Systemy instalacyjne do odprowadzania wód deszczowych są bardzo ważnym elementem wyposażenia technicznego większości budynków. Dla poprawnego doboru odwodnienia dachowego konieczne jest prawidłowe określenie parametrów, które opisują opad deszczu na danym obszarze oraz parametrów technicznych wszelkich elementów, które wchodzą w skład prawidłowo zaprojektowanego i wykonanego systemu odwodnienia. Tylko bardzo rzetelnie przeprowadzone obliczenia i analiza konkretnego przypadku zagwarantują, że system będzie pracował skutecznie i bezawaryjnie. W poprzednim numerze autor przybliżył przepisy prawa dotyczące odwodnień dachów i opisał system grawitacyjny.

Odwodnienie podciśnieniowe
System podciśnieniowy pozwala na sprawniejsze odprowadzenie wody niż w przypadku zastosowania typowych rynien i według wielu fachowców jest także skuteczniejszy, aniżeli odwodnienie grawitacyjne. Na rysunku 5. przedstawiono przykładowy schemat hali z dachem płaskim, w którym wykorzystano odwodnienie systemem podciśnieniowym. Widać, że przy takiej samej wielkości hali jak przedstawiono to w odwodnieniu grawitacyjnym, wpustów dachowych może być mniej, dodatkowo każdy wpust nie musi być podłączony do indywidualnego pionu. Zastosowano pojedynczą rurę spustową dla każdego obiegu, a kolektory odbierające wodę z wpustów instalowane są do specjalnej szyny i prowadzone pod sufitem obiektu. Dzięki prowadzeniu przewodów tuż pod dachem, instalacja nie powinna kolidować (brak obowiązkowych pionów dla każdego wpustu) z elementami i urządzeniami, które są wyposażeniem technicznym danego obiektu. 

Podciśnieniowe systemy odwodnienia dachu wykonane są z:

• wpustów dachowych z płytą antywirową,
• poziomych kolektorów rur odbierających, instalowanych do sufitu (nie zakopane w ziemi),
• jednej rury spustowej dla każdego obiegu,
• rur spustowych na obwodzie budynku,
• kolektorów bez spadkowych.

Inna aniżeli w przypadku systemu grawitacyjnego jest konstrukcja samego wpustu podciśnieniowego, który jest „sercem" całej instalacji. Specjalna przegroda powietrzna, która została umieszczona we wpuście, sprawia, że po przekroczeniu pewnego poziomu wody (spiętrzenia wody wokół wpustu) następuje zamknięcie dopływu powietrza (podobnie jak w typowym syfonie), a płyn całkowicie zaczyna wypełniać wpust podciśnieniowy a następnie rurę, dzięki temu woda przepływa przez elementy instalacji zdecydowanie szybciej. W systemie podciśnieniowym wykorzystane są rury o mniejszych średnicach niż w systemie grawitacyjnym, a co najważniejsze – nie muszą one posiadać spadku, co znacznie ułatwia rozmieszczenie ich w przestrzeni znajdującej się pod stropem. Duże ciśnienie wody umożliwia też samoczynne czyszczenie rur, co dodatkowo obniża koszty konserwacji. Wpusty mogą mieć odprowadzenie pionowe lub poziome, mogą także posiadać przyłącze obrotowe, co zdecydowanie ułatwia montaż dodatkowego osprzętu. Oferta wpustów podciśnieniowych pod względem maksymalnych wydajności to przedział pomiędzy 12 l/s do nawet 100 l/s.

Pomimo tak dużych wydajności, należy jednak pamiętać, że w sytuacji, gdy z wykonanych obliczeń hydraulicznych dla małego dachu wynika, że wystarczające będzie zastosowanie pojedynczego wpustu podciśnieniowego, to w takim przypadku bezwzględnie należy zainstalować minimum dwa wpusty, drugi będzie pracował jako awaryjny. O ile w grawitacyjnych systemach odwodnieniowych odprowadzenie wody odbywa się wyłącznie dzięki sile grawitacji, o tyle w systemie podciśnieniowym siła grawitacji służy do wytworzenia podciśnienia w przewodach, co powoduje zwiększenie wydajności instalacji. Efekt podciśnieniowy uzyskuje się poprzez uniemożliwienie zasysania powietrza (dzięki specjalnej wkładce wpustu) do wpustów dachowych podczas opadów o natężeniu zbliżonym do obliczeniowego. Wpust dachowy ze specjalną zaprojektowaną przegrodą powoduje, że do środka przewodów zasysana jest tylko woda, bez powietrza, dzięki czemu może zajść efekt podciśnieniowy. Na rys. 7 przedstawiono pracę wpustu podciśnieniowego, który jak pokazano jest w 100% wypełniony wodą, zobrazowano także zachowanie się wody deszczowej w instalacji podciśnieniowej w poszczególnych fazach (etapach) od momentu wystąpienia opadu do momentu uzyskania podciśnienia w instalacji kanalizacyjnej.

Etap I – Przy umiarkowanym przepływie, tj. na poziomie od 10% do 15% zaprojektowanej wartości intensywności opadów, wpust dachowy pracuje tak, jak w przypadku systemów tradycyjnych, a przepływ jest określany mianem "grawitacyjnego". W tym przypadku, podobnie jak we wpuście grawitacyjnym, wewnątrz przewodów całej instalacji znajduje się podwyższona ilość powietrza.

Etap II – Przy wypełnieniu przewodów wodą na poziomie pomiędzy 10% a 15% objętości, do 60%,przepływ wody jest nieciągły, a praca całego systemu przechodzi od grawitacyjnego do podciśnieniowego i odwrotnie. Podnosi się na odwadnianej powierzchni poziom wody wokół wpustu a woda gromadząca się na dachu przykrywa płyty zabezpieczające przed tworzeniem się wirów wodnych, co zapewnia,brak przenikania powietrza do rur i uruchamia efekt podciśnieniowy. Efektem jest wzrost prędkości przepływu wody i zmniejszający się poziom wody na dachu obiektu, a tym samym powietrze zasysane jest ponownie do przewodu i efekt syfonowy zostaje przerwany. Z tego powodu etap ten jest nazywany przepływem korkowym. 

Etap III – Gdy poziom wody osiąga od 60% do 95% projektowanych wartości intensywności opadów, rury są całkowicie wypełnione wodą choć pęcherzyki powietrza nadal przedostają się do instalacji. Ten etap nazywany jest przepływem pęcherzykowym i charakteryzuje się dużą prędkością przepływu, dzięki efektowi syfonowemu.

Etap IV – Kiedy przepływ osiąga ponad 95% projektowanej wartości intensywności opadów, efekt syfonowy działa z pełną wydajnością przy maksymalnej prędkości przepływu bez obecności pęcherzyków powietrza wewnątrz instalacji. Ten etap nazywa się "pełnym przepływem" i nie generuje hałasu i drgań w instalacji. 

Zdecydowanie bardziej skomplikowane, aniżeli w systemie tradycyjnym, są obliczenia hydrauliczne oraz dobór systemu podciśnieniowego. Energia potrzebna do pokonania oporów przy zwiększonych prędkościach przepływu w przewodach jest uzyskiwana dzięki wykorzystaniu różnicy wysokości pomiędzy poziomem zamontowania wpustu dachowego, a wylotem do odbiornika (miejscem przejścia na układ grawitacyjny). W idealnych, ustalonych warunkach pracy ilość dopływającej wody deszczowej jest równa ilości wody odprowadzanej, w punktach 1 i 2 (rys. 8.) panuje ciśnienie atmosferyczne, a poziom wody w punkcie 1 jest stały (prędkość dopływu wody deszczowej jest równa 0).
Do obliczeń hydraulicznych systemy wykorzystuje się równanie Bernoulliego:

gdzie:
h₁, h₂ – wysokość położenia punktu 1, 2; p₁/γ, p₂/γ – wysokość ciśnienia w punkcie 1, 2; V2/2g, V2/2g – wysokość prędkości w punkcie 1, 2; ∑H1-2 – wysokość strat hydraulicznych przy przepływie cieczy pomiędzy punktami 1 – 2
Uwzględniając w powyższym równaniu przyjęte wcześniej założenia teoretyczne, otrzymamy:

Z równania wynika, że w idealnie pracującym systemie podciśnieniowym, całkowita suma strat ciśnienia w instalacji, oznaczana przez ∑∆H, jest równa różnicy wysokości pomiędzy poziomem zamontowania wpustu dachowego a poziomem punktu odpływu wody z systemu (przejściem na system grawitacyjny). Tę różnicę wysokości nazywamy wysokością dyspozycyjną ∆h. Ponieważ osiągnięcie idealnej równowagi hydraulicznej systemu jest praktycznie niemożliwe, dąży się do takiego doboru instalacji, żeby dla każdej sekcji wysokość dyspozycyjna była równa lub nieznacznie większa od sumy strat ciśnienia: ∆h ≥ ∑∆H. Przy dwóch obiektach o tej samej powierzchni dachu, ale o różnych wysokościach, mniejsze średnice przewodów uzyskamy dla obiektu wyższego, gdyż do dyspozycji będzie większa różnica wysokości pozwalająca nam na pokonanie większych oporów przepływu – uzyskamy większe podciśnienie.

Wystąpienie efektu podciśnieniowego i praca instalacji przy całkowitym napełnieniu przewodów jest uzależniona od spełnienia kilku warunków:

• natężenie deszczu jest zbliżone do obliczeniowego,
• średnice przewodów są tak dobrane, żeby zapewnić uzyskanie odpowiednich prędkości przepływu,
• zapewniona jest wystarczająca różnica wysokości,
• nie następuje zasysanie powietrza przez wpusty dachowe,
• nie występuje kawitacja.

Zwiększona prędkość przepływu i uniemożliwienie zasysania powietrza powoduje, że uzyskujemy zdecydowany wzrost wydajności instalacji przy znacznym zmniejszeniu średnic przewodów w porównaniu z systemem grawitacyjnym. Teoretycznie dla bardzo wysokiego obiektu można by uzyskać bardzo małe średnice instalacji, najważniejsze aby podczas pracy systemu nie powstało zjawisko kawitacji oraz aby do budowy instalacji wykorzystano rury, które mogą pracować na podciśnieniu, w innym przypadku istnieje ryzyko rozszczelnienia instalacji.

System podciśnieniowy najczęściej wykonywany jest na bazie rur PEHD, w zakresie średnic od DN 40 – DN 315 wraz z bardzo szerokim asortymentem kształtek instalacyjnych. Rury i kształtki łączone są ze sobą tak, jak w przypadku Rainplus firmy Valsir za pomocą muf elektrooporowych lub zgrzewania doczołowego. Dzięki szerokiej gamie złączek, instalator podczas budowy instalacji może na miejscu sprawnie przeprowadzić prefabrykację wielu części instalacji. Ze względu na swoje właściwości rury i kształtki HDPE oprócz podciśnieniowej aplikacji odwodnień dachów, są stosowane do wykonywania instalacji kanalizacji grawitacyjnej deszczowej, sanitarnej i technologicznej.
Całość instalacji rurowej co pokazano na rysunku 10. zamocowana jest do specjalnych szyn, które zostały opracowane w ten sposób, aby wytrzymały siły powstające w wyniku kurczenia się i rozszerzania sieci instalacyjnej. W skład systemu mocowań wchodzą obejmy do mocowania rur z kołkami rozporowymi, obejmy z prętami gwintowanymi oraz obejmy do montowania rur na szynach montażowych.

Odwodnienie awaryjne i podgrzewanie wpustów
W przypadku wystąpienia nawalnych opadów deszczu, uszkodzenia wpustów podstawowych lub też zmniejszenia przepustowości, standardowo dobrane rozwiązania mogą okazać się niewystarczające, a co za tym, zakładana przez projektanta ilość wody nie zostanie odprowadzona poza budynek. Każdy obiekt budowlany z dachem płaskim musi być odpowiednio przygotowany na przedstawione wypadki, dlatego też projektując system podstawowy, należy wziąć pod uwagę konieczność wykonania rozwiązania awaryjnego. Nadmienić należy, że wykonanie odwodnienia awaryjnego dachu jest obowiązkiem wskazanym w normach DIN 1986-100 oraz PN EN 12056-3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. nr 75 poz. 690 z 2002 r. wraz z późniejszymi zmianami), §122 ust. 2 głosi, że „instalacja kanalizacyjna budynku powinna spełniać wymagania określone w Polskich Normach dotyczących tych instalacji" i przywołuje normę PN-EN 12056-3 Systemy kanalizacji grawitacyjnej wewnątrz budynków. Część 3: „Przewody deszczowe – Projektowanie układu i obliczenia".

Każdorazowe uruchomienie w normalnych warunkach wpustów awaryjnych powinno zostać potraktowane przez użytkownika jako ostrzeżenie, że jeden lub kilka wpustów zostało częściowo lub całkowicie zatkanych lub uszkodzonych i konieczna jest inspekcja na dachu. Podczas odwadniania awaryjnego, woda powinna swobodnie przepływać na teren poza odwadniany budynek, nie doprowadzając w efekcie finalnym do uszkodzenia żadnego fragmentu budynku. Tylko poprawnie zamontowany układ odwadniający wraz systemem awaryjnym sprawdzi się w nawet najbardziej ekstremalnych warunkach pogodowych i może zapewnić właściwy stopień ochrony przed wilgocią.

Na rysunku 11. pokazano dwa przykłady rozwiązań wpustów awaryjnych. Rysunek 11a przedstawia typowy wpust z odprowadzeniem zebranej wody do specjalnej instalacji, natomiast rysunek 11b przedstawia jedno z najprostszych rozwiązań odwodnienia awaryjnego potocznie nazywanego „rzygaczem" zewnętrznym. Nie jest to idealne rozwiązanie, gdyż nadmiar wody kierowany jest wprawdzie na zewnątrz, ale woda wyrzucana jest na ścianę budynku. Mimo to najważniejsze jest, że zastosowany element spełni swoje zadanie i nie doprowadził do dodatkowego obciążenia powierzchni dachu. Każdy większy opad jest dużym obciążeniem dla konstrukcji dachu. Spiętrzenie tylko 10 cm wody na płaskiej powierzchni połaci dachowej to około 100 kg dodatkowego obciążenia na każdy m² powierzchni. Aby zobrazować jakie jest to duże obciążenie dla konstrukcji, weźmiemy pod uwagę dach o powierzchni 200 m2, spiętrzenie wody na wysokość 10 cm, przy tej powierzchni to dodatkowe 20 ton obciążenia!!! Wiele osób jest przekonanych, że najprościej byłoby zwiększyć ilość wpustów głównych na dachu, jednocześnie rezygnując z wpustów awaryjnych, oczywiście takie myślenie, a także rozwiązanie jest błędne.

Odwodnienie główne jest przyłączone do kanalizacji deszczowej i w przypadku wspomnianych powyżej sytuacji może nie być w stanie przyjąć tak dużych ilości wody. Podstawowa zasada odwadniania awaryjnego mówi, że odprowadzenie opadu z dachu musi być wykonane na teren wokół budynku bez podpinania do podstawowego systemu odwadniania budynku lub też kanału kanalizacji deszczowej.

Aby zabezpieczyć obiekt budowlany przed wystąpieniem awarii lub katastrofy budowlanej, konieczne jest zamontowanie wpustów awaryjnych, które odprowadzą nadmierne ilości wody w sytuacjach niebezpiecznych dla konstrukcji budynku. Do tego celu użyć można tych samych wpustów co podstawowe, z tą różnicą, że muszą one być zainstalowane wyżej niż wpusty główne. Dokładne wyznaczenie wysokości montażu systemu awaryjnego, wysokości, przy której system awaryjny miałby zostać uruchomiony, powinien określić projektant instalacji wraz z konstruktorem, gdyż wysokość ta zależy od konstrukcji i możliwości technicznych dachu. Dobór wpustów awaryjnych, podobnie jak głównych, wymaga wykonania kilku dodatkowych obliczeń. Według założeń odwodnienie awaryjne powinno odebrać minimalnie taką ilość wody, jaką odbierają wpusty odwodnienia głównego. W Niemczech przyjmuje się, iż ilość wody deszczowej, jaka przypada na wpusty odwodnienia awaryjnego powinna być dwukrotnie większa od ilości wody odprowadzanej przez wpusty odwodnienia podstawowego. W Polsce parametrem pozwalającym na wykonanie obliczeń odwonienia awaryjnego, jak i też głównego jest norma PN 92/B-01707 określająca wartość natężenia deszczu nie mniejszą niż 300 dm3/s ha, wraz z współczynnikami spływu wody dla różnych typów dachów.

Biorąc pod uwagę warunki klimatyczne naszego kraju, instalowane na dachach wpusty należy dodatkowo wyposażyć w podgrzewanie elektryczne, które uniemożliwia zablokowanie wpustów lodem lub śniegiem. Przewody grzejne instalowane we wpuście zasilane są prądem o napięciu 230 V oraz podłączane najczęściej do uniwersalnego termostatu dwuzakresowego włączającego urządzenie jeżeli temperatura mieści się w przedziale od -5 do 5°C. W przypadku podgrzewaczy półprzewodnikowych im niższa temperatura zewnętrzna tym bardziej wzrasta moc grzewcza przewodu. Ogrzewanie wpustów powinno być dobrane w taki sposób, aby chroniło nie tylko ujście wpustu, ale także bezpośrednie otoczenie.

Podsumowanie wraz przykładem obliczeniowym
Na podstawie danych zawartych w materiałach techniczno-handlowych firmy Valsir, która jest producentem systemu odwodnień podciśnieniowych Rainplus przygotowano porównanie systemu odwodnienia dachu za pomocą wpustów grawitacyjnych i podciśnieniowych. Symulacja została przygotowana przez inżynierów firmy Valsir, którzy wykonali pełne obliczenia hydrauliczne dla dachu płaskiego takiej samej hali.

Założenie do obliczeń hydraulicznych:
Powierzchnia dachu: 2500 m²
Intensywność opadów deszczu: 108 mm/h

Porównanie parametrów technicznych po wykonanych obliczeniach i doborze elementów systemu. W tabeli 2 zestawiono ilości materiału, jakiego by użyto do wykonania odwodnienia dla przedstawionego przykładu, wykonując symulacje obliczeniowe.
Analizując wyniki symulacji można stwierdzić, że przy wykonaniu systemu podciśnieniowego użyjemy około 30% mniej rur, około 11% mniej kształtek, a całkowity koszt materiałów dla instalacji podciśnieniowej wg danych Valsir Sp. z o.o. będzie niższy o 25%. Biorąc pod uwagę sam materiał dla tej wielkości obiektu to dość duża różnica. Najprawdopodobniej mniejszy będzie także sam koszt instalacji systemu podciśnieniowego, gdyż zastosowano o 5 wpustów mniej (wpusty Rainplus to maksymalny przypływ na poziomie 65 l/s), co jednoznacznie przekłada się na mniejsze zaangażowanie czasowe.
Żaden system nie będzie pracował dobrze, jeśli nie zostanie dobrze dobrany a następnie wykonany. Zwłaszcza rozwiązanie podciśnieniowe nie „wybaczy" błędów obliczeniowoprojektowych i wykonawczych. W przypadku doboru rozwiązania najlepiej zgłaszać temat do firmy, która produkuje tego typu rozwiązanie. Firmy te dysponują odpowiednim oprogramowaniem komputerowym, posiadają specjalistyczną wiedzę, która będzie bardzo pomocna przy prawidłowym doborze. Zdecydowanie odradza się wykonywania „podmianek" projektowych jednego systemu na drugi bez konsultacji z projektantem gdyż niewielka zmiana może skutkować brakiem oczekiwanego efektu pracy.

Dobór i instalacja to tylko jeden z elementów do prawidłowego funkcjonowania systemu. Bez względu czy będzie to układ grawitacyjny czy podciśnieniowy obowiązkiem inwestora, o czym mówią zasady techniki, jest obowiązek konserwacji i przeglądów okresowych poszczególnych elementów i całej instalacji. Skutki wszelakich zaniedbań mogą mieć naprawdę bardzo różny charakter – od częściowej blokady odpływu, co może w konsekwencji prowadzić do uszkodzenia hydroizolacji i uszkodzenia elementów konstrukcyjnych budynku, aż po te najbardziej tragiczne w skutkach, czyli zawalenia się dachów płaskich pod ciężarem wody.

Literatura:

[1] Norma DIN1986-100
[2] PN-EN 12056-3:2002 Systemy kanalizacji grawitacyjnej wewnątrz budynków. Część 3: przewody deszczowe.
[3] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury Dz. U. nr 75 poz. 690 z 2002 r. wraz z późniejszymi zmianami
[4] PN-B-01707:1992 Instalacje kanalizacyjne – Wymagania w projektowaniu.
[5] Materiały techniczno-handlowe firm: Valsir, Geberit, Wavin, Sita,Galeco, Marley, Dyka
[6] System instalacji do podciśnieniowego odwadniania dachów Wavin QuickStream, Poradnik techniczny, Wavin 2005.
[7] www.dachypolskie.info
[8] www.fachowydekarz.pl
[9] www.dachyb2b.pl
[10] Chudzicki J., Sosnowski S.: Instalacje kanalizacyjne, wydawnictwo SeidelPrzywecki. Warszawa. 2011.
[11] Królikowska J., Królikowski A.: Wody opadowe, wydawnictwo Seidel-Przywecki. Warszawa. 2012.

Autor: mgr inż. Artur Stadnik