Proiectarea sistemelor de alimentare cu apa rece pentru cladiri inalte

Proiectarea sistemelor de alimentare cu apa rece pentru cladiri inalte

Aparitia oraselor metropolitane implica provocari noi pentru proiectantii de cladiri si instalatilor aferente acestuia. Densitatea cladirilor, traficul, lipsa de spatiu si spiritul competitiv printre dezvoltatori sunt factorii care decid inaltimea cladirilor. Uneori avem viziunea cladirilor inalte ca si zgaraie-nori.

A.Sisteme pentru alimentarea cu apa a cladirilor foarte inalte

1. Generalitati.

Problematica presiunii

La proiectarea si constructia cladirilor inalte apar mai multe implicari specifice, in special daca vine vorba de proiectarea instalatiilor sanitare. Unii dintre cele mai mari provocari la cladiri inalte au stranse legatura cu controlarea presiunii. Presiunea este in aceasi timp ‘prieten si dusman’ cu sistemul insatlatiilor sanitare. Inginerii de instalatii invata devreme ca daca inalti apa peste un anumit prag, ai o pierdere de 1 pound-forse/inch^2 pentru fiecare 2.3 lbs de ridicare, adica in sistem metric avem o pierdere de 0,068 de bari pentru o distanta verticala de 0,7m. In timp ce acest lucru pare a fi o pierdere de presiune rezonabila, poate fi o pedeapsa semnificativa cand apa atinge pragul de 75lbs, adica 22.86 m. In acest caz este adaugat o necesitate pentru a mentine o presiune maximala la limite admisibile, pe varful coloanei. Multi proiectanti intalnesc zilnic aceasta provocare. Ca si exemplu o conditie normala intr-un dispozitiv de ridicare de apa pentru un grup sanitar intr-o cladire de birouri continand supape de curgere (flush valve) are nevoie de o presiune de 25 psi, adica 1.72 bari. Este nevoie de adaugarea unui sistem de marire a presiunii (grup de pompare), pentru a satisface aceasta conditie si la nivelul cel mai inalt.O complicatie normala apara cand numarul de niveluri cresc. Presiunea combinata a pompelor poate cauza ca presiune totala la baza cladirii, sau la anumite zone, sa depaseasca presiunea minima admisibila la anumite utilitati. Asta este o conditie rutina care in foarte multe cazuri este rezolvat prin adaugarea unor vane de reducere a presiunii in fiecare nivel unde presiunea depaseste presiunea minima admisibila sau prin crearea unor ramuri noi de zone de presiune care deriva dintr-o alta utilitate de ridicare a presiunii. Aceasta zona de presiune utilizeaza o vana de reducere a presiunii centralizata si un ‘sub-riser’, coloana de ridicare a presiunii pentru a obtine o presiune minima necesara la utilitatatile aflate la nivelul cel mai inalt si presiunea maxima admisibila la nivelul cel mai scazut. Aceasta metoda particulara a fost folosita cu succes in mai multe proiecte pentru cladiri foarte inalte. Furnizarea presiunii corespunzatoare a apei la toata nivelele cladirii este criticala pentru toti ocupantii cladirii, totusi din punct de vedere economic, functiunile de baza ale cladirii si inaltimea totala a acestuia au impacte importante pe metodele sistemului de alimentare cu apa. Numeroase cladiri de inaltimi mjlocii si cu inaltimi foarte inalte folosesc mai multe variante de scheme pentru rezolvarea instalatiilor sanitare. O metoda initial folosita , se baza pe metoda turnurilor de apa,bazine de apa amplasate pe acoperisurile cladirilor foarte inalte, care au fost umplute de pompe amplasate la partea inferiaora a cladirii. Din turnurile de apa alimentarea utilitatilor se rezolva printr-o metoda clasica, adica gravitational.

Aceasta metoda a evoluat in sisteme cu pompare directa, folosind pachete de pompare multiple cu controlarea apei la o viteza si presiune constanta. Ambele dintre aceste sisteme au fost eficinte si posibil de realizate din punct de vedere economic pe parcursul anilor, si multe din aceste sisteme sunt utilizate si in ziua de azi. Pompele cu viteze variabile si cu pompare directa devin o metoda cat mai des utilizata in industria moderna din mai multe motive. Aceste pompe sunt necesare din cauza evolutiilor continue si din cauza dezvoltarii automatizarii pentru utilizarea sistemelor de pompare avand frecvente variabile.

In figura de mai sus este prezentata o schema foarte des intalnita la alimentarea cladirilor foarte inalte.

1.2 Pasii urmariti la proiectarea unor instalatii sanitare pentru cladiri foarte inalte

La proiectarea unui instalatii de alimentare cu apa, la cladiri foarte inalte, tip zgaraie nori, trebuie luate in considerare urmatoarele lucruri :

• Presiunea existenta in sistemul de distributie a retelei exterioare
• Necesarul de presiune nu numai la cel mai inalt nivel
• Debitul de apa necesar pentru alimentarea tuturor consumatorilor
• Capacitatea si controlarea pompelor de ridicare a presiunii
• Locul de amplasare a coloanelor de alimentare cu apa
• Zonele de presiune
• Statiile de reglare a presiunii
• Capacitatea de stocare a incalzitorului de apa si capacitatea de recuperare acestuia
• Locul de amplasare a incalzitorului de apa
• Mentinerea temperaturii constante a apei calde
• Necesarul de spatiu in cladire
• Bugetul alocat instalatiei
• Eficienta din punct de vedere energetic
• Masuri pentru izolare acustica

Rolul primar al unei inginer de instalatii este sa determina cea mai buna solutie din pucnt de vedere technic, fizic si economic, cu respectarea normativelor locale si pentru a satisface si cerintele clientilor.

ESEU: Examen - curs specializare - electrician navalist ESEU: Sigurante fuzibile - constructie si principiu de functionare, alegerea sigurantelor fuzibile

Determinarea presiunii necesare

Primul pas este obtinerea informatiei despre presiunea existenta in reteaua locala de apa, de la furnizorul de apa a orasului. Asta poate fi determinat ori prin masuratori pe teren prin masurarea debitului de apa intre doi hidranti de incendiu aflate in vecinatatea cladirii proiectate sau printr-un program de simulare computerizat. Este important obtinerea presiunii maximala in instalatie, pentru a determina daca avem nevoie de vane de reducere a presiunii pentru nivelele inferioare a cladirii. Iar valoarea presiunii minime este necesara pentru alegerea pompelor de ridicare a presiunii pentru a satisface necesitatile si la cel mai inalt nivel.  Urmatorul pas este calcularea pierderilor de presiune de la bransamentul de la retea de apa exterioara pana la sistemul de pompare, luand in considerare pierderile calculate la supapele de sens, apometre, filtre, vane si conducte.

Al treilea pas consta prin calcularea presiunii de curgere la armaturile situate la cel mai inalt nivel. Normativul american pubilicat de ASPE ( American Society of Plumbing Engineers) , adica Societatea Ingineriilor Instalatori in Domeniul Sanitar din America spune ca presiunea minima necesara pentru alte tipuri de armaturi decat supapele de curgere sunt de 15psi, adica 105 KPa sau chiar mai putine, iar presiunea maxima admisibila pentru alte armaturi este de 80 psi, adica 550 kPa.

Urmatorul pas consta prin determinarea presiunii statice. Aceasta este cel mai larg component a presiunii totale la cladiri foarte inalte. Ultimul component al presiunii este presiunea dinamica care este cauzat de frecari datorita curgerii apei prin conducte, depinzand de lungimea ,de diametrul conductei, de viteza apei, de debitul volumetric, de coeficientul de viscozitate a materialului conductei si de viscozitatea apei. Avand toate datele se poate calcule presiunea necesara in functie de care se aleg si pompele.

Aceasta presiune este egala cu suma dintre presiunea reziduala, presiunea statica, si presiunea dinamica.

Alegerea echipamentelor si materialelor necesare

Sistemul de alimentare cu apa trebuie proiectat astfel incat sa reziste la mari presiuni de lucru la baza sistemului. Astfel, impreuna cu pompele de ridicare a presiunii, echipamentele acestora, conductele, vanele, fitingurile, imbinarile trebuie dimensionate astfel incat sa se acomodeze la presiuni inalte la baza sistemului. Daca vrem sa scapam de acest necesar mare a presiunii trebuie introduse etaje tehnice, astfel realizand mai multe zone de presiune.

Prevederi pentu izolatii acustice

La instalatia sistemului de pompare cu debite mari trebuie da luam in considerare si izolatii acustice.

Incorporand actionari cu viteze variabile in sistemul de alimentare cu apa reduce general nivelul sonor si mai bine, in special in perioade cu necesitati scazute, cum ar fi noaptea, cand intensitaea sonora ar putea fi o problema.

Trebuie instalate izolatori de vibratii la bazele tuturor pompelor in toate cazurile, exceptii facand pomplele montate pe placa de constructie. Izolatorii de vibratii ar trebui sa aiba retinere seismica in zonele cu activitate seismica ridicata. Trebuie prevazute conectori flexibili atat la interirul cat si la exteriorul pompelor. Conectori flexibili construite din elastomer cu simplu sau dublu sprirala consolidate cu fibra Kevlar si cu inele de retinere sunt recomandate a fi folosite in locul cablurilor de otel inoxidabile impletite din doua motive. Permit atat miscare axiala cat si miscare laterala, si atenueaza transmisia zgomotului in fluide si in conducte datorita structurii interne a conectorului. Pe suspensiile si suporturile conductelor de apa potabila ar trebuie folosite izolatori cu arcuri, pentru a calma zgomotul transmis prin pompa la constructia cladirii.

Un inginer prudent ar trebui sa recomanda clientului ca odata cu realizarea proiectului , se se ia masuri si din punct de vedere a izolarii fonice, privind sistemul de pompare si sistemul de conducte. Este mult mai expensiv atenuarea zgomotului dupa ce proiectul este realizat, decat incorporarea ei in proiectul actual.

Alegerea conductelor verticale.

Inginerii de instalatii sanitare trebuie sa considere impactul sistemului de instalatii sanitare asupra constructiile practicate. Cele mai experimentate ingineri au ajuns la concluzia ca conductele verticale sunt mult mai efective in mod general decat sistemul de conducte orizontale in proiecte care implica cladiri supraetajate. Conductele verticale folosesc mai putine suporturi si agatatoare si au nevoie de mai putina spatiu in plenumuri de tavan pentru realizarea varsarii.

Totusi, conductele verticale au si ei dezavantajul lor, care consta prin realizarea mai multor penetratii prin dale structurale. Fiecare dintre aceste penetratii trebuie inchise si protejate pentru a preveni propagarea focului si fumului. Nu numai izolarea acestor penetratii ,ci si numarul acestora pot fi dificil de realizate. Locatia acestor penetratii multiple este foarte importanta pentru integritatea structurala a cladirii, mai mult decat estetica mediului construit. Cladirile inalte au nevoie de structuri viguroase, astfel numarul penetratiilor fiind limitate. Structuri diferite, ca si grinzi si dale post-tensionate, care serversc pentru a usura structura integii caldiri, pot limita si mai mult numarul penetratiilor admisibile in cladire. O metoda care cateaodata poate ajuta la dimensionarea conductelor consta prin amplasarea asa numitelor coloane ‘umede’ la varioase locatii pe placa de podea. Aceasta cateodata reduce marimea coloanei principala, crescand marimea coloanelor de ridicare a presiunii in interiorul cladirii , minimalizand potentialele conflicte cu ramura orizontala in plenumul de tavan, si cu siguranta poate sa faca mai accesibil conectarea urmatorilor locatari la sistemul de alimentare cu apa.

Alegerea sistemului de pompare la cladiri foarte inalte

Au fost evaluate mai multe sisteme de pompare pentru ridicarea presiunii.

Prima considerare consta prin reducerea energiei de pompare generala asociata cu sistemele de pompare. Doi factori contribuie semnificativ la pierdera energiei. Primii sunt sistemele care au incorporate o singura pompa cu functionare continua, chiar si cu functionare la debite mici sau in perioade de nefunctionare, si utilizeaza un robinet de golire termic pentru golirea apei care este supraincalzita datorita rotorului care functioneaza sub limitele cerute de debit. Astfel avem atat pierdere de presiune cat si pierdere de apa. In cazul doi avem sisteme care genereaza o singura presiune pentru intreaga cladire, care este destul de inalt pentru a satisface necesarul de presiune si la cel mai dezavantajat utiliazator, astfel utilizand vane de reducere a presiunii pentru nivelele inferioare.

O alta metoda este utilizarea unei pompe pentru fiecare zona de presiune, fiecare pompa in parte fiind reglat la viteze variabile. Asta ar elimina aspectele pierderilor de energie descrise mai sus. Pe fiecare zona de presiune s-ar instala cate o pompa simplex cu o pompa de rezerva , acestea fiind interconectate intre ele prin vane de inchidere, amplasate la fiecare zona. In acest caz energia consumata de catre pompa va fi mai mica decat in cazul anterior. Aceasta aranjare a sistemului de pompare nu are voie de instalarea unor vane de reducere a presiunii la nivelele cele mai inalte, astfel economisand spatiu si aranjamente pentru lucrari de mentenanta.

Un alt scenariu consta prin instalarea unui pompe triplex, cu statiuni PRV adica statii cu vane de reducere a presiunii, pentru fiecare zona de presiune, localizate in dulapuri de vane, amplasate la etaje intermediare in cladire.

Alegerea sistemului de distributie pentre alimentarea cu apa a consumatorilor

Aici putem aminti mai multe configuratii. Prima configuratie consta dintr-un sistem de pompare triplex aflat in etajul tehnic, alimentand apa printr-o conducta principala. Statii de reducere a presiunii sunt instalate in dulapuri de vane pentru a crea zone de presiune, de aproximativ 8 nivele/ pe zona. Aceasta statie este alcatuita din doua vane montate in paralel, fiecare dintre ele functionand la o capacitate de 50-50%, fara ocolire manuala, fara by-pass manual, pentru ca presiunea ar fi prea mare daca vana ar fi total deschisa. In aval de statia PRV coloane secundare distribuie apa la nivelele aflate in aceasi zona de presiune. La fiecare etaj este prevazuta o vana de inchidere, si conductele principale de distributie sunt orientate prin tavanul coridorului la fiecar utilizator, separate de vane de inchidere. Un avantaj a acestui sistem, comparabil cu celelalte este ca toate coloanele si conductele orizontale sunt directionate prin zone comune, si singurele conducte intr-un apartament sunt conductele de servire a armaturilor.

O alta configuratie consista prin utilizarea aceluiasi sistem de pompare triplex, coloana principala de ridicare a presiunii, si statii PRV la aproape 8 etaje ca si deschscris anterior. In aceasta situatie numai conducta orizontala este directionata prin tavanul coridorului la cel mai scazut nivel a fiecarui zona de presiune, si pe tur alimenteaza coloane secundare pentru fiecare apartament individual. Vane de inchidere sunt instalate la baza fiecarui coloane secundare si inainte fiecarui consumator. Dezavantajul acestei solutii consta prin faptul ca coloana comuna este diectionata prin zone individuale si ca daca o coloana secundara va trebui inchisa toti utilizatorii a aceluiasi zona vor ramane fara apa. Un aspect negativ a celor mai multor sisteme de ridicare a presiunii este ca unde avem mai multe zone de presiune, mare parte din energia pompei este pierduta. Aceasta se datoreaza faptului ca necesarul de apa este calculat sa ajunga la nivelurile cele mai inalte, si presiunea este redusa la toate nivelele intermediare prin statii PRV.

A treia varianta ar consta prin faptul ca pierderile de presiune de pe statiile PRV ar fi limitate prin proiectarea unor pompe booster dedicate cu posibilitaea ajustarii pompelor la viteze variabile. Asadar se va genera numai presiunea necesara pentru fiecare zona pe presiune, si numai energia de pompare asociata va fi consumata. Pentru reducerea costului capital comparativ cu aprovizionarea pompelor duplex sau triplex pentru fiecare zona de presiune, o singura pompa se va isntala pentru fiecare zona de presiune cu viteza variabila, si se va instala o pompa de rezerva pentru toata zona de birouri, dimensionat astfel incat sa poate deservi toate zonele de presiune in cazul in care celelalte pompe sunt in mentenanta sau trebuie schimbate. Energia economisita astfel poate atinge pragul de 50% fata de celelalte configuratii. Costul total al instalatiei devine mai scazuta, datorita puterii electrice absorbite minimale si datorita faptului ca nu mai avem nevoie de statii PRV la zonele de presiune intermitente.

In cazul folosirii unor configuratii cu pompe simplex, se poate folosi urmatoatrea configuratie pentru pompa :

Hydro Solo-E

Technical data

Flow (Q): max. 58 m³/h

Head (H): max. 100 m

Liquid temperature: 5 - 70° C

Operation pressure: max. 10 bar

Pentru o configuratie care are in structura pompe triplex si statii PRV se pot folosi urmatoarele materiale:

HydroMPC

Technical data

Flow (Q): max. 725 m³/h

Head (H): max. 145 m

Liquid temperature: 5 - 70° C

Operation pressure: max. 16 bar

Ca si vane de reducere a presiunii se pot folosi :

The Figueroa at Wilshire; Los Angeles, CA

Ridicarea presiunii este rezolvata cu sistemul de pompare HydroMPC

Conducte de otel, care rezista la presiuni mari, la cladiri foarte inalte :

Alvenius Victaulic sistem este un sistem canelat bazat pe standardul ISO.Este produsa de firma suedeza ALVENIUS. Acest sistem este proiectat pentru presiuni de pana la 70 bar (1000 psi), in functie de diametrul tevii.

Exista un sortiment mare de cuplaje disponibile, flexibile sau rigide. Cele mai comune si flexibile sunt ST75 si ST77, in functie de presiunea maxima de lucru. Exista, de asemenea, un sortiment mare de materiale garnitura , in functie de tipul de agent care va fi transportat in conducte. Cele mai comune este de cauciuc EPDM.

Proprietatile produsului :

• Auto-garnitura de etansare face cuplarea potrivita pentru joasa presiune, precum si pentru presiune mai mare si in anumite conditii, de asemenea, in presiune de vid.
• Cuplare se face la sfarsitul tevii, astfel incat conducta conectata sa poate rezista considerabil fortelor axiale de tractiune.
• Usor si cu conexiune rapida, de pana la 5 ori mai rapid decat prin sudare.
• Cuplarea se poate face cu forta de munca necalificata.
• Conductele pot face fata  unor non-alinieri de 1-2,5 °.
• Cuplajele pot rezista la vibratiile fara un risc de scurgere care apar.

presiuna de calibrare      presiune vacuum Nealiniere Comprimare