Узнайте, как правильно подобрать размеры труб для бытовых систем водоснабжения.

Цели обучения

• Понимание основных компонентов бытового водоснабжения.
• Определите расчетный расход бытовой системы водоснабжения.
• Рассчитайте потери давления в бытовой системе водоснабжения.

Информация о системе внутреннего водоснабжения

• Точный расчет размеров труб бытовой водопроводной системы начинается с понимания применимых сантехнических норм, узлов водопроводной арматуры и расчетов потерь давления.
• Инженеры должны учитывать редукционные клапаны, превенторы обратного потока, перепады высот и эквивалентную длину труб, поскольку каждый из них влияет на доступное давление и производительность системы.

Понимание основ определения размеров бытовых систем водоснабжения как для нового профессионала, так и для отраслевого эксперта непросто и требует практики для повышения квалификации. Отличное место для начала — понимание строительных норм и правил. Помимо общих отраслевых руководств и стандартов, при проектировании бытовых водопроводных систем наиболее применимые вопросы проектирования будут решаться в конкретных нормах, принятых городом или штатом.

Более 30 штатов США используют Международный водопроводно-канализационный кодекс (IPC), опубликованный Международным советом по нормам и правилам, для регулирования проектирования водопроводных систем. В юрисдикциях, которые не принимают IPC, инженеры должны придерживаться принятого кодекса, который не является IPC, для требований к проектированию, специфичных для сантехники.

Например, Массачусетс является хорошей иллюстрацией подхода, специфичного для штата, поскольку он не принимает IPC напрямую, а вместо этого применяет собственный разработанный штатом сантехнический кодекс 248 CMR 10, который включает в себя некоторые национальные концепции, сохраняя при этом значительные независимые требования и поправки. Калифорния также использует свои собственные правила сантехники, Правила водопровода Калифорнии 2025 года, основанные на Единых правилах водопровода 2024 года.

Чтобы правильно подобрать размер трубопровода для системы бытового водоснабжения, важно знать основные компоненты системы бытового водоснабжения и знать, как найти соответствующие разделы норм, чтобы определить правильный расход воды, который зависит от сантехнического оборудования, разработанного для проекта. Помимо понимания требований к скорости потока и давлению для определенных сантехнических приборов и того, как преобразовать их в размеры труб, крайне важно понимать ограничения по перепаду давления и скорости в бытовой системе водоснабжения.

Давление в системе домашнего водоснабжения

В бытовых целях вода поступает в здание под давлением, обычно от 40 до 80 фунтов на квадратный дюйм (фунт на квадратный дюйм) (см. рисунок 1). Когда давление воды падает ниже стандартного диапазона от 40 до 80 фунтов на квадратный дюйм, сантехнические приборы и приборы не могут работать должным образом, что приводит к слабому потоку воды, неэффективной работе и трудностям при выполнении основных задач. При очень низком давлении система становится ненадежной, вызывая такие проблемы, как помехи в работе нескольких приборов, плохая подача горячей воды и повышенное потребление энергии из-за более длительного времени работы прибора.

Рис. 1. Вход бытовой воды через бетонную плиту (внизу справа). С разрешения: CDM Смит

Максимальное давление воды, когда вода активно течет в водопроводной системе (также известное как остаточное давление), допустимое для любого питьевого водопровода, такого как унитаз или кухонная раковина, составляет 80 фунтов на квадратный дюйм по IPC. Когда давление воды превышает предел в 80 фунтов на квадратный дюйм, водопроводная система испытывает постоянную перенапряжение, что ускоряет износ арматуры, приборов и трубопроводов, что часто приводит к утечкам, нарушениям герметичности, разрывам линий подачи и преждевременному выходу оборудования из строя. Избыточное давление также вызывает разрушительные гидравлические эффекты, такие как гидравлический удар, увеличивает вероятность разрушения соединения труб или затопления, а также приводит к увеличению потребления воды и затрат на коммунальные услуги из-за чрезмерного расхода.

В городах со значительными перепадами высот муниципальные системы часто подают воду под давлением, превышающим 80 фунтов на квадратный дюйм, чтобы достичь более высоких отметок, что может превысить проектные ограничения жилых домов и увеличить риск повреждения труб и арматуры. В результате установка редукционного клапана (PRV) является стандартной практикой для регулирования давления и защиты водопроводных систем здания.

PRV обеспечивает безопасную работу водопровода, автоматически регулируя клапан с помощью пружины и диафрагмы для снижения высокого, колеблющегося входящего давления до устойчивого уровня на выходе (см. рисунок 2). Сдерживая чрезмерно высокое муниципальное давление до контролируемого диапазона (обычно от ~ 50 до 70 фунтов на квадратный дюйм), он защищает трубы, соединения и приборы от повреждений и преждевременного износа. PRV предназначены для работы в условиях низкого или высокого расхода, в зависимости от обстоятельств, и обычной практикой является установка байпасного клапана вокруг PRV, чтобы свести к минимуму любые перебои в подаче воды в здание, если PRV выйдет из строя.

Рис. 2. Редукционный клапан на входе бытовой воды внутри здания. С разрешения: CDM Смит

Инженеры могут обратиться к Главе 6 IPC, чтобы узнать о других общих приспособлениях и требованиях, касающихся конфигурации входа в систему водоснабжения. К другим распространенным устройствам, устанавливаемым на входе воды в здание, относятся превенторы обратного потока, которые являются частью узлов зоны пониженного давления (РПЗ), манометры, клапаны и счетчики воды (см. Рисунок 3). Шаровые краны — это обычные запорные клапаны, используемые для перекрытия потока воды для труб диаметром 2 дюйма или меньше. На трубах диаметром более 2 дюймов для изоляции обычно используются задвижки и дроссельные заслонки, в первую очередь из-за их экономической выгоды.

Рис. 3. Типичный манометр для бытовых систем водоснабжения. С разрешения: CDM Смит

Предотвращение загрязнения бытовых систем водоснабжения

Чтобы предотвратить попадание загрязнений в муниципальную систему водоснабжения, обычно требуется установка предохранителя обратного потока на входе в здание (см. Рисунок 4). Однако некоторым коммунальным предприятиям не требуются устройства для предотвращения обратного потока для частных домов или зданий, в которых нет возможности перекрестного загрязнения. Другие коммунальные предприятия требуют предотвращения обратного потока в точке подключения к инженерным сетям (например, сразу после водомера). В кампусе, состоящем из нескольких зданий, счетчики воды и предотвращение обратного потока могут потребоваться на границе участка, а не на соединении со зданием. Для превенторов обратного потока важно определить местные требования к перекрестным соединениям. Эту информацию обычно можно узнать у местного поставщика коммунальных услуг или у государственного инспектора по сантехнике, обслуживающего данный район.

Рис. 4. Превентор обратного потока на 2-дюймовой линии холодной воды для защищенной воды. С разрешения: CDM Смит

Общие риски загрязнения включают удобрения, пестициды, бактерии и отходы животноводства из ирригационных систем; химикаты и грязная вода из погружных шлангов; химикаты для обработки и антифриз из котлов и систем отопления, вентиляции и кондиционирования; и диоксид углерода или чистящие средства из оборудования для производства напитков. Дополнительные риски связаны с попаданием загрязненной воды из колодцев в общественные сети и застойной или химически обработанной водой в системах пожаротушения, возвращающейся в питьевое водоснабжение. Превенторы обратного потока выбираются в зависимости от уровня опасности.

Серьезные опасности (например, химическая обработка, биологические патогены и токсичные отходы) требуют РПЗ для максимальной защиты. При умеренной опасности (например, спринклерные системы пожаротушения без антифриза и химической обработки, коммерческие системы отопления без добавления химикатов, препятствующих ржавчине, системы орошения газонов и оборудование для производства продуктов питания и напитков) используется узел двойного обратного клапана. В условиях обратного сифонажа с низким уровнем риска (например, стандартные шланговые нагрудники, ледогенераторы и пруды или фонтаны, питаемые от системы питьевой воды) обычно используются либо напорные, либо атмосферно-вакуумные прерыватели.

Для обеспечения высочайшего уровня защиты в любой ситуации самым надежным методом является воздушный зазор, поскольку он обеспечивает физическое разделение питьевой и загрязненной воды. Также важно отметить, что превенторы обратного потока могут вызвать значительное падение давления в бытовой системе водоснабжения, иногда более 20 фунтов на квадратный дюйм. Это необходимо учитывать при расчете, какое давление воды остается после входа воды для обслуживания сантехнических приборов в здании. Помимо обеспечения всех правильных расчетов и обеспечения РПЗ, счетчики воды требуют пристального внимания.

Счетчики воды для бытовых систем водоснабжения

Существует множество типов счетчиков воды, и все они измеряют расход воды, используемой в бытовой системе водоснабжения (см. Рисунок 5). Примеры включают составные, дисковые, турбинные, электромагнитные, ультразвуковые и пожарные. Из них счетчики воды дискового типа наиболее распространены для небольших по размеру объектов водоснабжения, таких как частные дома, многоквартирные дома с числом квартир менее 100, магазины розничной торговли, рестораны, школы и другие общественные здания без больших потребностей в орошении. Комбинированные счетчики воды типичны для систем водоснабжения среднего размера, таких как многоквартирные дома с числом более 100 квартир, общежития, школы с ирригацией и крупные розничные торговые центры. Счетчики воды дискового типа представляют собой счетчики объемного типа, которые обычно включают в себя нутирующий диск и магнитную муфту.

Рисунок 5: Счетчик воды на входе в систему питьевого водоснабжения. С разрешения: CDM Смит

Дисковые расходомеры прямого вытеснения рассчитывают расход, пропуская известное количество воды через измерительную камеру фиксированного объема внутри счетчика и подсчитывая, сколько раз внутренний объем заполняется и опорожняется. Частота входящих и выходящих из водомера изолированных объемов будет расходом через водомер. Комбинированные счетчики воды используются как для приложений с высоким, так и для малых расходов и состоят из одного расходомера с низким расходом (обычно дискового счетчика) и одного расходомера с высоким расходом (обычно турбинного счетчика). Расход в турбинном счетчике рассчитывается по количеству электрических импульсов, создаваемых вращением турбины с течением времени.

Составные счетчики используются последовательно или параллельно, если не для пожарной службы. Последовательно составные счетчики работают одновременно, в то время как один счетчик регистрирует расход, в зависимости от объема поступающего потока. В параллельных составных счетчиках одновременно работает только один счетчик, и они переключаются друг на друга через автоматический обход, если расход увеличивается или уменьшается за пороговое значение любого счетчика.

После того, как вода попала в здание и прошла водосчетчик, предохранительные клапаны и предохранители обратного потока, ее необходимо распределить по сантехническим приборам. Однако перед определением размеров распределительной системы необходимо определить потребность здания в воде. Целью определения размеров бытовой системы водоснабжения является обеспечение адекватного расхода и давления при пиковой нагрузке без ненужного завышения размеров. Первый шаг предполагает рассмотрение Приложения E МПК.

IPC Приложение E В таблице E103.3(2) указаны холодные, горячие и общие нагрузки на сантехнические приборы в узлах водоснабжения (WSFU). WSFU основаны на теории вероятностей. Сантехническим приборам присваиваются холодные, горячие и общие WSFU в зависимости от скорости, с которой приспособление потребляет воду, продолжительности времени использования приспособления и средней продолжительности времени между использованиями приспособления. Горячие и холодные WSFU обычно составляют 75% от общего объема питьевой воды. Инженер захочет использовать холодный или горячий WSFU при выборе размеров ответвлений для линий холодной или горячей воды.

Размер основной линии для бытовых систем водоснабжения

Для определения размера основной магистрали холодной воды, поступающей в здание, суммируются WSFU всех приборов. В зависимости от классификации светильников (например, частные или государственные офисы, гостиницы и рестораны) IPC будет иметь таблицу, в которой перечислены светильники и общее количество WSFU для типа светильника, а также минимальные размеры соединений холодной и горячей воды для трубопроводов на светильнике. Чтобы определить размер основного водопровода, входящего в здание, инженер сначала подсчитывает количество светильников каждого типа, а затем умножает эти количества на соответствующие значения WSFU для каждого прибора.

После подсчета WSFU для каждого типа светильников инженер суммирует WSFU для всех светильников в здании. Например, согласно таблице E103.3(2) в Приложении E к IPC 2021 года, общественная вода, ближайшая к смывному бачку, имеет пять WSFU. Если здание спроектировано так, чтобы иметь в общей сложности пять общественных туалетов в качестве единственных сантехнических приборов, общее количество WSFU для здания составит 25 WSFU.

После расчета общего количества WSFU инженер продолжит использовать таблицу E103.3(3) в Приложении E IPC. Таблица E103.3(3) используется для преобразования общего количества WSFU непосредственно в галлоны в минуту (галлоны в минуту). Инженер определит, состоит ли конструкция существующего или нового здания преимущественно из смывных бачков или смывных клапанов для санузлов. Таблица E103.3(3) разделена на две части: одна часть преобразует WSFU в галлоны в минуту со смывными бачками в качестве доминирующего типа сантехнического оборудования в здании, а другая часть преобразует WSFU в галлоны в минуту с клапанами смыва в качестве основного типа санузла.

Для систем, которые включают в себя как смывные баки, так и промывочные клапаны, любая часть системы холодной воды после клапанов промывочного устройства считается частью системы промывочных клапанов, а любая часть системы холодной воды перед клапанами промывочного устройства считается частью системы промывочного бака. Эта информация позволяет инженеру определить, является ли система холодного водоснабжения преимущественно смывными баками или смывными клапанами в здании, где это неизвестно.

Если система хозяйственно-бытового водоснабжения неправильно определена как состоящая преимущественно из смывных клапанов или смывных бачков, использование неправильной таблицы приведет к неправильному расчетному расходу для всей системы. Например, если инженер определит, что в системе преобладают промывочные баки, а это промывочные клапаны, расчетный расход при использовании колонки промывочного бака будет ниже, чем при использовании колонки промывочного клапана. Более низкий расчетный расход, скорее всего, приведет к тому, что труба меньшего размера будет иметь чрезмерные скорости и чрезмерный перепад давления. Номинальное давление большинства трубопроводных систем водоснабжения составляет не менее 150 фунтов на квадратный дюйм, и многие из них могут выдерживать гораздо более высокие давления. Однако трубы меньшего размера увеличивают перепады давления и ограничивают скорость потока, что может увеличить эрозию из-за повышенной скорости и привести к тому, что арматура не будет работать должным образом.

Для бытовой системы водоснабжения инженер всегда суммирует WSFU для преобразования в общее количество галлонов в минуту для системы, но это не всегда так для общего количества галлонов в минуту для арматуры. Значения галлонов в минуту для светильников не суммируются, за исключением случаев, когда они предназначены для светильников непрерывного использования. Примеры включают прачечное оборудование и градирни. Расходы для приборов непрерывного использования добавляются к общему расходу системы холодного водоснабжения, поскольку они создают постоянную потребность в системе, в отличие от приборов одновременного использования (например, унитазов), где потребность является прерывистой.

После того, как все WSFU и потоки будут учтены в системе домашнего водоснабжения, инженер может определить размеры трубопровода. После выбора размера пробной трубы и использования рисунка E103.3(3) «Потери на трение в гладкой трубе» в Приложении E к IPC для соответствия расходу на входе воды в здание инженер определит, какая потеря на трение (перепад давления) допускается во всей системе трубопроводов, используя размер пробной трубы. В бытовой системе водоснабжения потери на трение возникают на прямых участках труб, сантехнических приборах и трубопроводной арматуре. Инженер должен определить наиболее гидравлически удаленный от входа воды в здание прибор с наибольшим общим перепадом давления (критический контур).

Критические пути для бытовых систем водоснабжения

При определении критического пути для самого высокого давления может быть полезно просмотреть таблицу МПК 604.3, чтобы понять минимальное давление, необходимое для определенных сантехнических приборов. Это позволит инженеру определить, какие удаленные светильники требуют большего давления воды при одинаковой длине трубопровода от входа воды. Например, минимально необходимое давление воды для душа со сбалансированным давлением составляет 20 фунтов на квадратный дюйм, а минимальное давление для сервисной раковины — всего 8 фунтов на квадратный дюйм.

Для определения критического пути инженер суммирует перепады давления потока во всех приборах и устройствах потенциальных критических контуров и исключает перепады давления в самой трубе. Это связано с тем, что падение давления на трубопроводе до самого удаленного приспособления должно быть меньше доступного давления после учета всех счетчиков воды, предохранительных клапанов и превенторов обратного потока.

Как только станет известно давление, необходимое для преодоления трения в трубе, инженер должен определить эквивалентную длину трубы до самого удаленного приспособления, к которому будет применено доступное падение давления. Это можно сделать, измерив длину критического контура и умножив ее на коэффициент 1,5 (инженерное/отраслевое правило, а не нормы), что даст приблизительную оценку общих потерь на трение в трубе, где окончательный размер фитингов и клапанов неизвестен. Зная эквивалентную длину трубы, инженер может рассчитать падение давления на трубе на каждые 100 футов, умножив доступное давление, необходимое для преодоления трения трубы, на 100 футов на эквивалентную длину.

Изменение высоты бытовых систем водоснабжения

Обратите внимание, что во многих конструкциях сантехники требуется, чтобы вода проходила по нескольким этажам для обслуживания арматуры, что также приведет к потере высоты. Изменения высоты напрямую влияют на давление: увеличение высоты снижает доступное давление (приблизительно 0,43 фунта на квадратный дюйм на фут подъема), а уменьшение высоты увеличивает давление на ту же величину, что необходимо учитывать при выборе размера системы. Имея расчетные потери на трение на 100 футов и потери на трение по высоте, инженер теперь может рассчитать общие потери на трение в трубе критического контура. Неспособность учесть эквивалентные длины и изменения высоты для трубопроводной арматуры и клапанов может привести к выбору системы с учетом меньших потерь давления, что может помешать обеспечению достаточного давления воды в самом удаленном приспособлении. Адекватное давление воды обеспечивает адекватный поток и скорость через водопровод.

Эмпирическое правило для инженера-сантехника — не превышать 6 футов в секунду (fps) в любой точке трубопроводной системы. В идеале размер строк определяется исходя из скорости потока от 4 до 6 кадров в секунду. Превышение 6 кадров в секунду в системе трубопроводов для бытовой воды может привести к утечке, разрушению системы и потенциальному появлению раздражающего шума для жителей здания. Таблицы размеров труб для бытового водопровода из железа и меди представлены в сантехнических нормах, справочниках Американского общества инженеров-сантехников и других онлайн-источниках. Многие онлайн-источники, предоставляемые компаниями, занимающимися монтажом труб, включают простые в использовании калькуляторы для выбора размеров труб на основе скорости трубы или коэффициента трения трубы (перепада давления).

Успешное проектирование внутренней системы водоснабжения

Успешный проект бытовой системы водоснабжения выходит за рамки соответствия требованиям норм. Это требует продуманной интеграции гидравлического анализа, практических инженерных решений и долгосрочных характеристик системы. Понимая, как взаимодействуют требования к арматуре, распределение давления и характеристики трубопроводов, инженеры могут создавать системы, которые соответствуют сантехническим нормам и работают надежно и эффективно на протяжении всего срока службы здания.

Способность оценивать критические контуры, управлять потерями давления и правильно выбирать размеры трубопроводов имеет основополагающее значение для создания безопасных и эффективных систем распределения воды. Поскольку коммерческие здания продолжают усложняться, а требования к эффективности возрастают, прочная основа принципов проектирования бытовых систем водоснабжения остается важным навыком для инженеров, стремящихся создавать устойчивые, устойчивые и высокопроизводительные строительные системы, способные адаптироваться к меняющимся отраслевым стандартам, потребностям жильцов и будущим инфраструктурным задачам.

Сообщение «Как правильно подобрать размер труб для бытовых систем водоснабжения»