VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta stavební Ústav vodního hospodářství obcí
Ing. Jaroslav Raclavský, Ph.D.
PROBLEMATIKA NAVRHOVÁNÍ VENKOVNÍCH PODTLAKOVÝCH SYSTÉMŮ STOKOVÝCH SÍTÍ PROBLEMS OF DESIGN OF VACUUM SEWERAGE SYSTEMS OUTSIDE BUILDINGS
TEZE HABILITAČNÍ PRÁCE Obor: Vodní hospodářství a vodní stavby, 2011
BRNO 2011
KLÍČOVÁ SLOVA Venkovní podtlakové systémy stokových sítí, navrhování, podtlaková stanice, podtlakový ventil KEY WORDS Vacuum sewerage systems outside buildings, design, vacuum station, vacuum valve
MÍSTO ULOŽENÍ PRÁCE Archiv PVO, fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně
© Jaroslav Raclavský, 2011 ISBN 978-80-214-4270-2 ISSN 1213-418X
OBSAH 1 ÚVOD ........................................................................................................................................... 8 1.1 Historie a Současný stav použití venkovních podtlakových systémů stokových sítí .......... 9 2 KONSTRUKČNÍ PRVKY VENKOVNÍHO PODTLAKOVÉHO SYSTÉMU STOKOVÝCH SÍTÍ.............................................................................................................................................. 10 2.1 Domovní přípojka .............................................................................................................. 10 2.2 Podtlaková stoka ................................................................................................................ 13 2.3 Podtlaková stanice.............................................................................................................. 14 3 NÁVRHOVÁNÍ VENKOVNÍHO PODTLAKOVÉHO SYSTÉMU STOKOVÝCH SÍTÍ....... 16 4 PROVOZNĚ-TECHNICKÝ STAV, PORUCHOVOST A ŽIVOTNOST VENKOVNÍHO PODTLAKOVÉHO SYSTÉMU STOKOVÝCH SÍTÍ............................................................... 19 4.1 Provozně-technický stav .................................................................................................... 19 4.2 Životnost a poruchovost podtlakového systému ................................................................ 23 5 MĚŘENÍ PODTLAKU V PROVOZNÍCH PODMÍNKÁCH .................................................... 24 5.1 Závěry z měření tlaků na podtlakové stoce ........................................................................ 25 6 ENERGETICKÁ NÁROČNOST VENKOVNÍHO PODTLAKOVÉHO SYSTÉMU STOKOVÝCH SÍTÍ V PROVOZNÍCH PODMÍNKÁCH ......................................................... 25 7 HYDRAULICKÁ CHARAKTERISTIKA SACÍHO VENTILU ............................................... 26 7.1 Závěry a zhodnocení výsledků ........................................................................................... 28 8 NÁVRH DOPORUČENÍ A OPATŘENÍ PRO NAVRHOVÁNÍ VENKOVNÍHO PODTLAKOVÉHO SYSTÉMU STOKOVÝCH SÍTÍ............................................................... 29 9 ZÁVĚR A VYTYČENÍ DALŠÍCH SMĚRŮ VÝZKUMU ........................................................ 30 10 BIBLIOGRAFIE ......................................................................................................................... 31 ABSTRACT ..................................................................................................................................... 35
3
PŘEDSTAVENÍ AUTORA Ing. Jaroslav Raclavský, Ph.D. narozen 9. ledna 1970 ve Valticích Zaměstnání Ústav vodního hospodářství obcí Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně 602 00 Brno, Veveří 331/95 http://water.fce.vutbr.cz Vzdělání 1984 – 1988 Gymnázium Břeclav 1988 – 1993 Ing., Vysoké učení technické v Brně, FAST, obor „Vodní hospodářství a vodní stavby“, diplomová práce na téma "Použití bezvýkopových technologií při výstavbě a rekonstrukci kanalizace" 1994 – 1997 STU Bratislava, FAST, Katedra geotechniky, Ph.D. studium 2003 Ph.D., obhajoba disertační práce ve vědním oboru: 36-02-9 Teória a konštrukcie inžinierskych stavieb, disertační práce na téma „Teoretické problémy zatahování potrubí“ Vybrané specializované kurzy a odborné stáže 07.1992 – 08.1992: Odborná praxe u firmy Flow-tex Zwickau, SRN, horizontální vrtání - pokládka vodovodů, stok a plynovodů 7.1993 – 12.1993: Stavební dozor ve firmě Chytil a Raclavský s.r.o. stavební společnost 08.1994 – 09.1994: Praxe u firmy Meyer Pipes Engineering, Lüneburg, SRN, měření a vyhodnocování statiky kanalizačních trub z polymerbetonu pro DIN EN normu 07.1995: NATM Summercourse. TU Wien, Katedra geologie (Prof. Brandl, Prof. Jodl) 08.1995 – 09.1995: Praxe u firmy Meyer Pipes Engineering, Lüneburg, SRN, měření a vyhodnocování statiky kanalizačních trub a dvoublokových polymerbetonových pražců - vývoj 03.1996 – 05.1996: Studijní pobyt, TU Braunschweig, SRN, Katedra statiky, Prof. Dr.-Ing. H.Duddeck 02.1997 – 04.1997: Projektování pro firmu Terraprojekt a.s.. Bratislava, projekt tunel Branisko, návrh technologické vody pro zařízení staveniště Průběh zaměstnání 1993 – doposud: Konzultant v technické kanceláři pro vodní stavby a geotechniku, projektování podtlakových kanalizací pro firmu ROEDIGER CR s.r.o., Praha 04.1997 – 10.1998: Civilní služba 11.1998 – doposud: Ústav vodního hospodářství obcí, FAST, VUT v Brně, asistent, odborný asistent 01.2005 – 05.2006: Ústav vodního hospodářství obcí, FAST, VUT v Brně, zástupce vedoucího ústavu 06.2006 – 05.2010: Ústav vodního hospodářství obcí, FAST, VUT v Brně, vedoucí ústavu
4
Odborná činnost •
Zahraniční projekty a granty Obnova podzemných vedení vodovodov a kanalizácií novodobými technológiami so zreteľom na ochranu životného prostredia a na uplatnenie tuzemských výrobkov. Štátný vedeckotechnický projekt SR, 1995 – 1996 Čiastkové úlohy: Prehľad bezvýkopových metod obnovy vodovodov a kanalizácií doposiaľ použitých v SR Návrh metodiky na uskutočnenie prieskumu o doposial' použitých bezrýhových metodách obnovy podzemných vedení vodovodov a kanalizácií v SR. Návrh jednotnej klasifikácie stupňa poškodenia kanalizačných a vodovodných sietí. Koordinátor projektu: Ing. Ján Pašek, VUIS - Vodovody a kanalizácie, spol. s r.o. Bratislava CARE-S Computer Aided REhabilitation of Sewer network. 5.RP EU, 2002 - 2005 Odpovědný řešitel za VUT v Brně: Doc. Ing. Petr Hlavínek. CSc. Odpovědný řešitel dílčí etapy: Ing. Jaroslav Raclavský, Ph.D. Rekonstrukce vodohospodářských sítí. MŠMT, 2006 – 2008 Projekt programu KONTAKT, ME 864, VUT v Brně a Petrohradská státní univerzita architektury a stavitelství. Odpovědný řešitel projektu: Ing. Jaroslav Raclavský, Ph.D. ORFEUS - Optimised Radar to Find Every Utility in the Street. 6. RP EU, program STREP, 2006 – 2010 Odpovědný řešitel za VUT v Brně: Ing. Jaroslav Raclavský, Ph.D.
•
Vybrané národní vědeckovýzkumné projekty a granty Modelování a řízení provozu vodárenských distribučních sítí. MŠMT, 1998 - 2004 Odpovědný řešitel: Ing. Ladislav Tuhovčák, CSc. Řešitel dílčí etapy: Ing. Jaroslav Raclavský, Ph.D. Využití šedé a dešťové vody v budovách. TA01020311, TAČR, 2011 – 2013 Odpovědný řešitel projektu: Ing. Jaroslav Raclavský, Ph.D.
• • • • •
Citace jiným autorem v publikaci bez SCI – 2x Členství v redakční radě odborného časopisu – 1x Členství v organizačním výboru světového nebo evropského kongresu, sympózia, vědecké konference – 1x Členství v organizačním výboru národního nebo mezinárodního kongresu, sympózia, vědecké konference – 1x Posudek domácí publikace nebo projektu – 6x
5
Pedagogická činnost • • • • • • •
• • •
Bakalářské studium – odborný garant a vyučující předmětů: BP51 Inženýrské sítě (V); BP54 Hydrologie stokových sítí; BP55 Inženýrské sítě; BP56 Rekonstrukce vodohospodářských sítí Magisterské studium - odborný garant a vyučující předmětů: CP51 Inženýrské sítě (K); CP52 Urban Drainage; CP56 Vybrané statě ze stokování a ČOV Postgraduální doktorské studium - odborný garant a vyučující předmětů: DP53 Městské odvodnění, DP54 Rekonstrukce vodohospodářských trubních sítí, DP62 Městské odvodnění Zavedení předmětu, který byl vyučován v posledních pěti letech - 5P5 Rekonstrukce vodohospodářských sítí Kurzy CŽV evidované ČKAIT – odborný garant a vyučující 11 kurzů Člen komise pro státní doktorskou doktorskou zkoušku nebo obhajobu disertační práce VUT v Brně, fakulta stavební, vědní obor 36-35-9 Vodní hospodářství a vodní stavby Člen komise pro státní závěrečnou zkoušku VUT v Brně, fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí 1999 – doposud ČVUT Praha, fakulta stavební, Katedra zdravotního a environmentálního inženýrství 2006 – 2010 STU Bratislava, fakulta stavební, Katedra zdravotného a environmentálního inžinierstva, 2006 - 2010 Vedoucí obhájené bakalářské/diplomové práce – 30 Zahraniční posudek k obhajobě habilitační nebo disertační práce k Ph.D. (DrSc., CSc.) – 1x Členství v komisi pro státní závěrečné zkoušky – 11x
Publikační činnost • • • • • • • • •
Články evidované na ISI Web of Knowledge – hlavní autor, spoluautor – 2x Monografie – 1x Původní vědecká práce ve vědeckém časopisu s IF menším než 0,100 nebo ve vědeckém časopisu bez IF – 1x Příspěvek ve sborníku světového nebo evropského kongresu, sympózia, vědecké konference – hlavní autor nebo spoluautor – 6x Příspěvek ve sborníku národního nebo mezinárodního kongresu, sympózia, vědecké konference – hlavní autor nebo spoluautor – 35x Publikace v odborném časopisu – hlavní autor nebo spoluautor – 15x Citace jiným autorem v publikaci bez SCI – 2x Skripta - 12 autorských archů - Rekonstrukce vodohospodářských sítí, Inženýrské sítě, Projekt vodní hospodářství obcí – modul 2 Doprava vody, Vodárenství. Seznam nejvýznamnějších knižních a dalších publikací (po udělení vědecké hodnosti Ph.D.):
Články evidované na ISI Web of Knowledge: • Raclavský, J. Theoretical problems of pipe inserting by making use of the method of horizontal directional drilling. Acta Montanistica Slovaca, 2008, roč. 13, č. 2, s. 229-234. ISSN: 1335-1788.
6
Kniţní publikace: Raclavský, J. - Raclavský, J. Slovník pojmů ve výstavbě - bezvýkopové technologie. Metodická řada DOS M 01.01. BVT. Praha: ČKAIT, 2004. 125 s. ISBN: 80-86769-24-0. Editor: Saegrov, S. CARE-S Computer Aided Rehabilitation of Sewer and Storm Water Networks. London: IWA Publishing, 2006. 160 s. ISBN 9781843391159 (Raclavský, J. str. 59 – 72) Klepsatel, F. - Raclavský, J. Bezvýkopová výstavba a obnova podzemních vedení. 1. vyd. Bratislava: JAGA, 2007. 144 s. ISBN 978-80-8076-053-3. Technické normy: Raclavský, J. - Malaník, S. TNV 75 5405 Sanace vodovodních sítí. Praha: Hydroprojekt a.s., 2006. 33 s. Publikace v odborném časopisu: Büssing, R. - Raclavský, J. - Richau, C. - Houy, W. Isledovanie rastvorov Tekflex DP Novoe ispolzovanie polimerov pri sanirovanii kamunikaciej teplosnabţenia. Technologii Mira. 2008, roč. 2008, č. 6, s. 2-4. Büssing, R. - Raclavský, J. - Richau, C. - Houy, W. Izoljacija Magistralej Teplosnabţenia Cementnyj rastvor s dobavkoj polimera Tekflex DP. Technologii Mira. 2008, roč. 2008, č. 8, s. 40-45. Raclavský, J. Venkovní podtlakové systémy stokových sítí - 1. část. SOVAK Časopis oboru vodovodů a kanalizace. 2009, roč. 18, č. 11, s. 14-18. ISSN: 1210- 3039. Raclavský, J. Venkovní podtlakové systémy stokových sítí - část 2. SOVAK Časopis oboru vodovodů a kanalizace. 2010, roč. 19, č. 1, s. 16-19, ISSN 1210-3039. Příspěvek ve sborníku: Raclavský, J. - Klepsatel, F. Theoretical Problems of PE Pipes Laid by Means Of HDD Technology. In: 22nd International NO DIG Conference and Exhibition. CD. 2004 Hamburk, SRN. Hamburk: ISTT/GSTT, 2004. Raclavský, J. Оценка методов, исполъзуемых для санации водопроводных сетей в Чехии. Нормы и опыт. In: Science and innovations in modern construction - 2007, Conference SPBGASU, Petrohrad, 17. -19.10.2007. Petrohrad: SPBGASU, 2007. Raclavský, J. Navrhování a provozování venkovních podtlakových systémů stokových sítí. In: Vodovody a kanalizace Brno 2008. 1. Brno: VUT v Brně, FAST, ÚVHO, 2008. s. 111114. ISBN: 978-80-7204-579-2.
7
1 ÚVOD V České republice bylo na stokové sítě v roce 2009 napojeno 81,3 % obyvatel, jak je uvedeno v (ČSÚ, 2010). Jak uvádí (BERÁNEK a další, 2005), byl tento stav dosažen díky soustředění investic na velké urbanizované celky a průmyslové aglomerace, kde bylo možno dosáhnout uspokojivých výsledků tradičním způsobem odvodnění. Při pohledu na území bez kanalizace je zřejmé, že se jedná o oblasti malých sídelních celků s relativně roztroušenou zástavbou, nebo oblasti s plochým reliéfem terénu. Nejsou odkanalizovány zdroje znečištění do 1000 m3/den, jejichž objemový podíl činí cca 15 %. Ve zmíněných lokalitách se jeví tradiční způsoby odkanalizování často jako nehospodárné. Při odkanalizování obcí s rozptýlenou zástavbou je hospodárnější budovat oddílnou splaškovou kanalizaci. Gravitační systémy často nevykazují potřebnou samočisticí schopnost a vodotěsnost systému. To vedlo k legislativnímu uznání zvláštních způsobů odkanalizování v ČSN 75 6101 Stokové sítě a kanalizační přípojky, ve které se konstatuje, že stokové sítě se navrhují jako gravitační, tlakové, podtlakové nebo v jejich kombinaci. Tyto zvláštní způsoby odkanalizování mohou být v mnoha případech cestou ke snížení investičních nákladů. V tab. 1.1 je uvedeno porovnání podtlakových, tlakových a gravitačních systémů stokových sítí ve vybraných parametrech. Zvláštní způsoby odkanalizování se dle ČSN 75 6101 člení na: - tlakové systémy stokových sítí; - podtlakové (vakuové) systémy stokových sítí. Zvláštní způsoby odkanalizování se používají tam, kde není možný gravitační způsob odkanalizování (obvykle pro splaškové stoky oddílné stokové soustavy), zpravidla při: - nedostatku sklonu v rovinném území; - rozptýlené zástavbě; - občasném přítoku odpadních vod, např. ze sezónních rekreačních zařízení, autokempů; - vysoké hladině podzemní vody; - nepříznivých geologických podmínkách v podloží; - nutnosti provádění úzkých výkopů, malých hloubek uložení a malých profilů potrubí; - nemožnosti umístění vstupních a revizních šachet; - výstavbě kanalizace v blízkosti pásma zdroje pitné vody. Podtlakové systémy pro odvádění odpadních vod dělíme dle účelu použití na: - venkovní podtlakové systémy stokových sítí (ČSN EN 1091 Venkovní podtlakové systémy stokových sítí); - podtlakové systémy pro vnitřní kanalizace – k odvádění splaškových odpadních vod z bytů a občanské vybavenosti (ČSN EN 12109 Vnitřní kanalizace – Podtlakové systémy); k odvádění splaškových odpadních vod v dopravních prostředcích; - podtlakové systémy pro odsávání odpadních vod z letadel, vlaků a lodí. Venkovní podtlakové systémy stokových sítí jsou podle ČSN EN 1091 a DWA-A 116-1 Besondere Entwässerungssysteme Teil 1: Unterdruckentwässerungssysteme außerhalb von Gebäuden určen pro shromažďování a odvádění splaškových odpadních vod. Venkovní podtlakové systémy se používají pro odkanalizování obcí a průmyslových areálů. Habilitační práce se zabývá pouze a jedině problematikou navrhování venkovních podtlakových systémů stokových sítí. V práci je shrnut součastný stav poznatků z této oblasti a je řešena problematika navrhování venkovních podtlakových systémů stokových sítí (průběhy tlaků v podtlakových stokách, energetická náročnosti těchto systémů, hydraulická charakteristika sacích
8
ventilů a nejistoty ve fázi projektování, výstavby a provozování podtlakových systémů). Cílem je poskytnout projektantům, provozovatelům a vlastníkům vodohospodářské infrastruktury ucelený postup navrhování venkovních podtlakových systémů stokových sítí. Tab. 1.1 Porovnání podtlakových, tlakových a gravitačních systémů stokových sítí ve vybraných parametrech Stoková síť Stoková soustava Spádové poměry na odvodňovaném území Překonání převýšení ve směru proudění Geologické podmínky v podloží Trasa vedení Kapacitní omezení systému (EO) – jmenovitá světlost stoky Napojení na elektrickou energii Výpadek el. proudu
Počet čerpadel a vývěv
Rizika poruch prvků systému
Údržba systému
Čištění stok
podtlaková
tlaková
gravitační
oddílný systém – splašková kanalizace nejvhodnější pro rovinné území max. 6 m, podle podtlaku ve stoce bez omezení
oddílný systém – splašková kanalizace zvlněné území
jednotný a oddílný systém
bez omezení
bez omezení
do 3000 EO, DN 65 až 250
do 2000 EO, od DN 50
ano (podtlaková stanice) záložní zdroj u podtlakové stanice, rezerva v podtlaku cca 5 hodin 2 – 8 vývěv na systém, počet kalových čerpadel podle počtu podtlakových nádob řídicí jednotky, sací ventily, vývěvy a kalová čerpadla v podtlakové stanici výměna membrán, pružin a těsnění 1krát za 5 let, výměna oleje ve vývěvách dle motohodin (orient. 1x ročně) není potřebné (samočisticí efekt)
podle charakteristiky čerpadla bez omezení
ano (každá DČJ -domovní čerpací jednotka) řešeno větší akumulací v každé DČJ
sklon terénu ve spádu stoky není možné, jen s pomocí čerpadla soudržné a nesoudržné zeminy rovné úseky, lomy v šachtách bez omezení, od DN 250
ne -
počet čerpadel dle počtu DČJ
-
kalová čerpadla
-
oprava a výměna čerpadel dle motohodin
-
prostřednictvím tlakové stanice
hydraulickými, hydraulicko-mechanickými a mechanickými metodami čištění Pozn. Pro výběr vhodného systému je potřebné zpracovat detailní technicko-ekonomické porovnání
1.1
HISTORIE A SOUČASNÝ STAV POUŽITÍ VENKOVNÍCH PODTLAKOVÝCH SYSTÉMŮ STOKOVÝCH SÍTÍ Vývoj venkovních podtlakových systémů stokových sítí započal v 19. století. Podtlakový systém byl vymyšlen Nizozemcem kap. Charlesem T. Liernurem a ojediněle nasazen např. v Amsterodamu, Leydenu, Praze (kasárna) a několika dalších městech. Další rozvoj venkovních
9
podtlakových systémů nastal v 50. letech 20. století ve Švédsku. Od konce 60. let bylo podtlakové odkanalizování s úspěchem použito v Německu a v posledních 15 letech i v České a Slovenské republice. V Evropě vznikly dvě základní firemní vývojové větve venkovního podtlakového systému stokových sítí – Elektrolux ze Švédska a Roediger z Německa. Další vývojová větev byla v USA zastoupena firmou Airvac. V současné době je nabízeno na trhu několik venkovních podtlakových systémů od různých výrobců např. Roediger-Roevac, Schluff, Evac, Iseki, Qua-Vac a Airvac. Za posledních 35 let bylo v celém světě vybudováno více než tisíc venkovních podtlakových systémů stokových sítí (tab. 1.2). V současné době je v provozu největší venkovní podtlakový systém stokových sítí s 1050 domovními přípojkami v Arabských emirátech. Tento systém odkanalizovává „Palmový ostrov“. Největší venkovní podtlakový systém stokových sítí v SRN se 660 domovními přípojkami je ve městě Eich. V ČR je největší podtlakový systém v obci Postřelmov (3500 obyvatel), kde jsou napojeny nemovitosti prostřednictvím 600 sběrných šachet na podtlakovou stokovou síť. Délka stokové sítě je 19 km. Podtlaková stoková síť je napojena na podtlakovou stanici se čtyřmi vývěvami o celkovém výkonu 44kW. Tab. 1.2 Počet venkovních podtlakových systému v provozu a ve výstavbě ve vybraných státech Země Počet systémů Počet systémů ve Rok uvedení prvního v provozu výstavbě systému 1) USA 287 29 1972 2) SRN 255 1970 Česká republika 49 52) 1995 Celkem ve světě (podklad >1000 firmy Roediger) Pozn. 1) stav k 31.12.2006 – zdroj: Vacuum Sewers 101, PDHengineer Course No. C-4028 2) stav k 01.01.2007 – zdroj: Roediger Vacuum GmbH
2 KONSTRUKČNÍ PRVKY VENKOVNÍHO PODTLAKOVÉHO SYSTÉMU STOKOVÝCH SÍTÍ Venkovní podtlakový systém stokových sítí se skládá z následujících konstrukčních prvků (obr. 2.1): - domovní přípojka; gravitační část domovní kanalizační přípojky; sběrná šachta se sacím ventilem; podtlaková kanalizační přípojka; - podtlaková stoka; - podtlaková stanice. Dále jsou odpadní vody z podtlakové stanice dopravovány na ČOV čerpadlem a výtlakem. 2.1
DOMOVNÍ PŘÍPOJKA
Domovní přípojka se skládá z gravitační části domovní gravitační přípojky, sběrné šachty osazené sacím ventilem a podtlakové kanalizační přípojky (RACLAVSKÝ, 2009). Podélný profil domovní přípojky položené v rovinatém území je uveden na obr. 2.2.
10
11
1 – gravitační část domovní kanalizační přípojky, 2 – sběrná šachta se sacím ventilem, 3 – podtlaková kanalizační přípojka, 4 – uzavírací armatura, 5 – kontrolní trubka, 6 – podtlaková stoka, 7 – podtlaková stanice, 8 – podtlaková nádoba, 9 – vývěvy, 10 – odvod vzduchu, 11 – kalové čerpadlo s výtlakem, 12 – řídicí jednotka
Obr. 2.1 Schéma venkovního podtlakového systému stokových sítí (zdroj: www.sivacvacuumsewer.com)
Obr. 2.2 Sběrná šachta umístěna v blízkosti objektu a doporučený podélný profil podtlakové kanalizační přípojky (zdroj: Roediger Vacuum GmbH, SRN) Hlavní funkcí sběrné šachty je akumulace odpadních vod. Objem akumulačního prostoru je dán požadavkem na zajištění havarijního stavu v případě výpadku elektrického proudu. Tento objem je roven 125 % denního průměrného přítoku. Norma ČSN EN 1091 doporučuje do tohoto objemu uvažovat retenční prostor gravitační přípojky. Sběrné šachty se rozdělují na: - sběrné šachty s odděleným prostorem pro sací ventil (obr. 2.3); - sběrné šachty se sacím ventilem umístěným ve sběrné jímce. Když se odkanalizované území nebo jeho část nachází v záplavovém území, je nutno provést sběrné šachty jako tzv. zaplavované (systém Roevac). Zaplavovaná sběrná šachta má sací ventil připojen na zavzdušňovací potrubí, které je vyvedené nad maximální úroveň hladiny povodně. Přechod z gravitační části domovní kanalizační přípojky do podtlakové kanalizační přípojky se děje v sacím ventilu, který bývá zpravidla umístěn mimo dům v domovní sběrné šachtě. Šachta může být instalovaná i ve sklepě domu. Při otevření sacího ventilu se začne nasávat splašková voda a vzduch do podtlakového trubního vedení. Podtlakový sací ventil zajišťuje vyprazdňování zásobního objemu sběrné šachty. Sací ventily se dělí podle principu otevírání na: - pneumaticky otevírané sací ventily; - elektroventily ovládané plovákem; - mechanické plovákové ventily. V současné době jsou nejvíce užívané ventily ovládané pneumaticky, které se dělí na: - membránové sací ventily (obr. 2.4a); - pístové sací ventily (obr. 2.4b). Předností pneumatických sacích ventilů je způsob otevírání a zavírání membrány nebo pístu v sacím ventilu pomocí podtlaku ve stoce. Řídicí jednotka (ovládání) sacího ventilu je napojena na trubkový snímač hladiny (obr. 2.3). Natékající odpadní voda v trubce snímače hladiny stlačuje vzduch. Snímač hladiny je propojen trubkou se sacím ventilem. Při dosažení nastaveného otvíracího tlaku (nastavená maximální výška hladiny odpadní vody ve sběrné jímce) sepne řídicí jednotka ventil, který otevře propojení od podtlakové stoky do sacího ventilu. Podtlak ze stoky nadzvedne membránu nebo píst v sacím ventilu. Otevírání a zavírání membrány nebo pístu je omezeno minimálním podtlakem ve stoce (firma Roediger má nastaven minimální spínací podtlak na hodnotu 0,022 MPa).
12
Obr. 2.3 Sběrná šachta s membránovým ventilem Roevac (zdroj: Roediger Vacuum GmbH, SRN) 1 - ruční uzávěr s odběrem podtlaku, 2 - sací ventil s řídicí jednotkou, 3 - přivzdušňovací hadička, 4 izolační deska, 5 - sběrná jímka, 6 – senzorová trubka/snímač hladiny, 7 - gravitační část kanalizační přípojka, 8 - podtlaková část kanalizační přípojky
a)
b)
Obr. 2.4 Pneumaticky otevírané sací ventily (zdroj: Raclavský, 2009) a) membránový sací ventil Roevac DN 50, b) pístový sací ventil Airvac 2.2
PODTLAKOVÁ STOKA
Venkovní podtlakový systém stokových sítí představuje rozvětvenou síť podtlakových stok s centrální podtlakovou stanicí. Délka hlavní (nejdelší) větve dosahuje v plochém terénu až 4 km. Při směru proudění odpadní vody ve stoupajícím terénu je délka hlavní větve kratší a v klesajícím terénu může být delší. Větší území může být rozděleno na jednotlivé oblasti s vlastní podtlakovou stanicí. Průměr trubek se navrhuje od DN 65 do DN 250. Podélný profil podtlakové stoky musí být vytvořen tak, že se v nejnižším bodě hromadí odpadní voda, která musí uzavřít plný profil trubky, aby ji proudící vzduch vytlačil přes následující protispádový úsek (obr. 2.5).
13
Podle DWA-A 116-1 se rozlišují následující tři typy podélných profilů s protispádovými úseky: - vlnový profil, který je vytvořen ohnutím bez tvarovek; - zubový (pilový) profil s 45°- tvarovkami, které se zejména osazují od jmenovité světlosti DN 100 (obr. 2.5); - kapsový profil („Reformer Pocket Profile"), který se podobá zubovému profilu s rozdílem, že před 45° stoupáním se osazují U-tvarové kusy. Kapsový profil se navrhuje zejména u jmenovité světlosti do DN 100. Podélný profil a navrženou jmenovitou světlost podtlakového potrubí se doporučuje odsouhlasit s dodavatelem venkovního podtlakového systému stokových sítí.
Obr. 2.5 Schéma podélného „zubového/pilového“ profilu na rovinatém území (zdroj: DWA-A 1161), di – vnitřní průměr trubky U venkovního podtlakového systému stokových sítí se používá uzavřený potrubní systém bez možnosti vstupu osob. Na podtlakové stoce jsou osazeny kontrolní trubky o minimální jmenovité světlosti DN 65. Kontrolní trubky se navrhují maximálně po 100 m a slouží pro: - dočasné uzavření větve, např. při poruše úseku; - nalezení netěsnosti; - měření tlaku v podtlakové stoce; - přisátí vzduchu do stoky pro znovuobnovení podtlaku, když dojde k zaplavení stoky. Uzavírací armatury se na podtlakové stoce navrhují maximálně po 450 m a na odbočkách delších než 200 m. Uzavírací armatury musí být atestovány pro podtlak. Díky stále udržovanému podtlaku v trubním systému jsou vyloučené úniky odpadních vod. Vysoká rychlost proudění směsi vzduchu a vody v podtlakovém potrubí zabraňuje vzniku usazenin. Na dlouhých úsecích na podtlakové stokové síti, kde nejsou po trase rovnoměrně rozmístěné sběrné šachty a přítok odpadních vod je koncentrován na konci větve (např. roztroušená zástavba), dochází k poklesu podtlaku pod hodnotu spínacího tlaku sacího ventilu, a tím k zastavení odsávání celého úseku. Řešením je přivzdušňování úseku pomocí automatických přivzdušňovacích ventilů. 2.3
PODTLAKOVÁ STANICE
Podle ČSN EN 1091 se podtlakové stanice dle stavebně-technologického hlediska dělí na: - stanice s podtlakovou nádobou v objektu nadzemním nebo podzemním (obr. 2.6); - stanice se svislou podzemní podtlakovou nádobou; - stanice s vodorovnou podzemní podtlakovou nádobou;
14
- stanice s pneumatickou dopravou splaškových odpadních vod; - stanice s ejektorovými čerpadly. Při návrhu podtlakové stanice je doporučené dodržet následující pravidla: - podtlaková stanice by se měla nacházet uprostřed odkanalizovaného území; - úroveň napojení podtlakové stoky do podtlakové nádoby by neměla ležet výše jak nejnižší odkanalizovaný bod.
Obr. 2.6 Schéma podtlakové stanice (zdroj: http://www.4front-es.com/products.html) 1 – podtlaková stoka, 2 – podtlaková nádoba, 3 – kalové čerpadlo, 4 – výtlak, 5 – vývěva, 6 – potrubí pro odvod vzduchu, 7 – biofiltr, 8 – řídicí jednotka Podtlakové stoky vyúsťují buď bezprostředně do podtlakových nádob, ve kterých je podtlak vytvářen a udržován vývěvami, nebo vyúsťují do sací čerpací jímky v případě, že podtlak je v podtlakových stokách vytvářen a udržován ejektorovými čerpadly. Odpadní voda je z podtlakové nádoby nebo sací čerpací jímky čerpána kalovým čerpadlem na ČOV. V podtlakových stanicích se pro vytvoření podtlaku používají kapalinokružné vývěvy (vodokružné), olejové jednostupňové rotační lamelové vývěvy, suché bezdotykové vývěvy s rotačními písty (Rootsovo dmychadlo) nebo ejektorová čerpadla. V podtlakové nádobě je potřebný provozní podtlak udržován vývěvami obvykle okolo 50 - 60 kPa. Stav hladiny splaškových odpadních vod v podtlakových nádobách je snímán hladinovými spínači, které řídí chod výtlačných čerpadel. Jestliže splaškové odpadní vody překročí v podtlakové nádobě maximální přípustnou hladinu, vypne snímač hladiny vývěvu, aby bylo zabráněno nasátí těchto splaškových odpadních vod do vývěvy. Potřebný podtlak v podtlakových nádobách se udržuje v provozním rozsahu pomocí tlakových spínačů. Objem podtlakové nádoby se navrhuje např. podle DWA-A 116-1.
15
3 NÁVRHOVÁNÍ VENKOVNÍHO PODTLAKOVÉHO SYSTÉMU STOKOVÝCH SÍTÍ Proudění odpadní vody v podtlakové stoce se liší od proudění v gravitační stoce. Proudění odpadní vody v podtlakové stoce je realizováno prostřednictvím tlakového rozdílu mezi atmosférickým tlakem a podtlakem v podtrubí, který je vytvářen vývěvou. Pokud jsou sací ventily uzavřeny, nedochází v podtlakové stoce k žádnému proudění odpadní vody. Odpadní voda se nachází v nejnižších částech potrubí (obr. 3.1). Jakmile dosáhne objem splašků v některé ze sběrných jímek výrobcem předepsaného objemu a dosáhne se zapínací hladiny, příslušný ventil se otevře. Rozdíl tlaků mezi podtlakem v podtlakové stoce a atmosférickým tlakem nasaje nastavený objem splašků a vzduchu do podtlakového potrubí. V době, kdy je sací ventil otevřen, proudí směs odpadní vody a vzduchu směrem k podtlakové nádobě. Podle prováděných měření rychlost proudění odpadní vody dosahuje 3 - 6 m/s, jak je uvedeno v (VAK-KAN, 2005) a ve firemní literatuře firmy Roediger. Po uzavření sacího ventilu se odpadní voda shromáždí v nejnižších bodech podtlakové kanalizační sítě. Tímto způsobem je zajištěna postupná doprava odpadní vody od sběrné šachty k podtlakové nádobě.
Obr. 3.1 Pilový/zubový profil protispádového úseku, rychlost proudění odpadní vody v = 3-5 m/s (zdroj: Roediger Vacuum GmbH, SRN) Z výše uvedeného je velmi složité v plné obecnosti popsat proudění odpadní vody v podtlakové stokové síti. Jedná se o třísložkové prostředí, které se skládá z pevné, kapalné a plynné fáze. Poměr plynné (vzduchu) a kapalné fáze je u podtlakové stoky větší než u gravitační stoky. Proudění je třírozměrné, časově proměnné a realizuje se v geometricky složitém trubním systému. Všechny tři uvedené fáze jsou v čase t různě promíchány. Při proudění odpadní vody v reálu je plynná a pevná fáze transportována v kapalné fázi (vodě) a to prostřednictvím plynné
16
fáze (vzduchu). Tlakové gradienty vznikající během nasávání odpadní vody a vzduchu mohou způsobit velmi rychlé turbulentní proudění a podstatné míšení těchto tří fází. Významnou roli hrají setrvačné síly, které vznikají během sání odpadní vody a vzduchu. Z důvodu složitosti řešení nestacionárního proudění vícefázové směsi (FÜRST a další, 2009) a vzhledem k možnostem současných numerických metod nelze v podtlakovém systému řešit problematiku proudění odpadní vody dnes používanými numerickými metodami (KOLEV, 2007a). V současné době se hydropneumatický návrh podtlakového systému počítá zjednodušenými metodami (např. podle pracovního listu DWA-A 116-1). Návrh venkovního podtlakového systému stokových sítí musí být proveden tak, aby v době bez průtoku byl v celém systému zajištěn určitý minimální podtlak a doba na znovuobnovení podtlaku nepřekročila stanovenou hodnotu. Dle ČSN EN 1091 je v místech, kde je zakázané vypouštět hrubé látky do stokového systému, potřebné zajistit minimální podtlak 20 kPa, obvyklá je hodnota 25 kPa. Doba znovuobnovení podtlaku v podtlakové síti nemá překročit 30 minut. Střední objemový poměr vzduch/voda u podtlakových systémů se navrhuje v rozmezí 2:1 až 15:1. U podtlakové stanice se nastavuje objemový poměr vzduch/voda okolo 3:1. S větší vzdáleností od podtlakové stanice se objemový poměr vzduchu zvyšuje. Dále se zvyšuje objemový poměr vzduchu v případě, kdy se překonávají velké výškové terénní rozdíly. Standardně se napojují jedna až tři nemovitosti na jeden sací ventil. Sací ventil ve sběrné šachtě má při podtlaku 0,04 MPa průtok okolo 8,0 l/s. To odpovídá konstantnímu přítoku od cca 1500 EO. V praxi bylo již na jeden ventil připojeno 24 rodinných domů. Navrhování podle DWA- A 116-1 Navrhování podle DWA-A 116-1 je založeno na racionálně-empirickém postupu návrhu jmenovité světlosti podtlakové stoky. Postup uváděný zmíněným pracovním listem bere jako základní parametr počet obyvatel, kteří mají být napojeni na venkovní podtlakový systém stokových sítí, respektive ten počet, který je napojen na posuzovaný úsek. Návrh jmenovité světlosti potrubí závisí na: - délce hlavní větve; - geodetické výšce; - hustotě obyvatelstva (průtok splašků); - objemovém poměru vzduchu a vody. Výpočet vychází z nejnepříznivějšího předpokladu, že je celé potrubí zaplněno vodou, tzn., že všechny protispádové úseky (vodní uzávěry) na trase potrubí, od konce nejvzdálenějšího úseku až po podtlakovou stanici, jsou zaplněny. Za tohoto předpokladu se vypočítá maximální hydrostatický tlak vodního sloupce na hlavní větvi (kmenové stoce), která je zaústěna do podtlakové nádoby. Součet hydrostatického tlaku vodního sloupce ve všech protispádových úsecích po trase nemá obvykle překročit 40 kPa (přibližně 4 m v.s.), aby na konci úseků byl zajištěn pro provoz sacího ventilu podtlak alespoň 20 kPa. Střední objemový poměr vzduchu a vody v hlavní větvi je podle DWA-A 116-1 závislý na hustotě obyvatelstva a délce hlavní větve a je v rozmezí 2 až 15 (tab. 3.1). Jmenovitá světlost potrubí větve se odhadne v závislosti na počtu napojených obyvatel a středním objemovém poměru vzduch/voda (tab. 3.2). Jmenovitá světlost potrubí se navrhuje v rozsahu od DN 65 do DN 250. Dimenzování stokové sítě je omezeno pro stokové sítě do 3000 ekvivalentních obyvatel (dále EO) s rovnoměrně rozděleným napojením a na ploché území.
17
Tab. 3.1 Směrné hodnoty k odhadu středního objemového poměru vzduch/voda na hlavní větvi (zdroj: DWA-A 116-1) Délka hlavní větve (m)
Hustota obyvatelstva vztažená na délku stokové sítě 0,05 EO/m
0,1 EO/m
0,2 EO/m
0,5 EO/m
Střední objemový poměr vzduch/voda (LWV) 500
3,5 – 7
3-6
2,5 – 5
2-5
1000
4–8
3,5 - 7
3–6
2,5 - 5
1500
5–9
4-8
3,5 – 7
3-6
2000
6 – 10
5-9
4–8
3,5 - 7
3000
7 – 12
6 - 10
5–9
4-8
4000
8 – 15
7 - 12
6 – 10
(5 - 9)*
* jen ve zvláštních výjimečně doporučených případech Tab. 3.2 Směrné hodnoty k odhadu jmenovité světlosti (zdroj: DWA-A 116-1) Střední objemový poměr vzduch/voda (LWV)
DN 65
2
0 - 110
0 - 350
250 - 600
350 - 900
500 - 1400
750 - 2100
(1100 - 3000)
4
0 - 65
0 - 200
135 - 340
200 - 500
300 - 800
400 - 1200
(600 - 1650)
6
0 - 45
0 - 140
95 - 240
140 - 350
200 - 550
300 - 820
(400 - 1150)
8
0 - 35
0 - 105
75 - 185
105 - 270
150 - 425
220 - 625
(300 - 850)
10
0 - 30
0 - 85
60 - 150
85 - 220
120 - 340
175 - 500
(250 - 700)
12
0 - 25
0 - 75
50 - 125
75 - 180
100 - 290
150 - 425
(200 - 600)
Jmenovitý průměr trubky na úseku DN 80
DN 100
DN 125
DN 150
DN 200
DN 250*
Počet proti proudu připojených obyvatel
* doporučeno jen ve zvláštních případech
Objem podtlakové nádoby V, vyjádřený v litrech, se určí ze vztahu 3.1: (3.1) kde VW – objem pro odpadní vodu [l] VL – objem vzduchu [l] VS - objem přívodního potrubí [l]
18
Minimální navržený objem V podtlakové nádoby, vyjádřený v litrech, musí dále splnit předpoklad uvedený ve vztahu 3.2: (3.2)
Nejmenší potřebný objem Vw pro odpadní vodu, vyjádřený v litrech, se určí ze vztahu 3.3: (3.3) kde QS,p – dopravované množství odpadní vody kalovým čerpadlem [l/s] f – četnost sepnutí agregátu (f < 12/hodina)
Nejmenší potřebný objem vzduchu VL, vyjádřený v litrech, se určí ze vztahu 3.4: (3.4) kde QL,p,s – průtok vzduch vývěvou [l/s] pmax, pmin – max. a min. absolutní tlaky v podtlakové nádobě [kPa] nL – počet vývěv
4 PROVOZNĚ-TECHNICKÝ STAV, PORUCHOVOST A ŽIVOTNOST VENKOVNÍHO PODTLAKOVÉHO SYSTÉMU STOKOVÝCH SÍTÍ 4.1
PROVOZNĚ-TECHNICKÝ STAV
Provozní spolehlivost stokové sítě je dána provozně-technickým stavem. Na Ústavu vodního hospodářství obcí byla (RACLAVSKÝ, 2008) vypracována metodika hodnocení technického stavu kanalizační sítě, která je založena na zjednodušeném bodovém systému ohodnocení stavu potrubí se zatříděním do 5. kategorií (tab. 4.1). Metodika vychází z metody FMEA (Failure Modes Effects and Analysis). Metodika platí pro posuzování technického stavu venkovních systémů stokových sítí a kanalizačních přípojek. Metodika používá kódovací systém pro popis stavu provedený vizuální kontrolou uvnitř stok a kanalizačních přípojek a ve vstupních a revizních šachtách. Případně může být tato metodika použita, ve shodě s požadavky objednatele, i pro tlakové a podtlakové systémy. Při technickém hodnocení stavu potrubí se používají pasporty, informace od údržby, záznamy z potřebných zkoušek, podklady z kamerového průzkumu a geografických informačních systémů (stáří trub, druh materiálu trub, atd.). Základním předpokladem pro snížení poruchovosti, a tím zvýšení spolehlivosti systému je kontrola a průběžná údržba systému. Posuzovanou stokovou síť se podle této metodiky doporučuje rozdělit na samostatně ucelené posuzované celky (tzv. vybrané části stokové sítě) a to na: - kmenové stoky; - uliční stoky přiléhající ke kmenovým stokám; - šachty ve vybrané části stokové sítě; - ostatní objekty; - strojně-technologické části. Pro posouzení jednotlivých vybraných části stokové sítě jsou navrženy následující technické ukazatele (dále TU), u nichž je stanoven postup jejich hodnocení.
19
Tab. 4.1 Kategorie zatřídění stavu potrubí a objektů na stokové síti (zdroj: Raclavský, 2008) Kategorie Stav Popis Optimální stav příslušného ukazatele. Nevyžadují se žádná velmi dobrý opatření vedoucí ke změnám tohoto ukazatele. Nepředpokládá se K1 výrazná změna hodnoty ukazatele i v delším časovém období. Nízká míra rizika příslušného ukazatele technického stavu. dobrý Nevyžaduje se žádné technické opatření ani v blízké K2 budoucnosti. Průměrné hodnoty příslušného ukazatele, které však nevyžadují vyhovující okamžitá řešení, ale v budoucnosti lze předpokládat změnu K3 hodnoty ukazatele. Kritické hodnoty příslušného ukazatele. To znamená, že by měla kritický být realizována případně plánována opatření na řešení tohoto K4 stavu. Nežádoucí/nefunkční stav. Je požadováno dle možností nevyhovující provozovatele okamžité řešení, které povede k dosažení lepších K5 hodnot příslušného ukazatele. Pro hodnocení technického stavu stokové sítě je navrženo 10 technických ukazatelů. Pro hodnocení podtlakové kanalizace je vybráno 5 technických ukazatelů: TU 1 – prolomení/zborcení trouby; TU 3 – netěsnost: rozumí se vnikání nebo unikání vody do/ze stokového systému, které překračuje doporučené hodnoty pro test na vodotěsnost; u podtlakové stoky – test vzduchotěsnosti dle ČSN EN 1091; TU 5 – nesprávné uložení v % profilu výšky: v hrdle nebo ve spádu; TU 7 – překážky v odtoku; TU 10 – deformace: změna tvaru profilu potrubí. Meze jednotlivých hodnotících kategorií TU stokové sítě jsou uvedeny v tab. 4.2 a 4.3. Dalším podpůrným technickým ukazatelem stavu kanalizační sítě je zbytková životnost vybrané části stokového systému ZZSS. Pro hodnocení technického stavu šachet je navrženo 10 technických ukazatelů. Pro podtlakové kanalizace se technické ukazatele nepoužívají z důvodu absence šachet. Pro hodnocení technického stavu ostatních objektů je navrženo 6 technických ukazatelů: TU 1 – prolomení/zborcení: chybí části stěny jako následek trhlin/koroze; TU 2 – trhliny; TU 3 – netěsnost; TU 7 – překážky v odtoku; TU 8 – obrus (opotřebení); TU 9 – koroze.
20
Tab. 4.2 Vybrané technické ukazatele a třída poruch pro stokové sítě (zdroj: Raclavský, 2008) Třída Třída Třída Třída Třída poruchy 5 poruchy poruchy poruchy poruchy Technický Popis poruchy 4 3 2 1 ukazatel K5 K4 K3 K2 K1 chybějící Zlomená trouba, Zborcení TU1 části / / / zborcení konstrukce trouby tekoucí voda/ u podtlakové stoky tekoucí TU3 Netěsnost ztráta podtlaku / / / voda podle ČSN EN 1091:1998, B.3 Nesprávné uložení 25 – 50 10 – 25 TU5 / > 50 % < 10 % v % profilu výšky % % Překážky 25 – 50 10 – 25 usazeniny > 50 % < 10 % / v odtoku % % TU7 % pevné 15 – 30 5 – 15 plochy > 30 % <5% / % % překážky průtoku 5 – 10 TU10 Deformace profilu / > 10 % <5% / %
Tab. 4.3 Kategorie ukazatele TU 1 – TU 12 (zdroj: Raclavský, 2008) kategorie Popis K1 odstranění poruchy v rámci jiných stavebních opatření K2 odstranění poruchy v dlouhodobém časovém horizontu K3 odstranění poruchy ve střednědobém časovém horizontu K4 odstranění poruchy v krátkodobém časovém horizontu K5 neprodlené/neodkladné odstranění poruchy Pro hodnocení technického stavu strojně-technologických části je navržen technický ukazatel – zbytková životnost (ZZ). Hodnocení stavu stokové sítě Základním hodnoceným prvkem je úsek mezi dvěma po sobě následujícími šachtami, popř. úsek o stejné jmenovité světlosti a stáří. Příslušný úsek se na základě prohlídky kvalifikovaně ohodnotí technickými ukazateli TU (tab. 4.2). Dále se u každého hodnoceného úseku označí, zda je potřebná lokální oprava (LO) nebo celková sanace (CS). Technický stav vybraného úseku TSVÚ se vypočítá: n
TSVÚ = ∑ TU i ⋅ Wi i =1
kde n – počet použitých technických ukazatelů; TUi – technický ukazatel z tab. 4.2;
21
Wi – váha přiřazená příslušnému ukazateli TUi (platí,že ∑Wi=1), hodnotu určí specialista – vodohospodář. Technický stav vybrané části stokové sítě CKSS se vypočítá jako suma nejnepříznivější třídy poruchy (tab. 4.2) jednotlivých základních hodnocených prvků podělených počtem použitých technických ukazatelů n. Zatřídění TSVÚ a CKSS do jednotlivých kategorií je uvedeno v tab. 4.4. Tab. 4.4 Zatřídění TSVÚ a CKSS do kategorií (zdroj: Raclavský, 2008) TU
CKSS [-]
TSVÚ [-]
kategorie
TU
Od
do
od
Do
K1
1
1,5
1
1,5
K2
1,5
2,5
1,5
2,5
K3
2,5
3,5
2,5
3,5
K4
3,5
4,5
3,5
4,5
K5
4,5
5
4,5
5
Hodnocení stavu strojně-technologických částí Pro hodnocení technického stavu strojně-technologických části je navrženo použít jako technický ukazatel zbytkovou životnost posuzované strojně-technologické části (dále jen ZZSTC). Při posuzovaní předpokládané životnosti je nutno zohlednit reálné poznatky provozovatele z posledních let. ZZSTC se vypočítá jako rozdíl průměrné životnosti posuzované strojnětechnologické části (kap. 4.2) a počet let v provozu strojně-technologické části. V případě potřeby se ZZSTC doplní slovním popisem stavu. Zbytková životnost stokové sítě a šachet Dalším navrženým podpůrným technickým ukazatelem stavu kanalizační sítě je průměrná zbytková životnost vybrané části stokového systému (dále jen ZZSS). ZZSS se vypočítá: n
ZZ SS =
∑L
i
i =1
⋅ ZZ i
n
∑L i =1
i
kde Li – je délka i-tého úseku (m); n – počet úseků; ZZi – zbytková životnost i-tého úseku (roky), vypočítá se z průměrné životnosti části kanalizační sítě a doby používaní.
22
4.2
ŽIVOTNOST A PORUCHOVOST PODTLAKOVÉHO SYSTÉMU
Venkovní podtlakový systém stokových sítí se skládá ze subsystémů a jejich jednotlivých prvků (tab. 4.5). Životnost podtlakového systému závisí na životnosti jednotlivých subsystémů a jejich prvků. Jejich životnost můžeme zvýšit konstrukčním řešením, výběrem materiálu a údržbou. V ČR jsou provozovány podtlakové systémy 15 let. Mezi ukazatele spolehlivosti podtlakových systémů patří: -
spolehlivost domovní přípojky; spolehlivost podtlakové stoky; spolehlivost podtlakové stanice.
Tab. 4.5 Rozdělení venkovního podtlakového systému stokových sítí na subsystémy a prvky (zdroj: Raclavský, J.) Systém Subsystém Prvek Trubní část Domovní přípojka Sběrná šachta Podtlakový ventil Podtlaková stoka Trubní část včetně armatur Podtlaková stoková síť Trubní část včetně armatur Podtlaková nádoba Podtlaková stanice Čerpadlo Vývěva Podle pracovního listu ATV-DVWK pracovní skupina 1.1.2 z května 1997 (příloha G) jsou uváděny předpokládané životnosti prvků podtlakového systému: -
50 – 80 let pro trubní síť z PVC nebo PE (odhad podle systémů nasazených při dopravě gravitačním systémem a podle použitého granulátu, popř. recyklátu při výrobě); 30 – 55 let pro sběrné šachty; 25 – 40 let pro podtlakové nádoby; 20 let pro vývěvy; 12 let pro kalová čerpadla.
V České republice se započalo s výstavbou podtlakových systémů v roce 1994. V rámci konzultačních aktivit pro firmu Roediger CR, s.r.o., jsem sledoval v období 1995 – 2009 poruchovost 6 podtlakových systémů v obcích Přerov nad Labem., Tři Dvory, Postřelmov, Karlovice, Sudkov a Otice. Byly zaznamenány technologické chyby při stavbě a provozování jmenovaných podtlakových systémů (systém Roevac): -
sběrná šachta: špatná údržba, umístění horní části sběrné šachty pod terénem, osazení nestandardními šachtami; podtlakový sací ventil: špatné osazení membrány při výměně, nečistoty v připojovacích hadičkách; trubní část stoky: špatné uložení a obsyp, trouby II. jakosti; podtlaková stanice a nádoby – osazení nestandardními uzavíracími armaturami; vývěvy – špatná údržba a servis (nevhodný olej, opomenutí výměny filtrů, nedodržení lhůt výměny).
23
5 MĚŘENÍ PODTLAKU V PROVOZNÍCH PODMÍNKÁCH Podtlak v podtlakové nádobě je udržován vývěvami na hodnotě 50-60 kPa. Aby došlo k nasátí a proudění odpadní vody k podtlakové stanici, je potřebné, aby se otevřel sací ventil. Ventil má výrobcem nastaven min. spínací podtlak v rozmezí 20-25 kPa. V případě poklesu podtlaku pod minimální spínací podtlak řídicí jednotky na sacím ventilu nedojde k odsátí odpadní vody z nemovitosti, a tím postupně nastane nefunkčnost části větve podtlakové stoky. Příčin může být několik, např. nízké nastavení objemového poměru vzduch/voda na sacím ventilu. Z tohoto důvodu byly měřeny a vyhodnoceny podtlaky v provozních podmínkách (Obr. 5.1). Dále byly měřeny a vyhodnoceny podtlaky v podtlakovém systému při změně nastavení doby, po kterou je otevřen sací ventil (tj. při změně objemového poměru vzduch/voda). Měření bylo provedeno na podtlakové stoce v obci Postřelmov (okres Šumperk). Během měření podtlaků na stokové síti bylo zjištěno, že při nižším podtlaku ve stoce odsaje sací ventil odpadní vodu při nižší hladině ve sběrné jímce (tab. 5.1). Z toho plyne, že odsávaný objem VSJ odpadní vody v sací jímce je funkcí ∆p a tov: VSJ = f (∆p, tov)
(5.1)
kde ∆p – rozdíl atmosférického tlaku a tlaku v podtlakové stoce v místě sběrné šachty (Pa), tov – doba, po kterou je sací ventil otevřen (s). Z průběhu odsávaného množství odpadních vod vyplývá, že při menším podtlaku a stejném času otevření sacího ventilu se odsaje menší objem odpadních vod.
Obr. 5.1 Průměrné hodnoty podtlaku naměřené v obci Postřelmov, na ulici Žerotínova, na větvi C – 5 (neděle, 16.2.2003) (zdroj: Wolf, 2003) Tab. 5.1 Objem odsávané odpadní vody ze sběrné šachty v závislosti na podtlaku ve stoce (spínací čas sacího ventilu tsp=4 s, sací ventil o průměru 50 mm, objem sběrné jímky 15 l (zdroj: Raclavský, J.) Podtlak ve stoce Odsávaný objem VSJ odpadní vody ze sběrné šachty [MPa] [l] 0,05 11-12 0,04 10 0,03 9
24
5.1
ZÁVĚRY Z MĚŘENÍ TLAKŮ NA PODTLAKOVÉ STOCE
Při navrhování podtlakové kanalizace je potřebné dodržet návrhové parametry uvedené v kap. 2 a 3. Nedodržením návrhových parametrů může docházet k poklesu podtlaku v potrubí pod hodnotu spínacího tlaku sacího ventilu. Tím přestane proudit odpadní voda směrem k podtlakové stanici. Příčin poklesu podtlaku je několik: - špatně navržená dimenze potrubí; - velká délka a nevhodné výškové uspořádání podtlakové větve; - nevhodný návrh typu profilu uložení potrubí; - poddimenzované sběrné šachty se sacím ventilem; - nevhodné nastavení doby otevření (sání) podtlakového ventilu, tzn. malý objemový poměr vzduch/voda. Měřením potlaků na podtlakové stokové síti byl prokázán dopad nevhodného nastavení doby otevření podtlakového ventilu, tj. malého objemového poměru vzduch/voda. Při neodborném nastavení doby otevření sacího ventilu mohou nastat dva stavy: - dlouhá doba otevření sacího ventilu – následkem je zvýšená doba chodu vývěv, a tím zvýšená spotřeba elektrické energie; - krátká doba otevření sacího ventilu – dochází k poklesu tlaku v podtlakové stoce až pod hodnotu spínacího tlaku. Tím je zastaveno odsávání odpadní vody z nemovitostí. Při větším počtu takto uzavřených ventilů nastává kolaps podtlakového systému a je nutné následně postupně ručně otevírat přisávání ve sběrných šachtách a zvýšit tlak v podtlakové stoce nad minimální hodnotu spínacího tlaku. Doba nastavení otevření ventilu, a tím nastavení objemového poměru vzduch/voda je závislá na počtu obyvatel připojených na stokovou síť, na rovnoměrnosti rozmístění přípojek a na vzdálenosti přípojek od podtlakové stanice. Při rovnoměrném rozdělení napojených obyvatel na stokovou síť se nastavuje v koncových úsecích poměr vzduch/voda na 1:8-10 a směrem k podtlakové stanici se snižuje na 1:3. V případě velkého množství napojených obyvatel, nebo velkého bodového přítoku v koncových úsecích podtlakové stoky, je potřebné navrhnout objemový poměr vzduch/voda 1:1012 a směrem k podtlakové stanici snižovat až k hodnotě 1:4. V případě, že na stokové síti jsou navrženy dlouhé úseky bez přípojek, je potřebné do těchto úseků navrhnout a umístit automatické přivzdušňovací ventily.
6 ENERGETICKÁ NÁROČNOST VENKOVNÍHO PODTLAKOVÉHO SYSTÉMU STOKOVÝCH SÍTÍ V PROVOZNÍCH PODMÍNKÁCH Návrh venkovního podtlakového systému stokových sítí vyžaduje zpracování studie potřeby elektrické energie. Z tohoto důvodu byla dlouhodobě sledována spotřeba elektrické energie 6 venkovních podtlakových systémů. Pro energetické vyhodnocení se použilo vyúčtování spotřeby elektrické energie těchto systémů v obcích: - Přerov nad Labem; - Kostomlaty nad Labem; - Tři Dvory; - Hradištko; - Postřelmov; - Zvole. Vyhodnocení energetické náročnosti provozu venkovních podtlakových systémů stokových sítí proběhlo ve třech obcích společně s ČOV a ve třech dalších obcích byl vyhodnocen venkovní podtlakový systém (podtlaková stanice) bez ČOV (tab. 6.1).
25
Spotřeba elektrické energie na provoz venkovního podtlakového systému se mění v závislosti na počtu připojených osob. Během výstavby, při postupném napojování jednotlivých nemovitostí, je systém energeticky náročnější, protože není optimálně seřízen poměr přisávání vzduch/voda na sacích ventilech. Sací ventily jsou nastaveny na větší přisávání vzduchu tak, aby byl zaručen transport splaškové odpadní vody do podtlakových nádob. Tab. 6.1 Energetické vyhodnocení provozu podtlakové stanice (zdroj: Frajt, 2000) Obec Začátek výstavby Uprostřed lhůty výstavby 3 [kWh/os/d] [kWh/m ] [kWh/os/d] [kWh/m3] Kostomlaty nad 0,23 1,20 Labem Tři Dvory 1,45 11,70 0,30 2,57 Postřelmov 0,43 3,60 0,25 2,00 Během napojování přípojek je nutné postupně seřizovat dobu otevření sacích ventilů. Po zprovoznění celého systému musí být provedeno jejich závěrečné seřízení.
7 HYDRAULICKÁ CHARAKTERISTIKA SACÍHO VENTILU Pro potřeby navrhování venkovního podtlakového systému stokových sítí jsem prováděl v období let 2006 – 2007 měření a vyhodnocení hydraulických charakteristik sacích ventilů. Měření probíhalo se souhlasem firmy Roediger Vacuum GmbH v jejich laboratořích, které jsou vybaveny potřebnou technikou a sadou sacích ventilů od různých výrobců. Uvedená laboratoř je v oblasti podtlakových systémů v rámci EU unikátní. Laboratoř jsem měl k dispozici po omezenou dobu. Z tohoto důvodu byl omezen počet měření. V laboratoři bylo do nádrže o objemu 250 l umístěno 7 sacích ventilů od firem Qua-Vac, Roe a AirVac (tab. 7.1, obr. 7.1). Šest sacích ventilů bylo vybaveno přisáváním vzduchu během odsávání odpadní vody. Jeden sací ventil byl bez přisávání vzduchu během odsávání odpadní vody. Trubka sání všech sacích ventilů byla 35 mm nad dnem nádrže. Střed sacího ventilu byl umístěn 600 mm nad dnem nádrže. Sací potrubí za ventilem bylo umístěno 1300 a 1470 mm nad dnem nádrže. V nádrži byla umístěna měřicí stupnice objemu vody od 50 do 250 l – s přesností odečtu po 1l. Trubky od sacích ventilů byly svedeny do společné trubky, která byla připojena na podtlakovou sběrnou nádobu o objemu cca 2 m3. Předem nastavený podtlak v systému byl udržován vývěvou Busch Typ MI 1504BV-M/N-254007, Q = 250/300 m3/hod. Místo odpadní vody byla během měření sacích ventilů odsávána pitná voda. Měření hydraulických charakteristik u vybraných sacích ventilů bylo prováděno pro podtlaky 30 kPa, 45 kPa a 60 kPa. Pro jednotlivé nastavené podtlaky proběhlo 5 měření objemového průtoku Q. Naměřené a vyhodnocené průtoky a rychlosti proudění v jednotlivých sacích ventilech při podtlacích od 30 kPa do 60 kPa jsou zpracovány do grafů (obr. 7.2, tab. 7.2).
26
Tab. 7.1 Parametry sacích ventilů DN 50, 65 a 80 firem Qua-Vac, Roevac a AirVac (zdroj: Raclavský, J.) Číslo Výrobce Typ sacího Výrobní Vnější průměr a Vnější průměr a ventilu ventilu číslo tloušťka sací tloušťka výtlačné Přisávání trubky trubky vzduchu [-] [-] [mm] [mm] 1 Qua-Vac 80 SUS316 90 x 4,3 90 x 4,3 ano 2 AirVac 3“ 24448-930 90 x 4,3 90 x 4,3 ano 3 Roevac 80 240103015 90 x 4,3 90 x 4,3 ano 4 Roevac 50 220805082 50 x 2,4 63 x 3 ano 5 AirVac 2“ AV2-1813 50 x 2,4 63 x 3 ne 6 Qua-Vac 50 5772300 50 x 2,4 63 x 3 ano 7 Roevac 65 231305013 75 x 4 75x4 ano Pozn: znak (“) v tabulce značí jednotku délky v palcích
Obr. 7.1 Pohled na fyzikální model: sací ventily – ventil č. 1 se nachází zcela vlevo, ventil č. 7 vpravo (zdroj: Raclavský, J.)
27
Obr. 7.2 Závislost průtoku Q a rychlosti proudění v sacím ventilem č. 1 na podtlaku v kanalizační stoce (zdroj: Raclavský, J.) Tab. 7.2 Vyjádření průtoku Q a rychlosti v sacím ventilem č. 1 až 7 v závislosti na podtlaku v podtlakové stoce pomocí lineární regresní funkce (kde x vyjadřuje podtlak v (MPa)) Q v Koeficient Sací ventil č. determinace R2 [l/s] [m/s] 1. 130,17x+7,806 25,013x+0,9235 0,9837 2. 207,48x+5,4587 39,869x+1,0489 0,9887 3. 215,65x+4,5628 41,44x+0,8768 0,9728 4. 85,945x+2,6855 53,562x+1,6736 0,9959 5. 99,872x+3,0878 62,241x+1,9244 0,9619 6. 35,127x+2,6262 21,891x+1,6366 0,9473 7. 145,93x+4,2089 41,39x+1,1938 0,9614 7.1
ZÁVĚRY A ZHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ
Sací ventily se dělí podle průměru sací trubky a podle přisávání vzduchu během odsávání odpadní vody. Výrobci vyrábí sací ventily podle průměru sací trubky (tab. 7.1): - 50 mm (2 palce), vnitřní průměr sací trubky 45,2 mm; - 65 mm (2,5 palce), vnitřní průměr sací trubky 67 mm; - 80 mm (3 palce), vnitřní průměr sací trubky 81,4 mm; - 100 mm (4 palce), nový typ sacího ventilu - navrhovaný a používaný v USA a dalších zemích. Sací ventily typu 50 mají objemový průtok Q=3,63-5,98 l/s při podtlaku 30kPa. Při podtlaku 60 kPa mají objemový průtok Q=4,69-8,98 l/s.
28
Sací ventil typu 65 má objemový průtok Q=8,53 l/s při podtlaku 30kPa. Při podtlaku 60 kPa má objemový průtok Q=12,89 l/s. Sací ventily typu 80 mají objemový průtok Q=8,81-11,69 l/s při podtlaku 30kPa. Při podtlaku 60 kPa mají objemový průtok Q=12,71-17,92 l/s. Sací ventil č. 5 je bez přisávání vzduchu během odsávání odpadní vody, proto dosahuje největšího objemového průtoku. Přisávání vzduchu během odsávání vody snižuje objemový průtok, ale zajišťuje větší sací výšku. Proto jsou ventily č. 1, 2, 3, 4, 6 a 7 vybaveny přisáváním vzduchu. Naměřené hydraulické charakteristiky sacích ventilů jsou využitelné při dimenzování podtlakových stokových sítí a při návrhu objemů sběrných jímek.
8 NÁVRH DOPORUČENÍ A OPATŘENÍ PRO NAVRHOVÁNÍ VENKOVNÍHO PODTLAKOVÉHO SYSTÉMU STOKOVÝCH SÍTÍ Jedním ze základních návrhových parametrů, který má dopad na funkci venkovního podtlakového systému stokových sítí je objemový poměr vzduch/voda (dále PVV), který je nastaven na řídicí jednotce sacího ventilu. Podle doporučení uvedeného v pracovním listu DWA-A 116-1 se navrhuje objemový poměr vzduch/voda v rozmezí 3 až 15. Při výstavbě těchto systémů není prakticky možné nastavit hodnoty PVV podle prováděcího projektu. Je to dané tím, že nastavení PVV se provádí nastavením doby tov, po kterou je sací ventil otevřen. Doba tov je nastavována výrobcem ventilů ve výrobně dle odsouhlaseného projektu (firma Roediger). Nastavení se provádí na tzv. střední hodnotu, tj. na tov = 4 až 10 s (sací ventil typ Roediger G 50 – tov ≈ 5 s (jímací prostor 15 l), Roediger G 65 – tov ≈ 4 s (jímací prostor 30 l), Roediger G 75 – tov ≈ 10 s (jímací prostor 60 l). Objemový poměr PVV sacího ventilu je funkcí ∆p, Qsv, Qlv, tov a Vsj: PVV = f (∆p, Qsv, Qlv, tov, Vsj) kde Qsv Qlv tov Vsj
(8.1)
∆p – rozdíl atmosférického tlaku a tlaku v podtlakové stoce (Pa), – průtok odpadní vody sacím ventilem (l/s), – průtok vzduchu sacím ventilem (l/s), – doba, po kterou je sací ventil otevřen (s), – objem odsávané odpadní vody (l).
Průtok odpadní vody Qsv sacím ventilem byl naměřen a vyhodnocen. Hodnoty průtoku vzduchu Qlv sacím ventilem jsou závislé na typu sběrné šachty a způsobu přisávání vzduchu do šachty a do sacího ventilu. Doposud nebyly naměřeny. Objem odsávané odpadní vody Vsj je funkcí ∆p a tov viz kap. 5, vzorec (5.1). Tato funkční závislost byla zjištěna během měření na podtlakové kanalizaci v obci Postřelmov. Bylo zjištěno, že řídicí jednotka sacího ventilu při poklesu tlaku v podtlakové stoce spíná při nižší hladině ve sběrné jímce. Tím dochází k odsátí menšího objemu odpadní vody a k většímu přisátí objemu vzduchu do podtlakové stoky. Odvádění odpadní vody venkovním podtlakovým systémem stokových sítí je závislé na správném nastavení doby tov, po kterou je sací ventil otevřen. Zkušenost je taková, že někteří provozovatelé podtlakových systémů nedodržují následující pravidlo a to neodborně zasahují do řídicí jednotky sacího ventilu. Změnou doby tov, po kterou je sací ventil otevřen, se mění hydropneumatické charakteristiky sacího ventilu a tím i hydropneumatické charakteristiky celého venkovního podtlakového systému stokových sítí. Změnou nastavení doby tov u řídicí jednotky dochází: - V případě zkrácení doby tov pod odsouhlasenou hodnotu v projektu dojde k odsátí objemu splaškové vody ze sběrné jímky a ke zkrácení doby, kdy dochází k nasávání vzduchu do
29
systému. Výsledkem je snížení hodnoty objemového poměru vzduch/voda. Snížení hodnoty PVV v koncových úsecích může zapříčinit ucpávání stoky. - V případě prodloužení doby tov nad hodnotu odsouhlasenou v projektu a nastavenou výrobcem dojde ke zvýšení hodnoty PVV. Dopadem je prodloužení doby provozu vývěvy a tím zvýšení spotřeby elektrické energie. Dále dochází k časově omezenému poklesu podtlaku na podtlakové stoce, což má dopad na odsávání ve sběrných šachtách napojených na stoku. Dochází k odsávání menšího objemu odpadní vody a k nasávání většího objemu vzduchu. Z těchto důvodu je důležité odborně nastavit dobu tov u sacích ventilů na celé síti. Neodborným zásahem dochází buď ke zvýšení spotřeby elektrické energie anebo k ucpávání podtlakové stoky.
9 ZÁVĚR A VYTYČENÍ DALŠÍCH SMĚRŮ VÝZKUMU Venkovní podtlakové systémy stokových sítí byly v České republice poprvé realizovány v 90. letech minulého století. V současné době je jich v provozu ve světě více než 1000 a v České republice 49 (viz kap. 1.1). Další jsou ve výstavbě a v projektové přípravě (např. podtlaková stoková síť v obci Blešno u Hradce Králové, kterou v současné době navrhuji). Navrhování venkovních podtlakových systémů se liší od navrhování gravitačních stokových systémů. Proudění odpadní vody v podtlakové stoce je realizováno prostřednictvím tlakového rozdílu mezi atmosférickým tlakem a podtlakem v podtrubí, který je vytvářen vývěvou. V současné době se při navrhování podtlakových systémů využívají doporučení, zpracovaná v pracovním listu DWA-A 116-1, založená na empirických vztazích, která neumožňují dostatečně spolehlivě vyjádřit proudění odpadní vody a vzduchu v podtlakové stoce. Předložená habilitační práce vychází z potřeb praxe a věnuje se problémům navrhování a provozování venkovních podtlakových systémů stokových sítí. Uvádí vyhodnocení 6 podtlakových systémů, informace o jejich energetické náročnosti, tlakových poměrech v podtlakové stoce, hydraulických charakteristikách vybraných sacích ventilů a návrh opatření a doporučení při projektování, provádění a provozování těchto systémů. K důležitým prvkům podtlakového systému patří sací ventily. V laboratořích firmy Roediger Vacuum GmbH jsem provedl na vybraných prototypech sacích ventilů měření jejich hydraulických charakteristik, které jsou potřebné pro zvýšení spolehlivosti hydraulického návrhu. Další výzkum v oblasti navrhování venkovních podtlakových systémů by měl být směřován do oblasti jejich spolehlivosti, životnosti, energetické náročnosti a do oblasti hydromechaniky proudění odpadní směsi v podtlakové stoce. To vyžaduje řešení teoretických, technologických a konstrukčních otázek. Jako příklad uvádím dosud nevyřešenou problematiku stanovení vlivu průměru sacího ventilu a objemu odsávané odpadní vody na návrh podtlakového systému. Jejich vyřešením je možné optimalizovat podélné profily podtlakových stok, aby se: - prodloužily větve podtlakové stokové sítě a zvětšily výškové rozdíly mezi nejníže umístěným nátokem gravitační přípojky do sběrné šachty a nátokem do podtlakové nádoby; - zmenšil poměr objemu vzduchu a vody, snížily se investiční náklady na podtlakovou stanici, snížila se spotřeba elektrické energie vývěv; - a redukovala jmenovitá světlost potrubí.
30
10 BIBLIOGRAFIE 91/271/EHS. 1991. SMĚRNICE RADY ze dne 21. května 1991 o čištění městských odpadních vod. Ministerstvo zemědělství. [Online] 21. 5 1991. [Citace: 1. 10 2009.] http://www.mze.cz/attachments/0_91_271_EHS.pdf. BERÁNEK, J. - PRAX, P. 1998. Navrhování tlakové kanalizace. Brno: NOEL 2000, 1998. BERÁNEK, J. - RACLAVSKÝ, J. 2005. Navrhování a provozování tlakových a podtlakových stokových systémů. CŽV. Brno: VUT v Brně, FAST, UVHO, 2005. BRATER, E. F., et al. 1996. Handbook of Hydraulics. 7rd ad. New York: McGraw-Hill, 1996. 640 s. ISBN 0070072477, ISBN 978-0070072473. BRDIČKA, M. - SAMEK, L. - SOPKO, B. 2000. Mechanika kontinua. Vyd. 2. Praha: Academia, nakladatelství AV ČR, 2000. 799 s. ISBN 80-2000-0772. BRYNDA, H. Rádio Praha [online]. 27.04.2003 . [Česká republika] : 27.04.2003 [cit. 2010-1130]. Kanalizace v proměnách staletí aned Každodennost podruhé. Dostupné z WWW:
. BUTLER, D. - DAVIES, J. W. 2010. Urban Drainage. 3rd ed. Oxon: Taylor & Francis, 2010. 632 s. ISBN 978-0-415-45526-8. C.G. GODFREY, L.T.D. 2007. Vacuum Systems [Online] C.G. GODFREY LTD, 2007. [Citace: 26. 8 2007.] http://www.cggodfrey.co.uk/html/vacuum_systems.html. ČSN 756101. 2004. Stokové sítě a kanalizační přípojky. Norma. Praha: Český normalizační institut, 2004. ČSN 756760. 2003. Vnitřní kanalizace. Norma. Praha: Český normalizační institut, 2003. ČSN EN 1091. 1998. Venkovní podtlakové systémy stokových sítí. Norma. Praha: Český normalizační institut, 1998. ICS 13.060.30. ČSN EN 12109. 2000. Vnitřní kanalizace - Podtlakové systémy. Norma. Praha: Český normalizační institut, 2000. ČSN EN 752. 2008. Odvodňovací systémy vně budov. Norma. Praha: Český normalizační institut, 2008. ČSN EN 12056-1 - 6. 2001. Vnitřní kanalizace – Gravitační systémy. Norma. Praha: Český normalizační institut, 2001. ČSÚ. 2010. Český statistický úřad [online]. 4.5. 2010, 4.5. 2010 [cit. 2010-08-08]. Vodovody, kanalizace a vodní toky v roce 2009. Dostupné z WWW: . DIN 86281. 1991. Schiffs-Entwässerungsanlagen Vakuumsystem. Norma. Berlin: Beuth Verlag GmbH, 1991. DIPPOLD, W. - JEDLITSCHKA, J. 1976. Vakuumsystem und Druckentwässerung - Bericht über die Abwasserbeseitigung der Donaugemein den Fristingen und Kicklingen, Landkreis Dillingen/Donau. Wasser und Boden, 1976, Sv. 28, H. 5.
31
DWA-A 116-1. 2005. Besondere Entwässerungssysteme Teil 1: Unterdruckentwässerungssysteme außerhalb von Gebäuden. Arbeitsblatt/Pracovní list. Hennef: DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, 2005. 1. vydání. ISBN 978-3-937758-15-2. DWA-A 116-1E. 2005. Special Sewerage Systems. Arbeitsblatt/Pracovní list. Hennef: DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V., 2005. Sv. Part 1: Vacuum Sewerage Systems Outside Buildings. ISBN-13: 978-3-939057-46-8. EPA. 1991. Alternative Wastewater Collection Systems. Manual. Washington, DC: Environmental Protection Agency, 1991. FALVEY, H. T. 1980. Air-Water Flow in Hydraulic Structures: A Water Resources Technical Publication. Engineering Monograph No. 41. Denver, Colorado: U.S. Government Printing Office, 1980. 160 s. FLUENT 6.3. 2006. Documentation [online]. Canonsburg: Fluent Inc., 2006, 2006-10-12 [cit. 2010-12-05]. Dostupné z WWW: . FRAJT, T. 2000. Podtlaková kanalizace. Energetická náročnost. Brno, 2000. Diplomová práce na Fakultě stavební Vysokého učení technického v Brně na ústavu vodního hospodářství obcí. Vedoucí diplomové práce Ing. Jaroslav Raclavský, Ph.D. FÜRST, T., et al. 2009. Možnosti matematického modelování venkovních podtlakových systémů. In: Současná problematika vodního hospodářství měst a obcí: 1.konference ÚVHO. Brno: ÚVHO, FAST, VUT v Brně, 2009. p. 61 - 66. ISBN 978-80-214-3862-0. GRAY, S. M. 1884. Proposed Plan for a Sewerage System and for the Disposal of the City of Providence. Providence: Providence Press Company, 1884. No. 25. s. 22. HAGER, W. H. 1999. Wastewater hydraulics: Theory and Practice. Berlin Heidelberg: Springer Verlag, 1999. 628 s. ISBN 3-540-62998-X. HLAVÍNEK, P. - MIČÍN, J. - PRAX, P. 2003. Stokování a čištění odpadních vod. Brno: Akademické nakladatelství CERM s.r.o., 2003. ISBN 80-214-2535-0. KOLEV, N.I. 2007a. Multiphase Flow Dynamics 1: Fundamentals. 3rd ed. Springer-Verlag: Berlin Heidelberg, 2007. 758 s. ISBN 978-3-540-69832-6. KOLEV, N.I. 2007b. Multiphase Flow Dynamics 2: Thermal and Mechanical Interactions. 3rd ed. Berlin Heidelberg : Springer-Verlag , 2007. 692 s. ISBN 978-3-540-69834-0. KLEPSATEL, F. - RACLAVSKÝ, J. 2007. Bezvýkopová výstavba a obnova podzemních vedení. Bratislava: Jaga Group, s.r.o., 2007. ISBN 978-80-8076-053-3, 144 stran, 1. vydání. KOZUBKOVÁ, M. 2008. Modelování proudění tekutin: FLUENT, CFX [online]. Ostrava : VŠB TU, 2008 [cit. 2010-12-05]. Dostupné z WWW: <www.338.vsb.cz/PDF/Kozubkova-Fluent.pdf>. [e-kniha] LIERNUR, CH. T. 1873. Die pneumatische Canalisation in der Praxis. Frankfurt am Main: Verlag der Ingenieur-Firma Liernur & De Bruyn-Kops, 1873. MAYS, L. W. 2001. Stormwater collection systems design handbook. New York: McGraw-Hill, 2001. 1008 s. ISBN 0-07-135471-9.
32
PÁTÝ, L. - PETR, J. 1990. Vakuová technika. Praha: Ediční středisko ČVUT, 1990. ISBN 80-0100216. PDHengineer.com. 2007. Vacuum Sewers Design Installation. www.pdhengineer.com. [Online] 2007. [Citace: 1. 11 2007.] http://www.pdhengineer.com/Course%20Files/Completed%20Course%20PDF%20Files/Civil/Vac uum_Sewers_Design_Installation.pdf. RACLAVSKÝ, J. 2001. Zvláštní způsoby odkanalizování – podtlaková kanalizace. In: Zborník prednášok z odborného seminára. Bratislava: KZI SVF STU v Bratislave, 2001. s. 34-43. RACLAVSKÝ, J. 2008. Navrhování a provozování venkovních podtlakových systémů stokových sítí. In. Vodovody a kanalizace Brno 2008, 2.-3.4.2008. Brno: VUT v Brně, 2008. s.111-114, ISBN 978-80-7204-579-2. RACLAVSKÝ, J. 2008. Metodika hodnocení technického stavu kanalizační sítě. In. Plán financování obnovy, 23.10.2008 Praha. Praha: SOVAK, 2008. p. 1-15. RACLAVSKÝ, J. 2009. Venkovní podtlakové systémy stokových sítí – část 1. SOVAK Časopis oboru vodovodů a kanalizace, 2009, r. 18, č. 11, s. 14-18, ISSN 1210-3039. RACLAVSKÝ, J. 2010. Venkovní podtlakové systémy stokových sítí – část 2. SOVAK Časopis oboru vodovodů a kanalizace, 2010, r. 19, č. 1, s. 16-19, ISSN 1210-3039. ROEDIGER, M. 1995. Unterdruck- und Druckentwässerung - alternative Verfahren der Ortsentwässerung. Abwassertechnik, 1995, Sv. H. 6. ISSN 0932-3708 ROEDIGER, M. 2005. Unterdruckentwässerung nach A 116 Teil 1 - Dimensionierung und Praxisbeispiel. Rukopis. [Dokument]. 6. 10 2005. Rukopis Dr. Markuse Roedigera pro DWA seminář. Sanitary sewer. In Wikipedia: the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida): Wikipedia Foundation, 21.12.2003, last modified on 10.10.2010 [cit. 2010-11-30]. Dostupné z WWW: . SCHLUFF, R. 1986. Unterdruckentwässerung - Neue Erkenntnisse führen zu einem betriebssicheren Fördersystem. Abwassertechnik 37, 1986, Sv. H. 4, 37, str. 37. ISSN 0932-3708 SCHLUFF, R. 1990. Unterdruckentwässerung Abwasserbeseitigung im ländlichen Raum. Heikendorf : Schluff, 1990. SMETANA, J. 1957a. Hydraulika: 1.. Praha: Nakladatelství Československé akademia věd, 1957. 544 s. SMETANA, J. 1957b. Hydraulika: 2.. Praha: Nakladatelství Československé akademia věd, 1957. 490 s. ŠOB, F. 2002. Hydraulické stroje. Odbor fluidního inženýrství Victora Kaplana, VUT v Brně, FSI, EÚ. [Online] 4. řijen 2002. [Citace: 10. 10 2007.] http://khzs.fme.vutbr.cz/~sob/skriptahydraulicke_stroje/HS/Soubor%20HS-06.pdf. TEPLÝ, B. - NOVÁK, D. 1999. Spolehlivost stavebních konstrukcí. Teorie, numerické metody, navrhování, software. Skriptum. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 1999. URCIKÁN, P., et al. 1991. Stokovanie a čistenie odpadových vod. Skriptum. Bratislava: STU, 1991.
33
VAK-KAN. 2005. Podtlaková kanalizace - Vacuum System. www.vakkan.cz, VAK-KAN s.r.o. [Online] 18. 3 2005. [Citace: 1. 11 2007.] http://www.vakkan.cz/download_soubory/podtlkan.pdf. Water Environment Federation. 1986. Alternative Sewer Systems. Manual of Practice. Alexandria, Virginia: WEF, 1986. WOLF, J. 2003. Podtlakové poměry na podtlakové stoce. Brno, 2003. Diplomová práce na Fakultě stavební Vysokého učení technického v Brně na ústavu vodního hospodářství obcí. Vedoucí diplomové práce Ing. Jaroslav Raclavský, Ph.D. Projektová dokumentace MIČÍN, J. - RACLAVSKÝ, J. 1999. Kostomlaty nad Labem: Kanalizační řád. Brno: VUT v Brně, FAST, ÚVHO, 1999. RACLAVSKÝ, J. 1999. Kostomlaty nad Labem: Provozní řád kanalizace. Brno: VUT v Brně, FAST, ÚVHO, 1999. RACLAVSKÝ, J. 1999. Hradištko: Provozní řád pro zkušební provoz podtlakové kanalizace. Brno: VUT v Brně, FAST, ÚVHO, 1999. RACLAVSKÝ, J. 2000. Karlovice: Kanalizační řád. Brno: VUT v Brně, FAST, ÚVHO, 2000. RACLAVSKÝ, J. 2000. Karlovice: Provozní řád podtlakové kanalizace pro zkušební provoz. Brno: VUT v Brně, FAST, ÚVHO, 2000. RACLAVSKÝ, J. 2002. Hradištko: Provozní řád podtlakové kanalizace. Brno: VUT v Brně, FAST, ÚVHO, 2002. Firemní literatura Airvac, Rochester (USA) Iseki Vacuum System Ltd, Northamptonshire (UK) Qua-Vac B.V. (Holandsko) Roediger CR, s.r.o. (CZ) Roediger Vacuum GmbH, Hanau/Tostedt (SRN) Roediger. 1999. Návrh biofiltru pro podtlakovou stanici. Firemní dokumentace. Hanau: Roediger Vakuum und Haustechnik GmbH, 1999. Schluff Vacuum Sewerage System, Heikendorf (SRN) Sterling Fluid Systems s.r.o. 2004. Kapalinokružné vývěvy a kompresory. www.sterling.cz, Sterling Fluid Systems s.r.o. [Online] Sterling Fluid Systems Group, 16. 2 2004. [Citace: 2. 11 2007.] http://www.sterling.cz/products/lrvp.html.
34
ABSTRACT The development of external vacuum sewer systems commenced in the 19th century. The vacuum system was invented by a Dutch, Capt. Charles T. Liernur and sporadically introduced for example in Amsterdam, Leyden, Prague and several other towns. Further development of external vacuum system started in the 1950’s in Sweden. Until the end of the 1960’s, the vacuum sewerage was successfully applied in Germany and over the past 15 years also in the Czech and Slovak Republics. At present, the market offers several producers of external vacuum systems (e.g. RoedigerRoevac, Schluff, Evac, Iseki and Airvac). These systems are in fact more developed Liljendahl‘s vacuum systems. Over the past 15 years, hundreds of external vacuum sewer systems were constructed worldwide. The habilitation thesis deals with designing and sizing sewer vacuum systems. By extending the drained sections, connecting more houses to one collection shafts and in broken terrain, it is necessary to deal in detail with the sizing of the external sewer vacuum systems. The calculation methods based on practical measurements conducted by the companies, are presented in the standard DWA-A 116-1and others. To size the vacuum sewer systems it is necessary to know the hydraulic-pneumatic characteristics of the vacuum valves. While studying the current status of handling this issue I found out that no pneumatic-hydraulic characteristics of the vacuum valves made by various producers needed for the design have been published do far. Therefore, the crucial part of my study is concerned with the aforementioned matters. The objective of the habilitation thesis was to: -
Summary the current status and findings related to the designs of external vacuum sewers;
-
Technical evaluation of the operation of 8 vacuum systems in the CZ;
-
Measurement of the characteristics of the vacuum valves DN 50, DN 65 and DN 80 with and without air sucking at under-pressure of 30 - 60 kPa;
-
Generalizing of the results of measurement so as to make them applicable for technicaleconomic designs and sizing of vacuum sewer systems. In order to determine pneumatic-hydraulic characteristics of the vacuum valves I conducted a laboratory measurement. I performed the laboratory measurement in seven various suction valves at various pressures. To select the methodology for my habitation thesis, I proceeded from the following basic assumptions: -
Operating vacuum in the vacuum sewers is in a range of 25 - 60 kPa;
-
Suction in one cycle around 10 - 30 liters of waste water;
-
It was possible to conduct the laboratory measurement using vacuum valves in a scale of 1:1. The habilitation thesis is based on practical needs and is dedicated to practical and theoretical problems related to the designs of vacuum systems, which have not been dealt with exactly yet. The results of the habitation thesis are applicable by designing, construction and operation companies in designing and operating of vacuum systems.
35
