تحقیق مقاله طرح و محاسبه سیستم لوله کشی آب و فاضلاب ساختمان

پیش بینی وسایل بهداشتی مناسب و کافی، توزیع صحیح آب و دفع فاضلاب همواره از مسائل بسیار حائز اهمیت در معماری ساختمانها می باشند که در صورت عدم کفایت می توانند مشکلات فراوانی برای ساکنین آنها پدید آورند. در این فصل با چگونگی طراحی صحیح و محاسبات شبکه لوله کشی آب و فاضلاب ساختمان آشنا خواهیم شد.

سیستم آبرسانی ساختمان:

اولین قدم در راه آبرسانی ساختمانها، تأمین آب سالم و بهداشتی است. آب مصرفی ساختمان ممکن است از آب لوله کشی شهر، چاه، قنات و یا رودخانه تأمین شود. کنترل کیفیت آب از نظر املاح محلول، رنگ، بو و مزه و باکتریهای موجود در آن از لخاظ بهداشتی واجد اهمیت حیاتی است. این مهم درمورد آب شهر توسط سازمان ذیربط متداوماً انجام می پذیرد، ولی در صورتیکه آب مصرفی ساختمان بطور اختصاصی از منابعی نظیر چاه ، قنات و رودخانه تأمین شود، باید قبلا ویژگیهای آن از نقطه نظرهای مزبور را اساس دستورالعملها و مقررات مدون مورد تدقیق و بررسی قرار گرفته نسبت به ایجاد کیفیت مطلوب اقدامات مقتضی بعمل آیند.

مشخصات آب- این مشخصات را می توان به سه دسته فیزیکی، شیمیایی و ارگانیک تقسیم نمود:

الف- مشخصات فیزیکی : ویژگیهایی از قبیل دما، رنگ، تیرگی[1]، بو ومزه جزو خواص فیزیکی آب آشامیدنی محسوب می‌شوند. تمام این خواص غیر از دما، از طریق مطالعه روی نمونه آب مورد نظر، در آزمایشگاه مورد تدقیق قرار می گیرند. تیرگی آب که مربوط به گل و لای معلق در آن است، در سیستم آمریکایی بر حسب قسمت در میلیون (ppm) [2] مواد معلق در آب که معادل میلی گرم در لیتر می باشد، بیان می گردد. مثلاً اگر میزان مواد معلق در آب برابر 10 ppm باشد، آب در لیوان به صورت غبارآلود دیده می‌شود. تیرگی مناسب برای آب معمولا 5 ppm است. رنگ آب نیز که از نظر مصرف کننده واجد اهمیت می باشد، پس از خارج کردن گل و لای موجود در آن ( از طریق سانتریفوژ) و در قیاس با رنگ استاندارد و مجاز اندازه گیری می‌شود. بو و مزه آب که مربوط به مواد آلی و یا ترکیبات شیمیایی آن است باید بطور کامل برطرف گردد تا آب قابل شرب شود.

ب- مشخصات شیمیایی – خواص شیمیایی آب مصرفی از نظر میزان سختی، درجه اسیدی (pH )، مقدار آهن و منگنز وسایر فلزات ، با تکنیکهای آزمایشگاهی مورد بررسی قرار می گیرند. مقدار کل فلزات موجود در آب نباید از 1000 ppm و در بعضی موارد از 500ppm تجاوز نماید. جدول A-5 میزان حداکثر مجاز مواد شیمیایی موجود در آب را بر حسب ppm  نشان می‌دهد.

جدول A-5 : حداکثر مجاز مواد شیمیایی موجود در آب

(جدول در فایل اصلی موجود است)

درجه سختی آب در سیستم آمریکایی از روی میزان کربنابت کلسیم[1] موجود در آب بر حسب ppm تعیین می‌شود. بالا بودن میزان سختی آب باعث نزول کیفیت و میزان مقبولیت آن از نظر مصارف مختلف خواهد شد. مثلاً صابون در آبی که سختی آن زیاد باشد خوب کف نمی کند و لذا مصرف آن بیشتر می‌شود. در مورد وسایل و اجزاء سیستم رمایش از قبیل دیگ و رادیاتور و غیره که تشکیل رسوب روی جدار داخلی آنها باعث کاهش قدرت انتقال حرارتشان می شود، میزان کربنات کلسیم آب باید خیلی کمتر از 150 ppm باشد. از طرف دیگر ، آبی که درجه سختی آن کمتر از 30 ppm باشد برای آشامید چندان گوارا نیست، لذا در مورد آب آشامیدنی میزان سختی آب نباید از این حد تنزل کند. میزان تمرکز یون هیدروژن که بعنوان pH نامیده شده و خاصیت اسیدی آب با آن سننجیده می شود، یکی دیگر از موارد قابل بررسی است. چنانچه عدد pH آب برابر 7 باشد طبیعی است، کمتر از آن نشان دهنده خاصیت اسیدی و بیشتر از آن نشانه خاصیت قلیایی آب است. آبی که دارای خاصیت اسیدی باشد می تواند سبب خودگی لوله ها گردد. برای اندازه گیری pH آب از معرفهای شیمیایی استفاده می‌شود. میزان تمرکز آهن و منگنز آب وقتی بیش از 0.3 ppm باشد ممکن است رنگ لباس را تغییر دهد و اگر افزون بر 0.2 ppm باشد برای بیشتر مصارف صنعتی مناسب نیست.

ج- خواص ارگانیک- در آهای طبیعی همواره تعداد بسیار زیادی موجودات تک سلولی از قبیل انواع باکتری، پلانکتون و جلبک زندگی می‌کنند که برخی از آنها می توانند موجد انواع بیماریهای عفونی در انسان یا حیوان باشند. تشخیص و تعیین میزان ارگانیسم های میکروبی موجود در آب، از طریق یک سلسله آزمایشات دقیق باکتریولوژیکی و بیولوژیکی روی نمونه‌های استاندارد صورت می گیرد.

فشار و افت فشار آب :

برای درک بهتر مباحث بعدی لازم است توضیحی هر چند مختصر در مورد فشار و افت فشار آب داده شود:

الف – فشار استاتیک[2] آب (PS) این فشار که فشار ساکن نیز نامیده می‌شود ناشی از وزن ستون آب می باشد و در یک سطح معین بطور یکسان به تمام جهات از جمله جدار لوله وارد می گردد:

                    جرم مخصوص آب                 

g                      شتاب ثقل

h                      ارتفاع ستون آب

این فشار را می توان بر حسب ارتفاع ستون آب بیان داشت:

ب – فشار سرعتی[3] آب (PV) – میزان این فشار در هر مقطعی از جریان بستگی به سرعت جریان آب دارد:

که در آن V  سرعت متوسط جریان آب که اگر آنرا بر حسب ارتفاع نظیر فشار بیان کنیم خواهیم داشت:

ج – فشار کل[4] آب (Pt)- فشار کل در هر نقطه از مسیر جریان آب برابر است با مجموع فشارهای استاتیک و سرعتی :  و اگر آنرا بر حسب ارتفاع نظیر فشار بنویسیم خواهیم داشت:  

برای اندازه‌گیری فشار آب از انواع فشار سنجها از قبیل فشارسنج گیج[5] ، مانومتر و پیزومتر استفاده می‌شود که همگی فشار نسبی آب را نشان می دهند.

د- فشانر مطلق[6] (Pa) – عبارتست از فشار نسبی باضافه فشار آتمسفر:  که در آن : Pg فشار نسبی یا فشاری که گیج نشان می دهد[psi] و 7/14 فشار آتمسفر [psi]

معادله برنولی[7]

فشاری که در هر مقطعی از جریان سیال وجود دارد مستقیما متناسب با انرژی سیال است و در مورد انرژی سیال ایده آل رابطه ای وجود دارد که به معادله برنولی موسوم است. این معادله اشعار می دارد که کل انرژی موجود در واخد جرم یک سیالی ایده‌آل مقداری است ثابت. سیال ایده‌آل سیالی را گویند که تراکم ناپذیر بوده و ویسکوزیته‌اش صفر باشد، البته چنین سیالی وجود خارجی ندارد ولی سیالاتی مثل آب، نفت و گازها در فشار کم تا حدی رفتارشان به سیال ایده آل نزدیک است. معادله برنولی بصورت زیر نوشته می‌شود (در ارتباط با شکل 1-5):

(شکل در فایل اصلی موجود است)

که در آن  ارتفاع فشار استاتیک،  ارتفاع فشار سرعتی و Z  ارتفاع مقطع مورد نظر از جریان سیال نسبت به یک سطح مبنای اختیاری می باشد.

افت فشارها- افت فشار کلی مجموع دو افت فشار استاتیک و سرعتی است:

الف- افت فشار استاتیک- وقتی آب در لوله ای جریان می یابد، بدلیل اصطکاک جریان با جدار لوله و تبذیر انرژی ناشی از اصطکاک بین مولکولهای آب که بستگی به ویسکوزیته آن دراد، فشار متداوماً در طول لوله کاهش می یابد. هر چه جدار لوله زبرتر باشد میزان این افت فشار که به افت فشار استاتیک موسوم است بیشتر خواهد بود. رابطه این افت فشار با سرعت جریان، طول لوله، قطر لوله و زبری سطح داخلی لوله، توسط فرمول زیر بیان می‌شود:

.

که در آن :

افت فشار بر حسب فوت آب      h :

ضریب اصطکاک بین سیال و لوله f:

طول لوله بر حسب فوت l:

قطر لوله بر حسب فوت d:

سرعت متوسط جریان بر حسب فوت بر ثانیه                V:

شتاب ثقل بر حسب فوت بر مجذور ثانیه           g:

ب – افت فشار سرعتی-  این افت فشار تابع سرعت جریان است و هر قدر عواملی که موجب تغییر سرعت سیال می‌شوند بیشتر باشند، مقدار افت فشار سرعتی افزونتر می‌شود. عوامل مزبور یکی تغییر جهت جریان و در نتیجه بوجود آمدن حالت آشفتگی در مسیر جریان می باشد که موجب افت سرعت می گردد، مثل تغییر جهت جریان آب در زانویی ها و زانو سه راهه ها و دیگر تغییر مقطع لوله و وجود شیرها و موانع در مسیر جریان آب. مقدار افت فشار سرعتی از رابطه زیر بدست می آید:

که در آن K  ضریبی است که بستگی به نوع وصاله دارد. بطوریکه ذکر شد، افت فشار کلی (hlt) برابر با حاصلجمع افت فشارهای استاتیک و سرعتی است:.

خط گرادیان هیدرولیکی[8]:

شکل 2-5 : خط گرادیان هیدرولیکی

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 3-5 : اثر ازدیاد مصرف آب در طبقه همکف بر روی فشار آب در طبقات بالاتر ساختمان

تأمین فشار آب ساختمان:

فشار آب ساختمان باید به اندازه ای باشد که آب را به بالاترین واحد بهداشتی ساختمان رسانده فشار لازم و مجاز (که بعداً توضیح داده خواهد شد) را برای آن تأمین نماید. فشار آب‌ ساختمان ممکن است توسط فشار آب شهر، مخزن ثقلی (در ارتفاع) و یا مخزن تحت فشار تأمین گردد:

سیستم توزیع آب در ساختمان با فشار آب شهر:

در صورتیکه ساختمان از آب لوله کشی شهر استفاده نماید کافی است لوله اصلی ورودی به ساختمان را به لوله آب شهر در خیابان مجاور وصل کنیم. فشار آب اغلب شهرها معمولاً بین 30 تا 80 پاوند براینچ مربع (psi) می باشد. در صورتیکه فشار مجاز آب شهر برای رساندن آب به طبقات بالای ساختمان و تأمین فشار مجاز آب در وسایل بهداشتی این طبقات کافی نباشد، باید از مخزن ثقلی یا مخزن تحت فشار که متعاقباً‌ در موردشان توضیح خواهد شد برای تأمین فشار لازم کمک گرفته شود. مهندس طراح سیستم آبرسانی ساختمان باید قبلا از فشار آب در خیابان مجاور ساختمان اطلاع حاصل نماید تا بر مبنای آن بتواند برآورد کند که آیا فشار آب شهر در این محل برای رساندن آب به بالاترین طبقه ساختمان کافی است یا خیر. فشار مورد نیاز عبارتست از :

که در آن:

فشار لازم برای ساختمان [psi]             H:

ارتفاع بالاترین وسیله بهداشتی متصله به h1

سیستم لوله کشی ساختمان [ft]

میزان افت فشار آب در لوله از محل اتصال به لوله آب شهر تا بالاترین وسیله بهداشتی، که با احتساب ضریب اطمینان معمولا برابر 25psi در نظر گرفته می‌شود. h2

فشار آب لازم برای وسیله بهداشتی مورد نظر که بستگی به نوع آن دارد و طبق مقررات حداقل برابر 8psi در نظر گرفته می‌شود. فشار آب مورد نیاز برای وسایل بهداشتی مختلف در جدول 1-5 (آخر فصل پنجم) ارائه شده است