CC BY
19
I
INZYNIERIA POZAROWA
mt. bryg. dr inz. Tomasz Drzymataa)*, st. bryg. w st. spocz. dr inZ. Sylwester Kieliszeka), kpt. mgr inz. Joanna Binioa)
a)Szkola Glowna Sluzby Pozarniczej / The Main School of Fire Service *Autor korespondencyjny / Corresponding author: [email protected]
Analiza doboru srednic pionow w instalacjach wodociqgowych przeciwpozarowych w budynkach wysokich w swietle obowi^zuj^cych przepisow
An Analysis of the Selection of Riser Diameters in Firefighting Water-Supply Systems in High-Rise Buildings
Анализ подбора диаметров стояков в системах пожарного водоснабжения в высотных зданиях в соответствии с действующими законами
ABSTRAKT
Cel: Celem artykutu jest analiza zasadnosci doboru srednic pionow w instalacjach wodociqgowych przeciwpozarowych w budynkach wysokich w oparciu o obowiqzujqce przepisy. Szczegolnq uwagQ poswiQcono analizie wtasnosci przeptywowych pionow, uwzglQdniajqc wymiary i rozwiqzania materiatowe. Wprowadzenie: Artykut przedstawia kwestiQ wymagan oraz doboru srednic pionow w instalacji wodociqgowej przeciwpozarowej w budynkach wysokich. Obowiqzujqce przepisy obligujq do stosowania w instalacji pionow o okreslonych srednicach, traktowanych jako minimalne. W celu przedstawienia, czy wymagane w przepisach wartosci srednic nominalnych pionow (DN) sq uzasadnione ich wtasnosciami przeptywowymi, oraz czy zastosowanie pionow o mniejszych srednicach spowoduje istotne zwiQkszenie strat cisnienia, wykonano obliczenia spadkow cisnienia w przewodach wodociqgowych. Na podstawie przeprowadzonej analizy sformutowano wnioski oraz uzasadniono propozycjQ zmian w przepisach dotyczqcych minimalnych srednic pionow w budynkach wysokich.
Metody Artykut opracowano w oparciu o obliczenia spadkow cisnienia w przewodach wodociqgowych. Porownano wyniki obliczen dla roznych srednic pionow wykonanych z rur stalowych ocynkowanych i z rur gtadkich (miedzianych). Obliczenia przeprowadzono dwoma metodami: z wykorzystaniem wzoru Darcy-Weisbacha oraz wzoru Hazena-Williamsa.
Wyniki: Porownanie strat cisnienia obliczonych dla pionow DN 65 i DN 80 prowadzi do wniosku, ze otrzymane roznice przy wymaganych przeptywach sq pomijalne. Wyniki otrzymane przy zastosowaniu obu metod obliczeniowych potwierdzajq tQ tezQ.
Wnioski: Obliczenia potwierdzajq, ze w budynkach wysokich, zamiast pionow DN 80 z powodzeniem mogq bye stosowane srednice DN 65. Roznica strat cisnienia na dtugosci 100 m, przy przeptywie 5 dm3/s, wynosi ok. 0,3 bar. Stosowanie srednicy DN 80 niepotrzebnie powoduje zwiQkszenie kosztow materiatowych, ciQzaru instalacji i kosztow jej wykonania. W odniesieniu do niektorych budynkow, np. mieszkalnych, nalezy rozwazye obnizenie wymagan w zakresie wydajnosci instalacji (jak dla instalacji wyposazonych w hydranty 033). Pozwolitoby to na stosowanie w tych budynkach pionow DN 50, bez zmniejszania poziomu bezpieczenstwa. Wprowadzenie proponowanych zmian wymaga nowelizacji przepisow, w szczegolnosci Rozporzqdzenia Ministra Spraw WewnQtrznych i Administracji z dnia 07 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpozarowej budynkow, innych obiektow budowlanych i terenow (Dz.U. z 2010 r., nr 109, poz. 719) w czQsci dotyczqcej instalacji wodociqgowych w budynkach wysokich.
Stowa kluczowe: wymagania dla instalacji wodociqgowych, budynki mieszkalne, gaszenie pozarow, systemy gasnicze, ochrona przeciwpozarowa Typ artykutu: artykut przeglqdowy
Przyj^ty: 23.03.2017; Zrecenzowany: 24.05.2017; Opublikowany: 30.06.2017;
Procentowy wktad merytoryczny: T. Drzymata - 40%, S. Kieliszek - 40%, J. Binio - 20%;
ProszQ cytowac: BiTP Vol. 46 Issue 2, 2017, pp. 114-123, doi: 10.12845/bitp.46.2.2017.8;
Artykut udostQpniany na licencji CC BY-NC-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).
ABSTRACT
Aim: This article is aimed at analysing the validity of the selection of diameters for risers in the water-supply systems of high-rise buildings, on the basis of the regulations in force. Central focus was placed on the analysis of the throughput characteristics, accounting for their dimensions and material-related solutions.
Introduction: The article addresses the problems of requirements and the selection of diameters for risers in the water-supply systems of high-rise buildings. The regulations impose the use of risers with specific diameters, considered to meet the minimum requirements. In order to elaborate on whether
the nominal diameters (DN) can be justified by their throughput properties and whether the use of smaller-diameter risers will contribute to substantial pressure losses, pressure drops in water-supply pipes were calculated. On the basis of the analysis, conclusions were formulated and grounds were presented for the amendment of regulations governing minimum riser diameters in high-rise buildings.
Methodology: The article was prepared on the basis of the calculations of pressure drops in water-supply conduits. The results of the calculations were compared for various diameters of risers made of galvanised steel pipes and smooth (copper) pipes. Two calculating methods were applied: utilising (1) the Darcy-Weisbach equation and (2) the Hazen-Williams equation.
Results: A conclusion to be derived from the comparison between the pressure losses calculated for the DN 65 and DN 80 risers is that differences in the prescribed throughput values, if any, are negligible. This thesis seems to be confirmed by the results obtained in both calculation methods. Conclusions: The calculations corroborated the thesis that the DN 80 risers in high-rise buildings can effectively be replaced by risers utilising DN 65 diameters. At a flow of 5 dm3/s, the difference between pressure losses along a 100 m section is approx. 0.3 bar. The DN 80 diameter unnecessarily increases the costs of materials and manufacturing and the burden of installation. It is advisable in respect of certain (e.g. residential) buildings that the installation-efficiency requirements be relaxed (this also applies to systems fitted with 033 hydrants). This would allow the use of DN 50 risers in these buildings, without compromising the safety level. In order to be introduced, the proposed changes would require the amending of the regulations in force, in particular, the Regulation of the Minister of the Interior and Administration on the fire protection of buildings, other civil structures and areas (Journal of Laws No. 109, item 719) in the part relating to water-supply systems in high-rise buildings.
Keywords: requirements for water-supply systems, residential buildings, firefighting, firefighting systems, fire protection Type of the article: review article
Received: 23.03.2017; Reviewed: 24.05.2017; Published: 30.06.2017; Percentage contribution: T. Drzymata - 40%, S. Kieliszek - 40%, J. Binio - 20%; Please cite as: BiTP Vol. 46 Issue 2, 2017, pp. 114-123, doi: 10.12845/bitp.46.2.2017.8;
This is an open access article under the CC BY-NC-SA 4.0 license (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).
АННОТАЦИЯ
Цель: Целью данной статьи является анализ обоснованности выбора диаметров стояков в системах пожарного водоснабжения в высотных зданиях в соответствии с действующим законодательством. В частности был проведен анализ пропускной способности стояков с учетом размера и применяемых материалов.
Введение: В статье представлена проблема требований и выбора диаметров стояков для систем пожарного водоснабжения в высотных зданиях. Действующие законы требуют использование в таких системах стояков определенного диаметра, который считается минимальным. Для определения того, обоснованы ли указанные в правилах значения номинального диаметра их пропускной способностью, а также приводит ли использование стояков меньшего диаметра к значительному увеличению потерь давления, были проведены расчеты падений давления в водопроводных трубах. На основе проведенного анализа были сформулированы выводы, а также обоснованы предложения внесения поправок в правила, касающиеся минимальных диаметров стояков в высотных зданиях.
Методы: Статья была разработана на основе расчета падения давления в трубах водоснабжения. Авторы сравнили результаты расчетов для различных диаметров стояков из стальных оцинкованных труб и гладких (медных). Расчеты проводились с помощью двух методов: с использованием формулы Дарси-Вейсбаха и формулы Хазена-Вильямса.
Результаты: Сравнение потерь давления рассчитанных для стояков DN 65 и DN 80 приводит к выводу, что различия при требуемой пропускной способности малы. Результаты, полученные с использованием двух методов расчета, подтверждают эти тезисы.
Выводы: Расчеты подтверждают тезис, что в высотных зданиях, вместо стояков диаметром DN 80 с успехом могут быть использованы диаметры DN 65. Различие в потерях давления по длине 100 м при скорости потока 5 дм3/сек. составляет около 0,3 бара. Использование диаметра DN 80 только увеличивает материальные затраты, вес установки и стоимость работ. Для некоторых зданий, например, жилых, следует рассмотреть снижение требований относительно производительности системы (как для систем оборудованных гидрантами 0 33). Это позволит использовать в данных зданиях стояки DN 50 без ущерба для уровня безопасности. Для внедрения предложенных изменений следует ввести изменения в требования, в частности, Распоряжение министра внутренних дел и администрации от 07 июня 2010 г. относительно противопожарной защиты зданий, других строительных объектов и территорий (Дневник Законов от 2010 года, номер 109, поз. 719), частично касающегося водоснабжения в высотных зданиях.
Ключевые слова: требования к системам водоснабжения, жилые здания, пожаротушение, системы пожаротушения, противопожарная защита Вид стати: обзорная статья
Принята: 23.03.2017; Рецензирована: 24.05.2017; Опубликована: 30.06.2017;
Процентное соотношение участия в подготовке статьи: T. Drzymata - 40%, S. Kieliszek - 40%, J. Binio - 20%; Просим ссылаться на статью следующим образом: BiTP Vol. 46 Issue 2, 2017, pp. 114-123, doi: 10.12845/bitp.46.2.2017.8; Настоящая статья находится в открытом доступе и распространяется в соответствии с лицензией CC BY-NC-SA 4.0 (https://creativecommons.Org/licenses/by-nc-sa/4.0/).
Wprowadzenie
W budynkach wysokich stosowane s^ instalacje wo-doci^gowe przeciwpozarowe wyposazone w zawory hydrantowe 52 i hydranty wewn^trzne 25 z w^zem potsztyw-nym. Powinny one bye projektowane tak, aby umozliwiaty pobor wody z czterech zaworow hydrantowych 52, poto-zonych najniekorzystniej pod wzgl^dem hydraulicznym (4 x 2,5 dm3/s). Wyj^tek stanowi^ budynki wysokie z jed-n^ klatk^ schodow^ (tzn. o powierzchni rzutu co najwyzej 750 m2) [4], [12]. Powszechnie przyj^to, ze instalowane w budynkach wysokich hydranty 25 s^ przeznaczone dla uzytkow-nikow budynku, zas zawory hydrantowe 52 do uzytku przez straz pozarn^ [1], [12]. Oznacza to, ze wymagane wyposazenie w zawory hydrantowe 52 ma na celu utatwienie prowadzenia dziatan gasniczych. Wniosek ten wynika rowniez ze sposobu zasilania instalacji tzn. bez uzycia pomp b^d^cych na wypo-sazeniu strazy pozarnej [2], [4].
Obowi^zuj^ce przepisy wymagaj^, aby stosowane w in-stalacjach piony miaty okreslone srednice, traktowane jako minimalne [10-12]. W zwi^zku z tym instalacja, w ktorej za-stosowano piony o srednicach mniejszych niz wymagane, moze nie zostae odebrana przez Panstwow^ Straz Pozar-n^, mimo zapewnienia wymaganych wydajnosci hydrantow i zaworow hydrantowych [6, 8]. Powstaj^ zatem pytania: Czy wymagane w przepisach srednice nominalne pionow (DN) s^ uzasadnione ich wtasnosciami przeptywowymi? Czy zasto-sowanie pionow o mniejszych srednicach spowoduje istotne zwi^kszenie strat cisnienia? Aby udzielie odpowiedzi na te pytania, wykonano obliczenia spadkow cisnienia w przewo-dach wodoci^gowych. Nast^pnie porownano wyniki otrzy-manych obliczen dla roznych srednic pionow wykonanych z rur stalowych ocynkowanych i z rur gtadkich (miedzianych). Obliczenia zostaty przeprowadzone dwoma metodami: z wy-korzystaniem wzoru Darcy-Weisbacha oraz wzoru Hazena--Williamsa.
Wymagania dotycz^ce srednic pionow w instalacjach wo-doci^gowych przeciwpozarowych przedstawiono w porz^dku chronologicznym w tabeli 1. Wymagania odnosnie srednic pionow zawarte w PN-B-02865:1997 [10] zostaty przeniesio-ne do rozporz^dzenia z 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpozarowej budynkow, innych obiektow budowlanych i terenow [12].
Z danych przedstawionych w tabeli 1 wynika, ze na prze-strzeni ostatnich kilkudziesi^ciu lat w budynkach wysokich mieszkalnych oraz administracyjnych, zarowno suche, jak i nawodnione piony oscyluj^ w zakresie srednic nominalnych DN 65-80-100 (powyzsze generuje tworzenie stosunkowo duzych instalacji przeciwpozarowych). Nalezy podkreslie, ze obecnie polskie normy nie s^ przeznaczone do obowi^z-kowego stosowania. Minimalne srednice pionow nawodnio-nej instalacji wodoci^gowej przeciwpozarowej s^ okreslone w rozporz^dzeniu [12]. Z kolei suche piony nie s^ na dzien dzisiejszy przewidziane do stosowania.
Introduction
As a rule, high-rise buildings receive fire-protection water-supply systems fitted with 52-type hydrant valves and internal 25-type hydrants with semi-rigid hoses. Water-supply systems should be designed in such a way as to facilitate the intake of water from four 52-type hydrant valves positioned least favourably in terms of hydraulic conditions (4 x 2.5 dm3/s). An exception to this are high-rise buildings with one staircase (max. 750 m2 of plain view area) [4], [12]. A commonly accepted model has been that, in high-rise buildings, 25-type hydrants are there for use by the building residents, whereas 52-type hydrant valves are reserved for the fire service [1], [12]. Consequently, the obligatory presence of 52-type hydrant valves in buildings is intended as a support for firefighting operations. This conclusion is also grounded in the manner in which water is fed to the system, i.e. without the pumps used by firefighting squads [2]. [4].
The regulations in force require that the risers in water-supply systems have specific diameters, the sizes of which are considered as minimum [10-12]. Therefore, a system which utilises risers with diameters below the mandatory size limit may not be accepted by the State Fire Service, despite meeting the flow-rate requirements for hydrants [6, 8] Accordingly, the following questions can be posed: Are the nominal riser diameters (DN), mandatory under the regulations in force, justified by the flow-rate properties of risers? Will the use of smaller diameter risers substantially increase pressure losses? With a view to answering these questions, calculations of pressure drops in water-supply conduits were carried out. The results of the calculations were then compared for various risers made of galvanised steel pipes and smooth (copper) pipes. Two calculating methods were used: the Darcy-Weisbach equation and the Hazen-Williams equation.
Requirements pertaining to the riser diameters in fire-protection water-supply systems are presented chronologically in Table 1. Requirements applicable to riser diameters, as per PN-B-02865:1997 [10], were transposed from the Regulation of 7 June 2010 on the fire protection of buildings, other civil structures and areas [12].
According to the data shown in Table 1, over the last several decades, both dry and hydrated risers in high-rise buildings used for residential and administrative purposes, have fallen within the nominal diameter range, as per DN 65-80-100 (being conducive, however, to the deployment of fairly extensive fire-protection systems). A fact worth stressing here is that, as of date, the Polish standards have not been designated for mandatory use. The minimum riser diameters for hydrated water-supply systems are specified in the Regulation [12]. As regards dry risers, at present these are generally excluded from use.
Tabela 1. Wymagane minimalne srednice pionow instalacji wodociqgowych przeciwpozarowych [7-10] Table 1. The minimum required diameters of risers in water-supply systems [7-10]
Lp. / No.
Podstawa prawna / Legal basis
Rodzaj pionu / Type of riser
DN min Zakres stosowania /
/ Nominal diameter Scope of application
PN-69/B-02861
suchy / dry riser
80
Budynki mieszkalne o wysokosci 15-55 m / Residential buildings with a height of 15-55 metres
100
Budynki administracyjne o wysokosci 15-25 m / Administrative buildings with a height of 15-25 metres
PN-76/B-02861
suchy / dry riser
80
Budynki mieszkalne o wysokosci 15-55 m / Residential buildings with a height of 15-55 metres
Budynki administracyjne o wysokosci 15-25 m / Administrative buildings with a height of 15-25 metres
100
PN-B-02861:1994
suchy / dry riser
65
Budynki mieszkalne o wysokosci 15-55 m / Residential buildings with a height of 15-55 metres
PN-72/B-02865
suchy / dry riser
suchy / dry riser
80
Budynki mieszkalne o wysokosci 15-55 m / Residential buildings with a height of 15-55 meters
100
Budynki administracyjne o wysokosci 15-25 m / Administrative buildings with a height of 15-25 meters
nawodniony / hydrated riser
80
Budynki wysokie / High-rise buildings
suchy / dry riser
65
PN-B-02865:1997
Budynki mieszkalne o wysokosci 15-55 m / Residential buildings with a height of 15-55 metres
nawodniony / hydrated riser
80
Budynki wysokie / High-rise buildings
Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Metody analizy
Do okreslenia strat cisnienia w pionach instalacji wodociqgowej przeciwpozarowej w budynkach wysokich wykorzy-stano metody obliczeniowe. Rozpatrywano odcinki przewodow o srednicach DN 50, DN 65, DN 80 i DN 100 i dtugosci 100 m, wykonanych z rur stalowych ocynkowanych (odmiana srednia) oraz z rur miedzianych. Dla kazdego z analizowanych przewodow okreslono spadki cisnienia przy przeptywach odpowiadajq-cych normatywnym wydatkom jednego, dwoch i czterech zawo-row hydrantowych 52, tzn. 2,5 dm3/s, 5,0 dm3/s i 10 dm3/s [12]. Obliczenia przeprowadzono z wykorzystaniem dwoch wzorow: Darcy-Weisbacha i Hazena-Williamsa.
Methods of analysis
In order to determine pressure losses in the risers of the fire-protection water-supply systems of high-rise buildings, certain calculation methods were applied. The analysis included conduit sections with DN 50, DN 65, DN 80 and DN 100 diameters and a length of 100 m, made of galvanised steel pipes (the medium class) and copper pipes. For each of the analysed conduits, pressure drops were determined at flows corresponding to the standard throughputs of one, two and four 52-type hydrant valves, i.e. 2.5 dm3/s, 5.0 dm3/s i 10 dm3/s [12]. The calculations utilised the Darcy-Weisbach equation and the Hazen-Williams equation.
Wzor Darcy-Weisbacha [5]
The Darcy-Weisbach equation [5]
, _ £j p xv
An = Ax— x-
r d 2
(1)
, _ £j p xv
An = Ax— x-
r d 2
(1)
gdzie:
Ap - strata cisnienia w przewodzie [Pa], v - srednia pr^dkosc przeptywu cieczy w przewodzie [m/s], L - dtugosc przewodu [m], d - srednica wewn^trzna przewodu [m], p - g^stosc wody [kg/m3],
X - wspotczynnik strat liniowych [-] (zalezny od chropowatosci przewodu i liczby Reynoldsa Re).
where:
Ap - the loss of pressure in the conduit [Pa], v - the average speed of liquid in the conduit [m/s], L - the length of the conduit [m], d - the internal diameter of the conduit [m], p - the density of water [kg/m3],
X - line loss coefficient [-] (depending on the roughness of the conduit and the Reynolds number Re)
Wzór Hazena-Williamsa [5] gdzie:
Дp - strata cisnienia w przewodzie [bar], Q - natçzenie przeptywu [dm3/min], d - srednica wewnçtrzna przewodu [mm], C - stata charakterystyczna dla rodzaju i stanu przewodu [-],
(tabela 2), L - dtugose przewodu [m].
The Hazen-Williams equation [5] where:
Ap - the loss of pressure in the conduit [bar], Q - the flow rate [dm3/min], d - the internal diameter of the conduit [mm], C - a constant matching the type and condition of the conduit [-],
(Table 2), L - the length of the conduit [m].
Tabela 2. Wartosci wspotczynnika C we wzorze Hazena-Williamsa Table 2. The values of the C coefficient in the Hazen-Williams equation
Materiat przewodu / Conduit material c Coefficient - characteristic of the type and condition of the conduit
Przewod stalowy ocynkowany / Galvanised steel conduit 120
Przewod miedziany / Copper conduit 140
Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Wyniki obliczen
Przyjçte do obliczeñ srednice przewodów wodoci^gowych i ich masy podano w tabelach 3 i 4. Z kolei pola przekrojów we-wnçtrznych zostaty wskazane w tabeli 5. Dane dotycz^ce przewodów miedzianych, traktowanych dalej jako rury gtadkie, podano informacyjnie - ze wzglçdu na cenç przewody powyzej DN 50 s^ stosowane bardzo rzadko.
Calculation results
The diameters and weights of water conduits used in the calculations are provided in Tables 3 and 4. The areas of internal sections are listed in Table 5. The data on copper conduits, further considered as smooth pipes, are provided for information purposes - due to their pricing, conduits above the DN 50 standard find limited application.
Tabela 3. Srednice wewn^trzne rur wodoci^gowych (stalowe ocynkowane - wg PN-B-02861:1994) [9] Table 3. The internal diameters of water pipes (galvanised steel - as per PN-B-02861:1994) [9]
Srednica nominalna / Nominal diameter Srednica zewn^trzna / wewn^trzna / grubosc scianki [mm] External diameter / internal diameter / thickness of the wall / [mm]
[mm] Przewod stalowy ocynkowany / Galvanised steel conduit Przewód miedziany / Copper conduit
50 60,3 / 53 / 3,65 54 / 51 / 1,5
65 76,1,8 / 68,8 / 3,65 76,1 / 72,1 / 2
В0 88,9 / 80,8 / 4,05 ВВ,9 / В4,9 / 2
100 114,3 / 105,3 / 4,50 10В / 104 / 2
Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Zaprezentowane w tabeli 4 zestawienie wskazuje, ze wraz ze zwiçkszaniem siç srednicy nominalnej DN, zwiçksza siç tak-ze masa instalacji. Jednoznacznie mozna stwierdzic, ze insta-lacja wykonana z przewodow miedzianych jest zdecydowanie lzejsza, ale jednoczesnie duzo drozsza, a co za tym idzie bardzo rzadko stosowana.
The list in Table 4 suggests that along with the increase in the DN nominal diameter, the weight of the system goes up as well. One can unambiguously conclude that a system comprised of copper conduits, while much lighter, is also more expensive and, therefore, very rarely used.
Tabela 4. Masa 1 [mb] wybranych przewodow wodociqgowych Table 4. Weight of 1 [mb] of selected water conduits
Srednica nominalna / Nominal diameter Masa / Weight [kg/mb]
[mm] Przewod stalowy ocynkowany, odmiana srednia / Galvanised steel conduit, medium variety Przewod miedziany / Copper conduit
50 5,12 1,98
65 6,52 3,72
80 8,47 4,36
100 12,19 5,33
Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Tabela 5. Pola przekroju przewodow wodociqgowych Table 5. Cross-sectional area of water pipes
Srednica nominalna / Pole przekroju / Cross-sectional area
Nominal diameter Rury stalowe srednie / Medium steel pipes Rury miedziane / Copper pipes
[mm] [mm] [m2] [mm] [m2]
50 53 0,22x10-2 51 0,20x10-2
65 68,8 0,37x10-2 72,1 0,41x10-2
80 80,8 0,51x10-2 84,9 0,57x10-2
100 105,3 0,87x10-2 104 0,85x10-2
Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Dla wybranych przewodow okreslono prçdkosci przepty- For selected conduits, flow rates were specified depending wu w zaleznosci od wydatku. Wyniki obliczen przedstawiono on the throughput. The results of the calculations are presented w tabeli 6. in Table 6.
Tabela 6. Prçdkosci przeptywu w zaleznosci od wydatku Table 6. Flow rates depending on the throughput
Srednica nominalna / Nominal diameter Natçzenie przeptywu / Flow rate Prçdkosc przeptywu v [m/s] / Speed of liquid
[mm] [dm3/s] Rury stalowe / Steel pipes Rury miedziane / Copper pipes
2,5 1,13 1,22
50 5,0 2,27 2,45
10,0 4,55 4,90
2,5 0,67 0,60
65 5,0 1,35 1,21
10,0 2,42 2,70
2,5 0,49 0,45
80 5,0 0,98 0,88
10,0 1,96 1,77
2,5 0,28 0,29
100 5,0 0,57 0,59
10,0 1,14 1,18
Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Na podstawie analizy wynikow zamieszczonych w tabeli 6 mozna stwierdzic, ze wraz ze zmian^ srednicy nominalnej DN na wiçksz^, prçdkosc przeptywu v przy tych samych wydajnosciach Q maleje (powyzsza zaleznosc dotyczy zarowno przewodow sta-lowych, jak i miedzianych). Co ciekawe przy srednicach nominal-nych DN 50 oraz DN 100 to w przewodach miedzianych uzyskuje siç wiçksze prçdkosci przeptywu v dla tych samych wydatkow Q, natomiast przy DN 65 oraz DN 80 sytuacja jest odwrotna i to prze-wody stalowe charakteryzuj^ siç wiçkszymi przeptywami v przy tych samych wydajnosciach Q.
Wyniki obliczen liniowych strat cisnienia wedtug wzoru Darcy-Weisbacha w rurach stalowych i w rurach miedzianych przedstawiono w tabelach 7 i 8.
The analysis of the results in Table 6 suggests that along with the increase in the DN nominal diameter, the flow rate (v) at the same efficiencies (Q) decreases (a correlation observed in both steel and copper conduits). Interestingly, at the nominal DN 50 and DN 100 diameters, copper conduits deliver higher flow rates (v) at the same throughputs (Q); for DN 65 and DN 80 this is quite the opposite, with steel conduits characterised by higher flow rates (v) at the same throughputs (Q).
The results of the linear calculations of pressure losses made with the Darcy-Weisbach equation for steel and copper pipes are shown in Tables 7 and 8.
Tabela 7. Straty cisnienia na dtugosci 100 m w przewodach stalowych wg wzoru Darcy-Weisbacha Table 7. Pressure losses over a length of 100 m in steel pipes as per the Darcy-Weisbach equation
DN Srednica nominalna / Nominal diameter s/d Q Natçzenie przeptywu / Flow rate v Prçdkosc przeptywu wody / Speed of water Re Liczba Reynoldsa / Reynolds number Л Wspotczynnik strat liniowych / Line loss coefficient Ap Wspotczynnik strat liniowych / Line loss coefficient
[mm] [-] [dm3/s] [m/s] [-] [-] [kPa/100 m]
2,5 1,13 59500 0,029 37
50 0,03 5,0 2,27 119000 0,0275 142
10,0 4,55 238000 0,027 559
2,5 0,67 45800 0,0265 9,15
65 0,023 5,0 1,35 91600 0,026 36,5
10,0 2,70 183200 0,025 140,2
2,5 0,49 39400 0,024 3,6
80 0,018 5,0 0,98 78700 0,022 12,2
10,0 1,96 157400 0,021 50,4
2,5 0,28 30300 0,023 1,03
100 0,015 5,0 0,57 60700 0,022 3,6
10,0 1,14 121400 0,0185 12,0
Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Tabela 8. Straty cisnienia na dtugosci 100 m w przewodach miedzianych wg wzoru Darcy-Weisbacha Table 8. Pressure losses over a length of 100 m in copper pipes as per the Darcy-Weisbach equation
DN Srednica nominalna / Nominal diameter Q Natçzenie przeptywu / Flow rate v Prçdkosc przeptywu wody / Speed of water Re Liczba Reynoldsa / Reynolds number Л Wspotczynnik strat liniowych / Line loss coefficient Ap Wspotczynnik strat liniowych / Line loss coefficient
[mm] [dm3/s] [m/s] [-] [-] [kPa/100 m]
2,5 1,22 54 500 0,0207 30,20
50 5,0 2,45 109 000 0,0174 102,40
10,0 4,90 219 000 0,0146 344,30
2,5 0,60 37 900 0,0226 5,64
65 5,0 1,21 75 800 0,0191 21,50
10,0 2,42 151 500 0,016 65,00
2,5 0,45 33 450 0,0234 2,79
80 5,0 0,88 66 900 0,0196 8,97
10,0 1,77 133 800 0,0165 30,50
2,5 0,29 26 400 0,0248 1,00
100 5,0 0,59 52 800 0,0209 3,50
10,0 1,18 105 600 0,0175 11,80
Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Przewody miedziane mogq bye traktowane jako przewody gtadkie. W zakresie liczb Reynoldsa dotyczqcych rozpatrywa-nych przeptywow wspotczynnik strat liniowy moze bye obliczany ze wzoru Blasiusa [5].
Я =
0,3164
Уйё
Copper conduits may be considered as being smooth-walled. With regard to the Reynolds numbers for the analysed flow rates, the linear loss coefficient can be calculated with the Blasius equation.
(3)
Я =
0,3164 1/ße
(3)
Liczbç Re obliczono, przyjmujqc lepkose kinematycznq v wody dla temperatury 15°C rownq:
The Re number was calculated assuming the kinematic viscosity of water v (for a temperature of 15°C):
v = 1,142x10-6 m2/s
(4)
v = 1,142x10-6 m2/s
(4)
Wyniki obliczen liniowych strat cisnienia obliczone wg wzoru Hazena-Williamsa przedstawiono w tabelach 9 i 10.
The results of the linear pressure loss calculations calculated according to the Hazen-Williams formula are shown in Tables 9 and 10.
Tabela 9. Straty cisnienia na dtugosci 100 m w przewodach stalowych wg wzoru Hazena-Williamsa Table 9. Pressure losses over a length of 100 m in steel pipes as per the Hazen-Williams equation
DN Srednica nominalna / Nominal diameter C1,S5 Wspotczynnik C / C Coefficient d» Wewnçtrzna Srednica przewodu / Internal diameter of the conduit) d»4,87 Wewnçtrzna Srednica przewodu / Internal diameter of the conduit) Q Natçzenie przeptywu / Flow rate Q1,85 Natçzenie przeptywu / Flow rate Ap Strata cisnienia w przewodzie / The loss of pressure in the conduit
[mm] [-] [mm] [-] [dm3/min] [-] [bar]
150 10611,3 0,366
50 53 249587875,9 300 38253,8 1,32
600 137904,9 4,76
150 10611,3 0,10
65 68,8 889315156,9 300 38253,8 0,37
7022,4 600 137904,9 1,34
150 10611,3 0,45
80 80,8 1945778171 300 38253,8 0,169
600 137904,9 0,61
150 10611,3 0,013
100 105,3 7066854793 300 38253,8 0,046
600 137904,9 0,168
Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Tabela 10. Straty cisnienia na dtugosci 100 m w przewodach miedzianych wedtug wzoru
Table 10. Pressure losses over a length of 100 m in copper conduits as per the Hazen-Williams equation
DN Srednica nominalna / Nominal diameter C1,85 Wspotczynnik C / C Coefficient d» Wewnçtrzna Srednica przewodu / Internal diameter of the conduit) d»4,87 Wewnçtrzna Srednica przewodu / Internal diameter of the conduit) Q Natçzenie przeptywu / Flow rate Q1,85 Natçzenie przeptywu / Flow rate Ap Strata cisnienia w przewodzie / The loss of pressure in the conduit
[mm] [-] [mm] [-] [dm3/min] [-] [bar]
150 10611,3 0,332
50 51 206950632,3 300 38253,8 1,197
600 137904,9 4,316
150 10611,3 0,061
65 72,1 1117235532 300 38253,8 0,222
9339,9 600 137904,9 0,799
150 10611,3 0,028
80 84,9 2476169965 300 38253,8 0,100
600 137904,9 0,361
150 10611,3 0,010
100 104 6652001866 300 38253,8 0,037
600 137904,9 0,134
Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Wnioski
Na podstawie uzyskanych wynikow obliczen oraz analizy zgromadzonych materiatow wykazano, ze roznica strat liniowych na dtugosci 100 m w przewodach DN 65 i DN 80 przy przeptywie 2,5 dm3/s (pobor wody z jednego zaworu) jest nie-znaczna. Roznica strat liniowych na dtugosci 100 m w przewodach DN 65 i DN 80 przy przeptywie 5,0 dm3/s (pobor wody z dwoch zaworow), czyli w warunkach maksymalnego obci^-zenia jednego pionu sprawnej instalacji, nie przekracza ok. 30 kPa, co odpowiada w przyblizeniu wysokosci jednej kon-dygnacji. Straty liniowe na dtugosci 100 m na pionie DN 100 s^ pomijalne, niezaleznie od rozpatrywanych wydatkow [10]. W budynkach wysokich piony DN 80 mog^ byc zast^pione przez piony DN 65 - nie wptynie to istotnie na wzrost strat liniowych. W odniesieniu do budynkow mieszkalnych nalezy rozwazyc obnizenie wymagan w zakresie wydajnosci instalacji - stosowanie zaworow 033 datoby mozliwosc wykorzystania pionow DN 50.
Zamiana DN 80 na DN 65 w budynkach wysokich pozwoli na obnizenie masy pionu o ok. 200 kg/100 mb. Z kolei w bu-dynkach mieszkalnych stosowanie DN 50 zamiast DN 80 wpty-nie na obnizenie masy pionu o ok. 330 kg. Obnizenie masy pionow przetozy siç dodatkowo na zmniejszenie kosztow mate-riatu, a tym samym kosztow robocizny i transportu. W zwi^zku z powyzszym obnizenie masy pionow ma bezposredni wptyw na srodowisko naturalne m.in. w zwi^zku ze zmniejszeniem zuzycia energii oraz materiatow.
Przeprowadzona analiza potwierdza zasadnosc wprowa-dzenia zmian w przepisach dotycz^cych minimalnych sred-nic pionow w budynkach wysokich. Przedmiotowe zmiany nie maj^ istotnego wptywu na pogorszenie parametrow pracy podczas operowania pr^dami wodnymi. Zmiana nie ogranicza mozliwosci prowadzenia w budynkach mieszkalnych sku-tecznych dziatan ratowniczych [2-3]. Ponadto proponowane zamiany przyczyni^ siç do znacz^cych oszczçdnosci zwi^-zanych z redukj zuzycia materiatu (co ma bezposrednie przetozenie na obnizenie masy pionow), robocizny i transportu oraz bçd^ miaty pozytywny wptyw na srodowisko naturalne. Dodatkowo nalezy zwrocic uwagç, ze dla kazdej projektowanej instalacji wymagane jest wykonanie obliczen hydraulicznych z uwzglçdnieniem zatozonych wydatkow, wymiarow ruroci^-gow i miejscowych strat cisnienia. Autorzy artykutu wyrazaj^ przekonanie, ze przeprowadzone w fazie projektowania instalacji obliczenia potwierdz^ zawarte w artykule tezy w zakresie doboru srednic.
Conclusions
The results of the calculations and the analysis of the collected materials indicate that there is only a marginal difference in linear losses at a length of 100 m in DN 65 and DN 80 conduits at a flow rate of 2.5 dm3/s (water intake from one valve). The difference between linear losses at a length of 100 m in DN 65 and DN 80 conduits at a flow rate of 5.0 dm3/s (intake of water from two valves), i.e. under the maximum load of one riser in a system in good working order, does not exceed approx. 30 kPa, which roughly corresponds to the height of one storey. Linear losses at a length of 100 m in a DN 100 riser are negligible, regardless of the assumed throughputs [10]. In high-rise buildings, DN 80 risers can be replaced by their DN 65 counterparts, and such a change will not lead to any substantial increases in linear losses. As regards residential buildings, an option worth considering would be to reduce the required efficiency targets for water-supply systems - the introduction of 033 valves should open the way for using DN 50 risers.
Replacing DN 80 risers with DN 65 risers in high-rise buildings should result in a reduction of the riser weight by around 200 kg/100 linear metre. With DN 80 risers replaced by their DN 50 counterparts in residential buildings, the resulting weight of the risers should drop by around 330 kg. The lower weight of the risers will also contribute to reduced costs of materials and, at the same time, the costs of labour and transport. Consequently, the reduced weight of risers exerts a direct impact on the environment, e.g. through the reduced consumption of energy, materials, etc.
The analysis carried out in this respect seems to confirm the validity of changes to the regulations on the minimum riser diameters in high-rise buildings. These changes would not contribute to a marked deterioration in the operating parameters of water currents, nor would they compromise the possibility of delivering effective rescue and emergency response [2-3]. Furthermore, the proposed changes should generate major savings from the reduced consumption of materials (thus directly translating into lower riser weights), labour and transport, as well as have a favourable impact on the environment. It is also important to note that for each of the designed systems, hydraulic calculations must be carried out with the inclusion of the assumed throughput, pipeline sizes, and local pressure losses. The authors believe that the calculations performed at the design stage will confirm the theses on the selection of diameters, as presented in the article.
Literatura I Literature
[1] Denczew S., Przeciwpozarowe zaopatrzenie w wodç, Wyd. SGSP, Warszawa 2012.
[2] Drzymata T., Kieliszek S., Szutkowski M., Analiza wymagan dla instalacji wodociqgowych przeciwpozarowych w wysokich budynkach mieszkalnych, BiTP Vol. 43 Issue 3, 2016, pp. 275-2В4.
[3] Gataj J., Drzymata T., Tabaka D., Analiza wptywu wydajnosci na rozklad srednic kropel w strumieniu rozpylonym wytwarzanym
przez prqdownicç Turbo Master 52, BiTP Vol. 43 Issue 3, 2016, pp. 51-62.
[4] Kieliszek S., Drzymata T., Wybrane problemy zasilania w wodç instalacji wodociqgowych przeciwpozarowych w wysokich budynkach mieszkalnych, BiTP Vol. 43 Issue 3, 2016, pp. 195-198.
[5] Osuch-Pajdzinska E., Roman M., Sieci i obiekty wodociqgowe, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008.
[6] |FN-71/[h-02-8f|1. O^rana prk^ciwpozarovrc w budovkn|(]twie. iiîuche ptiony. Wymagania i ^dani a.
[7] PN-72/B-02865 Ochrona przpciwpozorowa w budown.ctwie. Przeciwpozarowe zazpatrzenie wzdne. Instalacji wzdociqgowa wewnçtrzna przedwpozarowa.
[8] PN-7b^T-00íi|6r Ochrona przeciwpozarowa vz bc<downictwie. Suche piony. Wymagania i badania.
[9] PN-B-02861:1994 Ochrona przeciwpozarowa budynków. Suche piony.
y10] PN-E[-0286Í]:1997 Ochrona przeciwpozarowa buCyntów. P rzeciw-pozarowe zaopatrzenio wodne. Iastatacia wodociqgowa przzciw-pozarowa.
[11] Ustawa z dnia 24 sierpnia 1991 roku o ochronie przeciwpozarowej (Dz.U. z 2009 r. Nr 178, poz. 1380 z pózn. zm.).
[12] Rozporzqdzenia Ministra Spraw Wewnçtrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpozarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz.U. z 2010 r. Nr 109, poz. 719).
ML. BRYA. ^^ INT. TOMADT DRZYMAZT - jest absoIwzntem dziennych 7tu-diów magisteraiich hzkoty Gtównej Stuzby Pozarniczej vs Warszawie, którq ukonczyl w 2004 coku na Wydziale Inzynizrii Bezpieczenstwa Pozarowego. Pracç zawodowy rozpoczyt w 2004 roku na stanowisku asystenta w Zakta-dzie Hydromechaniki i Przeciwpozarowego Zaopotrzonia w Wo(dN C|d 2Hl 1 roku z^imuie stanowisko tóerowa^a Zaktadu Podstyw Biscjownictvsa i Mate-riatów Budowlanych vr Katedrze Bezpieczenstwa Brdowli i Rozpoznawan|a Zagrozen. W ramach rozwoju naukowego uczestniczy z referatami w konfe-rencjach krajowych i zagranicznych, publikuje w czasopismach fachowych. Jest autorem oraz wspótautorem kilkudziesiçciu artykutów i publikacji na-ukowych o tematyce dotyczqcej ochrony przeciwpozarowej oraz budownic-twa. Jego gtówne zainteresowanie skupia siç obecnie oa komputerowym mode!owanio procesów gazzenia oraz badaniu vcptyvau wyzokich temperatur na zmianit wtosciwcsci materiatów kompozytowych.
ST. BRYY. W ST SPOCZ. DD LZ. SYLWTSTER ZIEITSZRK - ukonczyt dzienNe studio na Wydziale Mechanicznymi EneEpetyki i Lo^ictwa Portechniki Warszawskiej. Flosiada uprawnienia rzeczoznawcy ds. zabez-pieczen przeciwpozarowych. Od ukonczenia studiów jest pracownikiem naukowo-dydaktycFnymWOSR a nastopnie SGSP. W latach 1988-1999 oraz 2002-22016 zojmowat stanowisko kierownikaKatedry Techniki Po-zarniezej. Prowadzi zajçcia z przedmiotów: hydromechanika 1 przeciw°o-zarowe zaopatrzenie w vzod:1, teimodynamika. W pracy aaukowet 7a]muje siç gtównie badaniem wtasnosci przeptywowych sprzçtu pozarniczego. Jest autorem i wspótautorem szeregu artykutów oraz wielu ekspertyz z zakresu ochrony przeciwpozarowej.
KPT С^бГПТ^.^^ОА^Г^к^ BINIO - jezt absolwentkq Szkoty Gtównej Stuzby Pozp-piczej vs Warszawik, Otórq Akonezyta w 2012 roku naWydziale Inzynierii Bezkioczenstwa Pozarowego. Pracz zawodowq rozpopzçta w 2012 roku na skanowisku dowódcy sekcji w Jednostce Ratowniczo--Gasniczei S(ESPi nastçpme na stanowisku asystenta w ^Iktadzie Hydoo-mecozniki1 TrzeciwHozarowego Zaopatrzenia w Wod^ Od 20г fi roku .wt-ni funkipj«? Werowmka Pracowni - La boratori um Hydramecha г: iki. Swope badania oraz kierunek zainteresowan wiqze bezposrednio z mechanikq ptynów, badaniem wtasciwosci przeptywowych przewodów oraz prze-ciwpozarowym zaopatrzeniem w wodç. W ramach rozwoju naukowego uczestniczj w konferenc]ach krrjowych i zagrarniznych. Jest wspótaz-torkq artykutów z zakroou ochrony rtzociwpozarowet.
TOMASZ DRZYMAtA, PhD. - In 2004} he completed his full-time; Master's degree studies at the Faculty of Fire; Safety Engineering of the Main School of Fire Service in Warsaw. He started Pis professional career in 2004 as an assistant at the Institute; of Hydromechanics and Firefighting Water Supply. Since 2011 hie has been the head of the Institute of (Construction Fundamentals and Building Materials at the Construction Safety Department. In his acpctemic path, he [presents; his [5apers at domestic and foreign conferences and publishes in professional magazines. He s the author and co-author of several dozen articles and science publications on fire protecti on and construction. His main interests currently include computer-aidud extinguishing processes modelling and research into the influenne of high temparatures on tPp paoperties of composite materials.
SYLWESTER KIELISZEK, Ph.D. Eng. - a graduate of full-time studies from the Faculty of Power an d Aeronautic al Engineering of the Warsaw University of Technology. He is a certified fire-risk surveyor. Since majoring, he has been an academic at the Higher School for Fire-Service Officers and then at theMain SchooloftheFireService. In the years 1988-199E aid 2002-2.16, he held the position of the Head of the Firefighting Technical Science DRpartme nt. He Iholds classe s in H ydrom ach anics, Fire-water supply and "ITiermodynamics. Ris scientific activities maiely include researching the flow properties of fire-fighting eqeipment. He has authored and co-authored a number of papers and expert reports in the field of fire protection.
JOANNABINIO,M.Sc.Eng. - in 2012, she grad-ated from the Faculty of Fire Safety Engi neering at the Main Schpol af Fire Seraice in W arsaw. SOe started Ee r career in 22012 aa a Section Commander at the MSFS Fescue & Firefiehtitg Unit, and then as assistanN ai th e IEREartAsnt of Hydrom e-chanics and Fire-Water ^pply. .n 2016, she became Head of the Hydromechanics Workshop-La.tratory. Her researcE and academic intarests are direc°ly related ta the mecfianics of liquids, analyses of the flow-ralat-ed propertiee of conduits, and fire-water supply. As part or het academit development, Joanna Binio attends conferences in Poland and abroad. She has co-authored several papers on fire protection.
Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyzszego
AEtyCн^ zkr-T pEzot^HATczтny zt SEтdCów MNiSW w datco zcotoítí У-лптто тoplтjгzyczoycT wonji TEypioтloycT p]-tyCaiów nтнCтwycT wydтwтnycT w CwтEtтlniCн „BiTR. Bozaioczoñ7twт i TuomCa Rтzтmiczт" - -yp zcotoítí 7-wt]zooíz тoplтjгzyczoycT wonji wydтwтnycT daPliCTeii fincnrkwcno w ETATcT tAkwy h3dSR-DDNSear б zo SEтdCów minir-ra NaaCi i SzCтloictwт Wyzrzopk dEzozoтczтoycT na ozítítIotsC adтw7zocToiтj^c^ natCr.
