Lewar na dachu. Rozważania na temat odwadniania podciśnieniowego

Niniejszy artykuł ma na celu przedstawienie wybranych aspektów związanych z systemami podciśnieniowymi, zarówno tych znanych, jak i tych mniej znanych, choć niemniej istotnych. Ideal-nie byłoby, gdyby czytelnik odnalazł w nim wiedzę ułatwiającą komunikację na linii inwestor–projektant–instalator–producent.

Do czego służy?

System podciśnieniowy jest szczególnie przydatny do odprowadzania wody z dużych powierzchni znajdujących się co najmniej kilka metrów ponad poziomem układu odprowadzającego.

Definicja ta, choć wydaje się bardzo ogólna, bezlitośnie odrzuca wiele obiektów, dla których stosowanie instalacji podciśnieniowej nie przyniosłoby wymiernych korzyści, a tym samym pokazuje miejsca, gdzie jej stosowanie jest wskazane.

Rys. 1 Typowa instalacja podciśnieniowa

Rys. 2 Fragment instalacji podciśnieniowej Gold Rain

Rys. 1 przedstawia typową instalację podciśnieniową, natomiast
rys. 2 przedstawia fragment instalacji znajdującej się pod stropem. Składa się ona z wpustów zamontowanych wzdłuż dolnych krawędzi połaci, kolektorów zamontowanych pod stropem oraz pionu spustowego. Charakterystyczne dla układów tego typu jest to, że wody opadowe transportowane są pod stropem rurociągami układanymi bez spadków do pionów. W konsekwencji eliminowana jest w zasadzie całkowicie konieczność układania kanalizacji deszczowej pod posadzką odwadnianego obiektu, a w obrębie budynku występuje znacznie mniejsza liczba rur spustowych. Przy odpowiednim zaplanowaniu znacznej redukcji ulega również zewnętrzna instalacja kanalizacji deszczowej.

Jak to działa?

Nazwa „system podciśnieniowy” jest w moim odczuciu nieco mylna, gdyż sugeruje stosowanie urządzeń wytwarzających podciśnienie. Każdy, kto tak myśli, jest w błędzie, ponieważ jego działanie opiera się na lewarze, czyli na zasysaniu wody z wyższego pojemnika do niższego za pomocą rury. Najpopularniejsze zastosowanie lewara znane z codziennego życia to opróżnianie akwarium z wykorzystaniem elastycznego węża. Po zassaniu wody jej masa zgromadzona w przewodzie powoduje dalsze samoczynne zasysanie wody, a w konsekwencji następuje szybkie opróżnianie górnego zbiornika.

Przykład z akwarium pozwala nam na przedstawienie podstawowych cech układu, niezbędnych do jego poprawnego działania:

– Do rury nie może dostawać się powietrze. Zassanie powietrza powoduje przerwanie strugi wody, a w konsekwencji zatrzymanie przepływu. W odniesieniu do dachów oznacza to, że konstrukcja wpustów musi przynajmniej utrudniać dostawanie się do układu powietrza. Wpusty niespełniające tego wymogu skutecznie uniemożliwią powstawanie siły zasysającej wodę z dachu i nie jest to zaleta danego rodzaju wpustu, ale cecha konieczna (co warto podkreślić). Innymi słowy wpusty bez zabezpieczeń nie są wpustami podciśnieniowymi.

– Im większa różnica poziomów, tym większa siła wywołująca przepływ. To dlatego układy podciśnieniowe są najbardziej efektywne dla budynków o wysokości powyżej 6 m. Optymalna efektywność uzyskiwana jest dla dachów o wysokości około 12 m.

– Woda odprowadzana jest bardzo szybko. Przepływ przez lewar jest zazwyczaj znacznie większy niż chwilowa wielkość opadów z danego dachu. Układ działa więc w sposób cykliczny, najpierw następuje gromadzenie wody na dachu oraz powolne wypełnianie rur, następnie następuje zassanie oraz szybkie odprowadzenie wody z dachu, a na końcu zassanie powietrza i opróżnienie rur, po czym znowu następuje faza gromadzenia wody na dachu. Uzyskiwane duże prędkości przepływu oraz częste rozpędzenia i zatrzymania przepływu powodują, że na układ działają siły znacznie większe niż w klasycznym systemie. Rury muszą mieć więc większą wytrzymałość, powinny być odporne na uderzenia hydrauliczne, a mocowanie powinno uwzględniać występowanie sił dynamicznych.

Gdzie jest podciśnienie?

Na rys. 3 przedstawiono najprostszy możliwy układ instalacji podciś-nieniowej, składający się z jednego wpustu, odcinka kolektora o długości 15,0 m oraz pionu spustowego o wysokości 8,0 m. Łączna wysokość instalacji wynosi 10 m, a długość 24 m. Na schemacie zaznaczono charakterystyczne punkty A, B, C i D.

Rys. 3 Instalacja z analizy podciśnienia

Punkt A odpowiada dopływowi do układu i panuje w nim ciśnienie atmosferyczne Pa. Punkt D stanowi odpływ z układu, jest miejscem rozprężenia i w nim również panuje ciśnienie atmosferyczne Pa. Jakie ciśnienia panują zatem wewnątrz układu? Do rozważań przyjmijmy, że cały układ zbudowany jest z rury o tej samej średnicy D, co pozwoli nam na pominięcie składowej kinetycznej w analizie ciśnień występujących w systemie. Oprócz oporów liniowych ? w każdym wyróżnionym punkcie występują opory miejscowe ζ, opór wypływu ze zbiornika (który stanowi połać dachowa) ζ_A, opory na kolanach ζ_B i ζ_C oraz na wypływie ζ_D. W dalszych rozważaniach pominę jednak opory miejscowe, gdyż zależy mi przede wszystkim na czytelności wywodu, a opory miejscowe znacznie by tę czytelność zakłócały. Dla układu znajdującego się w stanie równowagi suma oporów przepływu jest równa wysokości rozporządzalnej, w tym przypadku 9 m H₂O. Dla układu o stałej średnicy opór jest proporcjonalny do długości odcinka, w związku z czym 2/3 ciśnienia rozporządzalnego tracone jest na odcinku A–C, a 1/3 na części pionowej C–D. Dla całkowitej wysokości rozporządzalnej wynoszącej 9 m H₂O miejscu przejścia kolektora w pion (C) uzyskujemy podciśnienie wynoszące 6,0 m H₂O pomniejszone o różnicę poziomów wynoszącą 1 m, a więc sumarycznie 5 m H₂O. Co więcej, ponieważ w punkty A i D mają to samo ciśnienie atmosferyczne, oznacza to, że w punkcie C mamy również o 5 m H₂O ciśnienie niższe niż  w punkcie D.

Może się to wydawać niejasne, ponieważ straty między punktem C a D wynoszą zaledwie 3 m H₂O, lecz należy pamiętać, że pomiędzy tymi punktami jest 8 m różnicy poziomów i tak naprawdę podciśnienie jest różnicą między wysokością geometryczną a oporami przepływu. Jako przykład może posłużyć nam pionowa rura o wysokości 8 m, zamknięta od góry z unieruchomionym w niej słupem wody, jak przedstawiono na rys. 4. Jakie podciśnienie występuje w punkcie C? Właśnie
8 m H₂O. Wartość ta, pomniejszona o 3 m oporów przepływów, prowadzi do uzyskanej przez nas wartości 5 m H₂O podciśnienia.

Rys. 4 Podciśnienie w słupie wody

Przedstawiona analiza wskazuje punkt, w którym występuje w układzie największe podciśnienie, jakie jest zawarte w wynikach obliczeń projektów instalacji podciśnieniowych. Jest to kluczowy parametr opisujący układ, a jego zrozumienie jest bardzo ważne podczas analizy wyników obliczeń dobranych instalacji.

Jaki jest rzeczywisty przepływ?

Aby przedstawić fakty i mity związane z rzeczywistym przepływem w instalacji podciśnieniowej, posłużę się schematem z rys. 5. Przedstawia on instalację dla jednospadowego dachu o wymiarach 20 x 60 m. Zastosowano trzy wpusty, całkowity przepływ obliczeniowy wynosi 28,8 l/s, czyli dla równomiernego rozkładu wpustów 9,6 l/s na wpust. Podczas obliczeń dla zadanych przepływów oraz dobranych średnic uzyskalibyśmy wartości podciśnień (punkt F) przedstawione w ostatniej kolumnie w tab. 1 (odcinki numerowane są kolejno od pionu). Nawiązując do przedstawionych wcześniej rozważań, ukazuje się pewna nieścisłość, która występuje w obliczeniach układów podciśnieniowych. Wynika ona z wykonywanego uproszczenia, a ściślej z przyjętej dla układów podciśnieniowych metody obliczeń opartej na zadanych przepływach, a nie ustalonym stanie przepływu. Na czym więc polega rozbieżność? Jak już wspomniałem, maksymalne podciśnienie uzyskiwane w punkcie przejścia kolektora w pion może być liczone zarówno od strony wpustów, jak i od strony odpływu. Przedstawiane w dokumentacji wyniki obliczeń są zawsze obliczeniami od strony wpustów wykonanymi dla założonych przepływów. Jeżeli chcielibyś-my wykorzystać te wartości do obliczeń spadków na pionie, doszlibyśmy do sprzeczności, gdyż okazałoby się, że spadek ciśnienia na pionie przyjmuje trzy różne wartości, co jest oczywiście niemożliwe. Podobnie straty na odcinku A–D powinny być równe tym na odcinku B–D oraz wszystkie straty na odcinkach A–F, B–F i C–F również powinny być równe.

Tab. 1 Wyniki programu obliczeniowego firmy DWd Bautech

W rzeczywistym układzie nastąpi samoregulacja, w wyniku której spadki ciśnień dla poszczególnych dopływów do trójników będą sobie równe. Wykonanie takich obliczeń i dla złożonych układów nie jest zagadnieniem łatwym, wymaga wykonania wielu iteracji optymalizacyjnych. Dlatego obliczenia te nie są standardowo
wykonywane.

Niektóre firmy dysponują programami obliczeniowymi, umożliwiającymi wykonywanie tego typu obliczeń, co pozwala na projektowanie instalacji optymalnych dla zadanych warunków występujących na odwadnianym
dachu. Wyniki obliczeń dla układu z rys. 5 przedstawiono w tab. 2.

Jakie są konsekwencje rozbieżności?

Rzeczywiste przepływy są większe od założonych. To dobrze. Obliczeniowe przepływy zawsze są mniejsze od rzeczywistych, gdyż jednym z warunków przyjmowanym przy obliczeniach jest nieprzekraczanie stratami wysokości rozporządzalnej.

Drugą istotną różnicą jest uzyskanie większych od założonych wartości podciśnień. Standardowo obliczenia wykonywane są dla założenia, że podciśnienie nie powinno przekraczać
8 m H₂O. Teoretycznie dzięki temu zapewniamy sobie gwarancję, że nie nastąpi przerwanie strugi wody. Niektóre instalacje dla wysokich budynków po dokładnym przeliczeniu wskazują podciśnienia większe od 10 m,
co mimo że nie jest możliwe fizycznie do uzyskania, rodzi poważne wątpliwości odnośnie do zapewnienia ciągłości przepływu i skuteczności działania.

Ostatnią różnicą, którą należy wskazać, jest różnica między rzeczywistymi przepływami dla różnych wpustów. Przepływ dla wpustu 1.1 jest o 10% większy niż dla wpustu 1.3. Przy założeniu takich samych powierzchni spływów do wpustów dla wpustu 1.1 szybciej nastąpi odessanie wody z dachu, w wyniku czego do instalacji zostanie zassane powietrze i przepływ zostanie zatrzymany do czasu kolejnego zassania wszystkich wpustów. A w tym czasie w obszarze wpustu 1.3 będzie się gromadziło coraz więcej wody.

Na szczęście, mając świadomość występujących rozbieżności z wykorzystaniem dokładniejszych metod obliczeniowych, można zaprojektować układ inaczej, czyli tak aby warunki przepływu spełnione były dla zrównoważonego pod względem strat ciśnienia stanu (ustalonego) przepływu.

Podsumowanie

Ograniczony dostęp do informacji na temat zasad obliczeń układów podciś-
nieniowych sprawia, że projektanci, a w konsekwencji instalatorzy oraz oczywiście inwestorzy zmuszeni są korzystać z gotowych rozwiązań proponowanych przez producentów. Weryfikacja obliczeń jest w praktyce niemożliwa do wykonania, podobnie jak zmiana szczegółów rozwiązań. Jak wynika z niniejszego artykułu, poza szczegółami technicznymi systemy podciśnieniowe są równoważne i wybór dostawcy, przynajmniej ze względu na możliwości techniczne, może być dokonany tuż przed wykonaniem instalacji, bez szkody dla jej jakości i z pewnością z zyskiem dla inwestora.  

dr inż. Rafał Urban

DWD Bautech Sp. z o.o., Stowarzyszenie DAFA

Autor jest ekspertem Stowarzyszenia DAFA – organizacji działającej aktywnie na rzecz ujednolicenia i podniesienia standardów wykonawczych oraz rozwoju wiedzy o technologiach i funkcjonowaniu dachów płaskich i fasad. Wytyczne Stowarzyszenia DAFA w postaci publikacji technicznych dostępne są na: www.dafa.com.pl.