یک سیستم آب خانگی، سیستم توزیع آب آشامیدنی داخلی و خارجی را در بر می گیرد. سیستم آب خانگی شامل منبع آب، لوله کشی روی زمین و زیرزمین، شیرآلات، اتصالات، تجهیزات جانبی و وسایل لوله کشی مختلف است که از آب آشامیدنی استفاده می کنند.
طراحی یک سیستم لوله کشی تا حد زیادی تحت تأثیر کدهای قابل اجرای آموزشگاه فنی است. رایج ترین کدهای لوله کشی عبارتند از کد لوله کشی بین المللی یا IPC، کد یکنواخت لوله کشی یا UPC و سیستم های لوله کشی معیارهای واحد تاسیسات یا سیستم های لوله کشی UFC 3-420-01.
هر طرح لوله کشی تحت صلاحیت خاصی دنبال می شود، در این مطلب از دو کد کاربردی، UPC و IPC استفاده خواهیم کرد که بر لوله‌کشی آب خانگی، تجهیزات لوله‌کشی، شیرها، بوستر پمپ‌ها و سایر مسائل طراحی متفرقه مرتبط با طراحی سیستم‌های آب سرد خانگی تمرکز دارد و برای سیستم های لوله کشی شامل آب خانگی (سرد و گرم)، فاضلاب و هواکش بهداشتی، تخلیه طوفان، زباله های ویژه مانند گریس و سیستم های خاص (اکسیژن، سوخت-گاز، خلاء، نیتروژن) کاربرد دارد.
تجهیزات ثابت تامین آب
قبل از تعیین اندازه یک سیستم آب خانگی و تعیین اندازه لوله، درک مفهوم واحدهای ثابت مهم است. واحدهای تامین آب (WSFU) روش استاندارد برای تخمین تقاضای آب برای یک ساختمان است. این سیستم یک مقدار دلخواه به نام WSFU را به هر یک از وسایل در یک ساختمان بر اساس مقدار آب مورد نیاز و دفعات استفاده اختصاص می دهد.
به عنوان مثال، یک مخزن آب دارای یک WSFU از 2.2 واحد ثابت (FU) است در حالی که به یک سینک (دستشویی) 0.7 FU اختصاص داده شده است. این مقادیر بر اساس جدول واحد تامین آب کد بین المللی لوله کشی است. تفاوت واحدهای فیکسچر به این دلیل است که یک سرویس به آب بیشتری نسبت به سینک نیاز دارد. تعداد دفعات استفاده بین سینک خصوصی و مخزن آب یکسان است. یک مخزن آب عمومی دارای ارزش WSFU 5.0 است. مخزن آب عمومی دارای ارزش WSFU بالاتری است. مخزن آب عمومی دارای فرکانس استفاده بالاتری است که ارزش WSFU را افزایش می دهد.
واحدهای تامین آب بین سرد، گرم یا هر دو متمایز می شوند. اگر یک خط لوله کشی فقط قسمت آب سرد یک دستگاه را تامین می کند، باید از مقدار مربوطه استفاده شود. به عنوان مثال، یک خط اصلی ممکن است هم آب سرد و هم آب گرم را تامین کند، اما یک خط انشعاب ممکن است به آبگرمکن آب گرم برود. خط انشعاب فقط از مقدار آب گرم استفاده می کند.
اگر یک دستگاه لوله کشی در جداول مربوطه موجود نباشد، می توان مقدار واحد ثابت را توسط طراح یا مهندس تعیین کرد. به طور معمول، یک دستگاه لوله کشی مشابه که دارای حداکثر سرعت جریان و فرکانس استفاده مشابه است، انتخاب می شود. اگر لوله کشی برای مدت طولانی روشن باشد، می توان دبی حجمی را در محاسبات لوله کشی آب خانگی وارد کرد.
سایزینگ شبکه لوله کشی
سایزینگ سیستم تامین آب خانگی باید بر اساس حداقل فشار موجود برای ساختمان مورد نظر باشد. طراح باید اطمینان حاصل کند که فشار مورد نیاز در دورترین اتصالات هیدرولیکی حفظ می شود و مقادیر مناسب و کافی جریان در همه وسایل حفظ می شود. علاوه بر این، طراح باید اطمینان حاصل کند که سرعت های معقول در تمام لوله ها حفظ می شود. سرعت جریان آب در لوله نباید از 10 فوت در ثانیه تجاوز کند و باید 7 تا 8 فوت در ثانیه یا کمتر طراحی شود، زیرا سرعت بالا باعث افزایش سرعت خوردگی افزایش احتمال شوک هیدرولیکی و شکست لوله و ایجاد صداهای نامطلوب در سیستم می شود.
در طراحی و محاسبات شبکه لوله کشی آب مصرفی باید به موارد زیر توجه داشت:
- فیکسچر از راه دور هیدرولیکی
- فشار اصلی موجود در خط لوله
- فشار مورد نیاز در وسایل جداگانه
- افت فشار استاتیک (ارتفاع بالاترین فیکسچر نسبت به فشار اصلی)
- تقاضای آب (کل سیستم، و هر شاخه، وسایل)
- کاهش فشار در اثر اصطکاک
- سرعت
تجهیزات هیدرولیکی راه دور: دورترین تجهیزات ثابتی است که بیشترین فاصله را از نقطه اصلی تامین آب خانگی داشته باشد. در دوره آموزش طراحی تجهیزات ثابت دورترین تجهیزات هیدرولیکی، تجهیزاتی در نظر گرفته میشوند که لزوماً دورترین فاصله را ندارند، بلکه تجهیزاتی هستند که کمترین فشار را با توجه به تقاضای آب پیش بینی شده داشته باشند.
فشار اصلی موجود: مهندسین و طراحان معمولاً فشار آب اصلی موجود در محل پروژه را بررسی می کنند. این فشار نقطه شروع محاسبات افت فشار را تعیین می کند. اگر فشار کافی برای پاسخگویی به فشار مورد نیاز در وسایل جداگانه وجود نداشته باشد، به یک بوستر پمپ نیاز خواهد بود. علاوه بر این، اگر فشار بیش از حد بالا باشد، یک شیر تنظیم فشار مورد نیاز است. فشار زیاد در لوله کشی می تواند منجر به عملکرد ناایمن و از دست دادن آب غیر ضروری شود.
فشار در تجهیزات مصرفی: مهندس مکانیک باید در مورد وسایل لوله کشی تحقیق کرده و فشار مورد نیاز را تعیین کند. به عنوان مثال، مخزن های آب فقط به 5 psig نیاز دارند، در حالی که مخزن های آب با شیر فلاش می توانند به 15 psig نیاز داشته باشند. هر دستگاه لوله کشی فشار مورد نیاز متفاوتی خواهد داشت. حتی سازندگان مختلف وسایل لوله کشی مشابه، فشار مورد نیاز متفاوتی خواهند داشت.
تلفات فشار استاتیکی: تلفات فشار استاتیک با در نظر گرفتن اختلاف بین ارتفاع اولیه در نقطه فشار اصلی موجود و ارتفاع نهایی در فیکسچر از راه دور هیدرولیکی بدست می آید.
اتلاف اصطکاک: تلفات اصطکاک با یافتن نرخ جریان، سرعت، اندازه لوله، زبری لوله برای تجهیزات دور هیدرولیکی تعیین می شود. تلفات اصطکاک می تواند به دلیل نیروهای ویسکوز سیال در جریان از لوله و تلفات مشابه از طریق اتصالات مانند زانویی و سه راهی باشد. در نهایت، تلفات اصطکاک نیز به دلیل تجهیزات متفرقه مانند کنتورهای آب، شیرها، جلوگیری از جریان برگشتی، شیرهای تنظیم فشار و غیره است.
تقاضای آب: تقاضای آب میزان جریان پیش بینی شده است. نرخ جریان پیش‌بینی‌شده بر اساس واحدهای ثابت تامین آب و سایر وسایلی است که به طور مداوم کار می‌کنند. نیاز به آب مهم است زیرا با افزایش تقاضای آب، تلفات اصطکاک افزایش خواهد یافت. این باعث کاهش فشار در تجهیزات دور هیدرولیکی می شود. بنابراین، نیاز آب باید همراه با فشار در فیکسچر از راه دور هیدرولیکی بررسی شود.
سرعت: بر اساس نیاز آب می توان سرعت پیش بینی شده را نیز یافت. سرعت داخل لوله باید محدود باشد تا از صدای بیش از حد، شوک هیدرولیکی و افزایش فرسایش لوله جلوگیری شود.
سایزینگ لوله های اصلی
بدست آوردن سریع سرعت، تقاضای آب، تلفات اصطکاک و تلفات فشار ساکن در یک سیستم لوله کشی، فقط برای اندازه خطوط لوله کشی بسیار دشوار است. اغلب اوقات، تخمین‌ها برای اندازه‌گیری لوله‌های اصلی و انشعاب استفاده میشود که می‌تواند منجر به عدم دقت و افزایش افت فشار یا لوله‌های بزرگ شود. این تخمین ها معمولاً شامل جدول اندازه لوله های مسی و حداکثر واحدهای ثابتی است که هر اندازه لوله می تواند انجام دهد. طراح WSFUهایی را که توسط هر لوله تامین می شود جمع بندی می کند و سپس اندازه لوله ای را انتخاب می کند که بتواند کل WSFU ها را در خود جای دهد.
با یک جدول و حداکثر WSFU برای هر اندازه لوله می توان برای هر نوع لوله، مخزن یا شیر فلاش و برای هر محدوده سرعت و افت فشار سفارشی کرد. سرعت‌های بالاتری را می‌توان در مناطق خاصی که شوک هیرولیکی و صدا در آن‌ها مطرح نیست، در نظر گرفت. افت فشار بالاتر را نیز می توان روی لوله هایی که بخشی از راه دور هیدرولیکی نیستند، اعمال کرد.
در هر دو فرآیند، طرح لوله کشی باید تکمیل شود. طرح لوله‌کشی شامل چیدمان هندسی لوله‌ها از منبع آب تا تمام وسایل لوله‌کشی است.
مرحله 1: تعیین WSFU
واحدهای تاسیسات تامین آب (WSFU) که توسط یک لوله تغذیه میشوند، بر اساس تعداد هر لوله‌کشی که به لوله وصل میشود و کد لوله‌کشی حاکم تعیین میشود. کد لوله کشی مقدار WSFU را برای هر نوع فیکسچر تعیین می کند. طرح لوله کشی مقدار هر نوع فیکسچر را که توسط هر لوله تغذیه می شود تعیین می کند.
مرحله 2: تبدیل WSFU به GPM
مرحله بعدی تبدیل مقدار WSFU به گالن در دقیقه (GPM) است. این دبی حجمی به تعیین افت فشار و سرعت سیال درون لوله در مرحله بعدی و نهایی کمک خواهد کرد. تبدیل WSFU به GPM بستگی به این دارد که آیا وسایل متصل شده عمدتاً از نوع شیر فلاش یا نوع مخزن هستند یا خیر.
شیر فلاش در مقابل مخزن: این تمایز در سرویس های بهداشتی رایج آموزش تهویه مطبوع است. یک سرویس بهداشتی از نوع مخزن از ارتفاع سیال مخزن برای تخلیه اجباری فاضلاب سرویس بهداشتی از طریق سیستم فاضلاب استفاده می کند. پس از شستشوی مخزن سرویس بهداشتی، از یک خط پرکننده برای پر کردن مخزن استفاده می شود. زمان پر شدن معمولاً حدود 20 ثانیه است. در یک محل سکونت شخصی یا جایی که استفاده مکرری وجود ندارد، این زمان پر شدن قابل قبول است. اما در یک فضای عمومی با استفاده مکرر، این زمان پر شدن قابل قبول نیست. در این مواقع از سرویس بهداشتی شیر فلاش استفاده می شود. یک سرویس بهداشتی از نوع شیر فلاش دارای مخزن نیست تا فشار وارده به ضایعات را وارد سیستم فاضلاب کند. بنابراین، یک سرویس بهداشتی شیر فلاش به حداقل فشار بسیار بالاتری نیاز دارد.
اگر سیستم دارای بیش از یک شیر فلاش برای هر ده مخزن آب مخزن باشد، گروهی از وسایل لوله کشی عمدتاً شیر فلاش در نظر گرفته می شوند. شرکت‌های دیگر ممکن است از تعیین متفاوتی استفاده کنند، اما استدلال این است که یک مخزن آب از نوع شیر فلاش تأثیر قابل‌توجهی بر حداکثر نرخ جریان برای یک لوله دارد. اگر انشعابی وجود داشته باشد که در مخزنهای آب از نوع شیر فلاش استفاده نمی‌کند، آن انشعاب می‌تواند از تبدیل عمدتاً مخزن WSFU به GPM استفاده کند. اما تمام لوله‌های پایین دست از شاخه‌هایی که عمدتاً از نوع شیر فلاش هستند باید با همان تبدیل اندازه شوند، مگر اینکه مقدار مخزنهای آب نوع مخزن بسیار بیشتر از مقدار مخزنهای آب نوع شیر فلاش شود.
مرحله 3: جدول اندازه گیری سریع
هنگامی که WSFU و تبدیل GPM مناسب تعیین شد، می توان از جدول اندازه سریع برای انتخاب اندازه لوله مناسب استفاده کرد. اولین قدم در استفاده از این جدول، انتخاب مواد لوله، نوع فرعی لوله، عمدتا مخزن، شیر و مقدار C است. ضریب C صافی لوله را توصیف می کند. به لوله های فولادی ضریب C 100 داده می شود و لوله های صاف تر دارای ضریب C بالاتر و لوله های زبرتر دارای مقدار کمتری هستند. به عنوان مثال، ضریب C مس معمولاً 135 تا 150، CPVC و PVC 150 است.
هنگامی که اطلاعات لوله وارد شد، مرحله بعدی تعیین سرعت و افت فشار قابل قبول در لوله ها است. این در هر موقعیت و هر شرکت متفاوت خواهد بود. هر شرکت استانداردهای مخصوص به خود را خواهد داشت، اما در زیر بحث مختصری در مورد سرعت های معمولی و افت فشار قابل قبول ارائه شده است.
اندازه گیری بر اساس سرعت: سرعت معمولی ایده آل سیال لوله برای یک سیستم آب خانگی بین 4 تا 8 فوت در ثانیه (fps) است. سرعت های کمتر ایده آل بین 2 تا 4 فوت در ثانیه و 8 تا 10 فوت در ثانیه است. در سرعت‌های بالاتر، 6 تا 10 فوت در ثانیه، فرسایش در طول زمان و نویز در حین کار افزایش می‌یابد. در سرعت‌های پایین‌تر 2 تا 6 فوت در ثانیه، فرسایش و سر و صدا نگران‌کننده نخواهد بود، اما ممکن است نگرانی افت فشار و سرعت آب و استفاده ناکارآمد وجود داشته باشد.
افت هد فشاری: افت فشار از طریق اتصالات وابسته به فشار سرعتی است که به سرعت سیال بستگی دارد. در سرعت های بالاتر، افت فشار از طریق اتصالات قابل توجه خواهد بود و ممکن است منجر به فشار ناکافی در فیکسچرها شود.
افت فشار از طریق اتصالات با ضرب فشار سرعت در یک ضریب K که برای توصیف هندسه اتصالات، اندازه اتصالات و تلاطم درون اتصالات استفاده میشود، به دست می‌آید. یک اتصال معمولی یک آرنج با شعاع بلند 90 درجه با ضریب K 0.24 است.
سرعت کمتر برای اجرای لوله با اتصالات زیاد مناسب تر است. اگر فشار کافی وجود داشته باشد، می توان سرعت بالاتری را در نظر گرفت.
سایز بندی بر اساس افت فشار: روش دوم برای اندازه گیری لوله ها از طریق افت فشار قابل قبول در هر 100 فوت است. مقادیر معمولی از 1.7 تا 3.4 psi در هر 100 فوت لوله یا 4 تا 8 فوت هد در هر 100 فوت لوله‌کشی متغیر است. مقادیر کمتر ایده آل از 1 تا 1.7 و 3.4 تا 4 psi در هر 100 فوت لوله کشی متغیر است. محدوده افت فشار کمتر ایده آل به این معنی است که لوله ها بزرگ هستند. محدوده بالایی کمتر ایده آل است، زیرا ممکن است منجر به فشار ناکافی در وسایل لوله کشی شود.
افت فشار از طریق معادله Hazen-Williams تعیین می شود. این معادله برای جریان آرام و برای جریان بسیار آشفته دقیق نیست. با این حال، این معادله برای سرعت های معمولی 2 تا 10 فوت در ثانیه و سرعت های بالاتر بسیار مفید است.
مقادیر افت فشار برای سرعت های پایین تر و بالاتر دقیق نیستند. این به این دلیل است که محاسبات اندازه گیری سریع از معادله هازن ویلیامز بر خلاف معادله دارسی ویزباخ استفاده می کند.
سایزینگ لوله های فیکسچر
لوله هایی که مستقیماً فیکسچرها را تغذیه می کنند بر اساس جداول اندازه می شوند. این لوله ها لوله های ناهمواری هستند که به لوله های انشعاب متصل می شوند سازنده اتصالات اندازه های اتصال فیکسچر را نشان می دهد، اما این اندازه ها معمولاً به اندازه شیلنگ های پیچیده اشاره دارد و نه لوله های ناهموار. یک لوله ناهموار معمولاً مسی است که به یک دی الکتریک جوش می شود. در انتهای دیگر دی الکتریک یک اتصال فلزی رزوه دار قرار خواهد گرفت. یک شیر قطع را می توان به این اتصالات فلزی وصل کرد و به دنبال آن یک شیلنگ متصل شود. سپس شیلنگ به اتصال لوله کشی فیکسچر متصل می شود. اندازه شلنگ توسط سازنده فیکسچر تعیین می شود.
این تصویر نمونه ای از سیستم توزیع آب سرد را نشان می دهد که هر لوله کشی با مقادیر IPC WSFU فقط برای آب سرد برچسب گذاری شده است. علاوه بر این، جهت جریان و طول هر بخش لوله نشان داده شده است. در نهایت، نقطه اولیه، “A” فشار شروع 50 psi را نشان می دهد و حداقل مقادیر فشار مورد نیاز نیز نشان داده شده است.
اندازه B-C سگمنت (1.5 WSFU = 1/2 اینچ): اولین قسمتی که اندازه می شود، بخش B-C خواهد بود که فقط به سرویس بهداشتی سرویس می دهد. از آنجایی که این خط فقط یک فیکسچر را ارائه می دهد، می توانید از جدول فیکسچر استفاده کنید، که نشان می دهد حداقل اندازه لوله 3/8 اینچ است. با این حال، طول لوله نسبتا طولانی است و با توجه به جدول اندازه سریع، افت فشار زیادی وجود خواهد داشت. بنابراین برای طولانی مدت باید از یک لوله 1/2 اینچی استفاده کرد. اتصال فردی به فیکسچر 3/8 اینچ خواهد بود.
سایز E-D سگمنت (3 WSFU = 3/4 اینچ): بخش بعدی که اندازه می شود، بخش E-D است که فقط به ماشین لباسشویی اختصاص دارد. در 3 WSFU، جدول اندازه سریع به لوله 3/4 اینچی نیاز دارد. اگر داده‌های ماشین لباسشویی تجاری را نیز بررسی کنید، متوجه خواهید شد که اندازه اتصال معمولی برای آب سرد و گرم 3/4 اینچ است.
اندازه سگمنت H-I (3 WSFU = 3/4 اینچ): بخش بعدی که اندازه می شود قسمت H-I خواهد بود که به سینک آشپزخانه اختصاص دارد. در 3 WSFU، جدول اندازه سریع به لوله 3/4 اینچی نیاز دارد. اگر داده‌های سینک آشپزخانه تجاری را نیز بررسی کنید، متوجه خواهید شد که اندازه اتصال معمولی 1/2 اینچ برای آب سرد و گرم است. برای لوله کشی ثابت باید از لوله 1/2 اینچی استفاده کنید اما برای H-I باید از لوله 3/4 اینچی استفاده کنید.
اندازه سگمنت G-H (6 WSFU = 1 اینچ): این بخش به دو سینک آشپزخانه اختصاص دارد که در مجموع به 6 WSFU می رسد. جدول اندازه سریع نشان می دهد که این لوله باید 1 اینچ باشد.
اندازه بخش F-G (9 WSFU = 1-1/4 اینچ): این بخش سه سینک آشپزخانه را ارائه می دهد که در مجموع به 9 WSFU می رسد. جدول اندازه سریع اندازه لوله 1-1/4 را نشان می دهد.
اندازه B-F سگمنت (12 WSFU = 1-1/4 اینچ): این بخش به چهار سینک آشپزخانه اختصاص دارد که در مجموع به 12 WSFU می رسد. جدول اندازه سریع اندازه لوله 1-1/4 را نشان می دهد.
بخش اندازه B-D (4 WSFU = 1 اینچ): این بخش یک ماشین لباسشویی و یک سینی لباسشویی را ارائه می دهد که در مجموع به 4 WSFU می رسد. اندازه لوله باید 1 اینچ باشد.
سایز A-B سگمنت (17.5 WSFU = 1-1/4 اینچ): این بخش چهار سینک آشپزخانه، یک دستشویی، یک ماشین لباسشویی و یک سینی لباسشویی را ارائه می دهد که در مجموع به 17.5 WSFU می رسد. جدول اندازه سریع یک لوله 1-1/4 اینچی را نشان می دهد.
فشار آب مصرفی
هنگامی که طراح اولین گذر مسیریابی و اندازه‌گیری لوله را انجام داد، طراح می‌تواند از فایل اکسل، Domestic Water Calculations.xls برای تعیین افت فشار لوله‌ها، اتصالات و تجهیزات متفرقه استفاده کند. این امر تعیین می کند که آیا فشار کافی در راه دورترین وسیله هیدرولیکی وجود دارد یا خیر. اگر فشار کافی وجود نداشته باشد، یک پمپ تقویت کننده آب خانگی مورد نیاز است.
اولین قدم در استفاده از برگه محاسبات فشار آب خانگی، وارد کردن اطلاعات اولیه آب است
مرحله دوم وارد کردن اطلاعات لوله کشی است.
مرحله سوم اضافه کردن وسایلی است که توسط هر بخش لوله کشی استفاده می شود.
مرحله چهارم بررسی سرعت و تلفات فشار لوله کشی است. اگر سرعت یا فشار قابل قبول نیست، ممکن است لازم باشد اندازه لوله را تنظیم کنید.
برای بخش شیرها و اتصالات، مقادیری را برای هر اتصال که در یک بخش لوله خاص قرار دارد، وارد کنید. یک بخش لوله به عنوان داشتن دبی یکسان و اطلاعات لوله یکسان تعریف می شود.
گام بعدی وارد کردن افت فشار برای تجهیزات متفرقه مانند کنتور آب یا جلوگیری از جریان برگشتی است.
پس از انجام تمام مراحل قبلی، محاسبات مشخص می کند که آیا به پمپ تقویت کننده نیاز دارید یا نه و همچنین فشار موجود را در دستگاه راه دور هیدرولیکی تعیین می کند.
جنس لوله ها
رایج ترین لوله های توزیع آب داخل ساختمان مسی است. لوله های دیگری نیز برای استفاده در لوله کشی آب مصرفی موجود است که شامل فولاد ASTM A53 مس ASTM B88 (نوع K، L و M)، ASTM D2241 PVC (SDR 26)، ASTM F2389 پلی پروپیلن (DR 9)، ABS ASTM D1527 میشود.
ABS ASTM D 2282، برنج معمولی و اضافی، CPVC ASTM F441 و F442، PEX، چدن داکتیل، فولاد گالوانیزه و فولاد زنگ نزن 304 و 316. رایج ترین لوله های مورد استفاده در لوله های آب سرد هستند.
