7. Obliczenia hydrauliczne przewodów wodociągowych

Dla wykonania obliczeń sieci wodociągowej należy przeanalizować przewidywane zużycie dobowe wody na ilość mieszkańców na terenie którego zakres obejmuje projektowanie. Zużycie wody uzależnione jest od posiadanych przyborów sanitarnych, dostępności ciepłej wody użytkowej oraz opomiarowania bezpośrednich odbiorców. Przyjmuje się, że wynosi ono docelowo 150 do 250 litrów na 1 mieszkania w ciągu doby. Do tego zużycia należy dodać zużycie wody przez biura, handel, usługi i przemysł. Następnie należy rozpatrzyć zużycie wody szczytowe, konieczność budowy zbiorników szczytowych i retencyjnych oraz projektowany system dystrybucji wody. Najczęściej przyjmuje się, że w okresie szczytu rozbioru wody, pobór wody jest 5-ciokrotnie wyższy od normalnego średniego poboru wody.

Zasady obliczeń strat ciśnienia podaje norma PN [M-34034] oraz normy PN-EN [805] i [V-1452-6].

Obliczenia hydrauliczne należy tak przeprowadzić, aby cały system spełniał następujące wymagania:
- w okresie maksymalnego rozbioru wody występowało wystarczające ciśnienie u wszystkich odbiorców
- była akceptowalna szybkość przepływu
- należy tak ustalić minimalne i maksymalne ciśnienie, ażeby było odpowiednio zrównoważone w całym systemie.

Wysokość spadków ciśnień na długości przewodów wg PN-EN [805] obliczamy z równań:

                         (1)                  

                    (2)                  

             (3)                  

                    (4)                  

gdzie:

     - strata ciśnienia wywołana oporami przepływu (Pa) (100kPa = 1 bar)
H_r       - wysokość strat słupa wody [m]
        - współczynnik oporów liniowych (bezwymiarowy)
L        - długość przewodu [m]
g        - przyspieszenie ziemskie [9,81 m/s²]
d        - średnica wewnętrzna przewodu [m]
        - gęstość wody (1000 kg/m³)
R_e      - liczba Reynoldsa (dla ruchu turbulentnego powyżej 2300)
        - lepkość kinematyczna wody (1,3 x 10^-6 m²/s)
k        - chropowatość hydrauliczna ścianek przewodu (m)
V        - prędkość przepływu (m/s)

Do obliczonych spadków liniowych należy dodać straty miejscowe wynikające z połączeń kielichowych rur oraz występowanie kształtek oraz armatury. W praktyce zwiększenie to wyniesie dla przewodów magistralnych ok. 3%, a dla przewodów rozprowadzających z większą ilością kształtek ok. 10%.

Obliczenia dla rur z PVC-U i PE dotyczące zależności natężenia przepływu (l/s), strat ciśnienia słupa wody (m/km) oraz szybkość przepływu (m/s) przeprowadził L.E.Janson na podstawie wzoru Colebrook'a przyjmując współczynniki chropowatości dla średnic do 200 mm k=0,02 mm i dla średnic większych k=0,05 mm. Wyniki tych obliczeń przedstawiono w formie monogramu w Aneksie A (informacyjnym) do normy PN-EN [9]. Na podstawie tego monogramu można dobrać minimalne średnice wewnętrzne rur przy założonych spadkach ciśnienia słupa wody, szybkości przepływu i natężeniu (wydatku) przepływu. Możliwe jest również, przy założonym natężeniu przepływu wody i średnicy przewodu, sprawdzenie szybkości przepływu.

Szybkość przepływu optymalna powinna być utrzymana w zakresie 0,8 1,4 m/s. W praktyce zakres szybkości przepływu może dochodzić nawet do 3,5 m/s, jednakże przy takich szybkościach transport wody jest mało ekonomiczny dla doboru i kosztów eksploatacji pomp oraz niebezpieczeństwa możliwości uderzeń hydraulicznych.

Dobór średnic sieci rozprowadzającej w praktyce zależy od ilości osób, które mają być zaopatrzone w wodę. W tablicy 1 podano [PN-EN 805] minimalne średnice przewodów w zależności od liczby osób pobierających wodę.

Tablica 1.

Analiza projektu sieci. Należy opracować uproszczony model matematyczny reprezentujący sieć uwzględniający wymagania w czasie rozbioru wody w okresie szczytowym. Na bazie tych wymagań należy ustalić konieczną wielkość stacji pomp z rezerwą mocy oraz celowość budowy zbiorników szczytowych. Przepustowość przewodów powinna być wystarczająca również dla dostarczenia wody na cele przeciwpożarowe.

typy systemu konfiguracji sieci mogą być następujące:
- układ zasilania liniowego z głównymi rozprowadzeniami
- układ pierścieniowy z bocznymi rozprowadzeniami
- układ pierścieniowy z wzajemnie połączonymi rozgałęzionymi magistralami.

W praktyce zaleca się stosowanie systemu pierścieniowego z rozprowadzeniem liniowym wewnątrz układu. Nie zawsze jest to jednak możliwe, szczególnie przy rozległej prostej liniowej zabudowie. Często przy różnorodnej zabudowie i różnicach wysokości terenu opłacalna jest budowa dodatkowych przepompowni lub zbiorników retencyjnych używanych do zasilania w okresie szczytowym.