernej potrebe 150 l/os.deň).
Ako vyplýva z obr. 1, rozbor priemernej potreby 150 litrov pitnej vody na osobu a deň ukazuje, že asi 60 % tejto potreby sa dá nahradiť vodou zo zrážok. Dôležitá je najmä potreba pitnej vody na splachovanie toaliet, čo predstavuje takmer 1/3 celkovej priemernej potreby vody čo zdôrazňuje najmä environmentálny prínos využívania zrážkovej vody. Okrem zníženia potreby vody z vodovodu, domáce využitie zrážkovej vody tiež znižuje odtok zrážkovej vody do kanalizácie a uličných vpustov a znižuje tak zaťaženie kanalizácie. Hoci plochy striech domov zahŕňajú len zlomok z celkovej plochy mestského povrchového odtoku, dokonca aj malé zásobníky znižujú tento odtok čo ma priaznivý vplyv pri odkanalizovaní území. [3] [4]
Technologické zariadenia pre využívanie zrážkovej vody v budovách
Zariadenie na využívanie zrážkovej vody sa skladá z niekoľkých častí, obr. 2. [9]:
- nádrž na akumuláciu zrážkovej vody,
- čerpadla na zabezpečenie dopravy vody k výtokom,
- filtre,
- potrubné rozvody zrážkovej vody a pitnej vody na dopúšťanie vody do akumulačnej nádrže.
Voda z individuálneho zdroja sa spravidla nepodrobuje nepretržitej fyzikálno-chemickej a bakteriologickej kontrole tak, ako sa vyžaduje pri zdrojoch, ktoré zásobujú vodou verejné vodovody. Rozvody privádzajúce vodu, ktorá nie je pitná alebo má kvalitu nižšej triedy ako je stupeň 1 (napríklad voda z individuálnych zdrojov), musia byť oddelené od zvyšných častí rozvodu a musia byť primerane označené, prípadne sa musí umiestniť na rozvod pitnej vody zabezpečovacie zariadenie proti spätnému prúdeniu vody. [7]
Obr. 2 Schéma technologického zariadenia pre využitie zrážkovej vody zo strechy- dažďové odpadové potrubie
- filter
- prepadové kanalizačné potrubie
- ležaté potrubie so zrážkovou vodou
- prepadové potrubie do kanalizácie (do vsakovacieho zariadenia)
- akumulačná nádrž
- riadiaca centrála s čerpadlom
- prívod pitnej vody na dopúšťanie akumulačnej nádrže
- zabezpečovacie zariadenie proti spätnému prúdeniu
- rozvod zrážkovej vody
Akumulačné nádrže zrážkovej vody a ich dispozičné riešenie
Akumulačná nádrž je základná zložka celého systému využívania zrážkovej vody z povrchového odtoku. Existuje viacero metód, ako akumulovať zrážkovú vodu. V minulosti boli najčastejšie využívané murované nádrže s objemom 2 až 3 m3. V niektorých prípadoch boli akumulačné nádrže zostavené z betónových skruží. V poslednom období sa však začala priemyselná výroba akumulačných nádrží, kde materiál je plast. [1]
Čo sa týka dispozičného riešenia, v súčasnosti existuje viacero možností umiestnenia akumulačných nádrží zrážkovej vody z povrchu budov vzhľadom na veľkosť pozemku, dispozíciu objektu a iné.
Podzemná akumulačná nádrž
Umiestnenie akumulačnej nádrže zrážkovej vody pod zem sa považuje za najvýhodnejšie dispozičné riešenie, obr. 2. Je to z dôvodu zamedzenia prístupu slnečného svetla nutného na tvorbu mikrobiologických procesov negatívne vplývajúcich na senzorické vlastnosti vody. Veľkou výhodou je taktiež to, že pod zemou je voda chladná a má stálu teplotu. Vo veľkej miere je taktiež vylúčený prístup zvierat a hmyzu do akumulačnej nádrže a taktiež odpadávajú priestorové nároky na umiestnenie nádrže a súčasne sa vylúči možnosť zaplavenia v budove. Výhodou je taktiež neobmedzená veľkosť resp. objem akumulačnej nádrže.
Zásobník v rámci dispozície podzemného podlažia
Obr. 3 Nádrž umiestená v rámci dispozície podzemného podlažia
Umiestnenie akumulačnej nádrže zrážkovej vody v rámci dispozície podzemného podlažia či už v pivnici alebo strojovni je jednoduchšia v porovnaní s osadením akumulačnej nádrže pod úrovňou terénu, obr. 3. V porovnaní s podzemným nádržou nie sú potrebné výkopové práce pre nádrž a vedenia potrubí. Taktiež obsluha tejto nádrže je jednoduchšia vzhľadom na jednoduchý a ľahký prístup. Nevýhodou môže byť existujúca možnosť zaplavenia podzemného podlažia alebo priestorové nároky v rámci dispozície podlažia. Nádrž môže byť umiestnená priamo v dispozícii suterénu, alebo môže byť vybudovaná v rámci dispozície stavebnou úpravou ako samostatná menšia miestnosť. Veľkosť nádrže je limitovaná priestorovými možnosťami danej dispozície.
Nadzemná akumulačná nádrž
Obr. 4 Nadzemná nádrž zrážkovej vody [10]
Nadzemná akumulačná nádrž sa umiestňuje väčšinou v tesnej blízkosti budovy, ktorá bude zrážkovou vodou zásobovaná, obr. 4. Výhodou je ľahká obsluha, dostupnosť, monitorovanie a údržba pre daný typ nádrže. Nevýhodou sú priestorové nároky dané najmä požadovanou veľkosťou resp. objemom nádrže. Taktiež je možný prístup zvierat, hmyzu a v neposlednom rade možné vystavenie slnečnému žiareniu a pôsobeniu teploty vonkajšieho prostredia.
Potrubia
Pre rozvod pitnej vody v dome sa používajú materiály vhodné pre použitie v systémoch pre využívanie zrážkových vôd najvhodnejšie sú plastové (viacvrstvové) alebo aj medené potrubia.
Kedykoľvek je to možné, mali by všetky časti prívodného potrubia smerovať nadol a zrážkové vody by mali pritekať do hornej časti nádrže. Sklon potrubia je dôležitý v dôsledku vyhnutia sa potenciálnych miest pre tvorbu sedimentov, biofilmov a stojatých vôd. Pre maximalizáciu zachytávania zrážkovej vody, musí byť nadimenzovaný dostatočný priemer dažďového odpadového potrubiana prietok vody zo strešných vtokov, a to aj počas náhlych prívalových zrážok.
Čerpadlá
Čerpadlo je hlavnou zložkou celého systému. Jeho úlohou je, aby sa zabezpečilo prúdenie vody na výtokoch s dostatočným tlakom.
Najčastejšie používané typy čerpadiel sú samonasávacie čerpadlá alebo ponorné čerpadlá.
Samonasávacie čerpadlá môžu byť umiestnené nezávisle na nádrži v inom priestore alebo dokonca v inej budove. Vzdialenosť čerpadla od nádrže je obmedzená jeho schopnosťou nasávať vodu.
Montážne pravidlá pre čerpadlá:
- čerpadlo musí byť chránené pred chladom,
- musí mať ochranu proti chodu na sucho,
- flexibilný hadicový spoj medzi čerpadlom a potrubím obmedzuje prenos hluku a chráni čerpadlo,
- nasávacie potrubie musí z nádrže k čerpadlu stúpať,
- pred prvým použitím musí byť čerpadlo a nasávacie potrubie naplnené vodou,
- zásobník má byť naplnený tak, aby bol koniec nasávacieho potrubia ponorený do vody.
Ponorné čerpadlá nepotrebujú nasávacie potrubia, do zásobníka sa čerpadlo postaví, zavesí alebo položí.
Výhody ponorných čerpadiel:
- Hluk z prevádzky čerpadla vznikajúci v nádrži je tlmený vodou.
- Nevznikajú problémy s umiestnením čerpadla.
Filtre
Voda stekajúca z povodia strechy obsahuje nečistoty rôzneho pôvodu, či už sa jedná o rastlinné, biologické alebo znečistenie z ovzdušia. Podľa účelu použitia zrážkovej vody závisí, do akej miery by voda mala byť filtrovaná alebo dezinfikovaná. Ak je zrážková voda používaná aj na pitné účely, stupeň filtrácie a prípadnej dezinfekcie musí byť zabezpečený precíznejšie ako u bežného použitia na úžitkové účely.
Filter má vyčistiť zrážkovú vodu od nečistôt tak, aby boli zabezpečené:
- čistota čerpadla a armatúr,
- prevádzkovanie akumulačnej nádrže bez čistenia pre dlhšie obdobie,
- voda obsahovala čo najmenšie množstvo organických látok.
Prvotnú filtráciu zabezpečuje sito nasadené na odkvapové žľaby, zachytávajúce najmä hrubé nečistoty. Na hrdlo dažďového odpadového potrubia môže byť umiestnený lapač lístia zachytávajúci najmä hrubé nečistoty.
Filter na dažďovom odpadovom potrubí
Spodná časť dažďového odpadového potrubia je dobrým miestom na vstavanie filtra. Pre tento účel slúži filter, v ktorom zrážková voda preteká jemným oceľovým sitom s veľkosťou oka 0,17 mm a následne odteká do akumulačnej nádrže. Hrubšie a jemnejšie nečistoty nemôžu filter upchať, pretože filtračná tkanina stojí vo filtri kolmo, takže sa nečistoty s časťou zrážkovej vody odplavia do kanalizácie.
Pri bežných zrážkach odvádza filter asi 90 % zrážok do zberača, pri výdatnejších zrážkach podiel zachytenej vody klesá, a pri prietržiach sa môže znížiť až na 50 %. Zníženie zisku zrážkovej vody pri bežných zrážkach je asi 10 % a tento údaj by sa mal vziať tiež do úvahy pri dimenzovaní zásobníka. Veľké zníženie zachytenej vody pri prívalových zrážkach má menší význam vzhľadom na to, že zásobník pri týchto veľkých zrážkach často preteká. Výhoda tohto filtra je možnosť vstavania priamo do dažďového odpadového potrubia bez zmeny dimenzie.
Zrážková voda tečie dažďovým odpadovým potrubím z veľkej časti na jej vnútornej stene a tam je zachytená filtračným zberačom. Minimálne 1 m pred zberačom musí byť potrubie rovné a nepoškodené, aby voda nebola zvírená. Filtrovaná zrážková voda následne opúšťa filtračný zberač výtokovým hrdlom s priemerom 50 mm.
Jemný filter
Filtre osadené na prítoku zrážkovej vody môžu vďaka relatívne veľkým priemerom oka na sitách zachytiť len hrubé nečistoty. Jemné nečistoty môžu byť zachytené jemným filtrom v tlakovom potrubí čerpadla. Takýto jemný filter má veľkosť oka 0,1 mm. Dnes sú bežné filtre aj so spätným preplachom. Spätným preplachom sa častice usadené na filtri odstránia. [3]
Jemný vírivý filter
Jemný vírivý filter je vstavaný do zeme a je vhodný aj pre filtráciu väčšieho objemu vody s viacerých dažďových odpadových potrubí. Na rozdiel od filtračného zberača môže byť použitý aj v zime a mraze. Zrážková voda steká z vodorovne v zemi uloženej rúry do vírivého jemného filtra. Tu preteká ako vír sieťovou vložkou s veľkosťou oka 0,18mm. Nečistoty a malé množstvo vody sitom neprejde a sú odplavené do centrálneho odtoku a do kanála.
Šachtový filter
Šachtové filtre sa vstavajú do zeme. Voda z dažďového odpadového potrubia preteká v šachtovom filtri so vstavaným sitom s priemerom oka 0,5 mm a je odvádzaná do akumulačnej nádrže. Samočistiace šachtové filtre čistia vodu natoľko dobre, že môže byť priamo používaná v dome bez ďalších potrebných úprav.
Zariadenie na meranie stavu objemu vody v zásobníku
Najčastejšie využívané sú automatické elektrické snímače stavu vody v akumulačnej nádrži. Táto elektrická metóda meria naplnenie nádrže pomocou kapacitného senzora a výsledok prenáša krokovo po1 % na displeji. Pri dosiahnutí najnižšieho stavu vody v nádrži zapne zariadenie cez 24 V vedenie magnetický ventil pre doplnenie vody v nádrži. Pri použití tohto prístroja odpadá potreba použitia plavákového spínača. Iné prístroje môžu pracovať napr. na princípe s ultrazvukovou sondou. Naprogramovaním spínacích bodov umožňuje táto meracia metóda riadiť doplňovanie vody do nádrže. [1]
Návrh objemu nádrže a objemu vody v nádrži
Veľkosť nádrže bude závisieť od rozsahu použitia zrážkovej vody (WC, zavlažovanie,práčovňa, prípravu potravín, kúpeľňa, atď.) a finančnej náročnosti.
Potrebná veľkosť nádrže bude ovplyvnená požadovaným stupňom zabezpečenia. Zabezpečovanie zásobovania vodou takmer za všetkých podmienok, vrátane období sucha, bude vyžadovať väčšiu nádrž, ako je potrebné na zásobovanie za normálnych podmienok. Nižší stupeň bezpečnosti bude vyžadovať alternatívny zdroj dodávky vody. Ak nádrž na zrážkovú vodu predstavuje jediný zdroj pitnej a úžitkovej vody, bude finančná stránka menej dôležitá, aby objem nádrže zabezpečil požadovanú dodávku vody. Za týchto okolností veľkosť nádrže závisí od:
- požadovaného objemu vody,
- množstva a druhu zrážok,
- plochy strechy.
Objem zrážok v kombinácii s plochou strechy bude určovať maximálny objem vody, ktorý môže byť zachytený a akumulovaný. Ak množstvo nie je dostatočné, potom sa musí zväčšiť plocha na zachytávanie (napríklad garáž alebo sklad), alebo znížiť spotrebu vody. Existuje rad opatrení na zníženie spotreby vody ako sú splachovacie záchody s malým a veľkým spláchnutím, úsporne výtokové batérie atď. Ak po vykonaní týchto opatrení objem zrážkovej vody je stále nedostačujúca na uspokojenie dopytu, voda musí byť získaná z iných zdrojov[2].
Výpočtový prietok zrážkovej vody
Pre výpočtový prietok zrážkovej vody podľa STN 736760 platí:
kde
- r
- – výpočtová výdatnosť zrážok [l/s.m2]
- A
- – pôdorysná plocha strechy [m2]
- C
- – súčiniteľ odtoku zrážkovej vody [bez rozmeru]
Podľa v súčasnosti platnej STN 73 6760 sa pre návrh odvodňovacích systémov v budovách vychádza z trvania zrážok 5 minút, ktorý sa vyskytuje raz za 2 roky a pre celé územie SR bola stanovená výpočtová výdatnosť zrážok na hodnote r = 250 l/s.ha, resp. 0,025 l/(s.m2) [6], čo predstavuje cca 788 mm/rok.
Pri odkanalizovaní budov pomocou žľabov sa uvažuje výdatnosť dažďa podľa miery možného ohrozenia objektu, ktorú zohľadňuje súčiniteľ bezpečnosti.
| Druh odkanalizovanej plochy | Súčiniteľ odtoku C [-] |
|---|---|
| Strechy, balkóny, terasy a) | 1,0 |
| Strechy s priepustnou hornou vrstvou hrubšou než 100 mm | 0,5 |
| a) Pre strechy s plochou nad 10 000 m2 možno uvažovať s hodnotou súčiniteľa odtoku C = 0,8. | |
| Typ strešného žľabu a charakter budovy | Súčiniteľ bezpečnosti a) | Výdatnosť dažďa r [l/s. m2] |
|---|---|---|
| Pododkvapové nástrešné a nadrímsové žľaby bez následkov ich prelievania | 1 | 0,015 |
| Rovnaké žľaby ako v predchádzajúcom prípade, ale s možnými problémami, napr. s prelievaním vody nad vstupmi do verejných budov | 1,5 | 0,023 |
| Medzistrešné, zaatikové a zvláštne strešné žľaby, ktoré by sa mohli pri prívaloch zrážkovej vody zahltiť s následným vniknutím vody do budovy | 2 | 0,030 |
| Medzistrešné, zaatikové a zvláštne strešné žľaby , ktoré vyžadujú vysoký stupeň ochrany, napr. v nemocniciach, priestoroch drahých komunikačných zariadení, skladoch látok, ktoré pri styku s vodou uvoľňujú toxické látky, v galériách a pod. | 3,0 | 0,045 b) |
| a) Súčiniteľ bezpečnosti podľa tabuľky 2 STN EN 12056-3. b) V našich podmienkach sa taká situácia vyskytuje štatisticky približne raz za 100 rokov. | ||
Stanovenie teoretického objemu zrážkovej vody zo strechy objektu
kde
- zroč.
- – priemerný ročný úhrn zrážokpre danú lokalitu [mm/rok], tab. 3
- A
- – pôdorysná plocha strechy [m2]
- C
- – súčiniteľ odtoku zrážkovej vody [bez rozmeru]
Uvažujeme rodinný dom s plochou strechy 150 m2, lokalita Bratislava – priemerný ročný úhrn zrážok cca. 400 mm/rok.
| Nadmorská výška [m n. m.] | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 1000 | 1500 |
| Priemerný ročný úhrn zrážok [mm] | 600 | 660 | 710 | 760 | 820 | 1120 | 1420 |
Výpočet:
Teoretický objem zrážkovej vody zo strechy daného objektu je 60 000 l/rok.
Zisk zrážkovej vody sa znižuje odparovaním a filtráciou vody. V závislosti od typu filtra môže strata činiť až 10 %, preto je nutné zisk korigovať súčiniteľom 0,9 až 0,95. Presné straty filtrom udáva výrobca podľa daného typu filtra.
Výpočet objemu zásobníka podľa potreby vody
Pri výpočte objemu akumulačnej nádrže je potrebné vedieť rozsah použitia zrážkovej vody, s akou zásobou budeme uvažovať, uvažovaný počet osôb a ich priemerná spotreba vody na určené využívanie zrážkovej vody.
Platí vzorec:
kde
- Qrok
- – ročná potreba vody v litroch za rok – závisí od uvažovaného druhu použitia zrážkovej vody (splachovanie WC, umývanie, polievanie, pranie...)
- Tz
- – doba zásobovania v dňoch – predpokladaná doba na zásobovanie zrážkovou vodou pre dané využívanie zrážkovej vody (2, 3, 4 týždne...)
Príklad výpočtu objemu zásobníka pre 4člennú domácnosť, zrážková voda sa bude využívať na splachovanie toaliet, pranie a polievanie záhrady je v tab. 4 [1]:
| Využitie zrážkovej vody v 4člennej domácnosti | |||
|---|---|---|---|
| WC | 20 l osoba/deň | 4 osoby, 365 dní | 29 200 l/rok |
| Pranie | 12 l osoba/deň | 4 osoby, 365 dní | 17 520 l/rok |
| Polievanie | 60 l/m2 | 200 m2 | 12 000 l/rok |
| Potreba zrážkovej vody za rok | 58 720 l/rok | ||
Veľkosť zásobníka bude 2,2 m3.
Záver
Využitie zrážkovej vody v budovách na Slovensku je zatiaľ minimálne, najväčšie využitie je v USA, západnej Európe, Austrálii a pod. Dôvodmi sú doposiaľ relatívne stále nižšia cena pitnej vody ako je vo svete a tiež investičné náklady na technologické zariadenia pre využitie zrážkovej vody. Článok je príspevkom k problematike využívania zrážkovej vody z povrchového odtoku pre zásobovanie budov vodou. Rozoberá a zohľadňuje, akým spôsobom je možné využívanie zrážkovej vody v objekte, základné dispozičné riešenie akumulačných nádrží zrážkovej vody a popisuje spôsob výpočtu návrhu objemu akumulačnej nádrže a objemu vody v akumulačnej nádrži.
Článok vznikol za podpory projektu VEGA 1/0450/12 Výskum energetickej bilancie hospodárenia s dažďovou vodou v budovách miest budúcnosti.
Literatúra
- [1] BOSE, K.: Dešťová voda pro zahradu a dům. Ostrava, nakladatelství HEL, ISBN 80-86167-08-9.
- [2] AUSTRALIAN GOVERNMENT: Guidance on use of rainwater tanks, Publications Production Unit, ISBN 0642 82443 6.
- [3] COOMBES PJ., KUCZERA G., ARGUE J. & KALMA JD.: An evaluation of the benefits of source control measures at the regional scale, Urban Water, vol. 4 (4), 307–320, 2002a.
- [4] MITCHELL VG., MEIN RG. & MCMAHON TA.: Evaluating the resource potential of stormwater and wastewater; an Australian perspective, Australian Journal of Water Resources, vol. 2(1), pp. 19–22, 1997.
- [5] STN EN 73 6760: Kanalizácia v budovách.
- [6] VALÁŠEK J., PERÁČKOVÁ J.: Bezpečnostné prepady striech z hľadiska ich bezporuchového odvodnenia,In: Zborník príspevkov z konferenciePORUCHY A REKONŠTRUKCIE OBVODOVÝCH PLÁŠŤOV A STRIECH, Podbanské 2008, s. 55–58.
- [7] VALÁŠEK J. A KOL.: Ochrana pitnej vody vo vodovodných rozvodoch pred znečistením, Bratislava, vydavateľstvo AURIUS, ISBN 80-967864-1-5.
- [8] ŽABIČKA Z.: Dažďová voda, spôsob odvádzania a vplyv na riešenie stavby,In: Časopis TZB HAUS TECHNIK, vydavatelstvo JAGA, číslo 7/2007, s. 34–36.
- [9] Technické podklady firmy WPL.
- [10] Technické podklady firmy Gulf Coast Renewable Resources.
This paper addresses the use of rainwater runoff from surface to supply buildings. In the future drinking water supplies will steadily decrease but need of drinking water, given the continued growth of the population, is still rising. Although flat roofs are just a fraction of the total area of urban surface runoff, even small tanks have a favorable influence on the drainage area. Previously, it was a concrete tank, today is the most common plastic material.
The article is a contribution to the issue of the use of rain water from surface runoff for water supply buildings. It analyzes and reflects on how you can use rain water in building, the basic layout of rain water tanks and describes design method of calculating the volume of the tank and the volume of water in the tank.