Doprava vody ve vysokých budovách: střešní nádrže vs. tlakové systémy
Inteligentní zvyšovací systémy tlaku
Existuje pět způsobů přivádění pitné vody do komerčních budov. Ale jak tyto způsoby mezi sebou porovnat a určit, který je nejlepší pro váš projekt? Sdílíme naše poznatky týkající se toho, co zohlednit při návrhu zvyšovacích systémů tlaku vody pro vysoké budovy.
Úvod
Používání střešních nádrží k zajištění potřebného tlaku vody v budovách je velmi běžnou praxí. Alternativou ke střešním nádržím jsou tlakové stanice, kdy potřebný tlak vody zajišťuje určitý počet čerpadel pro zvyšování tlaku.
Tento článek analyzuje případovou studii s pěti různými systémy zásobování vodou v budově vysoké 250 metrů při denní spotřebě vody 295 m3. Tato analýza pokrývá konfigurace střešního systému a čtyř různých aplikací tlakových stanic. Rozvádí všechny kladné a záporné stránky jednotlivých systémů a uvádí kalkulaci celkových nákladů za dobu životnosti 20 let při zvážení všech důležitých nákladových položek. Dává cenné náměty pro konzultanty činné v oblasti vodovodních soustav aplikovaných ve výškových budovách.
Řešení se střešními nádržemi
Střešní nádrže se začaly používat již před více než sto lety v návaznosti na neustále rostoucí výšku budov. Stále se zvyšoval požadavek na tlak vody pro hasicí systémy a odběrná místa v rámci budov a tlak zajišťovaný veřejnými vodovodními řady již nemohl dostatečně pokrýt celý rozsah budov. Nebyla však dosud k dispozici spolehlivá a účinná čerpadla pro systémy zvyšování tlaku. Jako okamžité řešení se nabízelo použití standardních čerpadel pro plnění nádrže umístěné na střeše budovy. Z této nádrže pak odtékala voda přirozeným samospádem a pod dostatečným tlakem do jednotlivých odběrných míst dané budovy.
I přes zavedení moderních, energeticky účinných tlakových stanic, je i v dnešní době ještě mnoho budov vybaveno střešními nádržemi na vodu.
Voda připravená pro okamžité použití
Střešní nádrže umožňují uživatelům, aby měli k dispozici vodu pod potřebným tlakem i v situacích, kdy není k dispozici dodávka elektrické energie. Střešní nádrže se různí co do velikosti. Jejich společnou vlastností však je, že jsou rezervoárem vody pro okamžité použití pro domovní účely i hašení případného požáru.
Jednoduchá konstrukce střešní nádrže zahrnuje vlastní nádrž, vtokové a výtokové potrubí, plovákový spínač a čerpadlo. Jakmile hladina vody v nádrži klesne pod určitou úroveň, zapne plovákový spínač čerpadlo, které doplní nádrž vodou.
Bohaté tradice
Zavedení a používání střešních nádrží je často těsně spjato s místními tradicemi. Několik měst a regionů ve světovém měřítku dosud používá střešní nádrže a bude v tom určitě ještě celé další dlouhé roky pokračovat. Odhaduje se, že přibližně 15 000 střešních nádrží dotváří siluetu New Yorku a je nedílnou součástí systému zásobování města vodou. Ve Střední a Jižní Americe, jakož i na Středním Východě, jsou střešní nádrže rovněž velmi obvyklým jevem. V Evropě se střešní nádrže používají v mnohem menším měřítku a namísto nich se aplikují zejména zvyšovací tlakové stanice. Je k dispozici mnoho typů tlakových stanic, přičemž každá má své klady a zápory. Společným rysem těchto různých typů tlakových stanic je, že mají menší nároky na instalační prostor a vykazují nižší celkové náklady za dobu životnosti.
Z funkčního hlediska pak splňují dnešní střešní nádrže v mnoha ohledech požadavky, které jsou na ně kladeny. Jedná se u nich o vyzkoušenou technologii, která zajišťuje stabilní provoz. Uživatel dostává vodu pod požadovaným tlakem.
Na druhé straně je však provoz střešních nádrží spojen s aspekty, které nejsou vždy žádoucí. Je zde možno zmínit např. vysoké investiční náklady dané sestavou a instalačními nároky, jakož i vyššími požadavky na konstrukci, vysoké provozní náklady, absenci regulace tlaku a obtížnou údržbu střešní nádrže jako takové.
Hygienické aspekty
Legionella v biofilmu
Kromě použití pro akumulaci vody a vytváření tlaku mohou střešní nádrže bohužel také být živnou půdou pro bakterie, které přináší zdravotní rizika.
Ve vodovodních systémech se často objevuje jako nevítaný host výjimečně odolná bakterie legionela. Legionely a jiné mikroorganismy přežívají v biofilmu, který se ve vodovodních systémech vytváří. Biofilm vzniká uvnitř potrubí a vodních nádrží, kde působí jako ochranná bariéra a současně také živná půda pro různé bakterie. Je-li vodní nádrž vyrobena z organického materiálu jako je např. dřevo, slouží sama tato nádrž po celou dobu své životnosti jako zásobárna živin pro bakterie. V mnoha zemích je zákonem stanoveno pravidelné čištění a údržba nádrží na vodu, takže do úvahy je třeba rovněž brát tyto dodatečné náklady včetně nákladů na desinfekci.
Případová studie
Stejně jako budovy tak i systémy zvyšování tlaku vody se od sebe navzájem liší co do velikosti a konstrukce, takže je mnohdy obtížné určit, který z nich je nejúčinnější. V této fiktivní případové studii se podíváme blíže na pět různých konfigurací zvyšovacích systémů. Nahlédneme na jejich kladné i záporné stránky a vy pak budete sami moci dovodit, která alternativa této studie je nejhospodárnější. Kalkulace celkových nákladů za dobu životnosti 20 let (LCC) zahrnuje počáteční investici do tlakových stanic, potrubí a nádrží, jakož i náklady na energie, ušlé výnosy a náklady na údržbu.
Výchozí údaje pro kalkulaci:
Budova: administrativní budova vysoká 250 m
Požadavek na zásobování vodou: 295 m3/den
Kalkulace předpokládá pouze vodu pro domovní účely. Voda pro klimatizaci není zohledněna.
Konfigurace systému
1. Systém s jednou tlakovou stanicí. Na čelní straně čerpacího systému se nachází přerušovací vodní nádrž, která je plněna z vodovodního řadu. Přívod vody z vodovodního řadu tak může být nižší než požadavek na odběr vody ve špičce a současně je zajištěn požadovaný tlak. Přerušovací nádrž se plní v době nízkého odběru vody a zajišťuje stálý stejnoměrný přívod vody do čerpadla.
| Systém s jednou tlakovou stanicí | Výhody | Nevýhody |
|---|---|---|
 |
|
|
2. Systém s tlakovými pásmy. Systém zásobování vodou se dělí na několik tlakových pásem, která zásobují max. 12 podlaží budovy. To zajišťuje přiměřený tlak vody na všech podlažích bez nutnosti použití pojistných ventilů. Minimální tlak na horním podlaží každého tlakového pásma se udržuje na hodnotě 1,5–2 bary. Maximální tlak na nejnižším podlaží nepřesáhne hodnotu 4–4,5 baru.
| Systém s tlakovými pásmy | Výhody | Nevýhody |
|---|---|---|
 |
|
|
3. Střešní nádrže zajišťují dodávku vody pod požadovaným tlakem i v případě výpadku elektrické energie.
Toto řešení vyžaduje použití redukčních ventilů na každém podlaží, které zamezují vytváření nepřiměřeně vysokého statického tlaku v odběrných místech, čímž vzniká hluk při odběru vody.
V tomto modelu vyžaduje horních šest podlaží samostatnou tlakovou stanici, aby byla zajištěna dodávka vody pod požadovaným tlakem. Statický tlak je v tomto pásmu příliš nízký kvůli nedostatečné geometrické výškce směrem ke střešní nádrži.
| Střešní nádrže | Výhody | Nevýhody |
|---|---|---|
 |
|
|
4. Tlakové systémy zapojené do série s mezilehlými přerušovacími nádržemi napodobují jiné tlakové soustavy, využívají funkce centrálních přerušovacích nádrží k zásobování odběrných míst ve svém vlastním tlakovém pásmu i nad ním. Budova je rozdělena na menší a snadněji manipulovatelná tlaková pásma, z nichž každé obsluhuje 12 podlaží. Každé pásmo pak zásobuje vlastní tlaková stanice. Nejsou zde nutné redukční ventily a v případě výpadku elektrické energie budou nádrže schopny zásobovat odběrná místa pod požadovaným tlakem až 12 hodin. Nicméně nádrže zabírají cenný prostor a redukují místo, které lze využít pro realizaci výnosů z provozu budovy.
| Mezilehlé přerušovací nádrže | Výhody | Nevýhody |
|---|---|---|
 |
|
|
5. Tlakový systém zapojený do série pracuje na stejném principu jako předcházející systém, avšak neobsahuje mezilehlé přerušovací nádrže.
To umožňuje efektivní využití elektrické energie, protože voda se čerpá pouze do tlakového pásma, v němž se také odebírá, a nikoliv kolem něj.
Je však důležité provádět komplexní regulaci. Když uživatelé odebírají vodu na výše položených podlažích, tlaková stanice musí čerpat vodu ze spodních částí budovy.
| Systém se zapojením do série | Výhody | Nevýhody |
|---|---|---|
 |
|
|
Reálný pohled na věc
Analýza celkových nákladů za dobu životnosti (LCC) je nástroj, který pomáhá minimalizovat plýtvání energií a maximalizovat energetickou účinnost u mnoha typů soustav včetně systémů zvyšování tlaku vody.
Vysokou užitečnost dává kalkulaci LCC schopnost vytvářet standardní referenční rámec, s jehož pomocí je možno srovnávat různé typy řešení s tlakovými stanicemi a různé dodavatele systémů zvyšování tlaku vody.
Náklady na životní cyklus
Výpočty nákladů za dobu životnosti se u čerpacích systémů za normálních okolností provádějí při zohlednění tří nákladových parametrů. Zohledněné nákladové parametry jsou:
- Pořizovací náklady na tlakové stanice
- Náklady na údržbu
- Náklady na energii
V této případové studii jsou zahrnuty rovněž skryté náklady, aby vyhodnocení systému bylo realistištější.
kde jsou
- LCC
- Life cycle cost
- Cib
- Pořizovací náklady na tlakové stanice
- Cip
- Pořizovací náklady na potrubí, redukční ventily a nádrže
- Cm
- Náklady na údržbu
- Ce
- Náklady na energii
- Cr
- Náklady spojené s ušlými výnosy
Pořizovací náklady na tlakové stanice, Cib
Srovnání pořizovacích nákladů na tlakové stanice, Cib
Zahrnují tlakové stanice nebo čerpadla a veškeré zařízení a příslušenství nutné pro provoz tlakových stanic:
- Čerpadla
- Frekvenční měniče
- Ovládací panely
- Tlakové senzory
- Membránové tlakové nádoby
Pořizovací náklady na nádrže a potrubí, Cip
Srovnání pořizovacích nákladů na potrubí atd., Cip
U výškových budov převyšují často investiční náklady na potrubí, armatury a nádrže náklady na pořízení tlakových stanic. Tato studie není výjimkou.
Do nákladů jsou zahrnuty tyto položky:
- Vertikální stoupací potrubí včetně izolace trubek, instalačního materiálu a montáže. Pro účel výpočtu se uvažuje potrubí z korozivzdorné oceli dle normy DIN 2463. Ceny se pohybují od 50 €/m trubky Ø 35 mm (1¼”) do 150 €/m trubky Ø 108 mm (4”)
- Nádrže. Ceny nádrží 200 €/m3. Pro případ výpadku dodky elektřiny jsou nádrže dimenzová ny tak, aby mohly dodávat vodu po dobu až 12 hodin.
- Redukční ventily (PRVs). Cena 450 €/ks včetně montáže.
PRVs jsou zahrnuty ve výpočtech, kde v uspořádání potrubí je statický tlak na odběrných kohoutech vyšší než cca 5 barů.
Systém 1. Systém s jedním čerpadlem a 3. Střešní nádrže jsou vybaveny PRVs.
Poznámka: Náklady na horizontální potrubí pro rozvod vody v podhledech potrubí vedené v podlaze, jakož i upevňovací prvky, se do kalkulace nezahrnují. Náklady na tyto položky jsou stejné bez ohledu na to, která konfigurace se zvolí.
Náklady na údržbu, Cm
Údržba po dobu 20 let:
Náklady na údržbu tlakové stanice činí odhadem 50 % její pořizovací ceny.
- Potrubí a PRVs: 5 % pořizovací ceny
- Střešní a přerušovací nádrže 20 % pořizovací ceny nádrží
Střešní i přerušovací nádrže musejí být jednou za rok vyprázdněny a řádně vyčištěny v souladu s platnými předpisy. Systém zvyšování tlaku, který pracuje s nádržemi má nevýhodu ve srovnání s tlakovými stanicemi.
Set pro zvyšování tlaku
Srovnání nákladů na údržbu za dobu 20 let, Cm
Odběrný profil
Výpočtový profil
Pro energetickou kalkulaci je třeba znát zátěžový profil. Tento odběrný profil udává změny, k nimž dochází v průtoku za dobu 24 hodin. V administrativní budově, jakož i v komerčních budovách, míra odběru vody značně kolísá v závislosti na denní době.
Ráno, kdy se provádějí činnosti jako je úklid, vaření kávy, příprava pokrmů a umývání nádobí, je průtok a odběr vody největší. Po zbytek dne se pak spotřeba vody mění, nedosahuje však již ranní hodnoty. Protože v budově jsou pouze kanceláře, je ve večerních a nočních hodinách prakticky nulová spotřeba vody. Odběrný profil je založen na zátěžové křivce. Celková spotřeba pitné vody za den se odhaduje na 295 m3 při odhadovaném odběru v trvání 250 dní za rok.
Kalkulace potřeby energie se provádějí ve třech různých bodech, které se považují za reprezentativní pro sestavení odběrného profilu.
- Provozní bod 1 je aktuální pouze jednu hodinu denní doby ve špičce 53,1 m3/h.
- Provozní bod 2 je aktuální čtyři hodiny denně při průtoku 21,2 m3/h.
- Provozní bod 3 je aktuální 10 hodin denně při průtoku 15,6 m3/h.
- Ve zbývajících devíti hodinách se předpokládá nulový odběr vody.
Zátežový profil během 24 hodin
Zátěžová křivka ukazující dobu provozu během dne nad vyznačeným průtokem
Náklady na energii, Ce
Systém 1, s jednou tl. stanicí. Kalkulace roční spotřeby energie.
Náklady na energii se vypočítají podle tohoto vzorce:
Tabulka vpravo ukazuje princip všech kalkulací energie. Roční spotřeba energie je kalkulována ze tři provozních bodů. Účinost vychází z parametrů čerpadel a tlakových setů Grundfos. Kalkulovaná cena energie: € 0,20 per kWh.
Srovnání energetické spotřeby za 20 let provozu, Ce
Dřevěné střešní nádrže v New Yorku
Ušlé výnosy, Cr
Srovnání ušlých výnosů za dobu 20 let, Cr
Spolu se zhodnocováním nemovitosti, roste hodnota prodejné plochy budovy. V mnoha případech je užitečné zvýšit výšku budovy. Jiným, ještě efektivnějším způsobem jak zvětšit prodejnou plochu, je zmenšit „zbytečný“ obslužný prostor.
Tento výpočet bere do úvahy instalační prostor, který zaujmou tlakové stanice a systémy. Počítáme s hodnotou € 5 za m2 za měsíc. Pro suterén a střechy se počítá s částkou € 2,5 na m2 a měsíc.
Náklady na výnosy se mohou měnit podle podmínek na jednotlivých trzích.
Přednosti tlakových systémů
Pospali jsme stručně historii a pozadí používání střešních nádrží a tlakových systémů. Představili jsme pět různých systémů zvyšování tlaku ve výškových budovách včetně výpočtů pro jejich použití v identické fiktivní budově. Lze snadno provést srovnání různých parametrů těchto systémů. Z analýzy plyne, že tlakové systémy a systémy s tlakovými pásmy mají své přenosti oproti řešením se střešními nádržemi z hlediska pořizovacích nákladů, údržby a spotřeby energie.
Důvody:
1. Vytváření průtoku ve vodní soustavě vyžaduje energii i vytváření tlaku při malém nebo žádném průtoku. Proto jsou výhodnější konfigurace tlakových stanic s několika zvyšovacími čerpadly a nízkými tlaky, neboť příkon bude značně nižší v návaznosti na redukci generovaného tlaku. Systémy (2, 4 a 5) jsou rozděleny do tlakových pásem po maximálně 12 podlažích. Maximální geometrická výška jednoho pásma činí 50 metrů nebo 5 barů. Protože je požadovaný tlak nízký ve srovnání se soustavou s jednou tlakovou stanicí (1) a soustavou se střešní nádrží (3), je také energetický příkon nižší. U systému 1 je celkové množství vody (295 m3/den) natlakováno na 29 barů, což vyžaduje použití redukčních ventilů. Tlaky v soustavách dělených do tlakových pásem (4 a 5) mají nízkou hodnotu až 6 barů a redukční ventily tak nejsou zapotřebí. Ukazuje se, že soustava se střešní nádrží je po všech stránkách nejméně výhodná a její energetická spotřeba je nejvyšší ze všech prezentovaných systémů. To není žádné překvapivé zjištění, protože tlaková stanice zde může pracovat při konstantním průtoku 15 m3/h po dobu až 20 hodin denně. V této soustavě je však celkový objem vody (295 m3/den) čerpán pod vysokým tlakem (29 barů) kolem odběrných míst a teprve pak se gravitačně dostává tam, kde je voda zapotřebí. I v tomto případě je k eliminaci přebytečného tlaku nutné použití redukčních ventilů.
2. Odběrný profil ukazuje, že se potřeba vody v průběhu dne mění. Neustálé přizpůsobování systému této potřebě vyžaduje nasazení tlakových stanic a potrubí dimenzovaných na okamžitý špičkový průtok Použití přerušovacích nádrží umožňuje akumulaci vody k vyrovnávání dodávky při špičkových průtocích. Pak mohou být tlakové stanice i potrubí dimenzovány na nižší průtoky. Například: tlaková stanice obsluhující spodní tlakové pásmo musí dodávat vodu čtyřem tlakovým stanicím, které se nacházejí nad ní. V soustavě zapojené do série bez mezilehlých přerušovacích nádrží (5) musí být tato stanice dimenzována na plný průtok 53,1 m3/h, z čehož plyne potřeba tlakové stanice se třemi 16kW čerpadly. Při zařazení mezilehlých přerušovacích nádrží (systém 4) se požadovaný průtok sníží na 23,2 m3/h, který zvládnou tři čerpadla o výkonu 3 kW, a celkový energetický příkon bude nižší o 24 %. Pro zásobování výškových budov vodou by měly být vždy preferovány zvyšovací systémy rozdělené do tlakových pásem. Instalace těchto systémů se projeví v podstatně nižším energetickém příkonu, protože tlakové stanice budou pracovat v nižší tlakové oblasti. Zvyšovací soustava rozdělená do tlakových pásem nebude také vyžadovat použití žádných redukčních ventilů s ohledem na to, že statický tlak je stále udržován na přípustné úrovni. To vše zvyšuje úroveň pohodlí konečného uživatele.
Nejdůležitější jsou energetické úspory
Tradičně byl kladen důraz zejména na počáteční pořizovací náklady jak při výběru jednotlivých tlakových stanic tak i při rozhodování o konfiguraci zvyšovacího systému. Kalkulace ukazuje, že takový přístup není moudrý. Zvyšovací systémy rozdělené do tlakových pásem vyžadují vyšší investiční náklady na tlakové stanice. Z této studie však plyne, že počáteční investice do tlakových stanic je douhodobě méně důležitá. Je třeba se zaměřit na celkovou konfiguraci systému, neboť nejdůležitějším faktorem je zde spotřeba energie: energetické náklady jsou vyšší než všechny ostatní nákladové položky dohromady.
O autorech:
Jens Nørgaard
Jens Nørgaard je aplikační manažer firmy Grundfos pro oblast obsluhy komerčních budov. Má titul B.Sc. v oboru strojírenství. V rámci své rozsáhlé působnosti aplikačního specialisty a manažera projektů je poradcem konzultačních inženýrských firem při realizaci opatření směřujících k ochraně zdraví obyvatel a aplikaci služeb spojených s obsluhou budov.
Anders Nielsen
Anders Nielsen je manažer mezinárodních projektů Grundfos. Je technický inženýr a dříve byl u firmy Grundfos činný jako energetický poradce v oboru dálkového vytápění, pracovník odbytu a výrobní manažer pro oblast obsluhy obytných budov.
Roční produkce více než 16 milionů kusů čerpadel činí ze společnosti Grundfos jednoho z předních výrobců čerpací techniky. Grundfos se dlouhodobě zaměřuje na vývoj energeticky úsporných a účinných čerpadel. Součástí výrobního sortimentu jsou čerpadla ...
