Změna odtoku vody v závislosti na tvaru podtlakového vtoku

1. Úvod

Cílem práce bylo nalezení optimálního tvaru podtlakového vtoku. Pro účely testování byly navrženy tři varianty podtlakových vtoků. Tyto vtoky byly testovány na měřícím zařízení, které je popsané níže. Pro vtoky byla měřena hydraulická kapacita při stanovených výškách vzdutí vody na simulované střeše. Při testování vtoků byly také sledovány hydraulické poměry v transparentním odtokovém potrubí. Hydraulické poměry v potrubí byly sledovány pro určení výšky vzdutí vody, při kterém nastává, v potrubí, plný průtok.

2. Popis podtlakového vtoku

Obecně podtlakový vtok vychází z gravitačního vtoku. Rozdíl mezi nimi je vzduchová přepážka, která je pro podtlakový vtok velmi důležitá. Vzduchová přepážka zabraňuje strhávání vzduchu do vtoku a následně tedy do celé trasy potrubí [1]. Vzduchová přepážka zamezuje tvorbě víru nad vtokem, který by nasával vzduch do systému [2]. Vznik podtlakového odvodnění je standardně doprovázen čtyřmi fázemi proudění vody v systému. První z nich je gravitační průtok, druhá je pístový průtok, třetí je bublinkový průtok a poslední, tj. čtvrtá fáze je plný průtok. Vnikání vzduchu do systému je doprovázeno silným hlukem, který má nejvyšší úroveň v okolí třetí fáze. Důvodem je to, že na odtok vody působí podtlakový efekt, což má za následek vyšší rychlosti proudění vody v potrubí, tedy i na nátokové hraně vtoku. U nátoku se vzduch dostává spolu s vodou do vtoku, a to v poměru vzduchu a vody zhruba 5 % : 95 % [3]. Při vytvoření podtlakového efektu dochází ke snížení hodnoty tlaku, a to až pod hodnotu tlaku atmosférického [4].

Popis variant

Obr. 1 Řezy podtlakových vtoků (varianta 1–3)

První varianta podtlakového vtoku vychází, stejně jako další dvě varianty, z gravitačního vtoku. U této varianty byl upraven pouze ochranný koš vtoku a to tak, že byl doplněn o vzduchovou přepážku. Průměr vzduchové přepážky je 189 mm a je umístěna 14 mm nad úrovní hydroizolační fólie vtoku. Ochranný koš se vzduchovou přepážkou je ke vtoku uchycený pomocí tří pacek, které se při otočení zachytí za přírubu vtoku viz Obr. 1.

U druhé varianty byla také osazena vzduchová přepážka se shodnými parametry jako u varianty první. U této varianty byla sestava vtoku doplněna o další část, která byla zalisovaná mezi tělo vtoku a mezi jeho přírubu. Tato varianta usměrňuje proud vody pomocí přelivné plochy, která vede od přelivné hrany vtoku po nátok do odtokového potrubí vtoku. Prvek byl dále osazen symetricky třemi lamely, které směřují do osy vtoku. Spojení lamel v ose vtoku dále slouží pro uchycení ochranného koše a vzduchové přepážky k tělu vtoku. Sestava je patrná z Obr. 1.

Třetí varianta vychází z varianty druhé. Rozdíl oproti druhé variantě tkví v tom, že u části, která je zalisovaná mezi tělo vtoku a přírubu vtoku, není přelivná plocha. Část je osazena pouze lamely, které směřují do osy vtoku viz Obr. 1.

3. Metodika

Norma ČSN EN 1253-2 Podlahové vpusti a střešní vtoky – Část 2: Střešní vtoky a podlahové vpusti bez zápachové uzávěrky (2016) definuje, že zkouška může být prováděna s deskou simulující plochu střechy nebo bez ní. Nulový bod, pro měření výšky vzdutí vody nad vtokem, musí být v úrovni, kdy voda začne vtékat do střešního vtoku. Měřicí body pro výšku vzdutí hladiny vody musí být vzdáleny od svislé osy vtoku 500 mm ± 5 mm. Výška vzdutí je vertikální vzdálenost mezi úrovní nulového bodu a úrovní hladiny měřené v měřicím bodě. Předpokládá se, že plného průtoku je dosaženo v bodě, kdy se zvyšující se tlakovou výškou, tzn. výškou vzdutí, se neočekává zvýšení průtoku a nelze pozorovat vstup vzduchu do potrubí. Pro účely pozorování se proto používá transparentní potrubí. Zkouška může být provedena s uzávěrem nebo bez uzávěru na konci odtokového potrubí. V případě použití uzávěru se délka a průměr potrubí zvolí tak, aby bylo dosaženo maximálního průtoku, který lze očekávat při plném plnění s potrubím stejného DN/ID. Tolerance pro výšku vzdutí může být ± 2 mm [5].

Průběh testování

Testování navržených variant podtlakových vtoků probíhalo na navrženém měřícím zařízení. To se skládá z nosné konstrukce celého systému. Ze spodní nádrže o průměru 1500 mm a výšce 1500 mm a z horní nádrže o rozměrech 1800 × 1800 × 500 mm. Horní nádrž je plněná z dolní nádrže pomocí čerpadla a výtlačného řadu. Na výtlačné větvi je umístěn průtokoměr. Odtokové potrubí je vedeno zpět do dolní nádrže.

Pro varianty podtlakových vtoků byly zaznamenány hodnoty průtoku pro předem definované výšky vzdutí vody na simulované střeše. Průtok byl měřen ve výškách 5 mm, 15 mm, 25 mm, 35 mm, 45 mm, 55 mm a 100 mm.

Výška vzdutí vody byla měřena 50 mm od hrany kruhové desky, která simuluje plochu střechy, tzn. dochází k ustálení přítoku vody ke vtoku. Tato deska má průměr 1000 mm a je osazena v horní nádrži spolu s vtokem.

Hodnota průtoku byla zaznamenávána z průtokoměru DN 150, který je osazený na výtlačném potrubí. Měření probíhalo 10 minut od ustálení výšky vzdutí, během kterých bylo zaznamenáno 11 hodnot (1 hodnota‧min⁻¹). Tento interval byl opakován pro každou měřenou výšku vzdutí vody a také pro další varianty podtlakových vtoků. Z naměřených hodnot byl následně vypočten aritmetický průměr, který spolu s výškou vzdutí vody vstupuje do grafu odtokové křivky viz níže.

4. Výsledky

Níže uvedené fotografie (Obr. 2.) znázorňují proudění vody v odtokovém potrubí při výšce vzdutí vody 55 mm na simulované střeše. Plný průtok, kdy se do systému nedostává vzduch, je patrný z levé a pravé části obrázku (první a třetí varianta podtlakového vtoku). Při plném průtoku je potrubí s proudící vodou zcela průhledné (lze přes něj vidět zakrytou část žlutého nosníku). Ve střední části obrázku je znázorněna druhá varianta podtlakového vtoku. U této varianty není potrubí průhledné (zakrytá část žlutého nosníku není vidět). Tato fáze proudění se označuje jako bublinkový průtok. Díky vytvořenému podtlakovému efektu je v této fázi dosaženo vysokých rychlostí proudění vody v systému, ale je v něm stále přítomné velké množství vzduchových bublin.

Obr. 2 Pohled na transparentní část odtokového potrubí při testování hydraulické kapacity vtoků při výšce vzdutí 55 mm (varianta 1–3)

Uvedené tabulky představují naměřená data z průběhu testování jednotlivých variant podtlakových vtoků. První sloupec tabulky značí výšku vzdutí vody nad přelivnou hranou. Jednotlivé řádky hodnot představují data odečtených průtoků, které byly odečítány z průtokoměru po 1 minutě. V posledním sloupci je uvedena průměrná hodnota, která vstupuje, spolu s výškou vzdutí vody, do grafu viz Obr. 3.

Obr. 3 Odtokové křivky (varianta 1–3)

Obr. 3 znázorňuje odtokové křivky pro všechny varianty testovaných podtlakových vtoků. Osa X představuje hydraulickou kapacitu Q v l‧s⁻¹ a osa Y výšku vzdutí vody h v mm. V grafu je vyznačeno vzdutí vody ve výšce 55 mm, což je hodnota, při které má být, dle normy, podtlakový vtok testován a dále musí splnit minimální hodnotu odtoku, která činí 12,00 l‧s⁻¹ [5].

5. Diskuse

Při srovnání variant navržených podtlakových vtoků lze konstatovat, že druhá varianta má nejvyšší hydraulickou kapacitu, ta činí 20,14 l‧s⁻¹. Hydraulická kapacita pro první variantu je 17,13 l‧s⁻¹ a hodnota pro třetí variantu je pak 18,54 l‧s⁻¹. Pokud srovnáme nejvyšší a střední hodnotu hydraulické kapacity, dostaneme rozdíl 1,60 l‧s⁻¹ což odpovídá 7,94% poklesu v hydraulické kapacitě. Pokud srovnáme nejvyšší a nejnižší hodnotu hydraulické kapacity, dostaneme rozdíl 3,01 l‧s⁻¹ což odpovídá 14,95% poklesu v hydraulické kapacitě.

Při srovnání hydraulických poměrů je na tom nejlépe první varianta, při které dochází k plnému průtoku vody v potrubí při výšce vzdutí vody nižší než 55 mm. U druhé varianty bylo dosaženo plného průtoku vody v potrubí až při výšce 65–75 mm. Dosažení plného průtoku až při těchto výškách je pravděpodobně způsobeno vysokou nátokovou rychlostí vody do vtoku, která strhává část okolního vzduchu. Nátok může být také ovlivněn turbulencemi, které mohou vznikat u spáry, která odděluje přírubu vtoku a zalisovanou část s přelivnou plochou. U třetí varianty bylo dosaženo plného průtoku vody v potrubí při výšce cca 55 mm.

Podtlakový efekt obecně nastává již při nižších výškách zatopení (menší než 55 mm), o čemž vypovídají i naměřené průtoky. Vnik vzduchu do systému je však doprovázen silným hlukem a vibracemi, které nejsou žádoucí.

Při srovnání hydraulické kapacity pro první a třetí vtok, lze konstatovat, že trojice lamel usměrňuje odtok vody a zvyšuje tak hydraulickou kapacitu vtoku.

6. Závěr

Z výše navržených a testovaných variant podtlakových vtoků, pro které byly testovány hydraulické kapacity, vychází nejlépe třetí varianta. Tato varianta splňuje podmínku minimálního průtoku 12,00 l‧s⁻¹, která je stanovena normou ČSN EN 1253-2. Tato podmínka je platná pro výšku vzdutí vody 55 mm. Podtlakový vtok, při této výšce vzdutí, splňuje plný průtok v odtokovém potrubí, při kterém dochází ke snížení míry hluku nad vtokem oproti částečnému průtoku. První varianta podtlakového vtoku také splňuje dané podmínky, avšak hydraulická kapacita je nižší ve srovnání se třetí variantou. Druhá varianta podtlakového vtoku splňuje pouze hydraulickou kapacitu, plného průtoku, při vzdutí vody 55 mm, bohužel není dosaženo. Z toho důvodu se tato varianta jeví jako nevhodná.

Pro zlepšení dosavadních dat bude probíhat další testování podtlakových vtoků. Další výzkumná činnost bude zaměřena na míru hluku, který vzniká při odtoku vody podtlakovým vtokem.

Poděkování

Práce byla financována z rozpočtu projektu „Aktuální problémy vodního hospodářství obcí“, registrační číslo FAST-J-20-6431, který je financován z programu Specifického vysokoškolského výzkumu Vysokého učení technického v Brně.

Použité zdroje

1. LUCKE, Terry a Simon BEECHAM. Alternative low-cost overflows for siphonic roof drainage systems: Proof of concept. Journal of Building Engineering. 2015, 2, 9-16.
2. LUCKE, Terry, Simon BEECHAM a George ZILLANTE. Rainwater harvesting options for commercial buildings using siphonic roof drainage systems----Lessons for Building Surveyors. Conference Paper. Australian Institution of Building Surveyors Conference, 2007.
3. SCHILHART, Eduard. Navrhování odvodnění plochých střech 2. Podtlakové systémy. Materiály pro stavbu [online]. 2017 [cit. 2020-11-14]. Dostupné z: https://www.topwet.cz/upload/data/cz/files/navrhovani-odvodneni-plochych-strech-2.pdf
4. RUNŠTUK, Michal. Odvodnění plochých střech: gravitační, nebo podtlakový systém? Materiály pro stavbu. 2015.
5. ČSN EN 1253-2. Podlahové vpusti a střešní vtoky: Část 2: Střešní vtoky a podlahové vpusti bez zápachové uzávěrky. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2016.

Článek byl vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2021. Byl oceněn odbornou porotou konference a okomentován spolupracovníky redakce TZB Info.