Tlakové ztráty ve vnitřním vodovodu
Výpočet vnitřního vodovodu - stanovení tlakových ztrát v tvarovkách - přednostně je nutné používat součinitel místního odporu nebo ekv. délkové přirážky podle údajů výrobce. U tvarovek majících vnější průměr větší než potrubí, pak dle ČSN 75 5455.
1. Úvod
V současné době se ve Švýcarsku a Německu řeší problematika dimenzování potrubí vnitřního vodovodu v souvislosti s velkými tlakovými ztrátami tvarovek některých potrubních systémů. Probíhá tam revize národních norem a předpisů pro vnitřní vodovody. Tlakové ztráty tvarovek způsobují výkyvy tlaku a teploty vody u výtokových armatur, které jsou pociťovány zejména u sprch při sprchování. Celý problém je však složitější. V České republice se tlakové ztráty ve vnitřním vodovodu počítají podle ČSN 75 5455. Tento příspěvek vysvětluje problematiku tlakových ztrát přívodního potrubí. Při výpočtu tlakových ztrát v potrubí cirkulace teplé vody platí stejné zákonitosti.
2. Hydraulické posouzení potrubí vnitřního vodovodu
Hydraulické posouzení potrubí vnitřního vodovodu je dáno vztahem:
pdis je dispoziční přetlak na začátku posuzovaného potrubí (kPa), obvykle v místě napojení vodovodní přípojky na vodovodní řad pro veřejnou potřebu nebo na výstupu z automatické tlakové čerpací stanice;
pminFl - minimální požadovaný hydrodynamický přetlak před výtokovou armaturou na konci posuzovaného potrubí (kPa), obvykle 100 kPa, u některých výtokových armatur i méně, u speciálních výtokových armatur často více;
Δpe - snížení tlaku způsobené výškovým rozdílem mezi geodetickými úrovněmi začátku a konce posuzovaného úseku potrubí (kPa), 1 m výšky = cca 10 kPa;
ΔpWM - tlakové ztráty vodoměrů (kPa), podle dokumentace výrobce;
ΔpAp - tlakové ztráty napojených zařízení (kPa), např. průtokových ohřívačů vody, podle dokumentace výrobce;
ΔpRF - tlakové ztráty vlivem tření a místních odporů v potrubí (kPa), viz odstavec 3.
Jak je ze vztahu (1) patrné, velký podíl zde mají tlakové ztráty v potrubí a zařízeních.
3. Tlakové ztráty v potrubí
Tlakové ztráty vlivem tření o stěny trubek a místních odporů v potrubí ΔpRF (kPa) se stanoví podle vztahu:
l je délka posuzovaného úseku potrubí (m);
R - délková tlaková ztráta třením (kPa/m), podle ČSN 75 5455 nebo údajů výrobce trubek;
ΔpF - tlaková ztráta vlivem místních odporů (kPa) podle údajů výrobce tvarovek nebo ČSN 75 5455;
n - počet posuzovaných úseků.
Nebo vztahu:
lekv je ekvivalentní délka posuzovaného úseku potrubí (m), tedy skutečná délka úseku potrubí l včetně ekvivalentních délkových přirážek na tvarovky a armatury le uvedených výrobcem potrubního systému (lekv = l + Σle);
R - délková tlaková ztráta třením (kPa/m), podle údajů výrobce potrubního systému;
ΔpF - tlaková ztráta vlivem místních odporů (kPa) podle údajů výrobce tvarovek nebo ČSN 75 5455;
n - počet posuzovaných úseků.
Ekvivalentní délkové přirážky jsou závislé nejen na typu tvarovek a armatur, ale také na materiálu trubek, proto je pro přesný výpočet nutné používat hodnoty uvedené výrobcem potrubního systému.
Kromě výše uvedeného přesného výpočtu tlakových ztrát v potrubí ΔpRF (kPa) podle vztahů (2) a (3) dovoluje ČSN 75 5455 také jejich přibližné stanovení podle vztahu:
l je délka posuzovaného úseku potrubí (m);
R - délková tlaková ztráta třením (kPa/m), podle ČSN 75 5455 nebo údajů výrobce trubek;
a - součinitel vlivu místních odporů (podle ČSN 75 5455 je u přívodního potrubí a = 2 až 3 podle délky potrubí a počtu místních odporů);
n - počet posuzovaných úseků.
3. 1 Tlakové ztráty vlivem místních odporů
Tlakové ztráty vlivem místních odporů ΔpF (kPa) se stanoví podle vztahu:
ξ - je součinitel místního odporu podle údajů výrobce tvarovek nebo ČSN 75 5455;
v - průtočná rychlost (m/s);
ρ - hustota vody (kg/m3) závislá na její teplotě (viz ČSN 75 5455);
V poslední době se na trhu objevují tvarovky s menším vnitřním průměrem než trubky, pro jejichž spojování slouží. Tyto tvarovky mají také větší tlakovou ztrátu než tvarovky s větším průměrem než trubky. Různé konstrukce tvarovek (kolen) jsou schematicky znázorněny na obr. 1. Hodnoty tlakových ztrát těchto kolen při průtoku 0,3 l/s jsou uvedeny v tab. 1. V tab. 2 jsou porovnány hodnoty součinitele místního odporu pro nejběžnější tvarovky podle ČSN 75 5455, DIN 1988-3 a údajů některých výrobců. Simulace proudění v kolenech různého průměru je znázorněna na obr. 2.
Z tab. 2 je patrné, že hodnoty součinitele místního odporu u tvarovek s menším průměrem než trubka se mohou od hodnot uvedených v ČSN 75 5455 výrazně lišit (mohou být výrazně vyšší). Někteří výrobci vyrábí tzv. tvarovky s optimalizovanou tlakovou ztrátou, jejichž součinitel místního odporu a tedy i tlaková ztráta je snížena na hodnoty blízké hodnotám uvedeným v ČSN 75 5455. Jak ilustruje tab. 2, není možné postihnout tlakové ztráty stejných tvarovek různých konstrukcí vyrobených z různých materiálů ξ = 15,9. Tlakové ztráty v potrubí však jsou tvořeny také třením, kdy záleží na vnitřním průměru trubky a její hydraulické drsnosti. Porovnání tlakových ztrát připojovacího potrubí provedeného z různých materiálů [2] znázorněného na obr. 3 ukazuje tab. 3, ze které je patrné, že při použití tvarovek s optimalizovanou tlakovou ztrátou nemusí být celková tlaková ztráta potrubí vždy menší.
Obr. 3. Porovnání tlakových ztrát připojovacího potrubí provedeného z
různých materiálů VA vanová směšovací baterie
Tab. 3. Porovnání tlakových ztrát připojovacího potrubí na obr. 3
provedeného z různých materiálů
3.2 Průtok a tlakové ztráty
Tlakové ztráty v potrubí závisí na průtočné rychlosti vody, tedy na velikosti průtoku vody potrubím. Pokud je i v odběrových špičkách skutečný průtok menší než průtok výpočtový, jsou také tlakové ztráty v potrubí a ostatních zařízeních vnitřního vodovodu menší. Metoda stanovení výpočtového průtoku podle ČSN 75 5455 poskytuje v některých případech určitou rezervu. Průtoky teplé a studené vody do směšovacích baterií jsou menší než uvádí norma, pokud mají obě vody správnou teplotu. Možné průtoky studené a teplé vody ukazuje tab. 4 upravená podle [3] a ČSN 75 5455. Při menších skutečných průtocích mohou být tlakové ztráty v připojovacím a podlažním rozvodném potrubí až o polovinu nižší oproti tlakovým ztrátám při výpočtovém průtoku, na který je potrubí dimenzováno.
Tab. 4. Možné průtoky teplé a studené vody do směšovacích baterií
a jejich porovnání s hodnotami jmenovitých výtoků vody podle ČSN 75 5455
3.3 Tlakové ztráty a zjednodušená metoda dimenzování potrubí podle ČSN EN 806-3
Rovněž zjednodušená metoda dimenzování potrubí vnitřních vodovodů nepočítá s větším počtem tvarovek o menším průměru, než je průměr potrubí použitých ve vnitřním vodovodu [4]. Při zjednodušeném dimenzování se u potrubí s tvarovkami malých průměrů doporučuje k délce potrubí připočíst i ekvivalentní délkové přirážky na tvarovky uvedené výrobcem potrubního systému a teprve potom délku porovnat s maximální délkou potrubí uvedenou v tabulkách pro určení průměru potrubí podle ČSN EN 806-3. Při použití těchto tvarovek se doporučuje provést výpočet tlakových ztrát a hydraulické posouzení vnitřního vodovodu při vypočtených tlakových ztrátách.
4. Tlakové ztráty vodoměrů a jiných zařízení
Vodoměry a jiná zařízení (průtokové ohřívače, domovní úpravny vody apod.) zabudované do potrubí způsobují mnohdy významné tlakové ztráty. Proto je nutné dimenzovat vodoměry na průtok podle ČSN 75 5455 a při návrhu jiných zařízení rovněž počítat s výpočtovým průtokem podle ČSN 75 5455 nebo ČSN EN 806-3, pokud se jedná o budovu podle její národní předmluvy. Tlakovou ztrátu vodoměrů a jiných zařízení je třeba stanovit podle dokumentace výrobce a výpočtového průtoku (závislost tlakové ztráty na průtoku). Z praxe je znám např. případ, kdy deskový výměník instalovaný do přívodního potrubí má potřebný výkon, ale jeho tlaková ztráta je tak vysoká, že je jednou z příčin kolísání přetlaku teplé vody až o 230 kPa, zatímco rozdíl mezi nejnižším a nejvyšším přetlakem studené vody činí nejvíce 110 kPa. Rozdílné kolísání přetlaku studené a teplé vody při změnách průtoku v potrubí se negativně projevuje na teplotě vytékající vody ze směšovacích baterií.
Obr. 4. Nahrazení kolen ohyby trubky a) použití kolen, b) použití ohybů trubky místo kolen, SM sprchová směšovací baterie
Rozdíl mezi přetlakem studené a teplé vody před směšovací baterií může způsobit také chybně dimenzovaný (malý) vodoměr na přívodu studené vody do ohřívače. Pokud je na trase studené vody od vodovodní přípojky ke směšovací baterii vodoměr na přípojce a podružný vodoměr v bytě (tedy dva vodoměry) a na trase teplé vody ke směšovací baterii je vodoměr na přípojce, vodoměr před ohřívačem a podružný vodoměr v bytě (tedy tři vodoměry), je nutné dimenzování vodoměrů věnovat velkou pozornost.
Obr. 5. Nahrazení podlažního rozvodného potrubí s tvarovkami T oddělenými připojovacími potrubími vedenými z rozdělovače a) podlažní rozvodné potrubí s tvarovkami T, b) oddělená připojovací potrubí vedená z rozdělovače, SM sprchová směšovací baterie, U směšovací baterie u umyvadla, WC nádržkový splachovač záchodové mísy
5. Závěry a doporučení
Při dimenzování potrubí je třeba více než dříve pamatovat na tlakové ztráty v tvarovkách, armaturách, vodoměrech a jiných zařízeních.
Při použití tvarovek s menším průměrem než trubka je třeba přesně stanovit tlakové ztráty vlivem tření a místních odporů. Přibližné stanovení tlakových ztrát a zjednodušené dimenzování zde nejsou vhodné.
Vodoměry a jiná zařízení je třeba dimenzovat na výpočtový průtok podle ČSN 75 5455 nebo ČSN EN 806-3, pokud se jedná o budovu podle její národní předmluvy.
Při stanovování tlakových ztrát v tvarovkách je nutné přednostně používat součinitele místního odporu nebo ekvivalentní délkové přirážky podle údajů výrobce potrubního systému. U tvarovek majících vnější průměr větší než potrubí je možné i nadále používat hodnoty součinitelů místního odporu podle ČSN 75 5455.
Při návrhu tras trubek spojovaných tvarovkami s menším průměrem je vhodné volit trasy tak, aby se omezil počet kolen (nahrazení kolen ohyby potrubí), viz obr. 4 a tvarovek T (nahrazením oddělenými připojovacími potrubími vedenými z rozdělovače), viz obr. 5 [2].
Připojovací potrubí k vanové nebo sprchové baterii má mít jmenovitou světlost nejméně DN 15.
Při nahrazení ocelových pozinkovaných potrubí potrubím z plastů nemohou být plastová potrubí dimenzována postupem "o jednu dimenzi méně než původní ocelové potrubí".
Při záměně materiálu potrubí oproti projektu provedené instalatérskou fi rmou je nutné pamatovat i na změnu tlakových ztrát.
Literatura
[1] Zirkular Nr.: 2009/14d Drucverlust in Trinkwasserverteilsystemen von Hausinstallationen. SVGW Zürich 2009.
[2] Druck und Temperaturschwankungen: Eine ganzheitliche Betrachtung. Geberit Rapperswil 2009.
[3] Wise, A.F.E - Swaffi eld, J.A.: Water, Sanitary & Waste Services for Buildings. Butterworth - Heinemann, Oxford 2002.
[4] Zirkulare Nr.: 2008/17d Stellungnahme zur Problematik "Druck- und Temperaturveränderungen" bei Rohrweitenbestimmung nach der Belastungswertmethode für Trinkwasserverteilsysteme. SVGW Zürich 2008.
[5] T rinkwasser-Installationen "schlanker" bemessen: Verändertes Verbraucherverhalten und neue Systeme erfordern neue Regeln. Viega Attendorn 2009.
ČSN EN 806-3 Vnitřní vodovod pro rozvod vody určené k lidské spotřebě - Část 3: Dimenzování potrubí - Zjednodušená metoda.
ČSN 75 5455 Výpočet vnitřních vodovodů.
DIN 1988-3 Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen (TRWI). Ermittlung der Rohrdurchmesser. Technische Regel des DVGW.
Recenze Ing. Zdeněk Žabička:
Autor podrobně vysvětluje hydraulické vztahy ve vnitřním vodovodu. Všeobecně je to podceňovaná oblast řešení a provádění vnitřních vodovodů. V článku se správně upozorňuje na důsledek záměny materiálu vnitřního vodovodu navržené systémem trubka za trubku bez důrazu na způsob spojování. Pro instalační firmy dosud platí výhoda bezmezné důvěry investora v odpovědi typu: „My to tak děláme vždycky a nikde problémy nejsou, jen u vás...“.
Autor názorně dokládá vliv nevhodně voleného systému trubka x tvarovka na tlakové ztráty v připojovacích potrubích. Upozorňuje i na vazbu mezi rozdílem tlakových ztrát mezi potrubím rozvádějícím teplou a studenou vodu.
Možná by se měl ještě doplnit význam kolísání teploty teplé vody pro soustavy s nízkoenergetickými zdroji tepla – větší průtok vody v potrubí teplé vody než se uvažuje ve výpočtech. Tím může dojít ke zvýšení kolísání tlaku mezi jednotlivými odběrnými místy.
When setting the pressure loss in piping water mains in buildings should be preferably used the coefficient of local resistance or eq. length increases according to the manufacturer's documentation of piping system. For fittings having an outer diameter greater than the pipeline can continue to use the values of coefficients of local resistance according to ČSN 75 5455.