BP51 Inženýrské sítě doc. Ing. Jaroslav Raclavský, Ph.D. Ústav vodního hospodářství obcí
1. Úvod - historický přehled, kategorizace inženýrských sítí, zákonitosti realizačních nákladů, ekonomická specifika inženýrských sítí
Zkouška a zápočet z IS Cvičení – nosit sebou studijní podklady, tj.studijní oporu a další podklady dle vedoucího cvičení Zápočet – podmínka udělení zápočtu: vypracované a odevzdané protokoly, průběžné bodové hodnocen Písemka a zkouška – min. požadované znalosti v rozsahu studijní opory 2
Harmonogram Úvod Vznik a vývoj IS Prostorová koordinace IS Sdružené trasy městských vedení technického vybavení 5. Vodovody 6. Stokování 1. 2. 3. 4.
3
Harmonogram 7. Zákonitosti proudění plynů 8. Tepelné sítě 9. Zásobení plynem 10. Materiály vystrojení a stavba plynovodů 11. Energetické a sdělovací sítě 12. Sanace trubních sítí 13. Základy teorie trubních sítí 4
Doporučená literatura Studijní opora „Inženýrské sítě“, Beránek, J. a kol. Normy (např. ČSN 73 6005 Prostorové uspořádání vedení technického vybavení) Zákony a předpisy
5
Úvod – charakteristika předmětu Historické fáze: Zdroje: voda a energie (teplo) Prvobytně pospolná společnost lovců a sběratelů – mobilní je lidské společenství, pohybuje se po krajině, dokud nejsou vyčerpány zdroje Zemědělská společnost - snaha o trvale udržitelný lokální stav, ekologicky uzavřený okruh, mobilního není nic Městská společnost - kumulace obyvatelstva v souvislosti s dělbou práce a vznikem řemesel. Mobilními bylo nutno učinit zdroje – vznik inženýrských sítí. Objevení inženýrských sítí signalizuje vznik městských sídel 6
Sítě řeší tyto úkoly: Zásobení vodou (pitnou, případně užitkovou, nikoliv závlahovou) Odvedení vod (splaškových a zesíleného odtoku dešťů) Odstraňování odpadů (kapalných – viz výše, výjimečně tuhých) Zásobení energií (tepelnou, později mechanickou) Přenos informací (složitost systému nutných pro fungování městských sídel si to postupně vyžádala. Kromě zmíněných sítí spoluvytváří technickou infrastrukturu a v urbanisticky dominantním postavení jsou …. Sítě dopravní (odlišují se konstrukčně, přednášeny samostatně) Rozlišujeme tedy sítě: vodohospodářské, energetické, telekomunikační a dopravní
7
Římský akvadukt z roku asi 19 př. n. l. Pont du Gard ve Francii
8
Historie První vznikaly sítě vodohospodářské (zkušenosti ze zemědělství)
Vodovody: gravitační vodovod Assyřanů - 2500 př. Kr. Řecko: 5. až 4. století př. Kr. K nutnosti budování vodovodů přispělo zničení lesů (hutnictví, dřevěné uhlí + pastevectví ovcí) a vyschnutí lokálních zdrojů. Athény v době rozkvětu - 18 přivaděčů. Tlakový vodovod v Pergamu, dl. 30 km, výškové převýšení 150 m, materiál olovo tl. 4 cm v kamenných korýtcích Jerusalem – přívodní štola ražená cca 700 př. Kr., délka 700 m. Etruskové a po nich Římané – gravitační (beztlaké) přivaděče. První r. 305 př. Kr. – Aqua Appia – 16,6 km Marcia – r. 145 př. Kr – 92 km Tepula – r. 127 př. Kr – 189 km 2 důvody pro tak rozsáhlé stavby: pokles vydatnosti místních zdrojů v důsledku urbanizace (mizení lesů – např. hvozdu mezi Etrurií a Římem) a zejména nebývalá koncentrace obyvatelstva a nárůst potřeby. Konstrukčně : kamenné žlaby těsněné hydrosilikátovými tmely, někdy ve 2 patrech, někdy „dvoustopé“ – 2 paralelní žlaby.
9
Aqua Appia
10
Řím měl cca milion obyv. Významných akvaduktů bylo 12. V rozdělovačích (castellum) - 3 přepadové úrovně: pitná pro obyvatelstvo (přes veřejné kašny) pro veřejné budovy pro soukromé odběratele 20% tras bylo vedeno na mostech Voda zdarma: zásobení bylo politickou záležitostí = plýtvání Denní potřeba cca 1 000 000 m3 – tj. 1000 l/obyv/ den Paradoxní je, že sekundární rozvod v městě byl částečně tlakový – z keramických a olověných trub Střední Amerika: Tenochtitlan měl více obyvatel než Londýn (40.000 obyv.) – největší evropské město. Ležel uprostřed jezera. Přívod vody - gravitační po jedné ze 3 spojovacích hrází, ze města Chapultepec Čechy: 12. století - potrubní vodovod z Jizerky na Vyšehrad. 11
12
13
14
Popis Tenochtitlanu V tomto velkém městě je množství velmi pěkných a rozlehlých domů. A tolik velkých paláců je zde z té příčiny, že všichni pánové té země, poddaní řečeného Muteczumy, zde mají své domy a jistou část roku tu sídlí. Navíc zde žije mnoho bohatých měšťanů, kteří mají také tuze pěkná sídla. Kromě velkých a pěkných domů mají i tuze krásné květinové zahrady upravené na nejrůznější způsoby, jak u vznešených lidí, tak v prostých obydlích. Po jedné z příjezdových cest do velkého města vedou dva kanály z malty, každý široký na dva kroky a hluboký skoro na výšku muže. Jedním teče směrem do města proud velmi dobré sladké vody silný jak trup muže.
15
Odtud všichni berou vodu a pijí. Druhý, prázdný, slouží tehdy, když chtějí první strouhu čistit. Tudy vodu pouštějí, než tamtu vyčistí. A protože vodu musí převést po mostech přes přerušená místa, kde protéká voda slaná, vedou sladkou vodu žlaby na šířku vola, dlouhými jako ty mosty. Tak zásobují vodou celé město. Vodu také rozvážejí k prodeji všemi ulicemi na kánoích a ze strouhy ji berou tak, že na kánoích připlují pod mosty, kudy vedou žlaby, a nahoře stojí muži, kteří jim vodu do kánoí načerpají a jímž za tuto práci platí.
16
Prvky vodovodních systémů – jímání, vodojemy Rozdíly mezi kolísajícím odběrem a vydatností zdrojů jsou řešeny zásobou = akumulací, stavebně jde o vodojemy. Jerusalem – v r. 1000 př. Kr. – svedení zdrojů do 3 sběrných nádrží nad městem, tzv.do Šalamounových rybníků. Dědicem řeckých antických vodojemů jsou byzantské vodojemy v Istanbulu. Zděné z cihel,celkem jich bylo 70. Největší z nich je cisterna baziliky, zv. „ Potopený palác“. 336 nosných sloupů, prohlídky se konají na loďkách, v současnosti zarybněné.
17
Odvedení vod, stoky Indie: městské lokality v povodí Indu – MohendžoDaro, Harare aj. Vznikaly na zač. 3 tisíciletí př. Kr. Pravoúhlý
půdorys ulic, domy patrně hlavně patrové. Uprostřed ulice krytý zděný kanál. Ve fasádní stěně domů byly otvory, pokračující drážkou ve zdi a úzkým kanálkem do uliční stoky (přípojka, vylévací drážka).
Řím: stokový systém města byl založen patrně etruskými
inženýry a sloužil původně k odvodnění bažin mezi 7 římskými pahorky. Nejznámější Cloaca maxima b:h – 4,5/3,6m. Největší stoky využívány pro lodní dopravu zboží.
Perú: hlavní město Inků – Cuzco – bylo před conquistou odvodněno povrchovou kanalizací, zděnou z přesně tesaných kvádrů, pro odvedení dešťů, případně i moči.
Tenochtitlan: domovní žumpy byly vyváženy kanoemi na „plovoucí ostrovy“ či do koželužen.
U nás:
dům probošta v Ostruhové ulici z r. 1340
r. 1660 první klenutá zděná stoka 18
Energetické a sdělovací sítě Plynovody: osvětlení části Londýna r. 1813 osvětlení Paříže – systematické – r. 1829 plynárna Karlín r. 1847
Rozvod elektřiny: u příležitosti vídeňské Světové výstavy r. 1900 přenos stejnosměrného proudu na 2 km (Fontain) trasa Ervěnice – Praha zbudována r. 1925
Teplovody: napojení 14-ti bytových domů z centrální kotelny v Lockerportu, USA - r. 1877
Sdělovací sítě: telegraf – Morse r. 1837 telefon - Bell r. 1876 19
Společnost a inženýrské sítě Rozvoj inženýrských sítí je ukazatelem životní úrovně společnosti Funkčnost a spolehlivost sítí vypovídá o řídicích schopnostech vedení společnosti (i na politické úrovni) Kaskádové výpadky proudu v USA.
Společnost se stává na sítích funkčně závislou, a to různou měrou na různých sítích. Spolehlivost sítí nabývá na významu - původně zkoumáno pouze, zda v daném okamžiku síť je či není schopna poskytovat své služby, a byla snaha vyšetřit pravděpodobnost těchto stavů. 20
Dne 14. srpna 2003 došlo v severovýchodní a střední části USA, spadající pod niagarskou energetickou síť, k velkému výpadku proudu. V 16:03 hod. začal výpadek v Ohiu a postupně postihl státy New York, Massachusetts, Pennsylvania, Vermont, New Jersey, Connecticut, Michigan a části Ontaria v Kanadě. Proud začal být připojován po 12 hodinách a dodávka se plně obnovila po 72 hodinách. V Detroitu došlo dále k výpadku dodávek vody do nemocnic na více než 24 hodin. Během opětného připojování proudu nefungovaly městské vodovody v Detroitu dalších 72 hodin. Jak lze očekávat, dopad na chod zdravotnictví byl značný. Záchranná služba přijímala řadu nouzových volání, mnoho pacientů přišlo na urgentní příjmy nemocnic. 21
Požadavky na funkčnost IS Přípustná doba výpadku: Vodovodu - 4 dny Tepelné sítě a plyn: po dobu, dokud objekty neprochladnou = 3 - 4 hodiny Elektrická energie podle významu lokality a objektu až k požadavku okamžitého záskoku V dalším sledu je zkoumáno, v jaké kvalitě je v daném okamžiku síť služby poskytnout (např. tlaky ve vodovodu) – viz míra komfortu. V dalším sledu zkoumána možnost a pravděpodobnost negativního působení sítě na okolí (úniky medií – splašky, plyn, horká voda, bludné proudy) Současný trend – jaká je bezpečnost sítí proti zneužití 22
Bezpečnost IS Bezpečnost uživatelů je paradoxně v nepřímé úměře se zabezpečeností fungování systému. Zabezpečenost (většinou) s velikostí a provázaností systému roste (viz níže poruchovost). Např. zabezpečenost dodávky vody roste s počtem zdrojů vody v systému, a to vedlo k územně rozsáhlým, provázaným soustavám. Kontaminace může postihnout větší oblast, soustava je zranitelnější. Vytváření větších celků vede k větší složitosti vazeb prvků systému – podle Parkinsonova zákona vzrůstá poruchovost - (její pravděpodobnost) – řetězový výpadek proudu na východním pobřeží USA.
23
Míra „komfortu“ Odlišným problémem je, do jaké míry zabezpečuje síť naše požadavky při plné návrhové funkčnosti systému (a jeho prvků). Sítě nebývají navrhovány na extrémní stavy, připouští se jejich přetížení - lze hovořit o míře, nebo stupni využitelnosti kapacity sítě. Např. vodovod – připouštíme možnost přetížení cca 5 – 7 minut během špičky odběru Stoky – kalkulujeme s možnými škodami následkem přetečení, a hledáme ekonomicky podloženou přípustnou četnost přetížení. 1 x ročně, 1 x za 2 roky
24
Druhy, rozdělení inž. sítí Dle účelu: Vodohospodářské - vodovody, kanalizace Energetické - teplovody, plynovody, rozvody el. energie. Sdělovací
Dle konstrukce: trubní - tlakové či gravitační kabelové
Dle umístění: nadzemní - stožárová ( tzv. „venkovní“) vedení el. energie, silová, slaboproudá, některé teplovody podzemní
25
Kategorie inž. sítí Jde o rozčlenění podle významu - kapacitního, územního. Od významu se odvíjí urbanistické nakládání se sítí – definice ochranných a bezpečnostních pásem.
Dálkové sítě: 1. Kategorie - tranzitní sítě, mají nadregionální význam, často nemají přímou vazbu k území, jímž prochází. Zprostředkovávají mezinárodní obchod. El. energie – sít vvn , - tzv. „nadřazená“ soustava, plyn vvtl. Voda – např. přivaděče pro Brno. 26
„Místní“ sítě: 2. Kategorie - sítě oblastního významu Zásobují region, ale nemají přímou vazbu na spotřebitele Vedení vvn – rozvodná soustava, vedení vn, plynovody vtl. Vodovodní výtlaky do vodojemů, skupinové vodovody, tepelné napaječe z tepláren do předávacích stanic. 3. Kategorie - distribuční síť – má přímou vazbu na spotřebitele – a to přes 4. kategorii – přípojku Uliční stoky a vodovodní řady. Stl. a ntl. Plynovody, rozvody nn, místní telekomunikační kabely. 4. kategorie – spotřebitelské přípojky
27
Čím vyšší kategorie, tím vyšší provozní parametry sítě. Vyšší provozní parametry umožńují nižší investiční náklady. Vyšší parametry jsou pro člověka – spotřebitele nebezpečné. Čím blíže k odběrateli, tím nižší kategorie, tím nižší provozní parametry. S rozvojem techniky vzrůstá bezpečnost konstrukcí a systémů, v zájmu hospodárnosti se snažíme přijít ke spotřebiteli na vyšších parametrech.
28
Hierarchie sítí Technickým vývojem došlo k vzájemné provázanosti sítí, tím se dostaly do vztahů nadřazenosti a podřazenosti , která síť je na které závislá …. Vznikla hierarchie. Ovládací prvky vodovodních a tepelných sítí jsou poháněny el. energií, vše je řízeno přes telekomunikační ( počítačovou ) síť, která se stává sítí dominantní. Snaha ovládat (tzv. „ v reálném čase“ i sítě stokové – zadržovat někde průtoky (retence) uzavřením či přiškrcením stoky, případně některé toky přesměrovat .
29
Zákonitosti realizačních nákladů % podíl inž. sítí na nákladech na komplexní byt podlažno st
Počet obyvatel obyt. souboru
1000
2000
5000
3
Sitě s centrálním zásobením teplem
8,25
9,49
11,34
Sítě s plynovodem a kotelnami
5,55
6,59
8,17
Sitě s centrálním zásobením teplem
7,44
8,85
9,07
Sítě s plynovodem a kotelnami
5,07
6,02
6,03
Sitě s centrálním zásobením teplem
8,83
9,15
10,88
Sítě s plynovodem a kotelnami
6,02
6,21
7,68
Sitě s centrálním zásobením teplem
6,49
7,75
9,6
Sítě s plynovodem a kotelnami
4,4
5,22
6,2
6
8
12
6-ti podl. zástavba …100% řadová zástavba r.d. ….150 %
30
Náklad na inž. sítě pro komplexní byt s rostoucí podlažností klesá s velikostí obytného souboru roste INVESTICE nerostou s průřezem sítě lineárně, spíše mocninově větší soubor má více „hluchých míst“ větší soubor si vyžádá komplikovanější systém s více prvky (např. akumulace, redukce tlaku atp.) investičně jsou plynovody méně nákladné než CZT - (nejde však o komplexní bilanci vč. kotelen) 31
Posouzení hospodárnosti sítě se nemůže omezit na posouzení investičních nákladů. Je třeba vzít do úvahy i hlavní provozní náklady: např. náklady na čerpání vody u vodovodů. O hospodárnosti vypovídá tzv. návratnost investice. N = IN / roč. zisk Roč. zisk = Př – Vn – Pn – O – Ks Př .. příjmy, Vn … výrobní náklady Pn … provozní náklad, O …. tech. odpisy Ks… kapitálové služby 32
Postup nákladové optimalizace návrhu inž. sítě Délková optimalizace: hledá se minimální nutná
délka sítě (většinou jde o 3. a 4. kategorii), s přihlédnutím k zákonitostem druhého kroku (viz dále). Je zde predisposice daná dopravní sítí. Do tohoto kroku je třeba zakomponovat i hospodárné výškové řešení, tak, aby např. při menší celkové délce sítě nebyly díky hloubkám uložení náklady na zemní práce větší než u jiných alternativ.
Optimalizace průřezů: hledají se nejmenší průřezy sítě nutné pro funkci za návrhového zatížení. Matematické modely.Vhodná topologie ( prostorové rozložení, související i s délkovým řešením) přispívá k optimalizaci průřezů.
Optimalizace životnosti investice
volbou materiálů a postupů výstavby. Vyšší IN = delší životnost, menší provozní náklady (např. údržba). Menší IN = kratší životnost, větší tech. odpisy, větší Pn. Tato optimalizce většinou zkusmá, či ze zkušeností. 33
Inženýrská síť a liberální trh Služby poskytované prostřednictvím IS se vymykají běžnému konkurenčnímu prostředí, síť vytvoří podmínky pro vznik monopolu. Trh zde není možno plně otevřít. Řešení: Vpustit na síť medium z vícera zdrojů (elektřina ) Regulace ceny služby na základě auditu, vyšetřujícího přípustnou míru zisku „Veřejná ruka“ (obec) vlastní síť , a nechá na ni podnikat provozovatele, kterého případně může po čase vystřídat, nebo ovlivňovat ( držením akcií, účastí ve správní radě atp.). (Benchmarking) Hovoří se o oligopolním tržním prostředí. 34
