Как устроены водоснабжение и канализация в небоскребах?

Уже не раз мы освещали проблемы водоснабжения и канализации в необычных местах и сложных технических устройствах. На этот раз поговорим о сложнейшем с технической точки зрения сооружении – небоскребе. А небоскреб выберем самый что ни на есть величайший – чемпион мира по высоте – «Бурдж Халифа». Это сооружение интересно нам еще и тем, что условия, в которых его эксплуатируют, в корне отличаются от Российских.

Пару слов об этом монументальном сооружении

Построенное на арабские деньги, строителями из Южной Кореи, по проекту американских архитекторов, здание побило все возможные рекорды высоты. Это и самое высокое здание мира – 828 м, и здание с наибольшим количеством этажей (163 этажа), и самый высокий лифт, и самая высоко расположенная смотровая площадка (на высоте 555 м), и многие другие рекорды, побить которые получится не ранее чем в 2019-2022 годах.

Место расположение здания – город Дубай. Климат Дубая жаркий и сухой, настоящая пустыня. И, несмотря на то что город находится на морском побережье, проблема с водоснабжения стоит очень остро. Примерный расход воды на одного обитателя башни – 500-600 литров сутки, причем большая часть тратится на охлаждение здания. Не будем забывать и о пожарной безопасности, при такой высоте здания о наружном пожаротушении не может быть и речи, следовательно, должен быть запас воды в системе пожаротушения на случай чрезвычайного происшествия.

Где же взять столько пресной воды?

На берегу моря стоят опресняющие морскую воду установки, а глубинные насосы поднимают пресную воду из ушедших глубоко под землю рек. Но не только этой водой питается Бурдж Халифа. Будучи огромной теплицей из стекла и бетона, находящейся посреди пустыни в температурах 40-45 градусов по Цельсию, здание нуждается в постоянном охлаждении. Инженеры научились собирать и использовать воду, которая конденсируется в системе кондиционирования. А это без малого 100000 литров в сутки! Эту воду используют в технических целях.

Как поднять воду?

Бурдж Халифа это город вытянувшийся по вертикали, ведь количество людей, находящихся в здании достигает 35 000 человек! В день через небоскреб протекает 700-900 тысяч литров воды. Естественно, ни один насос не справится с такой задачей, да и трубы не выдержат такого давления. Инженеры-проектировщики разработали каскадную систему подъема воды. В здании имеются семь технических зон (высотой 2-3 этажа), на которых размещены накопительные баки и насосы, подающие воду из этих накопителей на следующую техническую зону. Здесь же расположены и водонагреватели, ведь даже в пустыне нужна горячая вода. Баки используются в качестве «водонапорных башен» для нижерасположенных этажей. Объем накопительных емкостей с увеличением высоты уменьшается. А попав на этаж вода доставляется до потребителя классическим способом – разводкой трубами.

Прочие системы

Мусоропровод и канализация устроены по классической схеме – если представить, что небоскреб состоит из разных зданий, поставленных друг на друга. Технические этажи разделяют системы, на них устроены специальные перемычки, позволяющие затормозить отходы, которые гонятся силой тяжести.

На данный момент существует несколько проектов, которые обещают покорить еще большие рекорды высоты. Некоторые из них уже строятся. Так Кувейт, Азербайджан и Саудовская Аравия заявили, что начали строительство небоскребов высотой более километра! Существуют и другие проекты с еще большими размерами: два и даже четыре километра высотой. Но в возможность осуществить строительство таких зданий верится с трудом, и даже самые оптимистично настроенные специалисты с осторожностью о них говорят. Ну а если вдруг это станет реальностью, то сложность устройства инженерных систем выйдет на новый уровень! Поживем – увидим!

Водоснабжение и водоотведение высотных зданий

По биологической и социальной значимости для человека вода занимает важное место в формировании здоровой и благоприятной среды в помещениях.

Комфортность проживания в высотных зданиях ниже, чем в малоэтажной застройке, так как человек ощущает оторванность от земли и определенный психоэмоциональный дискомфорт. Поэтому системы водоснабжения и водоотведения в высотных зданиях должны компенсировать дискомфорт путем расширения их функциональных возможностей. В дополнение к обычным хозяйственным и санитарно-гигиеническим функциям эти системы должны обеспечивать возможность проведения оздоровительно-профилактических и лечебных гидротерапевтических, массажных, косметических и других процедур, повышающих комфортность зданий.

Для создания безопасной и комфортной среды обитания в зданиях в течение длительного срока эксплуатации (более 100 лет) системы водоснабжения и водоотведения должны обладать высокой надежностью подачи воды потребителям как на хозяйственно-питьевые цели, так и для пожаротушения.

В связи со значительной массой перемещаемого вещества (воды) и большими затратами энергии на ее подъем и перемещение проблемы водоснабжения как наиболее ресурсо-, энергоемкой системы возрастают многократно. При создании этих систем необходимо максимально реализовывать ресурсосберегающую политику.

Это требует нового объективного социального подхода к этим системам, отнесения их к системам «защиты жизни, здоровья физических или юридических лиц, в том числе их отдельных категорий, имущества физических или юридических лиц, государственного или муниципального имущества, охраны окружающей среды…» [1].

Определение социального статуса систем водоснабжения в технических регламентах [1] и детализация его в нормативно-правовых документах (Водный кодекс, Закон о питьевой воде, Положения…,Методики…, ГОСТ, СНиП, СП) позволят создать единый государственный поход к этой системе жизнеобеспечения высотных зданий.

К сожалению, в существующих нормативах на проектирование и эксплуатацию систем водоснабжения требования к ним сформулированы недостаточно полно, разбросаны по многочисленным документам и не содержат требований по ресурсосбережению. Требования по надежности сформулированы в общем виде и не позволяют расчитывать надежность подачи воды отдельным потребителям и группам потребителей.

На основании комплекса показателей качества продукции строительства [2] систематизированы и сформулированы требования к системам хозяйственно-питьевого водоснабжения (технический регламент) [3].

Для выполнения этих требований при разработке проектной документации по сравнению с современной практикой проектирования систем необходимо выполнять многовариантное проектирование, анализируя функциональность, надежность, ресурсосбережение на всех стадиях проектирования.

Закон «О техническом регулировании» [1] усиливает персональную ответственность проектировщиков за качество принимаемых решений, переводя ранее действующие нормативы в разряд добровольно-применяемых. Поэтому проектирование этих уникальных зданий, не имеющих российских аналогов, должно производиться на основе не столько имеющихся нормативов, разработанных для других условий, сколько результатов исследований и расчетов режимов функционирования систем в каждом высотном здании.

На начальных стадиях проектирования необходимо формировать не только вод-ный, но и водохозяйственный, и энергетический балансы здания, которые по количеству и разнообразию потребителей сопоставимы с крупным микрорайоном обычной застройки.

В балансе следует подробно рассмотреть потребности в воде с выделением питьевой, хозяйственной, технологической, противопожарной потребностей.

Анализ нескольких вариантов балансов с использованием оборотных, последовательных схем водоснабжения и водоотведения, утилизации теплоты, возобновляемых источников энергии позволит оптимизировать состав систем, нагрузки на них, снизить общее водо-, тепло-, электропотребление, уменьшить антропогенную нагрузку на окружающую среду.

Для повышения надежности целесо-образно разделять системы различного назначения, так как надежность специализированных систем обычно выше, чем универсальных.

При выборе противопожарных систем следует учитывать концепции обеспечения безопасности людей в высотных зданиях, основываться на принципах, отражающих специфику как самих зданий, так и применяемых средств обеспечения безопасности [3].

Человек в высотных зданиях ощущает оторванность от земли, испытывает чувство неуверенности. Это необходимо компенсировать повышенной комфортностью среды обитания.

Для повышения функциональности и комфортности в высотных зданиях квартиры должны оборудоваться дополнительными водоразборными и санитарными приборами для проведения профилактических, оздоровительных, косметических процедур (гидромассажные ванны, паровые души, ингаляторы и т. д.), а также оборудованием для обеспечения проживающих кондиционированной водой, качество которой не уступает бутылированной воде.

На последующих стадиях проектирования и разработки схемных решений отдельных систем для повышения надежности следует использовать временное, элементное и функциональное резервирование.

Повышение гидравлической надежности систем хозяйственного и питьевого водоснабжения обеспечивается зонированием их по высоте здания, резервированим водопитателей. Высота зоны принимается из условия обеспечения максимального допустимого давления перед водоразборной арматурой [4]. Желательно, чтобы высота зоны совпадала с высотой пожарного отсека. Присоединение системы к водопитателю производится несколькими вводами. В зданиях высотой до 250 м предусматривают не менее двух вводов от независимых водопитателей (отдельных линий наружной кольцевой водопроводной сети), при большей высоте каждый ввод прокладывают в две линии, каждая из которых должна пропускать не менее 50% расчетного расхода.
Проектирование установок для повышения давления должно выполняться в соответствии с [4, 5]. Насосы должны иметь резерв, величина которого должна рассчитываться исходя из требуемой надежности водообеспечения или принимается по [5].

Водопроводные сети принимают кольцевыми. Большое влияние на надежность имеет материал трубопроводов, зарастание или коррозия которых приводит к ухудшению гидравлических характеристик, авариям и сбоям в подаче воды потребителям. Правильный выбор материала трубопровода, применение медных и пластмассовых труб, мало подверженных коррозии и зарастанию, значительно увеличивает надежность и долговечность систем.

Водонапорные баки, обеспечивая временное резервирование, создают регулирующий и аварийный запас воды в здании, стабилизируя давление воды в системе.

Для обеспечения бесперебойной подачи потребителям воды необходимого качества в течение длительной эксплуатации внутридомовых систем (более 50 лет) при изменяющихся параметрах внутренних и наружных водопроводных сетей необходимо повышать надежность систем по герметичности. В связи с большим количеством мест водоразбора на надежность системы по герметичности значительное влияние оказывают качество и долговечность уплотнительных элементов. Замена резино-металлических уплотнений на керамические позволяет на порядок уменьшить число утечек через водоразборную арматуру. На гидравлическую надежность системы водоснабжения большое влияние оказывают потери воды, которые перегружают водопроводные сети и сооружения, в результате чего часть высокорасположенных потребителей не получает воду. По-этому борьба с потерями воды и рациональное ее использование (см. п. «Ресурсосбережение») повышают общую гидравлическую надежность системы.

Стояки, регулирующую арматуру, контрольно-измерительные приборы (счетчики воды) желательно выносить за пределы квартир, чтобы служба эксплуатации в аварийных ситуациях могла оперативно отключать аварийные участки, размещенные в квартирах и помещениях собственников.

Повышение санитарно-гигиенической надежности во внутридомовых системах осуществляется путем применения водоразборной арматуры с устройствами, исключающими попадание загрязненной воды из санитарных приборов или канализации в водопроводную сеть, применением приборов, минимально загрязняющихся в процессе эксплуатации, использованием местных или индивидуальных установок для доочистки и кондиционирования воды.

Надежность противопожарного водоснабжения обеспечивается устройством нескольких уровней водной противопожарной защиты и соединения их в единую информационную систему, объединяющую также системы пожарной сигнализации, наблюдения и оповещения.

В высотных зданиях проектируют автоматические системы пожаротушения и системы с пожарными кранами.

Все системы выполняют раздельными с зонированием по высоте здания. На системах предусматривают резервуары.

Автоматические системы: спринклерные, дренчерные и спринклерные с применением тонкораспыленной воды должны иметь в каждом противопожарном отсеке самостоятельные коммуникации, приборы и узлы управления установок водяного пожаротушения.

Установки водяного пожаротушения каждой зоны должны быть оснащены патрубками с обратными клапанами, задвижками и соединительными головками Д-80 мм. Соединительные головки должны быть выведены наружу здания, располагаться в местах, удобных для подъезда пожарных автомобилей и обозначенных световыми указателями и пиктограммами.

Насосные станции установок водяного пожаротушения следует размещать в верхних подземных этажах. Допускается размещать насосы-повысители на промежуточных технических этажах. Количество резервных насосов определяют расчетом или по [5]. Насосные станции должны иметь отдельный выход наружу или на лестничную клетку.

Противопожарные системы с пожарными кранами должны подавать расчетное количество струй, определяемое расчетом, исходя из возможной пожарной нагрузки в помещениях. Рекомендуемый расход воды на внутреннее пожаротушение в каждом пожарном отсеке высотной надземной части здания должен составлять 8 струй по 5 л/с каждая. Системы следует зонировать по высоте здания. Высота зоны должна соответствовать высоте вертикальных пожарных отсеков. К этим системам подключают спринклерные оросители, установленные над входными дверями квартир снаружи. В дополнение к основным пожарным кранам в каждой квартире жилой части здания, устанавливают внутриквартирные пожарные краны. На балконах (лоджиях), прилегающих к незадымляемым лестничным клеткам, проектируют сухотрубы диаметром 80 мм с пожарными кранами на каждом этаже, оборудованными в уровне 1-го этажа патрубками для подключения насосов высокого давления пожарных автомобилей.

Комфортабельность и функциональность систем водоснабжения и водоотведения повышается путем оборудования квартир разнообразными приборами для восстановительных, лечебных, косметических процедур с использованием гидромассажа, парных, тренажеров, аромотерапии и т. д. Для этого можно использовать большой ассортимент ванн разнообразных форм и размеров с гидомассажем (джакузи) и последнее достижение — ультразвуковой массаж гидросоник фирмы «ТЭУКО». Аналогичную функцию выполняют душевые кабины, оборудованные многочисленными насадками, позволяющими массировать различные участки тела, снимая локальные боли и напряжения. В помещениях с ограниченными размерами можно устанавливать комбинированные ванны-души.

Ресурсосбережение в системах водоснабжения и водоотведения высотных зданий требует новых подходов и проектных решений, так как традиционные нормы проектирования [4] включают значительную долю потерь.
Потери в системах водоснабжения достигают 50–60%, что значительно превышает потери готового продукта в других отраслях народного хозяйства (2–5%). Среднее удельное водопотребление на одного человека (305 л/чел. сут.) более чем в два раза превышает потребление в европейских странах (120–150 л/чел. сут.).

Для того чтобы объективно оценить резервы экономии и эффективного использования ресурсов в системе без ущемления потребителя и ухудшения качества коммунальных услуг, необходимо из привычного понятия «водопотребление» выделить понятие «потребность в воде». «Водопотребление», определяемое делением общего количества воды, поданного системой, на число потребителей, характеризует сложившийся уровень эксплуатации системы, а не степень удовлетворения потребителя. Поэтому оно не может быть характеристикой качества работы системы.

«Потребность в воде» должна характеризовать оптимальное количество воды, которое обеспечивает питьевую, санитарно-гигиеническую, хозяйственную потребность человека в современной благоустроенной квартире, т. е. основную качественную характеристику, соответствующую назначению водопровода как системы жизнеобеспечения. Разница между величинами «потребления» и «потребности» является объективным резервом в системе, так как снижение уровня подачи ниже потребности является отказом в ее работе.

Потребность в воде должна определяться врачами-специалистами по гигиене, однако официальные, систематизированные отечественные исследования по этому вопросу отсутствуют. На основании отечественных и зарубежных исследований водопотребления непосредственно у потребителей эта величина оценивается на уровне 50–130 л/чел. сут., при этом нижний предел соответствует минимальному благо-устройству жилища, а верхний — оптимальному (стандартному). Учитывая технически обусловленные (минимальные) потери воды, социальная потребность принята в размере 140 л/чел. сут.

Эффективность ресурсосбережения в системах водоснабжения в 4–6 раз выше по сравнению с новым строительством.

Для реализации высокого потенциала ресурсосбережения и эффективного использования энергии в современных социально-экономических условиях необходимо совершенствование нормативно-правовой базы в направлении создания социально-экономических стимулов экономии энергии и воды с помощью тарифной, налоговой политики, использования дифференцированных нормативов потребления воды и энергии, учитывающих конкретные условия водопользования, четкого распределения ответственности за потребление ресурсов между поставщиками, посредниками, потребителями коммунальных услуг, исключающими возможность включения потерь в себестоимость услуг, разработку методик определения эффективности различных технических мероприятий по рацио-нальному использованию ресурсов в конкретных условиях.

Особенности проектирования бытовой канализации в высотных зданиях достаточно подробно освещены в [6]. Вопросы надежности водоотведения стоков по одному канализационному стояку на всю высоту здания при сохранении устойчивости гидравлических затворов достаточно обоснованы. Однако большую опасность представляют не срывы гидрозатворов, а засоры стояков, возникающие при эксплуатации, что приводит к затоплению квартир, значительному материальному ущербу, особенно на первых этажах зданий. При ликвидации таких засоров в первую очередь отключают водопровод, чтобы прекратить приток стоков. В многозонных системах это может потребовать много времени для отключения водопроводов в различных зонах, что приведет к поступлению в квартиру значительного количества стоков (расчетный расход стоков может достигать 4–6 л/с).

Проблемы надежности, безопасности, функциональности, ресурсосбережения. возникающие при проектировании, строительстве и, особенно, эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения высотных зданий в российских условиях, очень многообразны и не имеют необходимого научного, методического, экспериментального обоснования и в недостаточной степени отражены в действующих нормативах [4, 5, 7], ориентированных в основном на мало- и среднеэтажную застройку.

Проект новых нормативов [7] в разделе «Водоснабжение и канализация» дает только рекомендации по конструктивным решениям и ссылки на расчеты по действующим нормативам, что не обеспечивает оптимального проектирования.

Выводы
1. Высотные здания являются объектами повышенного риска, значительно отличающимися от серийных зданий по требованиям к надежности, безопасности, функциональности, ресурсосбережению систем водоснабжения и водоотведения.
2. В действующих нормативах нет технических требований к качеству жизненноважных систем водоснабжения и водоотведения, которые должны быть основой технических регламентов на эти системы.
3. Технические требования, отражающие особенности высотных зданий, необходимы для оптимального проектирования и особенно для длительной экономичной (ресурсосберегающей) эксплуатации.
4. Структура технических показателей качества может быть принята в соответствии с ГОСТ [2]. 5. Для систематизации и уточнения требований к системам водоснабжения и водоотведения в высотных (и обычных) зданиях необходимо проведение дополнительных исследований по уточнению номенклатуры показателей функциональности, безопасности, надежности и т. д. систем и их количественных значений.
6. В нормативные документы на проектирование необходимо ввести методики расчета, позволяющие оценивать комфортность, надежность, водо-, энергоэффективность и экономичность принятых технических решений.

Литература
1. Закон РФ «О техническом регулировании».
2. ГОСТ 4.200-78. «Система показателей качества продукции СТРОИТЕЛЬСТВО. Основные положения».
3. Водоснабжение и водоотведение высотных зданий // Сантехника. — 2004. — № 5, 6.
4. СНиП 2.04.01-85* (2000) «Внутренний водопровод и канализация зданий».
5. СНиП 2.04.02-84* (с изм. 1 1986, попр. 2000) «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения».
6. Добромыслов А. Я. Системы канализации высотных зданий. // «Сантехника». — 2004. — № 3.
7. МГСН…. (проект). Многофункциональные многоэтажные здания.