jazzfunk-everyday

Реконструкция водопроводной системы

Цель

Подобрать конфигурацию насосной станции и водопроводной сети, способную обеспечивать водой жилой дом в объёме, покрывающем все хозяйственные нужды.

Задачи

Входные данные

Диаметр скважины: 0.13 метров
Глубина скважины: 16 метров
Глубина зеркала воды: 9.7 метров
Дебит скважины: неизвестно (возьмём среднее значение 500-1000 литров/час для скважин 10-30 метров)

Удалённость от дома: 7 метров
Протяжённость коммуникаций до самой удалённой точки забора воды внутри дома: 9 метров
Высота самой высокой точки забора воды: 2 метра

Точки забора воды:

Количество жильцов: до 2х человек.

Выбор типа насосной станции

На рынке представлены решения двух основных типов:

Расчёт характеристик системы

Исходя из характеристик системы выбирается насос и гидроаккумулятор. К ключевым характеристикам системы относится:

Высота подъёма воды

Высота подъёма воды рассчитывается по формуле:
\(H = (h_0 + h_1 + \frac{l}{10}) \times 1.1\)
Где:
$h_o$ - глубина погружения насоса в скважину,
$h_1$ - высота над уровнем земли до самой высокой точки водозабора,
$l$ - расстояние по горизонтали до самой удалённой точки водозабора.

Получаем:
$h_0$ = 14 метров (Насос должен висеть не менее чем в метре от дна скважины. С учётом длительного времени простоя скважины, будем вешать на высоте двух метров от дна, так-как за это время дно могло заилиться: 16-2 = 14 метров);
$h_1$ = 2 метра;
l = 16 метров;
$H = (14 + 2 + \frac{16}{10}) \times 1.1 = 19.36м$ (округлим до 20 метров)

Пиковое и суточное потребление

Не мудрствуя лукаво, просто вобьём исходные данные в калькулятор - получаем примерный расчёт пикового и суточного потребления. Отлично, что оно не превышает ориентировочный дебит скважины (хотя для нашей скважины он достоверно и неизвестен :).

Пиковое потребление: 826 литров/час.
Общее суточное потребление: 500 литров/сутки.

Желаемое давление воды в системе

Берём исходя из опыта комфортного использования - 2.5-3 бар. При таком давлении напор получается достаточным для комфортного использования душа и оборудования для полива сада.

Выбор комплектующих

Принципиальная схема устройства системы водоснабжения приведена на изображении ниже: Таким образом, необходимо собрать комплект, в который входят:

Гидроаккумулятор

Основными характеристиками гидроаккумуляторов являются:

По объёму гидроаккумулятор рекомендуется выбирать из расчёта: не менее 10% от суточного потребления воды. Вторичным критерием при этом являются его линейные размеры, увеличивающиеся в соответствии с увеличением объёма.
В нашем случае, исходя из суточного потребления воды, отлично подходит гидроаккумулятор объёмом 50 литров. Конечно, в таком случае мы с притиркой вписываемся в 10%, но бак большего объёма и не влезет в приямок, где планируется его установка :)

Различия между вертикальной и горизонтальной компоновкой гидроаккумулятора следующие:

  Горизонтальный Вертикальный
Цена Ниже Выше
Габариты Более компактный Более громоздкий из-за дополнительных ножек
Надёжность Ниже, из-за скручивания внутренней мембраны под весом воды Выше - вертикальное расположение мембраны уменьшает трение о стенки корпуса

Для данного проекта была выбрана вертикальная компоновка - ради эксперимента.

От материала фланца и корпуса зависит устойчивость гидроаккумулятора к коррозии в условиях повышенной влажности. В основном страдает фланец - он может быть выполнен из оцинкованной стали или нержавейки. Баки с фланцем из нержавейки дороже, но при этом более устойчивы к коррозии.

Материал бака для гидроаккумуляторов 50 литров и меньше не особенно важен - вес воды в таких объёмах не слишком большой, чтобы деформировать стенки. При этом внутри внешняя стенка бака изолирована от воды резиновой мембраной и при сохранении её целостности не подвергается прямому воздействию воды.

В итоге, выбор пал на гидроаккумулятор “Тополь 9903” с фланцем из нержавейки - 50 литров в вертикальном исполнении:

Блок автоматики

Основное устройство, управляющее включением/выключением насоса - реле давления. На рынке представлены реле двух основных видом - электронные и механические.
Электронные реле давления отличаются повышенной точностью и возможностью более тонкой настройки, а ещё - высокой ценой :)
Механические реле гораздо дешевле, настройка давления включения насоса дельта давления для отключения задаются с помощью затягивания двух управляющих пружин - дёшево и сердито. Тем не менее, при правильной настройке работает механическое реле долго и без проблем.
Из соображений экономии, было выбрано механическое реле. Такие реле бывают со встроенным манометром и защитой от сухого хода, однако мы возьмём комплектацию “базовый минимум” в виде реле Belamos PS-02C - манометр докупим отдельно:

Манометр берём какой есть - желательно со шкалой, маркированной в атмосферах или барах (1 Атм $\approx$ 1 Бар). Я нашёл только в МПа - ничего страшного, 0.1 МПа $\approx$ 1 Бар, перевести не сложно :)

Всю эту прелесть нужно как-то установить на магистраль - для этого есть прекрасный 5-ти выводной штуцер - можно прикрутить подачу от насоса, вывод на гидроаккумулятор, вывод в систему и реле с манометров РАЗОМ. Просто красота:

Естественно, все резьбовые соединения как раз идеально подходят под установку реле и манометра - мы это проконтролировали, почитав характеристики (на самом деле ради того чтобы всё подходило, пришлось заменить красивый манометр на то убожество что вы видели выше).

Насос скважинный

Собственно, основной элемент насосной станции. Обладает тремя основными характеристиками:

С диаметром всё просто - насос должен влезать в скважину, желательно с запасом в 1.5-2 см. Из вводных знаем, что диаметр нашей скважины 13 см - следовательно, нужен насос диаметром не более 110 мм.

С производительностью ситуация также прозрачная - очевидно, она должна быть не ниже рассчитанного пикового потребления. У нас, как мы выяснили, это ориентировочно 826 литров/час. Чтобы не переживать о погрешностях в расчётах и не надрывать насос во время пикового потребления (если производительность насоса будет равна объёму потребляемой воды, в период пиковой нагрузки он не будет успевать наполнять гидроаккумулятор и будет работать бесперебойно - это не есть хорошо) возьмём с запасом - ищем насос с производительностью не менее 1000 литров/час.

Напор - самая интересная характеристика. Указывается в метрах - это высота, на которую насос может поднять воду. Примечательно, что только поднять. Если насос с заявленным напором в 30 метров опустить на глубину 30 метров, на поверхности мы получим в лучшем случае вялотекущую струйку с нулевым потенциалом к нагнетанию какого-либо давления.

Кроме того, напор напрямую конвертируется в давление, которое насос способен нагнетать. Каждые 10 метров напора примерно равняются 1Атм или 1Бар давления. (оставшаяся часть абзаца специально для душнил) Это напрямую следует из школьной физики - если насос способен поднять воду на высоту 10 метров, значит он способен нагнетать в нулевой точке давление, равное давлению столба воды высотой в 10 метров:
$P = \rho gh = 1000\frac{кг}{м^3} \times 9.8\frac{м}{с^2} \times 10м = 98 кПа \approx 1Атм \approx 1Бар$

Таким образом, рассчитывая напор насоса, нам необходимо учесть такие характеристики системы, как высота подъёма воды и желаемое давление в системе (их мы рассчитывали выше). Если мы хотим чтобы насос обеспечивал работу системы с высотой подъёма воды в 20 метров и давлением в 3 Бар, расчёт напора будет такой:
\(Напор = Вп + Д \times 10\) Где
$Вп$ - высота подъёма воды,
$Д$ - желаемое давление в системе.

В нашем случае $20 + 3 \times 10 = 50$ метров. Однако, у всех насосов есть такая характеристика как зависимость производительности от нагнетаемого напора - она нелинейна, отличается у разных моделей и приведена в документации к насосу. Чем выше нагнетаемый напор, тем сильнее снижается производительность насоса. На практике это значит, что если мы возьмём насос с требуемыми нам 50 метрами напора, то при приближении к отметке давления в 3 Бар давление будет расти всё медленнее и медленнее, растягивая время работы насоса до срабатывания реле давления. А это повышает его износ, что нам не нужно. Чтобы не переживать о падении производительности при работе на верхних значениях давления, добавим запас минимум в 10 метров напора - значит, ищем насос с напором не менее 60 метров.

По результатам долгого изучения моделей и чтения отзывов был выбран насос Belamos 3JNR-65/3:

Производительность этого насоса сильно выше расчётного потребления, что также является плюсом - это компенсирует падение производительности на максимальных значениях давления и позволит заполнять гидроаккумулятор даже при включённом кране.

Трубопровод, фитинги и прочие мелочи

Естественно, к насосу нужен обратный клапан - берём дюймовый латунный, под резьбу нашего насоса: От насоса до дома водопровод будет выполнен из труб ПНД 32 миллиметра - они достаточно гибкие, тонкостенные, устойчивые к износу. Диаметр выбран из расчёта сохранить хорошую пропускную способность труб на как можно большем участке. Бухты 25 метров хватит с запасом: Соединение всех узлов станции между собой также будет производиться этими трубами (потому что у нас целая бухта, там ещё останется).

Коммуникации внутри дома будут выполнены из полипропиленовых труб, армированных стекловолокном, диаметром 25 мм. Это стандартное решение для внутридомовых коммуникаций:

Помимо прочего понадобятся переходные муфты разных форм и размеров, а также гибридные - чтобы соединять все эти прелести между собой. Опустим столь волнительные подробности - тут подбор деталек как при сборке конструктора :)

ИТОГО

По итогам подсчётов получаем цифру в 24 т.р вечнодеревянными + доставка:

+2 т.р на дополнительные расходы, так-как обязательно что-то докупить забыли.

Источники