Testování podtlakových vtoků odvodnění plochých střech

Článek se zabývá testováním podtlakových střešních vtoků, které se používají k odvodnění plochých střech. Jedná se o relativně sofistikované průmyslové výrobky, které se osazují do svislých prostupů v konstrukcích plochých střech tak, aby z nich odváděly srážkové vody. Na každý vtok následně navazuje odtokové potrubí, které srážkovou vodu odvádí dále směrem ven z budovy k výpusti. U podtlakových systémů odvodnění střech je žádoucí, aby se v potrubí i vtoku při dosažení určitého průtoku vytvořil podtlak, tedy sání, a tím došlo ke zvýšení hydraulické kapacity celé soustavy. U plochých střech velikých rozměrů, např. haly, budovy škol atp. je žádoucí, aby měly tyto vtoky co největší hydraulickou kapacitu právě proto, aby byla konstrukce střechy narušena co nejmenším počtem stavebních otvorů.

Autorský kolektiv se zabývá vývojem, tvarovým řešením a hydraulickou optimalizací střešních vtoků, k čemuž využívá nástroje matematického i fyzikálního modelování. V rámci dosavadních vývojových prací byly navrženy tři tvarové variantní řešení podtlakových vtoků, které byly testovány na laboratorním hydraulickém měřicím okruhu. Při laboratorním měření hydraulické kapacity vtoků byla vždy zaznamenávána výška hladiny vody na desce simulující střešní plášť a k ní související hodnota průtoku vody v potrubí pod vtokem při ustáleném proudění, který při této výšce vzdutí dokáže střešní vtok propustit. Z naměřených dat byly vykresleny průtokové křivky, které znázorňují průběh průtoku vody v závislosti na výšce hladiny vody na střeše nad vtokem. Z průběhu testování byly zaznamenány fotografie, které znázorňují hydraulické poměry v potrubí. Záznam byl proveden pro všechny navržené varianty podtlakových vtoků a také pro každou výšku hladiny.

David Fučík, Jan Ručka

Abstract

The aim of the work was to find the optimal shape of the body of the siphonic drain, the air baffle and the protective basket, which would reduce the level of noise and vibrations that arise during the outflow of rainwater through the body of the drain. Within the work, three variants of siphonic drains were designed, which were subsequently tested on a laboratory measuring device. During testing, the value of the height of the water on the board simulating the roof and the value of the hydraulic capacity dependent on it were recorded. From the measured data, runoff curves were plotted, which show the course of water runoff depending on the height of water. During the testing, photographs were recorded showing the hydraulic conditions in the pipeline. The recording was made for all proposed variants of siphonic drains and also for each height of the water. The hydraulic conditions were monitored to determine the height of the water at which full flow occurs in the system.

Keywords

podtlakový vtok, hydraulická kapacita, výška vzdutí, odvodnění, měřicí zařízení

Úvod

Příspěvek se zabývá problematikou odvodnění plochých střech podtlakovými systémy odvodnění. Systémy odvodnění střech se obecně rozdělují na gravitační a podtlakové. V rámci provedeného hydraulického výzkumu byl hledán optimální tvar podtlakového vtoku, vzduchové přepážky a ochranného koše tak, aby byla snížena úroveň hluku a vibrací, které vznikají při průtoku srážkové vody objektem podtlakového vtoku. V rámci dosavadních vývojových prací byly navrženy tři tvarové variantní řešení podtlakových vtoků, které byly testovány na laboratorním hydraulickém měřicím okruhu. Při laboratorním měření hydraulické kapacity vtoků byla vždy zaznamenávána výška hladiny vody na desce simulující střešní plášť a k ní související hodnota průtoku vody v potrubí pod vtokem při ustáleném proudění, který při této výšce vzdutí dokáže střešní vtok propustit. Z naměřených dat byly vykresleny průtokové křivky, které znázorňují průběh průtoku vody v závislosti na výšce hladiny vody na střeše nad vtokem. Z průběhu testování byly zaznamenány fotografie, které znázorňují hydraulické poměry v potrubí. Záznam byl proveden pro všechny navržené varianty podtlakových vtoků a také pro každou výšku hladiny. Současně byl sledován průběh hydraulických poměrů v transparentním odtokovém potrubí. Hydraulické poměry byly sledovány pro určení výšky vzdutí hladiny nad vtokem, při kterém nastane plný průtok v systému.

Podtlakový střešní vtok

Tvar těla podtlakového střešního vtoku vychází z tvaru vtoku gravitačního. Důležitá část, kterou se podtlakový vtok liší od vtoku gravitačního, je vzduchová přepážka. Ta je umístěna nad vtokovou částí, většinou bývá součástí ochranného koše [1]. Při odtoku vody pomocí gravitačního vtoku začne, při určité výšce vzdutí vod, vznikat nad vtokem vodní vír, kterým je do systému strháváno velké množství vzduchových částic. Vzduchová přepážka tomuto jevu zabraňuje, díky tomu může podtlakový systém, který pracuje pod hodnotou atmosférického tlaku, fungovat správně [2], [3].

Průběh vzniku podtlakového efektu doprovází čtyři fáze proudění vody v odtokovém potrubí celého systému. První fáze se nazývá gravitační průtok. Při této fázi dosahuje stupeň plnění vody v systému maximálně 15 % z návrhové hodnoty intenzity srážek. Druhá fáze se nazývá pístový průtok. V této fázi dochází ke kolísání režimu proudění vody v systému, tj. mezi režimem gravitačním a podtlakovým režimem. Při této fázi se stupeň plnění vody v systému pohybuje v rozmezí od 15 % až 60 % z návrhové hodnoty intenzity srážek. Když stupeň plnění vody v systému přesáhne 60 % z návrhové intenzity srážky, vzniká třetí fáze, tj. bublinkový průtok. Při této fázi je potrubí systému zcela zahlceno dešťovou vodou, v systému je však stále přítomné velké množství vzduchu (vzduchových bublin). Čtvrtou fází je plný průtok, ten nastává, když stupeň plnění vody v systému přesáhne 95 % z návrhové hodnoty intenzity srážek. Při vniku vzduchových částic do systému vznikají silné vibrace v místě vtoku, což je doprovázeno silným hlukem. Maximum vzniká u bublinkového průtoku, kdy na průtok vody již působí podtlakový efekt, čímž je dosaženo vyšší rychlosti proudění vody v systému i v nátokové části. Vzhledem k tomu, že vzdutí vody není v této fázi ještě tak velké, dostává se do systému i část vzduchu (literatura udává 5–40 %) [4].

Popis navržených variant

Na měřicím zařízení byly testovány tři navržené varianty podtlakových vtoků. Na obr. 1 je znázorněný řez vtokem pro každou variantu. Modré šipky znázorňují směr proudění vody. Navržené vtoky vycházejí z gravitačního vtoku. Byly doplněny o vzduchovou přepážku jejíž průměr je 189 mm. Úroveň, ve které byly osazeny vzduchové přepážky, byla totožná pro všechny vtoky. Při změně této úrovně by došlo ke změně průtočné plochy což by ovlivnilo rychlost proudění vody v místech nátoku do vtoku. Změna rychlosti proudění by, spolu s podtlakovým efektem, ovlivnila hodnotu průtoku. V takovém případě by nebylo možné provést objektivní srovnání navržených variant.

U podtlakových vtoků je odlišený způsob uchycení podtlakového koše spolu se vzduchovou přepážkou. Středem dvou navržených variant podtlakových vtoků jsou vedeny tři vertikální lamely, které usměrňují proud odtékající vody. Mezi tělo a přírubu vtoku jedné z variant je zalisovaná část s přelivnou plochou, která usměrňuje proud vody od přelivné hrany (okraj příruby vtoku) do odtokové části vtoku (odtokové potrubí vtoku).

Obr. 1 Řezy navržených variant podtlakových vtoků

Požadavky měřicího zařízení

Požadavky na měřicí zařízení jsou definovány normou ČSN EN 1253-2 Podlahové vpusti a střešní vtoky - Část 2: Střešní vtoky a podlahové vpusti bez zápachové uzávěrky (2016) [5]. Tato norma popisuje základní prvky měřicího zařízení. Jedním z nich je zásobní nádrž kruhového nebo čtvercového tvaru s délkou stran (průměrem) nejméně 1750 mm. Ve středu této nádrže se osazuje testovaný podtlakový vtok. Podtlakový vtok musí být napojený na svislé odtokové potrubí. Na konci tohoto potrubí, případně v místě rozšíření dimenze potrubí, dochází k přechodu z podtlakového režimu proudění do režimu proudění gravitačního. Mezi přelivnou hranou podtlakového vtoku a přechodem do gravitačního režimu proudění musí být výška minimálně 4200 mm. Při nižší výšce by v systému nemusel nastat podtlakový efekt. Na přívodním potrubí se osazuje průtokoměr spolu s regulací průtoku. V zásobní nádrži musí být zajištěno měření výšky hladiny s tolerancí ±2 mm [5]. Schéma měřicího zařízení je patrné z obr. 2. Veličina výšky hladiny, příp. výšky vzdutí vody na simulované střeše je označena písmenem h.

Obr. 2 Schéma měřicího zařízení pro testování střešních vtoků s plným průtokem [5]

Popis měřicího zařízení

Měřicí zařízení tvoří zásobní nádrž o rozměrech 1800 mm × 1800 mm × 500 mm, byla umístěna na nosné konstrukci ve výšce 5250 mm nad úrovní podlahy. Přítok do nádrže je směřován do rohů nádrže a zajišťují ho čtyři přítoková potrubí v DN100. Rozkmitu hladiny, který vzniká při nátoku vody do nádrže, je zabráněno pomocí norných stěn. Na hlavní, tj. svislé, části výtlačného řadu DN150 je osazený průtokoměr a regulační armatura. Odtokové potrubí DN75 je vedené do spodní nádrže, jejíž dno leží v úrovni podlahy. Průměr i výška dolní nádrže jsou shodné, jejich hodnota je 1500 mm. Čerpání do horní nádrže je zajištěno pomocí hydrodynamického odstředivého čerpadla, které je umístěno v úrovni podlahy.

Měření výšky vzdutí vody nad přelivnou hranou je zajištěno pomocí posuvného měřidla, které je připevněné na nosníku, který leží na horní nádrži.

Průběh testování

Kapitola popisuje podmínky, za kterých probíhalo měření hydraulické kapacity pro testované podtlakové vtoky. Podle ČSN EN 1253-2 musí podtlakový vtok splňovat, při výšce vzdutí vody 55 mm (nad přelivnou hranou podtlakového vtoku), minimální hydraulickou kapacitu 12 l·s^-1. Tato hodnota je platná pro DN75 [5].

Při měření podtlakových vtoků byla zaznamenávána hodnota průtoku. Odečet probíhal při určených výškách vzdutí vody, tj. 5 mm, 15 mm, 25 mm, 35 mm, 45 mm, 55 mm a 100 mm. V blízkém okolí vtoku dochází ke snížení hladiny, které vzniká odtokem vody směrem do podtlakového vtoku. Z toho důvodu byla výška vzdutí vody měřena ve vzdálenosti 450 mm od osy vtoku.

Hodnota průtoku byla zaznamenávána, pro každou výšku, po dobu 10 minut od ustálení výšky vzdutí vody v horní nádrži. Od začátku po konec měření každé výšky vzdutí vody bylo odečteno 11 hodnot průtoku, ze kterých byl následně vypočten aritmetický průměr.

Ustálení výšky vzdutí vody v horní nádrží bylo provedeno pomocí regulační armatury, která byla osazena na výtlačné větvi. Po ustálení hladiny se množství vody na přítoku do hodní nádrže rovná množství vody na odtoku z nádrže.

Z průběhu testu byly zaznamenány hodnoty průtoků a k nim náležité hodnoty výšky vzdutí vody. Z těchto dat byl vykreslen graf, který představuje odtokovou křivku testovaného podtlakového vtoku.

Naměřená data

Tab. 1 představuje průměrné hodnoty průtoku pro dané výšky vzdutí vody při měření podtlakových vtoků. Každý řádek tabulky představuje průtočný průběh pro danou variantu. Lze konstatovat, že nejvyšší hydraulické kapacity, o hodnotě 19,44 l·s^-1 při výšce vzdutí vody 55 mm, dosahuje druhá varianta podtlakového vtoku. Hodnota pro první variantu činí 17,03 l·s^-1 Při srovnání se získá rozdíl 2,41 l·s^-1 což odpovídá 12,40% poklesu hydraulické kapacity. Hodnota hydraulické kapacity pro třetí variantu je 18,38 l·s^-1, tato hodnota, při srovnání s nejvyšší hydraulickou kapacitou, odpovídá 5,45% poklesu. Naměřená data vstupují do grafu, který je patrný z obr. 3.

Graf znázorněný na obr. 3 představuje odtokové křivky podtlakových vtoků, tj. závislost průtoku a výšky vzdutí vody na simulované střeše. Vodorovná osa představuje hodnoty hydraulické kapacity v l·s^-1 a svislá osa výšku vzdutí vody v mm. Čárkovaná čára v úrovni 55 mm znázorňuje hodnotu, při které má být splněna minimální hodnota hydraulické kapacity viz kapitola „průběh testování“ [5].

Tab. 1 Naměřené hodnoty hydraulické kapacity pro navržené podtlakové vtoky

Obr. 3 Odtokové křivky navržených variant podtlakových vtoků

Na obr. 4 jsou znázorněny fotografie odtokového potrubí při testování navržených vtoků. Skrz transparentní potrubí lze vidět proud odtékající vody, který vzniká při výšce vzdutí vody 55 mm.

Podtlakový efekt nastává již při nižších výškách vzdutí, než je hodnota 55 mm, o čemž vypovídají naměřené hodnoty průtoku. Při nižších výškách se však do systému může dostávat část vzduchu, která má za následek vznik vibrací a značný hluk [4]. Systém v takových podmínkách nepracuje efektivně. Toto chování je možné pozorovat u druhé varianty podtlakového vtoku, kde vzniká bublinkový průtok (přes proud vody nelze vidět zakrytou část žlutého nosníku). U třetí varianty podtlakového vtoku lze pak pozorovat plný průtok.

Pokud srovnáme hydraulické poměry, které v potrubí vznikaly v průběhu testování, byla na tom nejlépe první varianta. U této varianty docházelo k plnému průtoku v potrubí již při výšce vzdutí vody nižší než 55 mm. U druhé varianty bylo dosaženo plného průtoku až při výšce 65–75 mm. Dosažení plného průtoku až při těchto výškách bylo pravděpodobně způsobeno vysokou nátokovou rychlostí, která strhávala část okolního vzduchu.

Nátok mohl být také ovlivněn turbulencemi, které mohly vznikat u spáry, která odděluje přírubu vtoku a zalisovanou část s přelivnou plochou. U třetí varianty podtlakového vtoku bylo dosaženo plného průtoku při výšce vzdutí zhruba 55 mm.

Obr. 4 Proudění v odtokovém potrubí platné pro výšku vzdutí vody 55 mm (varianta 1 - 3)

Závěr

V návaznosti na provedené testování a vyhodnocení hydraulické kapacity a hydraulických poměrů u navržených variant podtlakových vtoků lze konstatovat, že nejlepších výsledků bylo dosaženo u třetí varianty vtoku. Podtlakový vtok splňuje podmínku minimální hydraulické kapacity, která je dána dle ČSN EN 1253-2. Hodnota limitní hydraulické kapacity je 12,00 l·s^-1 při výšce vzdutí 55 mm. Hydraulická kapacita podtlakového vtoku pro výšku vzdutí 55 mm činí 18,38 l·s^-1, tj. 53,16 % navýšení v porovnání s limitní hodnotou. Při této výšce vzdutí je také splněna podmínka plného průtoku, kdy systém pracuje optimálně.

U první varianty podtlakového vtoku nebylo uchycení ochranného koše spolu se vzduchovou přepážkou vhodné. Při měření průtoku vody byly pozorovány značné vibrace podtlakového koše spolu se vzduchovou přepážkou. Hodnotu limitní hydraulické kapacity splňují i další dvě varianty podtlakového vtoku, u druhé varianty však není dosaženo plného průtoku při výšce vzdutí 55 mm. Z toho důvodu se tato varianta jeví také jako nevhodná.

V rámci dalšího vývoje bude probíhat tvarová optimalizace vybraných variantních řešení tak, aby byly, při zachování hydraulické kapacity vtoku, sníženy úrovně hluku a vibrací na nejmenší možnou míru. Na základě pozorování z proběhlého měření bude připravena metodika měření hluku a vibrací při testovaní podtlakových vtoků.

Literatura

1. LUCKE, Terry a Simon BEECHAM. Alternative low-cost overflows for siphonic roof drainage systems: Proof of concept. Journal of Building Engineering. 2015, 2, 9-16.
2. LUCKE, Terry, Simon BEECHAM a George ZILLANTE. Rainwater harvesting options for commercial buildings using siphonic roof drainage systems----Lessons for Building Surveyors. Conference Paper. Australian Institution of Building Surveyors Conference, 2007.
3. RUNŠTUK, Michal. Odvodnění plochých střech: gravitační, nebo podtlakový systém? Materiály pro stavbu. 2015.
4. SCHILHART, Eduard. Navrhování odvodnění plochých střech 2. Podtlakové systémy. Materiály pro stavbu. 2017.
5. ČSN EN 1253-2. Podlahové vpusti a střešní vtoky: Část 2: Střešní vtoky a podlahové vpusti bez zápachové uzávěrky. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2016.

Poděkování/Acknowledgements

Práce byla financována z rozpočtu projektu „Vybrané problémy vodního hospodářství měst a obcí“, registrační číslo FAST-S-20-6314, který je financován z programu Specifického vysokoškolského výzkumu Vysokého učení technického v Brně.

Autoři/Autors

Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Veveří 331/95, 602 00 Brno

Ing. Jan Ručka, Ph.D., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Veveří 331/95, 602 00 Brno

Citace/Citation

Fučík, D., Ručka, J. Testování podtlakových vtoků odvodnění plochých střech. Vodovod.info - vodárenský informační portál [online]. 14.1.2021, 01/2021, [cit. 2021-01-14]. Dostupný z WWW: http://vodovod.info. ISSN 1804-7157.