СИСТЕМЫ КАНАЛИЗАЦИИ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

А. Я. Добромыслов, канд. техн. наук, руководитель Учебно-методического центра по подготовке специалистов в области пластмассовых трубопроводных систем МИПК МГТУ им. Н. Э. Баумана

СНиП 2.04.01-85* «Внутренний водопровод и канализация зданий» регламентируют правила проектирования этих систем в жилых зданиях высотой до 25 этажей и в административных зданиях высотой до 40 м. Поэтому правила проектирования систем инженерного оборудования в зданиях высотой до 200–250 м, безусловно, требуют тщательного анализа и обсуждения.

Что касается систем канализации, то вопросы их надежности и безопасности возникали у специалистов нашей страны, по крайней мере, дважды: в 1950-х годах в начале массового строительства зданий высотой выше 16 этажей (при строительстве 22-этажных зданий) и в конце 1960-х при проектировании первого в СССР 25-этажного жилого дома (Москва, проспект Мира, д. 184).

Как известно, в 22-этажных домах (жилые дома на пл. Восстания, Котельнической наб., административные здания на пл. Восстания, Каланчевке, у Красных Ворот, МГУ) применены двухтрубные системы канализации, состоящие из двух стояков: один из них диаметром 150 мм принимает сточную жидкость (почему и носит название «сточный» или «мокрый»), назначением второго, который соединяется перемычками со сточным стояком, является подача воздуха в сточный стояк для предотвращения возникновения в нем разрежений, приводящих к срыву гидравлических затворов у приборов и оборудования, присоединенных к первому стояку. Второй стояк называется «сухим» или «вентиляционным» и имеет диаметр 100 мм.

Двухстояковые системы канализации аналогичны системам канализации высотных зданий США. В качестве примера назовем 69-этажное здание Рокфеллер центра в Нью-Йорке, в котором и сточный, и вентиляционный стояки имеют диаметр 12” (300 мм).

Как это ни парадоксально, но в вышеназванном 25- этажном жилом доме система канализации включает один стояк диаметром 100 мм, к которому поэтажные отводные трубопроводы присоединены под углом 90°.

Положительный опыт эксплуатации этой системы позволил внедрить ее в массовое строительство жилых и общественных зданий в нашей стране и подтвердил правильность предпосылок, положенных в основу полуэмтерической модели системы канализации зданий.

Рисунок 1. Схема истечения воды из поэтажного отвода в стояк (разрез по оси стояка) 1 – воздух; 2 – вода

В соответствии с этой моделью, при истечении из поэтажного отвода в стояк жидкость перекрывает часть его сечения (рис. 1), образуя сжатое сечение стояка. При своем движении вниз жидкость увлекает из атмосферы воздух. При этом величина эжектирующей способности жидкости больше, чем величина фактического расхода воздуха, поступающего в стояк.

В результате, ниже сжатого сечения стояка возникает дефицит воздуха, или разрежение. (Например, при расходе жидкости 1 л/с в стояке диаметром 100 мм экспериментально измеренная величина эжектирующей способности равна 25 л/с воздуха, а фактически поступающее в стояк количество воздуха равно лишь 14 л/с, поэтому ниже сжатого сечения в стояке возникает дефицит воздуха, равный 11 л/с, и разрежение порядка 10–12 мм).

С увеличением расхода жидкости уменьшается площадь живого сечения воздуха в сжатом сечении стояка и, следовательно, уменьшается расход воздуха, фактически поступающего в стояк из атмосферы. При этом с увеличением расхода жидкости увеличивается величина ее эжектирующей способности и дефицит воздуха в стояке. Наконец, при какой-то величине расхода жидкости, который называется критическим, в стояке возникает критическое разрежение и происходит срыв затвора у одного из санитарно-технических приборов, присоединенных к сточному стояку. Через сорванный затвор в стояк поступает дополнительное количество воздуха, поэтому затворы у других приборов остаются в неприкосновенности /1/.

Специально выполненные исследования показывают, что срыв гидравлического затвора происходит при разрежении, примерно равном высоте этого затвора.

Величина же разрежения зависит от величины расхода жидкости, диаметров стояка и поэтажных отводов и угла входа жидкости в стояк /1/. Все эти параметры, включая минимальную высоту гидравлического затвора, присоединенного к расчетному стояку, следует учитывать при проектировании.

Что касается высоты и геометрии канализационного стояка, то влияние этих параметров на надежность системы канализации нуждается в специальном анализе.

Прежде всего, следует отметить, что большинство исследователей систем канализации не связывают пропускную способность стояка с его высотой, если речь идет о высотах, превышающих длину начального участка вертикального трубопровода. Например, проф. Н.И. Фальковский /2/ отмечает, что «…предельная скорость движения жидкости достигается при сравнительно коротком падении». Со ссылкой на данные Иллинойского университета, где проводились эксперименты со стояками высотой 12,6 м, он приводит зависимость, в соответствии с которой величина разрежения Р в стояке является функцией исключительно расхода жидкости:

где:

Q – расход жидкости по стояку;

K – коэффициент, зависящий от расположения трубопроводов и единиц измерения P и Q;

n – постоянная, зависящая от типа и диаметра вентиляции.

А. И. Карпинская /3/, выполнявшая экспериментальные исследования на стояках диаметром 100 и 125 мм, высотой 41 м, определила их пропускную способность равной 4,4 л/с и 6,98 л/с, соответственно; отметим, что мы получили те же результаты при исследовании пропускной способности стояков диаметром 100 мм, высотой 18,53 м и 60 м /1/.

В 1963 г. датский исследователь Э. Моркк /4/ на основании выполненных исследований высказал однозначное мнение о том, что при увеличении расхода жидкости ее скорость увеличивается и достигает своего конечного максимального значения через 15 м от точки входа в стояк. Поэтому, подчеркивает Э. Моркк, скорость движения жидкости в стояках высотой 50 или 80 м будет такой же, как в стояках высотой 15 м.

Немецкий исследователь Ф. Полльман отмечает, что вертикальный поток достигает своей максимальной скорости через один или два этапа падения /5/.

Рисунок 2. Зависимость расхода воздуха от расхода воды в стояке диаметром 45 мм различной высоты 1 – L=52,2 Dст ; 2 – L=84,4 Dст; 3 – L=90 Dст L=117,2 Dст

Наши экспериментальные исследования /1/ показывают, что величина эжектирующей способности жидкости, движущейся в вертикальном трубопроводе, стабилизируется на его длине, равной 90 D_ст (D_ст – расчетный диаметр стояка) (рис. 2). На этом основании можно полагать, что эпюра скоростей и жидкости, и воздуха, движущегося за жидкостью в вертикальном трубопроводе, принимают свою окончательную форму через 90 D_ст течения. Следовательно, сколь ни велика была бы высота канализационного стояка, его пропускная способность равняется пропускной способности, сформированной в конце длины его начального участка (90 D_ст).

Обобщение результатов как собственных, так и исследований других авторов, позволило нам получить единую зависимость для расчета величины разрежений в канализационном стояке /1/:

где:

∆р – величина разрежений в канализационном стояке, мм вод. ст.;

q^s – расчетный расход сточной жидкости, м³/с;

a-угол присоединения поэтажного отвода к стояку, град;

D_cт – расчетный (внутренний) диаметр стояка, м;

d_отв – расчетный (внутренний) диаметр поэтажного отвода, м;

L_ст – рабочая высота канализационного стояка, т.е.

вертикальный участок стояка от точки присоединения наиболее высоко расположенных в здании приборов до нижнего cгиба стояка (участок стояка, по которому движется сточная жидкость), м.

Поскольку эпюра скоростей течения жидкости в вертикальном трубопроводе принимает свою окончательную форму через 90 D_ст (и, следовательно, величина эжектирующей способности жидкости становится максимальной и постоянной), при расчетах в случае L_ст ≥ 90 D_ст следует принимать L_ст = 90 D_ст.

Формула /2/ положена в основу регламентов по проектированию систем канализации зданий в СНиП II-Г.4- 70, СНиП II-30-76, СНиП 2.04.01-85, СНиП 2.04.01-85*, СП 40-102-2000 и СП 40-107-2003. На основании этих норм построены и успешно эксплуатируются тысячи систем канализации в зданиях различного назначения и этажности, в т.ч. такие как 40-этажное здание Министерства внешней торговли, 29-этажные здания Академии общественных наук, 30-этажные здания олимпийского гостиничного комплекса «Измайлово» в Москве и т.д.

По формуле /2/ рассчитана и ЦНИИЭП жилища в 2002 г. запроектирована система канализации жилого комплекса высотой 43 этажа, который в настоящее время построен и введен в эксплуатацию (Москва, Давыдковская ул.).

Продолжение в следующем номере

Литература

1. Добромыслов А.Я. Расчет и конструирование систем канализации зданий. М.: Стройиздат, 1978 г., 121 с.

2. Фальковский Н.И. Санитарно-техническое оборудование зданий. М., Госстройиздат, 1938, 271 с.

3. Карпинская А.И. Особенности канализования высотных зданий. // Сб. трудов ЛОНИИоснований и фундаментов, Л., Машстройиздат, 1950, с. 23-29.

4. MORCK E.P. Что происходит в канализационном стояке? Bygge Gndustrie, N 15, 10 August 1963, s. 752-756.

5. Pollman Fr. Sanitare Technik, 1960, I, 25 Jg.HП, S. 21-27.