Použitie kanalizačných tvaroviek a ich vplyv na hydraulické pomery v odpadovom potrubí

Prietok vody v splaškovom odpadovom potrubí vo veľkej miere ovplyvňujú tvarovky, ktoré slúžia na pripojenie pripájacieho potrubia na odpadové potrubie.

Poznáte výhody Klubu ASB? Stačí bezplatná registrácia a získate sektorové analýzy slovenského stavebníctva s rebríčkami firiem ⟶

Pri kanalizačných systémoch v budovách môže veľmi ľahko dôjsť k strate funkcie zápachovej uzávierky a následnému šíreniu nepríjemného zápachu a vírusov z kanalizačného systému do interiéru budovy [3]. Tento jav môže nastať vplyvom veľkého množstva faktorov, ktoré vo veľkej miere ovplyvňujú kolísanie tlaku v splaškovom odpadovom potrubí.

Medzi základné faktory patrí napríklad dimenzia odpadového potrubia, technické riešenie prechodu odpadového potrubia do zvodového potrubia, použité tvarovky na odpadovom potrubí a použitý systém vetrania odpadového potrubia.

Tento článok sa podrobne zaoberá vplyvom tvaroviek, ktoré slúžia na pripojenie pripájacieho potrubia na odpadové potrubie a vo veľkej miere ovplyvňujú tlakové pomery, keďže priamo súvisia so zaraďovaním prietoku z pripájacieho potrubia do hlavného toku v odpadovom potrubí.

Voda z pripájacieho potrubia naráža na protiľahlú stenu odpadového potrubia a následne klesá smerom nadol. Počas pádu obteká vnútorné steny potrubia a vytvára dutý valec so vzduchovým jadrom v strede. V mieste pripojenia pripájacích potrubí s prítokom sa vzduchové jadro pomaly uzatvára, čo spôsobuje piestový efekt a následný vznik podtlaku (obr. 1a).

Pri piestovom efekte odpadová voda tlačí vzduch pred sebou a za sebou nasáva veľké množstvo vzduchu (35-násobok prietoku odpadovej vody [1]) z vetracieho potrubia. V prípade, že dostatočné množstvo vzduchu pri určitom tlaku nie je schopné odpadové potrubie nasať z vetracieho potrubia, začína si prisávať vzduch aj z pripájacích potrubí, keď príde k strate funkcie zápachových uzávierok (–450 Pa).

Cieľom simulácie bolo porovnať 6 vybraných referenčných tvaroviek pri 3 prietokových stavoch a vyhodnotiť ich z hľadiska kolísania tlaku v odpadovom potrubí 9-podlažnej budovy.

Analýza tlakovej odolnosti zápachovej uzávierky

Aby bolo možné vyhodnotiť vplyv tlaku, ktorý vzniká v odpadovom potrubí, je potrebné matematicky stanoviť tlakovú odolnosť zápachovej uzávierky, ktorá je základným údajom pri návrhu odpadového potrubia (obr. 1b). Tlakovú odolnosť zápachovej uzávierky Δp_cr (Pa) môžeme vypočítať podľa vzorca:

Δp_cr = 1,1 . ρ . g . (h_zu,tot – h₀)        (Pa)    (1)

kde

ρ – hustota vody (kg/m³; 999 kg/m³),
g – gravitačné zrýchlenie (m/s²; 9,81 m/s²),
h_zu,tot – výška vodného uzáveru v zápachovej uzávierke (m),
h₀ – odparené množstvo vody zo zápachovej uzávierky (m) [2].

Zaužívaná hodnota odparovania vody je 0,5 mm/deň a pri zohľadnení 14-dňovej dovolenky (celozávodnej) je výsledná hodnota h₀ = 7 mm [2]. Norma STN EN 1253 [6] týkajúca sa vpustov v budovách odporúča pre zápachové uzávierky menšie ako 50 mm hodnotu h₀ = 4 mm a väčšie alebo rovné 50 mm hodnotu h₀ = 8 mm. Minimálna výška zápachovej uzávierky je podľa STN EN 12 056 [4] a STN 73 6760 [5] 50 mm. Po dosadení do vzorca (1) chýbajúce údaje h₀ = 8 mm a h_zu,tot = 50 mm dostávame tlakovú odolnosť Δp_cr = 452,77 Pa.

Okrajové podmienky simulácie

Simulácia pozostávala z pozorovania uzatvárania prierezu odpadového potrubia a kolísania tlaku v odpadovom potrubí pri použití 6 nasledovných typov tvaroviek:

• jednoduchá odbočka 45° (obr. 2a),
• jednoduchá odbočka 67° (obr. 2b),
• jednoduchá odbočka 88,5° bez oblúkovej úpravy (obr. 2c),
• jednoduchá odbočka 88,5° s oblúkovou úpravou (obr. 2d),
• guľová odbočka (obr. 2e),
• štandardná tvarovka Sovent bez úprav (obr. 2f).

Z pripájacieho potrubia DN 100 dlhého 3 m pritekala voda do odpadového potrubia DN 100 s dĺžkou 27,5 m (9. NP, konštrukčná výška podlažia 3 m). Pomocou programu Ansys Fluent 2022 [7] sa simulovali 3 prietoky (tab. 1). Získané hodnoty sa vyhodnocovali z hľadiska vplyvu na hladinu vody v zápachovej uzávierke tak, aby nedochádzalo k šíreniu nepríjemného zápachu a vírusov v budove.

Tab. 1 Okrajové podmienky simulácie z hľadiska prietokových stavov

Na simuláciu sa použili nasledovné vstupné veličiny, nastavenia, hardvér:

• do odpadového potrubia, v ktorom sa v počiatočnej fáze nachádzal vzduch s hustotou 1,225 kg/m³, pritekala voda s hustotou 999,1 kg/m³;
• zvolená dĺžka časového kroku bola 0,001 s, 10 000 časových krokov a počet iterácií za časový krok 40;
• dĺžka výpočtu jedného prietokového stavu pre jedno odpadové potrubie prebiehala približne 96 hodín s hardvérovou konfiguráciou AMD Ryzen 7 2700X Eight-core, 16 GB RAM a Nvidia GeForce GTX 1060 6GB;
• vo výpočtoch sa počítalo so 6 rôznymi odpadovými potrubiami a 3 prietokovými stavmi, čo v celku predstavuje približne 1 728 hodín výpočtov.

Pri vyhodnotení vplyvu podtlaku na hladinu vody v zápachovej uzávierke sa sledovali 2 hodnoty podtlaku (300 a 450 Pa). Tlak s hodnotou ≤ 300 Pa má minimálny vplyv na hladinu vody v zápachovej uzávierke (50 mm vodný uzáver). Pri prekročení hodnoty podtlaku 450 Pa stráca zápachová uzávierka svoju funkciu brániť šíreniu zápachu a vírusov do interiéru budovy.

Vyhodnotenie č. 1 – pozorovanie uzatvárania prierezu odpadového potrubia

Prvý faktor, na základe ktorého vieme predbežne určiť hodnotu podtlaku v odpadovom potrubí predstavuje uzatváranie prierezu odpadového potrubia v miestne pripojenia pripájacieho potrubia s prítokom. Práve tento faktor bol vyhodnocovaný v prvom kroku simulácie, pričom miesto pozorovania bolo na 9. NP. Grafické znázornenie uzatvárania prierezu odpadového potrubia je znázornené na obr. 3.

Výsledky uzatvárania prierezu odpadového potrubia v % sú znázornené v tab. 2 a čiastočne predpovedali priebehu tlaku v odpadovom potrubí. V odpadových potrubiach s najväčším % uzatvárania prierezu dochádzalo k najväčším hodnotám podtlaku a s najnižším % uzatvárania, naopak, k najnižším hodnotám podtlaku. Toto konštatovanie sa však netýka tvarovky Sovent, pri ktorej uzatváranie prierezu prebiehalo mimo hlavný tok, a tým pádom neovplyvňovalo hodnotu podtlaku.

Tab. 2 Uzatváranie prierezu odpadového potrubia
*uzatváranie prierezu mimo hlavný tok

Vyhodnotenie č. 2 – pozorovanie kolísania tlaku v splaškových odpadových potrubiach

Z programu Ansys sa vyexportovali všetky údaje týkajúce sa kolísania tlaku v odpadovom potrubí do programu Excel, v ktorom boli následne graficky vyhodnotené. Na všetkých nasledujúcich grafoch sú vyznačené priebehy tlaku v odpadovom potrubí pri použití rôznych typov odbočiek a 3 prietokových stavoch s hodnotami 2,0 l/s, 4,0 l/s a 6,0 l/s. V grafoch sú uvedené len maximálne dosiahnuté hodnoty podtlaku, keďže tieto hodnoty sú najpodstatnejšie pri stratách funkcie zápachových uzávierok.

Na obr. 4a je znázornené kolísanie tlaku v odpadovom potrubí pri použití 45° odbočky. Pri prvých dvoch prietokových stavoch do 4,0 l/s nedošlo k strate funkcie zápachovej uzávierky. Pri prietokovom stave 6,0 l/s došlo k strate funkcie zápachových uzávierok na 4. až 7. NP. Počas prietoku pri spláchnutí WC (2,0 l/s) nedošlo k zapĺňaniu prierezu pripájacieho potrubia v mieste zmeny smeru z ležatého úseku na 45° odbočenie.

Na obr. 5b je znázornené kolísanie tlaku v odpadovom potrubí pri použití 67° odbočky. Pri prvom prietokovom stave 2,0 l/s nedošlo k prekročeniu maximálnej hranice podtlaku a ani na jednom podlaží nedošlo k strate funkcie zápachovej uzávierky. Pri zvyšných 2 prietokových stavoch došlo k prekročeniu maximálnej hranice podtlaku. Pri prietokovom stave 4,0 l/s došlo k strate funkcie zápachových uzávierok na 2. až 7. NP, pri prietokovom stave 6,0 l/s na 2. až 8. NP.

Na obr. 5a je znázornené kolísanie tlaku v odpadovom potrubí s jednoduchou odbočkou 88,5° bez oblúkovej úpravy. Počas všetkých prietokových stavov došlo k strate funkcie zápachových uzávierok. Pri prietokovom stave 2,0 l/s došlo k strate funkcie zápachových uzávierok na 6. až 8. NP, pri 4,0 l/s na 3. až 8. NP a pri 6,0 l/s na 2. až 8. NP. Z výsledkov možno konštatovať, že takýto typ tvarovky nie je vhodný pre pripojenie pripájacích potrubí na odpadové potrubie za predpokladu, že sa na podlaží nachádza WC a budova má viac ako 2. NP.

Na obr. 5b je znázornené kolísanie tlaku v odpadovom potrubí s jednoduchou odbočkou 88,5° s oblúkovou úpravou. Počas prvých dvoch prietokových stavov do 4,0 l/s nedošlo k strate funkcie zápachovej uzávierky. Pri treťom prietokovom stave 6,0 l/s došlo k strate funkcie zápachových uzávierok na 4. až 7. NP. Táto tvarovka dosiahla veľmi porovnateľné výsledky ako jednoduchá odbočka 45° z hľadiska prúdenia vody a kolísania tlaku v odpadovom potrubí. Oblúková úprava v porovnaní s jednoduchou odbočkou 88,5° bez oblúkovej úpravy znížila podtlak na niektorých podlažiach až o 60 %.

Na obr. 6a je znázornené kolísanie tlaku v odpadovom potrubí s guľovou odbočkou. Počas prvého prietokového stavu 2,0 l/s nedošlo k strate funkcie zápachových uzávierok.

Pri druhom a treťom prietokovom stave došlo k strate funkcie zápachových uzávierok, pri 4,0 l/s na 6. až 7. NP a pri 6,0 l/s na 4. až 7. NP. Pri odpadovom potrubí s guľovou odbočkou sa pozorovalo, že po približne 9 m (3. NP) pádu dochádza na nižších podlažiach k väčšiemu zapĺňaniu pripájacích potrubí bez prítoku vodou a penou, obr. 7. Na základe simulácie možno konštatovať, že pri budovách s vyšším počtom podlaží (viac ako 9 m) treba radšej voliť tvarovku Sovent pre viacnásobné pripojenie pripájacích potrubí v jednom mieste.

Na obr. 6b je znázornené kolísanie tlaku v odpadovom potrubí s tvarovkou Sovent. Počas všetkých prietokových stavov nedošlo k strate funkcie zápachových uzávierok. Tvarovka napriek tomu, že nemala žiadne špeciálne úpravy, ktorými disponujú rôzni výrobcovia, ako napríklad delič prietoku a vírivá zóna, dosahovala veľmi priaznivé výsledky. Táto tvarovka dosiahla v tomto teste najlepšie výsledky.

Na záver

Pri návrhu odpadových potrubí vo všetkých typoch budov je potrebné prihliadnuť na tvarovky, ktoré sa nachádzajú na odpadovom potrubí. Práve tvarovky vedia vo veľkej miere ovplyvniť celú prevádzku kanalizačného systému v budove. Zo 6 typov tvaroviek testovaných v simulácii len 3 tvarovky (Sovent, jednoduchá odbočka 45° a 88,5° s oblúkovou úpravou) splnili požiadavky normy STN EN 12056 [4] a STN 736760 [5] na prietok vody v odpadovom potrubí DN 100.

Treba si uvedomiť, že odpadovým potrubím počas simulácie pretekala čistá voda, ktorá má iné zloženie ako reálna splašková voda, a v realite by sa niektoré výsledky experimentálneho merania oproti simulácii mohli líšiť.

Príspevok podporilo Ministerstvo školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantu VEGA 1/0118/23.

TEXT A OBRÁZKY: Ing. Martin Sokol, doc. Ing. Jana Peráčková, PhD., Katedra technických zariadení budov, Stavebná fakulta STU v Bratislave

Článok bol uverejnený v časopise Správa budov 1/2024