A concept of aeration system for sanitary sewage installation in passive buildings
Wstęp
Idea zrównoważonego rozwoju przyczyniła się do powstania innowacyjnych rozwiązań w zakresie budownictwa. Już od wielu lat budownictwo rozwija się i dąży do osiągnięcia idealnego mikroklimatu panującego wewnątrz pomieszczeń zamkniętych, zapewniając tym samym komfort cieplny użytkownikom. Jednym z działań w tym kierunku jest ograniczanie strat ciepła oraz eliminacja wszelkich źródeł zwilgoceń mogących powodować powstawanie syndromu chorego budynku [1].
Przykładem budynku o wysokim standardzie szczelności i niskim zapotrzebowaniu na ciepło jest budynek pasywny. Ideą budownictwa pasywnego jest wyeliminowanie aktywnego sytemu ogrzewania oraz pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych. Budynek powinien być tak zaprojektowany, aby roczne zapotrzebowanie na ogrzewanie i chłodzenie wynosiło nie więcej niż 15 kWh/(m2∙rok) [2]. Jedną z cech budownictwa pasywnego jest utrzymanie wysokiej szczelności bryły budynku, zapewniające ochronę obiektu przed niekontrolowanym przepływem powietrza. Budynek pasywny powinien zostać wykonany jako hermetyczna bryła, izolowany z zewnątrz poprzez grubą warstwę izolacji, szczelne okna z powłokami niskoemisyjnymi, a także system mechanicznej wentylacji z wymianą ciepła [3].
Z uwagi na rygorystyczne wymagania związane z zachowaniem ciągłości wszystkich przegród zewnętrznych, zabezpieczających budynek przed stratami ciepła oraz zawilgoceniem, ważne jest właściwe zaprojektowanie instalacji kanalizacji. W budynkach pasywnych układy instalacji kanalizacji sanitarnej są zbliżone do rozwiązań stosowanych w budownictwie tradycyjnym [4]. Biorąc pod uwagę, że preferowanym sposobem posadowienia budynku pasywnego są płyty żelbetowe, prowadzenie przewodów odpływowych realizowane jest w ich obrębie. Takie rozwiązanie jest korzystne ze względu na zachowanie ciągłości powłok zewnętrznych oraz możliwość izolacji termicznej płyty, co minimalizuje ryzyko powstawania mostków cieplnych [5,6].
Innym zagadnieniem związanym z funkcjonowaniem instalacji kanalizacji w budynku pasywnym jest kwestia napowietrzenia układu, niezbędnego do prawidłowego funkcjonowania zamknięć wodnych pod przyborami sanitarnymi. Popularnym rozwiązaniem jest zastosowanie zaworów napowietrzających, zamiast montażu rury wywiewnej. Podstawowym zadaniem tych zaworów jest ograniczanie wahań ciśnienia, panującego w instalacji, a także dostarczanie odpowiedniej ilości powietrza do instalacji, przy jednoczesnym ograniczeniu jego wydobywania się. Norma PN-EN 12056-1 wyraźnie określa zależności systemów przeznaczonych do napowietrzania i wentylacji kanalizacji. Zawory napowietrzające spełniają jedynie funkcję dostarczenia powietrza do instalacji kanalizacyjnej w celu wyrównania panującego w niej ciśnienia. Jednakże nie zapewniają odprowadzenia powstających gazów kanałowych oraz właściwej wentylacji sieci kanalizacyjnej. Dlatego nie powinno się stosować wyłącznie zaworów napowietrzających bez zastosowania wywiewek wieńczących pion kanalizacyjny [7,11].
Obecnie na rynku nie ma rozwiązań bezawaryjnych, które zapewnią właściwe napowietrzenie instalacji kanalizacyjnych przy zachowaniu ciągłości wszystkich powłok zewnętrznych oraz izolacji budynku. Celem artykułu jest prezentacja koncepcji systemu napowietrzania instalacji kanalizacyjnej w budynku pasywnym. Powstałe na bazie koncepcji rozwiązanie opiera się o zestaw hermetycznych zasobników powietrza zlokalizowanych w górnej części pionu kanalizacyjnego. Do głównych założeń proponowanego systemu należą bezobsługowość, a co najważniejsze bezawaryjność. Rozwiązanie koncepcyjne zostało poddane badaniom w warunkach laboratoryjnych, których celem było wykazanie skuteczności funkcjonowania przyjętego rozwiązania.
Proponowana koncepcja systemu napowietrzania instalacji kanalizacji
Proponowany układ napowietrzania instalacji kanalizacji sanitarnej składa się ze zbiornika hermetycznego zlokalizowanego w najwyższym punkcie pionu kanalizacyjnego oraz rury wywiewnej, wyprowadzonej poza bryłę budynku, umiejscowioną na przykanaliku (rys. 1). W rozwiązaniach praktycznych zbiornik zlokalizowany powinien być pod więźbą dachu lub w zabudowie podwieszanego sufitu. Rura wywiewna, wentylująca zewnętrzną sieć kanalizacyjną, podłączona jest bezpośrednio do przykanalika przed obrysem budynku patrząc od strony sieciowej i wyprowadzona ponad powierzchnię terenu. Powyższe rozwiązanie umożliwia swobodny dopływ świeżego powietrza do instalacji przy jednoczesnym zachowaniu ciągłości powłoki zewnętrznej budynku [8,9].
W proponowanej koncepcji pojemność zbiornika hermetycznego zależna jest od wielkości instalacji kanalizacji sanitarnej oraz jej całkowitej objętości. Kształt zaś zależny jest od miejsca lokalizacji zbiornika w budynku oraz panujących warunków technicznych. W założeniach zaproponowany zbiornik hermetyczny pełni funkcje magazynu powietrza, które pobierane będzie w momencie spłukiwania wody przez urządzenia i przybory sanitarne. Takie rozwianie będzie ograniczało powstawanie podciśnienia pod przyborami sanitarnymi, które umieszczone są poniżej zbiornika, a tym samym utrzymanie szczelności ich zamknięć wodnych. Zbiornik hermetyczny napełniany jest powietrzem zaraz po odprowadzeniu ścieków do sieci kanalizacyjnej za pomocą rury wywiewnej zlokalizowanej poza bryłą budynku, podłączonej do przykanalika [8,9].
Ocenę skuteczności przedstawionego powyżej rozwiązania systemu napowietrzania przetestowano w warunkach laboratoryjnych. Wstępne badania przeprowadzono w budynku Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej
Schemat proponowanego sposobu napowietrzania instalacji kanalizacji sanitarnej: 1 – zbiorniki hermetyczne, 2 – pion kanalizacyjny, 3 – przybory sanitarne, 4 – podejście kanalizacyjne, 5 – syfon kanalizacyjny, 6 – przewód odpływowy, 7 – rura wywiewna, 8 – wywiewka kanalizacyjna, 9 – punkt odbioru ścieków
Schemat modelowej instalacji kanalizacji wykorzystanej do badań: 1 – komora powietrzna składająca się ze zbiorników hermetycznych, 2 – przetwornik ciśnienia, 3 – komputer pomiarowy, 4 – miska ustępowa, 5 – podejście kanalizacyjne, 6 – zbiornik magazynujący spływającą wodę
Opis stanowiska badawczego
Wykorzystany do badań model instalacji kanalizacyjnych przedstawiono na rysunku 2. Pion kanalizacyjny oraz wszystkie przewody połączeniowe zostały wykonane z rur PVC-U o średnicy DN110 i grubości ścianki 2,2 mm.
Do pionu podłączono podejście kanalizacyjne DN110 do przyłączenia miski ustępowej. Zastosowano miskę o pojemności spłuczki wynoszącej 6 dm3. W górnej części pionu zamontowano manometr, a także czwórnik służący do zamontowania trzech zbiorników hermetycznych o pojemności 80 dm3 każdy. Do pomiaru ciśnienia zastosowano przetwornik Keller PR-33X mierzący zarówno nad jak i podciśnienie (dokładność 1%), w zakresie pomiarowym do 15 mH2O, podłączony do komputera zbierającego dane z częstością 0,02 s. Długość całego pionu kanalizacyjnego mierzona od szczytu do końcowego przewodu odpływowego wynosiła 7 m. Geometryczna różnica wysokości wynosiła 6 m. Każdorazowo przed wykonaniem badań układ poddawano próbie szczelności.
Opis metody badawczej
Badania zostały wykonane w celu oceny skuteczności działania proponowanego sposobu napowietrzania w zakresie redukcji podciśnienia w modelowej instalacji kanalizacyjnej. Za pośrednictwem spłuczki kanalizacyjnej do układu wprowadzano wodę wodociągową, której przepływ powodował chwilowe powstawanie podciśnienia w układzie. Badania prowadzono wariantowo, zmieniając objętość szczytowej komory powietrznej, regulowaną poprzez podłączanie kolejnych szczelnych zbiorników.
Poszczególne warianty pomiarowe obejmowały:
–– brak komory powietrznej, szczelne zamknięcie pionu kanalizacyjnego od góry (układ zamknięty),
–– podłączenie do pionu jednego, dwóch a następnie 3 hermetycznych zbiorników (rys. 3 i 4),
–– całkowite otwarcie górnej części pionu kanalizacyjnego (układ otwarty).
Dla każdego wariantu pomiarowego wykonano siedem powtórzeń.
Układ z jednym zbiornikiem hermetycznym
Układ z dwoma zbiornikami hermetycznymi
Wyniki pomiarów
Przykładowe wykresy zmian wysokości mierzonego ciśnienia w trakcie przepływu wody przez układ badawczy przedstawiono na rysunkach 5 i 6.
Na powyższych wykresach widoczne jest zarówno powstawanie podciśnienia, jak również wpływ zmniejszenia jego wartości na skutek funkcjonowania komory powietrznej. Do dalszej analizy przyjęto najwyższe zarejestrowane wartości podciśnienia. Bazując na tych wartościach sporządzono wykres określający wpływ pojemności komory powietrznej na ograniczenie podciśnienia powstającego w trakcie przepływu wody przez układ badawczy – rys. 7.
Zgodnie z oczekiwaniami całkowite otwarcie górnej części pionu kanalizacyjnego spowodowało brak zjawiska podciśnienia w układzie badawczym. Najwyższą wysokość podciśnienia (średnia – 0,02454 mH2O) zmierzono w warunkach odłączenia komory powietrznej (układ zamknięty). Wraz ze wzrostem pojemności tej komory obserwowano ograniczenie wartości tego podciśnienia.
Z powyższego wykresu wynika, że wraz ze wzrostem pojemności komory powietrznej maleje wartość podciśnienia. Średnia arytmetyczna waha się w granicach od – 0,00026 mH2O do -0,02454 mH2O.
Do interpretacji wyników zastosowano jednoczynnikową analizę wariancji metodą ANOVA (z ang. analysis of variance). Jest to powszechnie stosowany test statystyczny, służący do porównywania średnich pomiędzy populacjami różnych grup oraz do oceny stopnia prawdopodobieństwa. Analiza ta umożliwia ocenę czy różnice pomiędzy średnimi w poszczególnych grupach nie są przypadkowe. Obliczenia statystyczne przeprowadzono w programie Statistica 12, firmy StatSoft (www.statsoft.pl). W badaniach przyjęto normalność rozkładu populacji w podgrupach (odczytów podciśnienia dla danej pojemności układu napowietrzania)[ 10]. Jako grupę przyjęto liczbę zbiorników, a jako populację wartości podciśnienia, liczba powtórzeń w ramach podgrupy wynosiła 7.
Hipoteza zerowa zakłada, że wartości średnich grupowych populacji są takie same, równe wartości średniej ogólnej: H0 = p0 = p1 = p2 = p3 = p10 = p.
We wszystkich przypadkach, hipoteza zerowa została odrzucona, w związku z powyższym wykonano analizę post-hoc, której celem było wskazanie istotnych statystycznie różnic zawartych pomiędzy grupami. Dzięki temu możliwe było wykazanie wpływu pojemności zbiorników komory powietrznej na redukcję podciśnienia w układzie. W tabeli 1 przedstawiono wybrane wyniki testu NIR Fishera (Najmniejsza Istotna Różnica) dla wariantu spłuczka na środku pionu, czujnik na górze.
Na podstawie danych zawartych w tabeli 1 można stwierdzić, że testy NIR Fishera umożliwiły pogrupowanie wartości podciśnienia w trzy grupy jednorodne. Pierwszą grupę obejmują układy ze zbiornikami hermetycznymi, drugą układ zamknięty, natomiast w trzeciej grupie zawiera się wyłącznie układ otwarty. Można wnioskować, że układ otwarty jest najkorzystniejszy, jednakże zastosowanie zbiorników hermetycznych spełnia swoje zadanie i powoduje spadek podciśnienia, ponieważ podciśnienia w tej grupie są statystycznie różne od podciśnień występujących w układzie zamkniętym.
Przykładowy wykres zmian wysokości ciśnienia w trakcie przepływu wody przez układ badawczy zamknięty
Przykładowy wykres zmian wysokości ciśnienia w trakcie przepływu wody przez układ badawczy o pojemności 240 dm3
Średnie zmiany podciśnienia w zależności od pojemności układu napowietrzania
Testy NIR Fishera wykonane dla pojemności spłuczki równej 6 dm3 (dane opracowane w programie Statistica)
Wnioski
Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że istnieje możliwość wykorzystania proponowanej koncepcji napowietrzania do ograniczania powstawania podciśnienia w trakcie przepływu ścieków przez przewody instalacji kanalizacyjnych. Proponowany układ redukcji podciśnienia jest szczególnie zalecany w budownictwie pasywnym i niskoenergochłonnym z uwagi na rygorystyczne wymagania odnośnie do szczelności zewnętrznej skorupy budynków. Przesunięcie rury wywiewnej poza bryłę budynku i napowietrzanie układu za pomocą zbiorników rezerwowych może stanowić dobry sposób na minimalizację mostków termicznych, typowych dla tradycyjnych sposobów wentylowania układów kanalizacyjnych. Przeprowadzone analizy ANOVA i testy post-hoc wykazały wpływ poszczególnych objętości zasobników powietrza na poziom redukcji podciśnienia w układzie, tym samym na spadek ryzyka wysysania wody z syfonów pod przyborami sanitarnymi.
Proponowany układ napowietrzania, z racji braku części ruchomych, jest przynajmniej w teorii wysoce niezawodny, co minimalizuje zjawisko przedostawania się gazów złowonnych z instalacji kanalizacyjnej do powietrza wewnętrznego pomieszczeń.
Wprowadzenie proponowanego rozwiązania do praktyki instalacyjnej wymaga przeprowadzenia szeregu dodatkowych badań zmierzających do opracowania wytycznych projektowania wielkości komory powietrznej w zależności od pojemności i wysokości geometrycznej instalacji kanalizacyjnych, a także wielkości i jednoczesności odpływu ścieków z przyborów sanitarnych. Badania takie są obecnie realizowane przez zespół autorski
L I T E R AT U R A
[1] Suchorab Z., Zastosowanie techniki reflektometrii w domenie czasu do oceny stanu zawilgocenia przegród budowlanych, Wyd. PAN, Lublin 2016.
[2] Wnuk R., Budowa domu pasywnego w praktyce, Wyd. Przewodnik Budowlany, 2012.
[3] Kaczkowska A., Dom pasywny, Wyd. KaBe, Krosno 2009.
[4] Wnuk R,, Instalacje w domu pasywnym i energooszczędnym, Wyd. Przewodnik Budowlany, 2007.
[5] Wnuk R., Budowa domu pasywnego w praktyce, Wyd. Przewodnik Budowlany, 2006.
[6] Dz. U. 2017 poz. 2285 – Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 14 listopada 2017 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
[7] Chudzicki J., Sosnowski S., Instalacje kanalizacyjne. Projektowanie, wykonanie, eksploatacja Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa 2011.
[8] Suchorab Z., Łagód G., Układ napowietrzania pionu instalacji kanalizacji sanitarnej [Patent nr 226452 (21) 411024] / WIADOMOŚCI URZĘDU PATENTOWEGO – 2017, 7, s. 2074-2074.
[9] Suchorab Z., Łagód G.,Układ napowietrzania pionu instalacji kanalizacji sanitarnej [Patent nr 227223 (21) 411025] / WIADOMOŚCI URZĘDU PATENTOWEGO – 2017, 11, s. 3911-3911.
[10] Wątroba J., Wprowadzenie do analizy wariancji, Statsoft Polska Sp. Z o.o.., 2002.
[11] Świerszcz A., 2017, Zawór napowietrzający do kanalizacji, Magazyn instalatora, No 4, 21