Стандарт «внутренний водопровод и канализация зданий»

А. С. Вербицкий, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник «МосводоканалНИИпроект»

Современное состояние института стандартизации в строительстве следует считать весьма неопределенным: законодательство ограничивает возможности разработки обязательных государственных стандартов, стандарты предприятий еще не имеют должного авторитета и распространения. Поэтому весьма полезной явилась инициатива ФГУП «СантехНИИпроект», где было решено подготовить стандарт предприятия СТО 02494733 5.2.-01-2006 «Внутренний водопровод и канализация зданий», который по ряду важных позиций отличается от аналогичных СНиП 2.01.04-85*.

В новом стандарте исключено понятие норма водопотребления и используется другое понятие – удельный средний суточный (за год) расход воды. Это связано с тем, что норма в юридическом смысле, который должен присутствовать в стандартах, – это некое сформулированное словами правило, нарушение которого должно вести к наказанию субъекта, это правило нарушившего. Приводимые в стандартах значения расходов – лишь прогноз величин, которые в реальности могут оказаться и меньше, и больше установленных в стандартах, то есть их, безусловно, нельзя ни считать, ни называть нормой. В стандарте, по согласованию с органами пожарного надзора, с целью повышения безопасности объектов строительства (в том числе жилых зданий) уточнен ряд позиций, регламентирующих проектирование систем противопожарного водоснабжения. Внесены необходимые, связанные с расширением практики измерения водопотребления, изменения в правила проектирования узлов установки счетчиков воды в зданиях, правила выбора калибров счетчиков количества холодной и горячей воды питьевого качества. Следует обратить внимание на то, что стандарт предусматривает, как и ранее СНиП 2.01.04-85*, измерение количества горячей воды питьевого качества счетчиками количества воды (крыльчатыми и турбинными), а не теплосчетчиками. Это связано с тем, что температура горячей воды должна быть стабильна и измерение количества тепла, использованного для приготовления горячей воды, не требуется. Значительно проще при установлении цены горячей воды определить расчетное количество тепла и его стоимость (так, например, поступают в Региональной энергетической комиссии Москвы), а для начисления платы за горячую воду использовать только счетчики ее количества. Тем более что установить теплосчетчик для измерения потребления горячей воды в квартире просто невозможно – здесь нет циркуляционной линии.

В стандарте ФГУП «СантехНИИпроект» уточнены нормы, регламентирующие проектирование систем горячего водоснабжения зданий: исключена необходимость проведения гидравлических расчетов сетей систем горячего водоснабжения (в связи с отсутствием обоснованных и доступных проектировщикам методик расчета), но для обеспечения надежной работы таких систем рекомендуется применение балансировочных клапанов и автоматических регуляторов температуры для установки на циркуляционных линиях. Многие годы такие устройства, известные в зарубежной практике, были недоступны для использования в отечественном строительстве, но сейчас таких проблем нет – они вполне доступны по ценам и могут широко использоваться.

Внесен ряд дополнений в раздел по проектированию систем канализации зданий. Здесь рекомендовано использование вентиляционных клапанов на канализационных стояках, уточнены правила расчета вентиляции наружных сетей канализации (выпуски из зданий), правила расчета параметров трубопроводов этих сетей. Все внесенные в стандарт ФГУП «СантехНИИпроект» изменения и дополнения, основанные на данных различных исследований, не требуют значительных изменений в практике проектирования; они, как и любые нормы и нормативы стандартов предприятий, подлежат добровольному использованию, если в договорах на разработку проектной документации дается ссылка на этот стандарт.

Наибольшие изменения (по сравнению со СНиП 2.01.04-85*) внесены в раздел по определению величин расчетных расходов воды и стоков. В настоящее время, после многолетних исследований, общепризнано, что процессы водопотребления, как и производные от них процессы – процессы водоотведения – являются случайными, и для их описания (для построения математических моделей таких процессов) должны использоваться методы теории вероятности, математической статистики и теории случайных процессов. Случайные величины расходов воды формируются под воздействием различных факторов: климатических, демографических, технических (например, температура воды и ее давление перед водоразборными приборами), оснащенности жилищ холодильниками, стиральными, посудомоечными машинами и др. Значения некоторых факторов могут быть измерены (установлены) при экспериментальном изучении процессов водопотребления (водоотведения), а их влияние может быть так или иначе учтено в создаваемой модели процесса. Однако практическая значимость учета большого числа факторов невелика, а в ряде случаев такой учет даже нежелателен, так как при проектировании систем водоснабжения и канализации невозможно дать достоверный прогноз значений многих факторов в период эксплуатации объекта. Поэтому при создании методов математического моделирования процессов водопотребления (водоотведения) всегда следует выбирать в качестве влияющих на расходы воды (стоков) только те факторы, значения которых наиболее существенны, а значения их могут быть известны при проектировании.

Все известные к настоящему времени методики определения расчетных расходов воды построены с таким расчетом, чтобы по небольшому числу исходных данных можно было прогнозировать ожидаемую в системе водопровода (или канализации) функцию распределения расходов воды (для заданного периода потребления воды Т и продолжительности расходов t). В качестве расчетных расходов принимают значения, соответствующие малой вероятности превышения в течение времени Т.

Различия методик определения расчетных расходов состоят в основном в принципах, положенных в основу выбора исходных данных для построения функций распределения. Еще в 30-е гг. XX века С. А. Курсин предложил заменить все многообразие водоразборных приборов на объекте одним эквивалентным прибором. Число таких эквивалентных приборов принимается равным общему числу реальных приборов, а режим работы принимается достаточно простым – прибор либо включен в течение t_В (в расчетный период Т) с постоянным расходом q₀, либо выключен, то есть основные характеристики процесса водоразбора являются константами. Очевидно, что вероятность действия эквивалентного прибора в расчетном периоде составляет Р = (t_В / Т). Такой режим, конечно, существенно отличается от реального режима использования водоразборных приборов, где указанные характеристики, безусловно, являются случайными величинами.

Исходя из гипотезы С. А. Курсина об эквивалентном приборе (аналогичная гипотеза была предложена в 1940 г. и Хантером в США) расчетный расход воды для совокупности одинаковых эквивалентных приборов общим числом N можно определить по весьма простой формуле: q = q₀ • m, где m – число одновременно включенных эквивалентных приборов из общего их числа N в системе водоснабжения. Продолжительность кратковременного расхода, который определяется по этой формуле, принималась С. А. Курсиным равной 1–2 мин. При этом период, для которого ищется функция распределения, составлял Т = 1 ч (период максимального водоразбора), а вероятность превышения найденного расхода в течение часа максимального водоразбора была весьма мала и составляла 0,03.

Величина m определяется, как правило, на основе биномиального закона распределения вероятности числа одновременно действующих эквивалентных приборов (различным величинам вероятности Р соответствует различное число m). Однако при всей кажущейся простоте определения расчетного кратковременного расхода q, задача все же нетривиальна и является весьма сложной из-за необходимости достоверного определения характеристик эквивалентного водоразборного прибора – вероятности одновременного действия – Р и расхода эквивалентного прибора – q₀. Проблемы здесь связаны, в частности, с тем, что эквивалентный прибор реально не существует и определить для него требуемые параметры из результатов экспериментального изучения водопотребления (путем измерения реальных расходов различных водоразборных приборов) оказывается невозможно.

Для повышения достоверности определения расчетных расходов воды в 60-х гг XX века Л. А. Шопенским был проведен комплекс исследований, основная цель которых состояла в разработке новых подходов к определению величин q₀ и Р для различных сочетаний исходных данных – числа и назначения санитарно-технических приборов, различного назначения объектов водоснабжения, различных давлений воды в трубопроводах систем водопровода и пр. При этом основная гипотеза С. А. Курсина и Хантера о существовании эквивалентного прибора Л. А. Шопенским сомнению не подвергалась, и поэтому описанную методику определения расчетных расходов можно называть методикой Курсина-Хантера-Шопенского (методикой КХШ).

Л. А. Шопенский распространил описанную методику на случай определения расчетных часовых расходов воды (для этого было введено новое понятие – вероятность использования эквивалентного водоразборного прибора в течение периода максимального водоразбора). Кроме того, для реального многообразия водоразборных приборов (для каждого типа приборов потребовалось ввести различные значения величин q₀) им было предложено определять некое единое (средневзвешенное) значение этого параметра. Это связано с тем, что методика КХШ принципиально может использоваться только в предположении о существовании одного- единственного эквивалентного прибора, заменяющего все множество реальных умывальников, моек, ванн и смывных бачков унитазов.

В описанном виде методика КХШ с 1976 г. была включена в СНиП «Внутренний водопровод и канализация зданий», а затем и в СНиП 2.01-04-85 с некоторыми упрощениями (по сравнению с 1976 г.), введенными для облегчения ее использования в практике проектных организаций.

Оценивая методику КХШ, следует указать, что она базируется на предположении о том, что значения величин q₀ не изменяются в зависимости от величины объекта водоснабжения (т. е. от числа приборов). К сожалению, это не подтверждается практикой исследований фактического водопотребления на различных объектах, проводившихся в НИИ КВОВ АКХ им. К. Д. Памфилова, а затем и в институте ГУП «МосводоканалНИИпроект». Кроме того, имитационное компьютерное моделирование режимов водопотребления показывает, что параметры модели КХШ должны быть переменными – должны быть функцией числа приборов. Только в этом случае можно получить достаточно хорошее совпадение функций распределения расходов воды, построенных по модели КХШ и по данным экспериментальных измерений (однако только для периода максимального водоразбора). Другой недостаток модели КХШ состоит в том, что полученные на ее основе значения расчетных расходов не могут использоваться при расчете трубопроводов систем канализации зданий.

А. Я. Добромысловым было показано, что для этих систем весьма важно то, что работающие приборы подключены в различных местах системы канализации, и в том сечении системы, для которого ведется определение диаметра трубопровода, необходимо учитывать различия во времени добегания (движения) воды от отдельных приборов до данного сечения. В этой ситуации вероятность одновременного действия водоразборных приборов не является достаточной характеристикой изменения во времени расходов стоков, а применение модели КХШ не обосновано.

Отмеченные недостатки методики КХШ явились предпосылкой для проведения теоретических работ по созданию другого метода определения расчетных расходов воды в институте ГУП «МосводоканалНИИпроект» (А. С. Вербицкий, А. Л. Лякмунд). В качестве экспериментальной базы этих работ были использованы эксперименты по изучению фактического водопотребления, проведенные в различных регионах бывшего СССР под руководством НИИ КВОВ (М. П. Майзельс).

Идея методики института МосводоканалНИИпроект (в дальнейшем – методика МВКНИИП) состоит в том, что изменение во времени измеренных на любом объекте расходов воды следует рассматривать как реализацию случайного процесса разбора воды потребителями, сформированного из множества включений различных приборов со случайными значениями расходов воды через каждый из них. При этом не требуется делать никаких предположений о вероятностях включения тех или иных санитарно-технических приборов, о продолжительности их включений, о функциях распределения расходов воды для каждого из приборов. Наблюдаемые (измеренные) расходы воды подвергаются обработке стандартными методами математической статистики и теории случайных процессов. При этом производится разделение общего процесса на две составляющие – регулярную и случайную.

Для практического использования методики МВКНИИП необходимо иметь возможность определять основные параметры функций распределения – математические ожидания и дисперсии для расходов воды любой продолжительности для каждой из указанных составляющих процесса. Такое определение стало возможным после статистической обработки данных экспериментальных замеров расходов воды на различных объектах. Всего были использованы данные более чем по 100 объектам – отдельным жилым зданиям и их комплексам с числом жителей от 3 до 200 тыс. чел., при этом в состав крупных объектов входили и различные коммунально-бытовые предприятия: магазины, мастерские, а также школы, поликлиники и т. п. Весьма важно то, что новые данные, новые измерения фактического водопотребления могут быть легко использованы для уточнения методики МВКНИИП – в настоящее время достаточно велико число квартирных и общедомовых счетчиков воды, имеется множество устройств для регистрации их показаний.

Факторный анализ показал, что основными влияющими факторами, на 85–90 % определяющими величину дисперсий регулярной и случайной составляющих суммарного случайного процесса водопотребления, являются лишь два – число потребителей (приборов) N, а также средний за год удельный часовой расход воды для одного потребителя (прибора). Конечно, это не значит, что на величины расходов воды, на функции распределения этих величин, на параметры таких распределений совсем не влияют другие факторы – социальные, демографические, технические. Полученный результат означает лишь то, что суммарное влияние других факторов достаточно мало и может в настоящее время не учитываться для практических целей. Следует, однако, иметь в виду, что влияние такого важного фактора, как давление в сети водопровода, косвенно учитывается в новой методике через влияние давления на расчетный удельный средний за год расход воды. Ведь очевидно: изменяя за счет тех или иных проектных решений давление воды в системе водопровода (разделяя системы на зоны, устанавливая регуляторы давления или регуляторы расхода воды), мы изменяем и прогноз средних за год часовых расходов и, следовательно, изменяем прогноз расчетных часовых и кратковременных расходов.

Новая методика определения расчетных расходов стоков базируется на результатах исследований закономерностей их формирования в трубопроводах систем канализации зданий, проведенных А. Я. Добромысловым (ЦНИИЭП ИО) в 60–80-х гг. XX века.

Им было показано, что подходы к определению расчетных расходов стоков для стояков и для отводных (горизонтальных) участков сети должны быть различны. При гидравлическом расчете стояков критерием расчета является недопущение срыва гидравлического затвора у любого из приборов, присоединенных к стояку. А при расчете горизонтальных трубопроводов, обычно не работающих полным сечением, где не возникает опасности срыва гидравлических затворов, следует учитывать не только величины водоразбора, но и сбросы воды, имеющие наибольшую продолжительность – это, очевидно, сбросы (расходы) от приборов с наибольшей вместимостью (например, от ванны объемом 140–180 л имеющей время опорожнения 160–180 с).

В стандарте организации ФГУП «СантехНИИпроект» использована методика МВКНИИП, позволяющая определять расчетные расходы воды и стоков в системах водоснабжения и в системах канализации зданий. В стандарте приведены исходные данные, необходимые для выполнения расчетов, а в пособии к стандарту, которое будет выпущено в ближайшее время, приведено достаточное число примеров определения расчетных расходов воды и стоков, позволяющих весьма быстро и просто освоить технику вычислений для получения достоверных результатов и повышения качества проектных расчетов. Все расчеты при необходимости могут быть автоматизированы, программы для построения необходимых таблиц и получения результатов с применением персональных компьютеров могут быть получены во ФГУП «СантехНИИпроект» или в ГУП «МосводоканалНИИпроект».