Cercetarri experimentale asupra performanţelor instalaţiilor de canalizare gravitaţională.

Conf. dr. ing. Victoria COTOROBAI1, prof. dr. ing. TheodorMATEESCU1, dr. ing. Ana-Mirela SLAVU1

1Universitatea Tehnică ”Gheorghe Asachi” din Iași

Abstract. Abstract. Sewage facilities are essential for building functional facilities of our times. However, among all categories of functional facilities of a building, they have not known for almost 150 years, major changes regarding the modality and design rules. The SACS episode produced in Hong Kong in 2003 showed major failures of classical gravity sewer systems, with consequences for the health of persons served. It was the moment when specialists in the field have initiated research on the real behavior of plants in order to establish efficient preventive measures and remedies. The work fits into that approach and presents some experimental research conducted on the behavior of a plant in different operating conditions of simultaneity and interaction with the environment, for different ventilation solutions. The research was conducted in laboratory Geberit in Switzerland. We thank to research laboratory specialists from Ralf MATERNA, Yves ... and ... for their support.

…………………….

4.Analiza influentei vitezei curenților de aer asupra curgerii in sistemele de canalizare

După cum s-a precizat anterior, în normele de proiectare a instala iilor de canalizare s-aț considerat ca ipoteză simplificatoare faptul că legăturile instala iei cu mediul exterior seț limitează la precizarea presiunii egală cu presiunea atmosferică.

Influen a direc iei i vitezei curen ilor de aer este neglijată. ț ț ș țÎn realitate, viteza aerului variază în timp, ca direc ie i sens. De asemenea variazăț ș

temperatura aerului i intensitatea radia iei solare cu influen ă directă asupra presiunii aerului,ș ț ț respectiv gradientului depresiune din interiorul instala iei.ț

Parametrii climatici variază atât în timp cât i în raport cu loca ia (coordonate geografice,ș ț diverse obstacole...). Informa ii asupra acestora pț ot fi ob inute pe mai multe căiț . Astfel se pot prelucra statistic datele măsurate determinând valori reprezentative pentru un an meteo standard sau extrem. Pentru determinarea valorilor reprezentative pentru municipiul Ia i ș s-a utilizat programul TRNSYS 16 cu care au fost extrase informa ii ț din baza de date METEONORM, cu ajutorul submodelului TYPE 15-6.

Modelul de extragere a valorilor interesate este prezentat în figura 18:

Type15-6 Online Plotter

Figura 18.În figurile I 19. a,b,c,d sunt prezentate valorile pentru viteza vântului iș direc ia vântului, pentruț

temperatura aerului (temperatura termometrului uscat i temperatura termometrului umed) iș ș radia ia solară globală în plan orizontal ț pentru anul meteorologic tipic/standard, pentru localitatea Ia i. Modelul include rela iile pentru determinarea datelor climatice conform normei SR EN 15254. ș ț

Evolu ia parametrilor climatici la extremitatea superioară a coloanei de ventilare/aerisireț poate influen a curgerea în instala ia de canalizare. ț ț

Practic curgerea aerului în instala ie este influen ată de gradientul de temperatură careț ț determină viteza de curgere i implicit debitul de aer evacuat. ș

De asemenea, intensitatea radia iei solare poate conduce la cre terea/scăderea temperaturiiț ș în zona de ventilare (prin încălzirea/răcirea materialului căciulii de ventilare).

Pe de altă parte, dinamica curen ilor de aer, respectiv presiunea exterioară exercitată în sec iuneaț ț de evacuare a gazelor de canalizare poate influen a presiunea din instala ie prin depresionareaț ț instala iei sau crearea de suprapresiuni în interiorul instala iei, în special în partea superioară aț ț acesteia, ambele situa ii având efecte negative asupra etan eită ii la gaze a instala iei.ț ș ț ț

Analiza datelor climatice aferente Ia ului, pentru anul meteo standard, pune în eviden ă,ș ț pentru localitatea Ia i, o varia ie importantă a acestor parametri. ș ț viteza vântului în domeniul: 1-14m/s; direc iaț vântului în domeniul: 1-360 grade; temperatura termometrului uscat în domeniul: -17÷330 C; temperatura termometrului umed în domeniul: -17÷240 C; radia ia solară globală, în plan orizontalț , între 0÷3500 kJ/h,m2.

Analiza datelor climatice pentru anul extrem indică varia ii mult mai importante, ț motiv pentru care se impune aprofundarea cercetării în vederea identificării impactului acestor factori perturbatori.

Dinamica parametrilor climatici i în special a curen ilor de aer din zona de ventilare aș ț coloanei de scurgere pot influen a, într-o măsură mai mare sau mai mică buna func ionare aț ț sistemului de canalizare gravita ională a apelor uzate, în raport cu forma/geometriaț racordurilor, simultaneitatea descărcărilor, modul de aerisire a racordurilor.

Figura 19. a. Evolu ia mărimii ț vitezei vântului, în m/s, pe parcursul unui an climatic standard în localitatea Ia i.ș

Figura 19. a. Evolu ia direc ieiț ț vântului, în grade, pe parcursul unui an climatic standard în localitatea Ia i.ș

Figura 19. a. Evolu ia ”radia iei solare globale, la nivel orizontalț ț ”, în, kJ/h,m2, pe parcursul unui an climatic standard în localitatea Ia i.ș

Figura 19. a. Evolu ia ”temperaturiiț termometrului uscat” a aerului, 0 C, pe parcursul unui an climatic standard în localitatea Ia i.ș

Analiza comparată a evolu iei presiunii în diferite puncte caracteristice ale instala iei, pentruț ț acelea i condi ii de descărcare, ventilare suplimentară a racordului de la nivelul 4 i acela i tipș ț ș ș de racord dar în condi ii diferite de func ionare a instala iei i ale presiunii aerului la nivelulț ț ț ș superior al coloanei a pus în eviden ă următoarele aspecte:ț Suc iunea aeruluiț din instala ia de canalizare (cu viteza mai mare de 4.5m/s) are efectț

pozitiv asupra func ionării racordului orizontal de la nivelul IV: depresiunile ce se producț după secven ele de descărcare a patru vase closet, când aceasta deriva ie nu este ventilatăț ț suplimentar nu sunt suficient de mari pentru a aspira garda hidraulică (fig. 20. a.);

Extragerea aerului din coloana de canalizare, cu viteza mai mare de 4.5m/s, are efect negativ asupra gărzilor hidraulice de la nivelul 6 i 5.ș

Introducerea de aer în instala ia de canalizare (cu viteza mai mare de 4.5m/s) are efectț negativ asupra comportării în exploatare a racordului orizontal (fig. 20. a. i b.).ș Depresiunile ce se produc în secven ele de descărcare a patru vase closet de la nivelul 4,ț când aceasta deriva ie nu este ventilată, sunt mai mari decât cele acceptabile pentruț men inerea gărzii hidraulice i, în plus, se manifestă o depresiune remanentă, după fiecareț ș secven ă de descărcare, depresiune care se adi ionează odată cu repetarea secven elor deț ț ț descărcare.

Influen a vitezei ventilatorului asupra gărzilor hidraulice ale vaselor closet montate pe oț deriva ie orizontală, în diferite solu ii de ventilare a acestui racord i simultaneitatea deț ț ș func ionare a vaselor closet, poate fi urmărită în anexa I 3., în care este prezentată evolu iileț ț gărzilor hidraulice pentru fiecare testare realizată.

De remarcat faptul că mărimea gărzilor hidraulice este dependentă de evolu ia vitezeiț ventilatorului, atât la introducere, cât i la extragere:ș

La extragere, când toate vanele de aerisire sunt deschise:

gărzile hidraulice ale vaselor care descarcă evoluează în raport cu viteza aerului introdus, evolu ia fiind negativă (aspira ie), mai mare la vasele situate înspreț ț coloană i descrescătoare pe măsură ce ne îndepărtăm de coloană.ș

gărzile hidraulice ale vaselor care nu descarcă sunt foarte pu in influen ate de viteza ventilatorului;ț țCând descarcă numai vasul dinspre coloană i toate vanele sunt deschise, extragerea deș aer afectează puternic gărzile hidraulice de la toate vasele racordate pe deriva ie dar înț special pe cele de la vasele closet situate în amonte de cel care descarcă (WC 3 i WC 4);ș garda hidraulică a vasului care descarcă evoluează vizibil în raport cu viteza de extragere a aerului ( de la GH=-1,0cm pentru v=-4.5m/s la GH= -0,2, v=0m/s);

când toate vanele de aerisire sunt închise: viteze de extragere inferioare valorii de 3,5m/s sunt favorabile func ionării.ț

La introducere, când toate vanele de aerisire sunt deschise: gărzile hidraulice sunt pozitive i suntș

dependente de viteza de introducere a curen ilor de aer: sunt mai mari la viteze mai mari siț descresc odată cu viteza; se observă i o comportare diferită în raport cu pozi ia vasului de closetș ț fa ă de coloană, cea mai bună comportare având-o vasele racordate în partea de mijloc aț deriva iei.ț

când toate vanele de aerisire sunt închise: gărzile hidraulice sunt dependente de viteza de introducere a curen ilor de aer: sunt pozitive; pentru vasul closet de lângă coloană, mărimeaț gărzii descre te odată cu viteza. Pe măsură ce vasele sunt mai depărtate de coloană seș observă o evolu ie de cre tere i descre tere în raport cu viteza curen ilor introdu i; cea maiț ș ș ș ț ș bună comportare având-o vasele racordate în partea de mijloc a deriva iei.ț

Concluzii:Direc ia i mărimea vitezei vântului pot influen a evolu ia gărzilor hidraulice. Cercetările s-au realizatț ș ț ț

pentru o viteză maximă a curen ilor de aer din zona finală a conductei de aerisire de ±5.3 m/s,ț introducere/extragere. Viteza vântului poate atinge valori mult mai mari: frecven a vânturilor cu vitezăț mai mare de 25m/s este anuală, pentru majoritatea teritoriului României. În consecin ă, este necesară:ț dezvoltarea cercetărilor pentru tot domeniul posibil de varia ie a vitezei vântului. ț

introducerea de reglementări pentru proiectare care să contribue la aibă în vedere atenuarea efectelor induse de ac iunea vântului.ț

WC 4.1

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

timp [s]

pres

iuni

[bar

]

1

1.05

1.1

1.15

1.2

1.25

1.3

debi

t [l/s

]

P9P7P4Q1

WC 4.1, WC 4.2, WC 4.3, WC 4.4

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

timp [s]

pre

siu

ni

[bar

]

3

3.6

4.2

4.8

5.4

6

deb

it [

l/s]

P9P7P4Q1

WC 4.1, WC 4.2, WC 4.3, WC 4.4, WC 4.5

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

timp [s]

pre

siu

ni

[bar

]

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

deb

it [

l/s]

P9P7P4Q1

Ventilator oprit

WC 4.1

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36

timp [s]

pres

iuni

[bar

]

1

1.05

1.1

1.15

1.2

1.25

1.3

debi

t [l/s

]

P9P7P3Q1

WC 4.1, WC 4.2, WC 4.3, WC 4.4

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

timp [s]

pre

siu

ni

[bar

]

3

3.6

4.2

4.8

5.4

6

deb

it [

l/s]

P9P2P8Q1

WC 4.1 + WC 4.2 + WC 4.3 + WC 4.4 + WC 4.5

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

timp [s]

pre

siu

ni

[bar

]

1

1.05

1.1

1.15

1.2

1.25

1.3

deb

it [

l/s]

P9P7P3Q1

Ventilator aspirație v=-5,2m/s

WC 4.1

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

0 2 4 6 8 10 12 14 16

timp [s]

pres

iuni

[bar

]

1

1.05

1.1

1.15

1.2

1.25

1.3

debi

t [l/s

]

P9P2P10Q1

WC 4.1, WC 4.2, WC 4.3, WC 4.4, WC 4.5

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

timp [s]

pre

siu

ni

[bar

]

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

deb

it [

l/s]

P9P2P10Q1

Ventilator refulare v=5,2m/s

Figura 20. a. Influen a vitezei ventilatorului asupra evolu iei presiunilor în instala ia de canalizare în diverse condi ii de func ionareț ț ț ț ț (racordul tip GR2 neventilat suplimentar; descarcă 1, 4 i 5WC de pe racordul de la nivelul 4).ș

Figura 20.b. Influen a vitezei ventilatorului asupra evolu iei presiunilor în instala ia de ț ț țcanalizare în diverse condi ii de func ionare (ț ț racordul tip GR4 neventilat suplimentar; descarcă WC 6, sau descarcă toate vasele closet).

RA

CO

RD

4

SC

HE

MA

po

ziți

on

are

sen

zori

Valori presiuni: P9 / P1 / P4 [bar] Valori presiuni: P9 / P1 / P4 [bar]

Ventilator Introducere v = 4,4 m/s

Pmin 0.977 0.933 0.938Pmed 0.982 0.937 0.94Pmax 0.989 0.940 0.941ΔP 0.012 0.007 0.003

ΔP+ 0.007 0.003 0.001

ΔP− 0.005 0.004 0.002

Ventilator oprit

Pmin 0.973 0.933 0.937Pmed 0.981 0.936 0.939Pmax 0.987 0.939 0.941ΔP 0.014 0.006 0.004

ΔP+ 0.006 0.003 0.002

ΔP− 0.008 0.003 0.002

WC 6, WC 5, WC4.1, WC 4.2, WC 4.3, WC 4.4, WC 4.5, WC 3(ventilator introducere v = 4,4 m/s)

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

0 5 10 15 20 25 30 35timp [s]

pres

iuni

[bar

]

9.55

9.6

9.65

9.7

9.75

9.8

9.85

9.9

debi

t [l/s

]

P9P1P4Q1

WC 6, WC 5, WC4.1, WC 4.2, WC 4.3, WC 4.4, WC 4.5, WC 3(ventilator oprit)

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

0 5 10 15 20 25 30 35 40timp [s]

pres

iuni

[bar

]

9.55

9.6

9.65

9.7

9.75

9.8

9.85

9.9

debi

t [l/s

]

P9P1P4Q1

Valori presiuni: P9 / P5 / P4 [bar] Valori presiuni: P9 / P5 / P4 [bar]

Ventilator Introducere v = 4,4 m/s

Pmin 0.976 0.958 0.933Pmed 0.979 0.961 0.934Pmax 0.982 0.964 0.936ΔP 0.006 0.006 0.003

ΔP+ 0.003 0.003 0.002

ΔP− 0.003 0.003 0.001

Ventilator oprit

Pmin 0.975 0.955 0.937Pmed 0.979 0.961 0.934Pmax 0.982 0.965 0.935ΔP 0.007 0.010 0.003ΔP+ 0.003 0.004 0.001ΔP− 0.004 0.006 0.002

WC 6(ventilator introducere v = 4,4 m/s)

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

timp [s]

pres

iuni

[bar

]

9.55

9.6

9.65

9.7

9.75

9.8

9.85

9.9

debi

t [l/s

]

P9P5P4Q1

WC 6(ventilator oprit)

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

timp [s]

pres

iuni

[bar

]

9.55

9.6

9.65

9.7

9.75

9.8

9.85

9.9

debi

t [l/s

]

P9P5P4Q1

9.Bibliografie.

V6

WC6

V5

WC5

WC 4.1

WC 4.2

VA1 VA2 WC 4.3

WC 4.4

VA3 VA4 WC 4.5

VA5 V4

S1

S9 S4

WC 4.1

WC 4.2

VA1 VA2 WC 4.3

WC 4.4

VA3 VA4 WC 4.5

VA5 V4

V3

WC3

S9

S5

S4

Conditii efectuare masuratori : Toate vasele closet DESCARCATE ; Toate vanele de aerisire INCHISE ; Ventilator introducere / oprit.

Conditii efectuare masuratori : Vas closet nivel 6 DESCARCAT ; Toate vanele de aerisire INCHISE ; Ventilator introducere / oprit.

1. Cotorobai, V; Mateescu, Th, ”Toaleta”- ”instrument de măsură” a nivelului de civiliza ieț  ? (Scurtă istorie. Sau despre cre terea i descre terea civiliza iilor.)ș ș ș ț , Conferin a interna ională Instala ii pentuț ț ț Construc ii i Confortul Ambiental, Timi oara, 2010.ț ș ș

2. Cotorobai, V; Slavu, M, Galatanu, C; Profire, M;; Consideratii asupra influentei depunerilor de calcar in proiectarea instalatiilor sanitare, CIB W62 2002 – 28th International Symposium Water Supply and Drainage for Buildings-CIB–W62, -Theme C: Modelling, dimensioning and control, C13, Iaşi, România.

3. Cotorobai, V; Slavu, M, Lăzărescu, C ;D;; Utilizarea algoritmului greedy pentru proiectarea optima a sistemelor de alimentare cu apa, Buletinul Universităţii Tehnice ²Gh. Asachi², Iaşi BIPI, t. XLIX (LIII), fasc. 1-2, s. V, 2003

4. Cotorobai, V; Mateescu, Th; Slavu, M; Efectele depunerii de calcar asupra performantelor sistemelor de instalatii sanitare, Buletinul Universităţii Tehnice ²Gh. Asachi², Iaşi BIPI, t. XLIX (LIII), fasc. 1-2, s. V, 2003

5. Cotorobai, V; Mateescu, Th; Slavu, M; Profire, M; Consideratii asupra influentei vantului la performantele functionale ale sistemelor de canalizare a apelor, Conferinţa nationala cu participare internationala Instalaţii pentru Construcţii şi Confortul Ambiental, editia a-16a, 29-30 martie, Timisoara, 2006

6. Cotorobai, V; Mateescu, Th; Slavu, M; Sisteme performante de evacuare a apelor uzate pentru clădiri înalte. conceptul sovent, Conferinţa nationala cu participare internationala Instalaţii pentru Construcţii şi Economia de Energie, editia a-XVIa, 6–7 iulie, Iasi, 2006, pg.211-218

7. Cotorobai, V; Slavu, M; Universitatea Tehnica „Gh. Asachi”Iasi,, Sistem silentios de evacuare a apei, Conferinta Nationala cu participare internationala, INSTALATII PENTRU CONSTRUCTII SI ECONOMIA DE ENERGIE, Iasi, 2006, ISBN (10) 973-667-189-5, ISBN (13) 978-973-667-189-0

8. Mateescu, Th; Cotorobai, V; Profire, M; Slavu, M; Studii teoretice si experimentale asupra curgerii in instalatiile interioare de canalizare, CIB W62 2004 – 29th International Symposium Water Supply and Drainage for Buildings-CIB–W62, -Theme C: Modelling, dimensioning and control, 15-17 sept. 2004, Paris, Franţa

9. Mateescu, Th; Cotorobai, V; Slavu, M; Influienta vantului asupra performantelor functionale ale instalatiilor de canalizare, Conferinţa tehnico-stiintifica de Instalaţii pentru Construcţii şi Economia de Energie, 2-3 iulie, Iasi 2009, pg.128-140

10. Mateescu, Th; Cotorobai, V; Slavu, M; Profire, M; Theoretical and experimental researches about the flow in interior severage installations , 30th International Symposium Water Supply and Drainage for Buildings-CIB–W62, 17-18 septembrie 2004, Paris, Franţa