Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Использование водных ресурсов для водоснабжения жилищного фонда и проблема водосбережения 20
1.1. Водные ресурсы как база питьевого водоснабжения 20
1.2. Структура водопотребления и классификация потерь воды в жилых зданиях 25
1.3. Наполнительная арматура для смывных бачков и анализ ее работы 40
1.4. Вентильные головки водоразборной арматуры и анализ их работы 43
1.5. Нерациональные расходы воды как результат используемой технологии водоснабжения жилых зданий 46
Выводы по главе I 56
Цель и задачи исследований 57
Глава II. Методики, использованные при исследованиях 59
2.1. Планирование экспериментов и обработка экспериментальных данных 59
2.2. Лабораторные исследования санитарно-технической арматуры. 68
2.3. Натурные исследования 74
Выводы по главе II 80
Глава III. Исследование гидравлических характеристик поплавковых клапанов и разработка автоматических регуляторов уровня, закрываемых давлением воды (клапанов попутного давления) 81
3.1. Исследование параметров гидравлических характеристик
наполнительной арматуры для смывных бачков 81
3.2. Автоматические регуляторы уровня, закрываемые давлением воды (поплавковые клапаны попутного давления) 88
3.3. Гидравлический расчет поплавковых клапанов попутного давления 93
3.4. Гидравлические характеристики поплавковых клапанов попутного давления 105
Выводы по главе III 114
Глава IV. Исследование и разработка водоразборной арматуры с водосберегающими гидравлическими характеристиками 116
4.1. Исследование работы водоразборной арматуры 116
4.2. Водоразборная арматура с водосберегающими гидравлическими характеристиками
4.3. Математическое описание формы проходного отверстия запорной пары шайбового типа
4.4. Исследование гидравлических характеристик диафрагмы с плавно изменяющейся формой проходного отверстия 135
4.5. Гидравлический расчет водоразборной арматуры 149
4.6. Гидравлические испытания водоразборной арматуры с водосберегающими характеристиками 154
Выводы по главе IV 156
Глава V. Исследование водопотребления в жилых зданиях 158
5.1. Исследование режимов водопотребления 158
5.2. Обследование санитарно-технической арматуры в эксплуатационных условиях 166
5.3. Оценка величины утечек воды в жилых зданиях 171
5.4. Потери воды из систем горячего водоснабжения 176
5.5. Эффективность устранения утечек воды на заводомерных линиях.. 190
5.6. Достоверный приборный учет водо потребления в жилых зданиях 196
Выводы по главе V 207
Глава VI. Технология управления водопотреблением в жилых зданиях 210
6.1. Водопотребление как фактор, определяющий управляемость системы водоснабжения жилых зданий 210
6.2. Тарифная стратегия предприятия водопроводно-канализационного хозяйства на сегментированном рынке 222
6.3. Критерий водного комфорта в жилых зданиях 228
6.4. Факторы, оказывающие влияние на поведения потребителей водопроводной воды в жилых зданиях 233
6.5. Влияние демографических факторов на использование водопроводной воды в жилых зданиях 236
6.6. Мотивация водосбережения как фактор управления водопотреблением в жилых зданиях 242
6.7. Оценка экономической эффективности рационального использования воды в жилых зданиях 253
Выводы по главе VI 260
Общие выводы 262
Список литературы 268
Приложения 292
- Структура водопотребления и классификация потерь воды в жилых зданиях
- Лабораторные исследования санитарно-технической арматуры.
- Автоматические регуляторы уровня, закрываемые давлением воды (поплавковые клапаны попутного давления)
- Водоразборная арматура с водосберегающими гидравлическими характеристиками
Введение к работе
Рациональное использование водных ресурсов при водоснабжении жилищного фонда является одной из наиболее актуальных задач обеспечения экологической и санитарно-гигиенической безопасности населения России. В жилых зданиях современного благоустройства, оборудованных централизованными системами холодного и горячего водоснабжения и стандартным набором санитарно-технических приборов (ванна, умывальник, мойка, унитаз со смывным бачком) удельное водопотребление составляет от 250 до 1000-1050 л/(сут. чел.) [18, 21, 159, 189], что существенно выше аналогичных показателей для индустриально развитых стран [76, 113, 159, 22], Это приводит к дополнительным заборам воды из природных источников и сбросу очищенных (с меньшей концентрацией загрязнений) сточных вод в поверхностные водоемы. Увеличение антропогенной нагрузки на природные водоемы создало весьма сложные проблемы в водоснабжении ряда городов России, из которых почти в 100 подача воды населению осуществляется по графику (несколько часов утром и вечером) при удельном водопотреблении 180-220 л/(сут. чел.) [8, 29]. Страна в целом богата водными ресурсами, а ежегодно возобновляемый сток речной воды составляет в среднем около 30 тыс, м /год на одного человека (для сравнения - на одного жителя в Европе приходится 4,6 тыс. м3/год) [119, 173]. В связи с этим снижение различного рода потерь воды в жилых зданиях городов позволяет использовать сэкономленную воду как дополнительный источник водоснабжения и при существующих мощностях обеспечить значительно большее количество потребителей.
Предметом данной диссертации являются водосберегающие гидравлические характеристики санитарно-техническоЙ арматуры и технология водоснабжения жилых зданий.
Неудовлетворительные гидравлические характеристики санитарно-технической арматуры, широко применяемой в современных системах водоснабжения жилых зданий, обусловливают значительные потери воды в виде ее утечек через смывные бачки и непроизводительных расходов в процессе хозяйственно-бытового водопотребления.
Величина потребности в воде для каждого человека является индивидуальной и может колебаться от минимальной 10-12 л/(сут. чел.) до оптимальной 70-100 л/(сут. чел.) [6, 76]. При повышении степени инженерного благоустройства (биде, ванны с гидромассажем, бассейны, автоматические стиральные и посудомоечные машины) водопотребление может увеличиться в несколько раз. Большие расходы воды обусловлены не только полезным недопотреблением, но и ее потерями. Потери воды в жилых зданиях можно подразделить на: утечки воды через смывные бачки; утечки воды через водоразборную арматуру; непроизводительные расходы воды через водоразборную арматуру; сливы недостаточно нагретой или остывшей воды в системах горячего водоснабжения; утечки воды на трассах холодного и горячего водоснабжения внутри территории микрорайона; нерациональное использование воды потребителями.
Диссертация посвящена решению проблемы комплексного снижения потерь воды в жилых зданиях путем совершенствования параметров гидравлических характеристик санитарно-технической арматуры, совершенствования технологии водоснабжения, разработке принципов оптимального водопотребления с учетом потребительского поведения населения,
Состояние проблемы
Проблема снижения потерь воды возникла одновременно с созданием систем водоснабжения и видоизменялась по мере их развития и совершенствования.
Наибольшее количество потерь воды обусловлено ее утечками через смывные бачки, особенно увеличивающимися с повышением этажности [27, 227]. Экспериментально установлено, что утечки воды через смывные бачки происходят из-за нарушения плотности закрывания проходного отверстия поплавковых клапанов противодавления [32, 36, 38, 70, 72, 105]. В [177], автором впервые была представлена величина критического значения давления перед наполнительной арматурой противодавления для смывных бачков, превышение которой, как правило, приводит к утечкам воды с увеличивающейся интенсивностью при повышении давления.
Для устранения утечек воды через смывные бачки из-за нарушения герметичности наполнительной арматуры применяется регулирование давления на водопроводных вводах [49, 246], а также частотное регулирование электропривода насосов [106, 49, 229]. Несмотря на водосберегающий эффект указанных технических мероприятий, целесообразно применение поплавковых клапанов попутного давления [37, 38, 70, 121, 147, 150-154, 256, 273], у которых давление воды в сети способствует более плотному закрыванию проходного отверстия. Одним из наиболее существенных недостатков указанных технических решений являются отказы на открывание после слива воды из смывного бачка.
Автором разработана методическая основа гидравлического расчета поплавковых клапанов попутного давления, позволяющая проектировать наполнительную арматуру с учетом давлений в сети водоснабжения [178, 209]. Это позволило автору и его коллегам разработать ряд высокоэффективных технических решений поплавковых клапанов попутного давления для смывных бачков, безотказно работающих на всем диапазоне давлений, применяемых в системах водоснабжения жилых зданий [183, 184, 202]. Экспериментально установлены параметры основных гидравлических характеристик автоматических регуляторов уровня, закрываемых давлением воды (по плавковых клапанов попутного давления).
Утечки воды и непроизводительные расходы через водоразборную арматуру менее интенсивны, чем через смывные бачки, и происходят в основном из-за нарушения плотности запорной пары вентильной головки [1, 93, 103, 165, 219, 244]. Регулирование давлений и расходов воды на водопроводных вводах позволяет существенно снизить непроизводительные расходы воды [49, 106, 246], однако представляется целесообразным решать задачу снижения потерь воды и путем совершенствования параметров гидравлических характеристик водоразборной арматуры. Автором и его коллегами [32, 179, 185] проведены исследования водосберегающих характеристик водоразборной арматуры, которые позволили определить приоритетные направления совершенствования запорной пары водоразборной арматуры. Автором и его аспирантом С.А. Мукарзелем разработаны и защшцены патентами России конструкции вентильной головки с запорной парой шайбового типа для водоразборной арматуры [204, 210], гидравлическая особенность которых позволяет получить практически линейное изменение расхода воды в зависимости от степени открывания крапа. Это обеспечивает существенное снижение непроизводительных расходов за счет улучшения регулирующей способности водоразборной арматуры и позволяет потребителям затрачивать меньше времени на получение требуемого расхода воды с желаемой температурой. Автором предложено изменение в ГОСТ 19681-94 "Арматура сани-тарно-техническая водоразборная " в части обеспечения надлежащего уровня регулирующей способности водоразборной арматуры с вентильной головкой шайбового тина.
Для оценки величины утечек воды в жилых домах используются методы, базирующиеся на измерении одного или нескольких параметров с последующим расчетом, основные положения которых представлены в работах [44, 49, 92, 93, 124]. Автором разработан метод определения величины уте чек воды в жилых зданиях, учитывающий закономерности их образования через смывные бачки при изменяющихся гидравлических условиях работы са-нитарно-техпической арматуры в течение суток [203]. Указанный метод позволяет получать достоверную оценку величины утечек воды при определении удельного водопотребления в жилых зданиях и, в конечном итоге, существенно упростить планирование водосберегающих мероприятий и оценку их эффективности.
Улучшение инженерного благоустройства жилых зданий и развитие систем централизованного горячего водоснабжения обусловило потери воды в виде сливов из-за остывания или недостаточного нагрева [6, 25, 26, 65, 78, 142-143, 211, 245-246]. Автором проведены многочисленные натурные экспериментальные исследования, позволившие определить оптимальное значение температуры горячей воды перед водоразборной арматурой у потребителя [180-182]. Автором также разработана методика оценки потерь горячей воды в системах горячего водоснабжения из-за ее низкой температуры относительно оптимального значения [182].
Одним из видов потерь воды в системах водоснабжения жилищного фонда являются ее утечки через различные неплотности и дефекты на трубопроводах внутренних водопроводов и микрорайонных линий (заводомерных трасс) от центра теплопередачи (ЦТП) до водопроводных вводов [106, 125, 126]. Автором, совместно с его аспирантом Педро Домингуш Тейшейра (Ангола), разработано и защищено в Роспатенте соединительное устройство [194] и способ его реализации, позволяющие обеспечить эффективное устранение аварий и утечек воды на трубопроводах указанного типа даже при негерметично закрывающихся задвижках, отключаюгцих поврежденный участок.
Вопрос об определении уровня рационального водопотребления в жилых зданиях является весьма актуальным, несмотря на относительно широ кую освещенность в литературе [8, 49, 64, 70, 75-77, 92-94,103, 113-114, 123-124, 149, 159, 166]. Обоснованно подойти к определению уровня рационального водопотребления населением можно только путем детального изучения и анализа фактического расходования воды в жилых зданиях. Анализу структуры водопотребления населением посвящены работы [6, 78, 92, 93, 166], в которых представлены данные о расходовании воды на выполнение различных хозяйственно-бытовых процедур. В [179] автором индивидуально и совместно с Ю.А. Скотниковым [182] впервые предложена комплексная структура расходования воды, включающая полезное водопотребление на хозяйственно-бытовые процедуры и основные виды потерь воды. Указанная работа получила свое дальнейшее развитие при исследовании водопотребления в жилых зданиях стран Ближнего Востока [223-224], выполненных аспирантом М.Ю. Тауфиком под руководством автора. Основываясь на анализе структуры расходования воды, автором разработана методология комплексной ог\енки величины потерь воды в жилых зданиях.
Вопросы приборного учета водопотребления в жилищном фонде рассматриваются в работах [18, 29, 33, 34, 107, 108, 131, 222, 228]. Для повышения достоверности учета водопотребления и водоотведения автором предложено внести изменения в СНиП 2.04.01-85 [213], заключающиеся в том, что при проектировании узлов приборного учета водопотребления в э/силых зданиях диаметр условного прохода счетчика воды следует выбирать с учетом наиболее полного использования технических возможностей водоизмерительных приборов.
Проблема снижения потерь воды при водоснабжении жилищного фонда в большинстве случаев рассматривается, прежде всего, как проблема технического характера, начинающаяся и кончающаяся совершенствованием оборудования и устройств различного назначения для применения в системах водоснабжения, т.е. с наиболее узкой точки зрения, не позволяющей видеть потребителей, пользующихся водопроводной водой. В то же время один из важнейших факторов, влияющих на величину расходования воды - потребительское поведение населения на рынке услуг водоснабжения и водоотведе-ния — остается не изученным. Автором проведено исследование влияния психологических, демографических, социально-экономических факторов на потребительское поведение населения на рынке услуг водоснабжения и во-доотведения для населения. В работах автора [192, 193, 197-201] теоретически и экспериментально показано, что на величину еодопотребления в жилых зданиях оказывает существенное влияние потребительское поведение населения па рынке услуг еодоснабоїсения и водоотведения, которое формируется под влиянием психологических, социально-экономических, демографических, климатических факторов. Это позволяет использовать их как инструменты социально-экономического управления водопотреблением в жилых зданиях.
Управление водопотреблением в жилых зданиях сопряжено с необходимостью использования как рыночных инструментов экономического характера, так и средств нормативного регулирования при обеспечении важнейшего условия общедоступности водопроводной воды питьевого качества для всех слоев населения вне зависимости от социального статуса и экономических возможностей. При этом доминирующее значение должен иметь не принцип обеспечения населения водой, а принцип удовлетворения потребностей населения в воде. Удовлетворение потребностей людей в водопроводной воде и управление водопотреблением в жилых зданиях можно разделить на два принципиально различных аспекта: поведенческий и нормативный.
Исследованиями автора установлено, что суть поведенческого аспекта заключается в том, что в условиях социально-экономической сбалансированности спроса и предложения поведение потребителей услуг водоснабжения и водоотведения в жилых зданиях основывается на их стремлении мак сгшально удовлетворить свои потребности в воде с учетом объективных технических возможностей системы водоснабжения и водоотеедения, а также своего экономического благосостояния. В условиях отсутствия приборного учета использованных услуг ВКХ непосредственно в квартирах у потребителей их поведение утрачивает экономическую основу, поскольку оплата производится по некоторому тарифу, единому для всех, несмотря на существенную экономическую дифференциацию самих потребителей.
Несмотря на важность проблемы нормативов водопотребления в жилых зданиях, ее теоретические и прикладные аспекты изучены недостаточно. Проблемы норм водопотребления и методов определения расчетных расходов воды представлены в работах [216-217, 241-243, 248-249, 75-76, 23, 43-44, 107], а также в публикациях автора, выполненных со своими аспирантами [187, 189, 191, 198].
На основе теоретических и экспериментальных исследований автором предложено, что социальная норма водопотребления — это такой регламентированный показатель внутридомового удельного расхода воды, который отражает необходимое минимальное количество воды, соответствующее типичному уровню потребностей населения в водопроводной питьевой воде, технические возможности систем водоснабжения и водоотеедения, уровень экологической безопасности водных источников, экономическую целесообразность и политическую необходимость. Автором разработана методика определения величины социальной нормы водопотребления в жилых зданиях.
Социальные нормы служат и мерой потребности в водных ресурсах для жилищного фонда и позволяют давать обоснованную и объективную оценку использования водных ресурсов в жилищном фонде. Для этого автором впервые предложено понятие индекса водопотребления, который характеризует степень отклонения фактического удельного расхода воды в домохозяйстве от ее социальной нормы. Автором впервые показано, что использо вание индекса водопотребленш позволяет обоснованно производить сег-ментацию рынка у слуг водоснабжения и водоотведения для жилых зданий.
По данным отечественных специалистов [81, 159, 228-229] муниципальные производственные предприятия ВКХ используют сегментацию рынка услуг водоснабжения и водоотведения» подразделяя абонентов на несколько категорий: население, промышленные и приравненные к ним предприятия, коммунально-бытовой сектор. Для каждого сектора используются различные схемы тарифов. Автором впервые предложено производить сегментацию рынка услуг ВКХ для жилищного фонда, разделяя его на четко идентифщи- рованиые группы потребителей.
По данным публикаций [126], а также исследований автора [223-224], для определения стоимости услуг водоснабжения и водоотведения наиболее часто используются пропорциональные и биномные формы тарификации. Автором впервые предложено для сегментированного рынка величину оплаты использованных услуг водоснабжения и водоотведения для жилищного фонда определять как сумму фиксированного тарифа независимо от водо потреблеиия и пропорциональной платы в зависимости от объема использо Ф у ванных услуг с учетом коэффициента сегментации, определяемого в зависи мости от индекса водного комфорта домохозяйства.
Автором впервые разработан и теоретически обоснован индекс водного комфорта в жилых зданиях, который характеризует степень удовлетворения потребностей домохозяйства в питьевой водопроводной воде.
Вышеизложенное в краткой форме характеризует задачи, поставленные и решенные в настоящей диссертации, и определяет ее место среди работ, посвященных основам рационального использования водных ресурсов населением в жилищном фонде.
Цель и задачи исследований
Анализ водопотребления в жилых зданиях городов России, научно- исследовательских работ, посвященных проблеме снижения потерь воды при водоснабжении жилых зданий, позволяет сформулировать цель работы: разработка теоретической и нормативной базы комплексного решения проблемы ео- досбережения в жилищном фонде, разработка санитарно-технической арматуры с водосберегающими гидравлическими характеристиками, внедрение в жилищно- коммунальное хозяйство головных образцов, разработка технологии водоснабжения населения, обеспечивающей всеобщую доступность водопроводной воды пить- !ф евого качества и отвечающей рыночным принципам.
Цель достигается решением следующих задач:
• теоретические исследования гидравлических режимов водоразборной арматуры и поплавковых клапанов;
• экспериментальное исследование, узлов водоразборной арматуры с шайбовым запорным элементом, автоматического регулятора уровня (поплавкового клапана), закрываемого давлением воды (клапана попутного давления) и определение параметров их гидравлических характеристик;
4 • разработка на основе теоретических и экспериментальных исследований Щ научно обоснованных методик гидравлического расчета водоразборной ар матуры с учетом водосберегающих факторов;
• разработка конструкции поплавкового клапана попутного давления;
• разработка конструкции запорной пары шайбового типа для вентильных головок санитарно-технической арматуры с водосберегающими гидравлическими характеристиками;
• анализ основных направлений использования водопроводной воды в жилищном фонде городов и разработка методологии оценки величины ее потерь;
разработка технологии водоснабжения жилых зданий на основе водосбе режения и с учетом потребительского поведения населения на рынке услуг водоснабжения и водоотведения как фактора управления водопотреблением;
Методы исследований
В работе использованы методы теории гидравлики, теории вероятностей, математической статистки, теории планирования эксперимента, экономической и социальной психологии человека, теории потребления, лабораторные и натурные эксперименты и наблюдения на объектах исследования.
Научная новизна
• получены параметры гидравлических характеристик диафрагмы с плавно & изменяющейся формой проходного отверстия;
• определены параметры гидравлических характеристик автоматического регулятора уровня (поплавкового клапана попутного давления);
• разработан и научно обоснован критерий безотказной работы наполнительной арматуры попутного давления для смывных бачков;
• разработай критерий объективной оценки обеспечения потребителей водопроводной водой в жилых зданиях;
• разработан критерий оценки водного комфорта в жилых зданиях;
• разработана технология управления водопотреблением при водоснабже-нии жилищного фонда, базирующаяся на принципе обеспечения всеобщей доступности водопроводной воды питьевого качества, ее товарной стоимости и тарифной стратегии предприятия водопроводно-канализационного хозяйства на сегментированном рынке услуг водоснабжения и водоотведения для потребителей в жилищном фонде.
Научно-практическая новизна результатов исследований и разработанных на этой основе технических решений подтверждается авторскими свидетель- ( ствами СССР на изобретения и патентами России: №1721196, №1076, №12912, №2175044, №2178851, №2183781
Практическая значимость работы:
• по результатам выполненных исследований разработан и защищен патентами РФ ряд конструкций санитарно-технической арматуры для систем водоснабжения;
• разработан принцип конструирования водоразборной арматуры с запорной парой шайбового типа, обеспечивающей линейное изменение расхода воды по мере открывания крана, что позволяет существенно снизить непроизводительные расходы воды;
щ • разработано дополнение в ГОСТ 19681-94 "Арматура санитарно техническая водоразборная" в части регламентации регулирующей способности арматуры;
• разработано и защищено в Роспатенте России техническое решение соединительного устройства для устранения утечек воды и аварий на трубопроводах внутренних и микрорайонных сетей;
разработано предложение поправки в СНиП 2.04.01-85 "Внутренний водопровод и канализация зданий" в части подбора счетчиков воды для обес Щ печения достоверного учета водопотребления;
Щ • разработана методика оценки утечек воды в системах водоснабжения жи лых зданий.
Внедрение результатов
Результаты исследований использованы в НИР, выполненных по важнейшей тематике и целевым программам ГКНТ СССР, Минвуза СССР, Минобразования РФ, Тема диссертации связана с плановыми и хоздоговорными темами РУДН, выполненными под научным руководством и при непосредст-венном участии автора в период с 1985 по 2000 гг. по заданиям Производственного жилищно-ремонтного объединения Черемушкинского района г. Мо сквы (1985-1987 гг.), Ростовекого-на-Дону территориального управления жилищно-коммунального хозяйства (1986-1988 гг.), Городского управления жилищно-коммунального хозяйства г. Орла (1887-1988 гг.), Городского управления жилищно-коммунального хозяйства . Мариуполя (1988-1989), Производственного управления Горводоканал г. Орла (1989 г.). Методика оценки потерь воды в жилых зданиях и методика отсева грубых погрешностей внедрена в Коммерческом управлении МГП "Мосводоканал" (2001 г.). Техническое решение соединительного устройства трубопроводов используется в муниципальном предприятии водопроводно-канализационного хозяй- ства г. Луанда (Ангола) (2001 г.). Техническая документация на поплавковый клапан для смывного бачка передана в Академию коммунального хозяйства им. К.Д Памфилова (1996 г.), ООО "Вестбизнестрейдинг" (2001 г.). Техническая документация на вентильную головку шайбового типа передана ООО "Юсттехстрой"(2001 г.)
Апробация работы
Результаты исследований, составляющих содержание данной диссерта- М ции, были представлены на следующих Всесоюзных, республиканских и ме щ ждународных конференциях и семинарах:
1. Научно-практическая конференция "О мероприятиях по сокращению нерациональных расходов воды в городском хозяйстве" (Техническое управление Исполкома Моссовета. Москва. 1985 г.).
2. Научно-практическая конференция "О рациональном использовании и экономии питьевой воды". (Московское городское правление НТО коммунального хозяйства и бытового обслуживания. Москва. 1985 г.).
3. Всесоюзная научно-техническая конференция "Технические средства Щ и организационные мероприятия по экономии расхода воды в народном хозяйстве" (МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского. Москва. 1989 г.).
4. Научно-практический семинар "Учет водопотребления в жилом сек торе и современная водоразборная санитарная техника". (Центральный российский дом знаний. Москва. 1994 г.)
5. Международная научно-практическая конференция "Современное строительство". (Приволжский дом знаний. Пенза. 1998 г.).
6. II Международная научно-техническая конференция "Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов". (Приволжский дом знаний, г. Пенза. 2000 г.).
7. VI Международная научно-практическая конференция "Биосферо- /ф совместимые и средозащитные технологии при взаимодействии человека с окружающей природой". (Приволжский дом знаний, г. Пенза. 2001 г.).
8. Международная научно-техническая выставка "Акватерра-2001". (С.Петербург. 2001 г.).
Материалы исследований и разработок регулярно докладывались на научно-технических конференциях инженерного факультета Российского университета дружбы народов.
Публикации по диссертации. Результаты работы опубликованы в 1 моно графии, 58 статьях, включая 6 изобретений, доклады на Всесоюзных, между- Щ народных, и региональных конференциях, семинарах и выставках.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, б глав, выводов, изложенных на 351 странице, включая 104 иллюстрации, 24 таблицы, библиографию из 276 наименований.
На защиту выносятся:
(4fj • результаты теоретических и экспериментальных исследований основных закономерностей использования водопроводной воды и образования ее потерь при водоснабжении жилых зданий современного благоустройства;
• результаты теоретических и экспериментальных исследований параметрі ров гидравлических характеристик наполнительной арматуры попутного давления;
• результаты теоретических и экспериментальных исследований параметров гидравлических характеристик диафрагмы с плавно изменяющимся сечением проходного отверстия;
• методика гидравлического расчета запорной пары шайбового типа, позволяющая определять параметры проходных отверстий запорной пары шайбового типа с плавно изменяющимся сечением для водоразборной арматуры, а также для различных типоразмеров сортаментного ряда запорных устройств;
• методика гидравлического расчета наполнительной арматуры попутного давления;
• методика гидравлического исследования утечек воды через смывные бачки;
• методика оценки суточной величины утечек воды в жилом доме современного благоустройства;
• метод оценки величины сливов из систем горячего водоснабжения воды с низкой температурой;
• технология управления водопотреблением при водоснабжении жилых зданий;
• концепция мотивации водопотребления и водосбережения в жилых зданиях и удовлетворения потребностей населения в водопроводной воде питьевого качества.
Структура водопотребления и классификация потерь воды в жилых зданиях
В современных жилых зданиях процесс водопотребления формируется под влиянием многих и часто не управляемых факторов. В основе водопотребления заложен опыт населения, накопленный им в процессе водопользования в соответствии с его требованиями, обусловленными или не обусловленными, сознательными или просто ощущаемыми. Потребители воды, как правило, не могут дать обоснованное объяснение причин, по которым они используют то или иное количество воды, с той или иной температурой. В соответствии с теорией человеческой мотивации люди в основном не осознают тех реальных психологических сил, которые формируют их поведение. Несмотря на то, что действия каждого потребителя представляют собой случайное событие по отношению к системе водоснабжения, а поток множества событий - случайный процесс, водопотребление имеет свои устойчивые закономерности.
Потери в сани-тарно-техничес-ких приборах 40,0 Анализ таблицы 1.2.1 показывает, что расходы воды на одни и те же процедуры колеблются в очень широком диапазоне. Расходы воды на одну и ту же процедуру отличаются в некоторых случаях в 2 - 3 раза. Это обуслов л єно тем, что водопотребление на хозяйственно-бытовые нужды представля ет собой отражение объективной жизненной реальности, условий организации и степени развитости бытового обслуживания, инженерной оснащенности жилья, традиций и культуры водопользования, климатических условий и др. Анализ данных натурных измерений [6, 92, ИЗ] показывает, что расходы воды, рассчитанные на основе изучения водопотребления по процедурам, во всех случаях ниже, чем рассчитанные по данным измерения водопотребления в целом по зданию. Это объясняется наличием потерь воды, сопутст щ вующих полезному водопотреблению. В таблице 1.2.2 представлены данные о водопотреблении в жилых зданиях на различные процедуры [166]. Непосредственными измерениями установлено, что потери воды в зависимости от вида процедур составляют от 40 до 70% общего расхода воды, потребляемой на гигиенические процедуры. Полезный расход сопровождается непроизводительными расходами воды, обусловленными низкой регулирующей способностью санитарно-технической арматуры.
Потери воды в системах водоснабжения современных жилых зданий формируются под влиянием следующих основных факторов: технический, временной и социальный. Классификационная схема потерь воды представлена на рис. 1.2.1. Потери воды технического характера обычно проявляются в виде утечек [27, 49, 64, 70, 124, 249], сливов из систем горячего водоснабжения [65, 142, 143, 215, 248, 250] и непроизводительных (бесполезных) расходов [8, 76, 77, 92-94]. Потери воды технического характера обусловлены нарушениями температурных режимов в системах горячего водоснабжения, повышенными давлениями во внутридомовых сетях, конструктивными особенностями са-нитарно-технической арматуры и ее неудовлетворительными гидравлическими параметрами.
Потери воды, имеющие временной характер, обусловлены износом оборудования, трубопроводов и санитарно-технической арматуры [75-77, 127, 229]. Наиболее часто это утечки через свищи трубопроводов заводомерных (реже внутридомовых) линий микрорайонов [230-233], утечки через санитар-но-техническую водоразборную арматуру [1, 6, 113, 219], наполнительную и спускную арматуру смывных бачков [27, 36-39,44, 70, 92-94, 250].
Характеристика видов потерь воды с точки зрения имеющихся способов их учета, оплаты, оценки величины и возможности устранения сама по себе еще не обеспечивает решения задачи рационального использования воды в жилых зданиях. Однако очевидно, что работа по водосбережению будет результативна в том случае, если выявлены основные их виды, определены причины образования и количественные параметры, установлены методы определения рациональной потребности в воде, оценена народнохозяйственная эффективность сокращения потерь воды.
Утечки воды- это самопроизвольное истечение воды из различных элементов системы без непосредственного участия потребителя. Утечки воды могут быть практически полностью устранены, так как формируются и определяются только техническим состоянием и конструкцией элементов системы водоснабжения.
Утечки воды из-за неправильной посадки донного клапана на седло более характерны для смывных бачков с боковым пуском (рис. L2.3). После слива воды из смывного бачка донный клапан не всегда устанавливается в свое посадочное гнездо, т.к. его ось закреплена на рычаге шарнирно, а в нижней части рабочая часть не снабжена направляющей, способствующей его правильной установке. Несмотря на то, что донный клапан выполнен с ободком, предназначенным не только для более плотного прилегания к седлу, но и способным задерживать в своей полости воздух, обеспечивающий некоторую плавучесть клапана перед опусканием на седло, де центрованная его посадка приводит к значительным утечкам, иногда даже не позволяющим заполнить смывной бачок водой. Такие утечки воды встречаются реже, поскольку потребители в процессе пользования смывным бачком стремятся закрыть его так, чтобы он заполнился водой. Спускной клапан в смывных бачках с верхним пуском имеют направляющую трубку, в полости которой перемещается тяга.
Лабораторные исследования санитарно-технической арматуры.
Схема лабораторного стенда Стенд снабжен насосом 1, обеспечивающим подачу воды под давлением от 0,05 до 1,0 МПа. Давление измеряется образцовыми манометрами 6 с ценой деления 0,01 МПа. Расходы воды измеряются по ротаметрам 015 и 040 мм с определением значений по графикам. Регулировочный кран 7 предназначен для изменения давления с точностью до 0,01 МПа.
Для определения гидравлических характеристик запорной пары шайбового типа, разработанной автором, проведены ее стендовые испытания на гидравлическом стенде (рис. 2.2.3). При исследованиях произведены измерения напоров до и после запорной пары, а также расходы воды при различном открывании проходного отверстия. Перед запорной парой поддерживался стабильный напор посредством заполнения напорной емкости до переливного отверстия. Измерение напоров производилось по пьезометрам с ценой деления 5 = 0,1 см. Расход воды определялся емкостным методом (W = 1 л) с определением времени заполнения мерной емкости по секундомеру с ценой деления 0,1 с. Изменение площади проходного отверстия запорной пары обеспечивалось поворотом рукояти вокруг ее продольной оси от 0 до 180 с ценой деления 10. Диаметр условного прохода трубы до и после запорной пары принят d =15 мм.
Санитарно-техническая арматура в реальных условиях эксплуатации работает не только на излив в атмосферу, но и в сети водоснабжения, оказывающей влияние на регулирующие свойства прибора. В качестве внешней регулирующей характеристики принят коэффициент местного сопротивления шарового крана, для которого данные представлены в справочной литературе [9, 74]. В связи с тем, что для разработанной формы проходного отверстия справочные данные о значениях гидравлических характеристик в литературных источниках информации отсутствуют, их экспериментальное определение представляет практический и научный интересы. Практический интерес заключается в необходимости разработки методики гидравлического расчета запорной пары шайбового типа с новой формой проходного отверстия. Научный интерес заключается в обосновании возможности изменения расхода по закону, близкому к линейному в зависимости от степени открывания проходного отверстия шайбы.
Исследования одного процесса двумя независимыми методами позволяет повысить достоверность полученных данных Исследования разработанной арматуры на надежность проведены на специальном стенде НИИ санитарной техники, позволяющем обеспечить в автоматическом режиме испытания по наработке на отказ при давлении от 0,05 до 1,0 МПа. Количество измерений в каждом лабораторном исследовании определялось по формуле (2.2.4) в соответствии с планом эксперимента. Статистическая обработка и анализ результатов измерений производились по блок-схеме (рис. 2.1.1). Эмпирические формулы построены с использованием программы Microsoft Excel., а также по программам, специально разработанным автором. 2.3. Натурные исследования
Водопотребление в жилых зданиях характеризуется значительной часовой и сезонной неравномерностью, подвержено большому влиянию многочисленных случайных и, как правило, неуправляемых факторов. Для выявления закономерностей формирования водопотребления, оценки рационального уровня ее использования необходимо иметь статистически значимые объемы информации, которые можно получить только в процессе натурных измерений и экспериментальных исследований [44, 49, 65, 70, 241].
Самопишущий прибор МТС-713- QH в водомерном узле Наблюдение за водо потреблением на объектах без активного и целенаправленного воздействия на его формирование позволяет выявить закономерности влияния поведенческого фактора потребителей питьевой воды в жилых зданиях. Б настоясцее время поведение потребителей на рынке различных услуг представлено в работах [3, 5, 1 ], 28, 30, 41, 48, 60, 63]. Однако поведение потребителей услуг водоснабжения и водоотведеиия в жилых зданиях изучено недостаточно, несмотря на то, что представляет практический интерес для качественного маркетинга. Для продолжительных непрерывных измерений в работе использованы самопишущие приборы типа MTC-713-QH, а также типа "Дельта-Логгер". На рис. 2.3.2 представлен водомерный узел в жилом доме с установленным самопишущим прибором при плановых наблюдениях (пассивных экспериментах).
Помимо наблюдений очень важным этапом исследований является натурный эксперимент, позволяющий установить закономерности формирования водопотребления в жилых зданиях в зависимости от изменения определяющих его факторов. При этом количественная характеристика водопотребления может быть дана только лишь на базе достаточного объема дан ных, полученных в процессе эксплуатации систем или на результатах специальных экспериментов.
Для счетчиков воды современных конструкций с цифровой индикацией использование самопишущих приборов MTC-713-QH не представляется возможным. В этих приборах применяются специальные электронные вставки, передающие импульсы на вторичный прибор. Более удобен в этом отношении электронный прибор "Дельта-Логгср" (рис. 2.3.6), позволяющий записывать в блок памяти данные из 4-х точек (давление, расход, температура) с заданным временным интервалом. Результаты измерений могут быть представлены в виде таблиц или диаграмм на бумажном или магнитном носителе.
Автоматические регуляторы уровня, закрываемые давлением воды (поплавковые клапаны попутного давления)
Утечки воды через смывные бачки могут быть эффективно устранены путем установки наполнительной арматуры с улучшенными водосберегающими гидравлическими характеристиками. В настоящее время этим условиям наиболее полно отвечают поплавковые клапаны попутного давления [37-38, 70, 147, 150-154, 172, 256,273]. Особенность таких поплавковых клапанов заключается в том, что давление в сети способствует более плотному закрытию проходного отверстия запорной пары. Однако, несмотря на высокие во-досберегающие характеристики, некоторые технические решения имеют общий существенный недостаток, заключающийся в том, что поплавок не опускается ко дну, рычажно-поплавковая система зависает, клапан не открывается и смывной бачок не заполняется водой. Это происходит потому, что при давлениях 0,2-0,3 МПа сила от веса рычага с поплавком, действующая на шток в направлении против гидростатического давления воды, недостаточна для преодоления силы от гидростатического давления, на запорный элемент, установленный на штоке.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили автору и его коллегам разработать и запатентовать технические решения наполнительной арматуры попутного давления, свободной от названных недостатков [183, 184, 202] (рис. 3.2.1, 3.2,2). Поплавковые клапаны по указанным техническим решениям характеризуются простотой конструкции, высокой технологичностью изготовления, монтажа и эксплуатации. При этом не требуется внесение изменений в конструкцию бачков и подводок, а также специальная подготовка персонала.
Для клапана с нижним расположением рычажно-поплавковой системы и поплавком, частично заполняющимся водой, сущность технического решения заключается в том, что в полости корпуса установлен шток со сквозным отверстием и запорным элементом, малое плечо рычага установлено через отверстие, выполненное в корпусе, и сквозное отверстие, выполненное в штоке, и шарнирно закреплено в кронштейне, кронштейн выполнен с глухим монтажным пазом. Указанное отверстие в корпусе выполнено продольным в нижней части корпуса, а малое плечо рычага имеет плоскую двояковыпуклую форму в серединной части между точкой крепления к кронштейну и изгибом, поплавок с одним отверстием в донной части и двумя соосными отверстиями на его боковых поверхностях, размещенный на рычаге, шарнирно соединенном со штоком. Рис. 3,2,1. Схемы поплавковых клапанов попутного давления а) с подпружиненным штоком; б) с поплавком, частично заполняемым водой; в) с нижним расположением рычажно-поплавковой системы и поплавком, частично заполняемым водой Рис. 3.2.2. Внешний вид поплавковых клапанов попутного давления а) с подпружиненным штоком; б) с поплавком, частично заполняемым водой; в) с нижним расположением рычажно-поплавковой системы и поплавком, частично заполняемым водой Поплавковый клапан попутного давления работает следующим образом.
Открывание. При сливе воды из бачка поплавок опускается ко дну, при этом рычажно-поплавковая система, вращаясь вокруг оси кронштейна, перемещает малым плечом шток в направлении против давления среды. Плоская двояковыпуклая форма серединной части малого плеча обеспечивает шарнирное взаимодействие (без заклинивания) рычажно-поплавковой системы со штоком в процессе перемещения последнего. Вес воды, частично заполнившей поплавок, создает дополнительную силу, необходимую для преодоления силы от гидростатического давления воды в сети, действующей на запорный элемент. Клапан открывается.
Заполнение емкости водой. При открытом клапане вода движется по подающему патрубку через открытое проходное отверстие в прокладке в переднюю часть полости корпуса клапана, где поворачивает к выпуску, через который поступает в емкость. При этом часть воды может перетекать через лабиринтное уплотнение, но поступает в бачок через продольное отверстие в корпусе, а не разбрызгивается через кронштейн, установленный на верхней части корпуса, так как монтажный паз выполнен глухим. Это позволяет улучшить условия работы смывного бачка за счет предотвращения попадания воды за его пределы через неплотности между крышкой и бачком и снижения акустического шума от движущейся воды.
Закрывание. По мере заполнения емкости водой поплавок поднимается, рычажно-поплавковая система поворачивается вокруг оси на кронштейне, перемещая шток в направлении движения потока. Это приводит к перемещению запорного элемента к прокладке. Такому перемещению способствует архимедова сила, действующая на поплавок, и сила от гидродинамического давления, действующая на запорный элемент. При этом сила от веса воды в поплавке в работе не участвует, так как эта часть поплавка погружена в уже налившуюся воду. При заполнении емкости до заданного уровня клапан закрывается. Выводы по 3.2 1. Проведенными исследованиями установлено, что утечки воды через смывные бачки могут быть успешно устранены посредством применения поплавковых клапанов попутного давления. 2. На основе теоретических, экспериментальных и патентных исследований разработаны и защищены патентами РФ конструкции наполнительной арматуры попутного давления для смывных бачков, обеспечивающие работу без утечек воды.
Расчет поплавкового клапана попутного давления производится с учетом эмпирических зависимостей гидравлических сопротивлений [9-10, 121, 178] и заключается в определении: площадей живого сечения проходного отверстия и выпускного патрубка, позволяющих пропустить расчетный расход воды при нормативном давлении для заполнения смывного бачка с нормативной емкостью за нормативное время; силы действия потока на запорный элемент при закрытом, полностью открытом и частично открытом клапане; силы действия веса рычажно-поплавковой системы на шток при закрытом, полностью открытом и частично открытом клапане; количества воды в поплавке, предназначенной для дополнения силы от рычажно-поплавковой системы; площади живого сечения отверстия в донной части поплавка, обеспечивающего поступление воды в поплавок за нормативное время заполнения смывного бачка, чтобы обеспечить готовность рычажно-поплавковой системы к открыванию клапана.
В ГОСТ 21485-94 "Бачки смывные и арматура к ним" регламентировано время заполнения смывного бачка, которое составляет 2 мин при давлении 0,05 МПа [55]. При заполнении смывного бачка водой работу наполнительной арматуры можно условно разделить на два периода: с постоянным расходом воды при полностью открытой арматуре, а также с переменным расходом в период открытия и постепенного закрывания арматуры. По данным стендовых испытаний при давлении 0,05 МПа и стандартной регулировке наполнения смывного бачка клапан работает с постоянным расходом воды в течение первых 30-40 с, что составляет 25-33% от нормативного времени. В начальный период заполнения смывного бачка уровень воды в нем еще не достаточен для того, чтобы архимедова сила начала действовать на поплавок. Однако даже при всплывающем поплавке расход воды еще некоторое время практически постоянный. Это объясняется наличием люфта в шарнирном соединении рычага со штоком, а также величиной хода запорного элемента. После того, как под воздействием архимедовой силы рычаг перемещает шток с закрепленным на нем запорным элементом в направлении проходного отверстия, расход воды снижается по мере уменьшения живого сечения проходного отверстия.
Водоразборная арматура с водосберегающими гидравлическими характеристиками
Для улучшения регулирующей способности водоразборной арматуры и снижения непроизводительных расходов воды необходимо, чтобы поворот рукояти вентильной головки и изменение расхода воды происходили по линейному (или близкому к нему) закону. Это позволит потребителю значительно быстрее устанавливать требуемые расход и температуру воды и обеспечить снижение непроизводительных расходов. Линейное (или близкое к нему) изменение расхода воды при повороте рукояти вентильной головки может быть обеспечено посредством шайбового запорного элемента, снабженного проходным отверстием с постепенно изменяющимся сечением.
Предварительные стендовые испытания показали, что техническое решение запорной пары с плавно изменяющимся сечением проходного отверстия шайбы более соответствует поставленной задаче повышения регулирующей способности водоразборной арматуры. В связи с этим к дальнейшим исследованиям принята вентильная головка с указанной запорной парой.
Схема вентильной головки с запорной парой шайбового типа представлена на рис. 4.2.2. Сущность разработки заключается в том, что сменный клапанный узел, содержит размещенный в гнезде арматуры корпус с затвором из набора подвижной и неподвижной плоских шайб, в каждой из которых выполнено проходное отверстие, опирающихся на упругую прокладку, и поворотный шток привода, герметизированный уплотнительными кольцами.
Вентильная головка состоит из корпуса 1, снабженного неподвижной обоймой 2 с посадочным гнездом для неподвижной шайбы 3, в которой выполнено проходное отверстие 4. В полости неподвижной обоймы 2 размещен шток 5, имеющий возможность поворота на 180, снабженный обоймой с посадочным гнездом для подвижной шайбы 6, в которой выполнено проходное отверстие 7. Запорный элемент из набора неподвижной шайбы 3 и подвижной шайбы 6 поджат упругой прокладкой 8.
Для обеспечения неподвижного закрепления шайбы 6 посадочное место штока 5 выполнено в виде круга с выступами в виде сегментов, хорды которых параллельны, а шайба 6 выполнена со срезами в виде сегментов, хорды которых параллельны хордам сегментов проходных отверстий. Запорный элемент состоит из двух шайб 3 и 6, одна из которых является неподвижной и установлена в неподвижную обойму, а другая - подвижна, т. к. установлена в обойму штока, имеющего возможность поворота вокруг продольной оси на 180. Шайбы прижимаются друг к другу посредством упругой кольцевой прокладки, опирающейся с одной стороны по контуру на периферийную часть неподвижной обоймы корпуса, а с другой - на посадочное гнездо вентиля.
Проходные отверстия плоских шайб выполнено с плавно изменяющимся сечением. Периферийная линия отверстия образована дугой с радиусом Ro из центра О от точки 1, лежащей на луче О А, отстоящем от диаметра на угол ф0 до точки 2 на длину дуги (к - фо). При этом радиус дуги Ко составляет от 0,2 до 0,8 радиуса шайбы R, а угол ф0 составляет от 0 до л/2. Выпуклая часть отверстия образована дугой от точки 2 до точки 3 с радиусом Ri из центра Оь лежащего на диаметре на расстоянии от R /2 до Ко от центра О. При этом длина радиуса Rt составляет от 0 до Ro/2.
Вогнутая часть отверстия образована дугой от точки 3 до точки 4, лежащей на луче ОА, с радиусом R2 из центра 02, расположенного на диаметре с противоположной стороны от выпуклой части и точки Оі на расстоянии от Ко/2 до Ко. При этом длина радиуса R2 составляет от Ко/2 до RQ. Дуга вогнутой части и дуга периферийной части отверстия сопряжены между собой дугой вписанной окружности в точках 4 и 1.
В закрытом положении проходные отверстия шайб 3 и 6 не совпадают, и вода не поступает. При повороте штока 5 закрепленная в обойме подвижная шайба 6 получает вращательное движение относительно своего центра. При этом отверстия шайб 3 и 6 совмещаются, постепенно увеличивая или уменьшая площадь живого сечения. Это позволяет обеспечить монотонное изменение расхода воды, проходящей через отверстие, и повысить регулирующую способность водоразборной арматуры.
Пределы размеров проходного отверстия обусловлены следующим. Нижний предел длины радиуса дуги периферийной части (0,2 радиуса шайбы) объясняется тем, что при меньшем размере получаемое отверстие не будет выполнять свои функции в качестве детали санитарно-технической арматуры для систем водоснабжения (рис. 4.2.3 а). Кроме того, в этом случае при расположении отверстий обеих шайб диаметрально противоположно друг другу получается очень маленький зазор между выгнутой частью отверстия одной шайбы и выпуклой частью отверстия другой шайбы, что не обеспечивает перекрывание потока воды.
Превышение длины радиуса периферийной части отверстия более 0,8 от радиуса диска приведет к тому, что на подвижном диске, выполненном со срезанными сегментами для установки в обойме штока, отверстие выполнено не будет (рис. 4.2.3 б). Вследствие этого исключается функциональное взаимодействие подвижного и неподвижного дисков.
Диапазон изменения угла наклона у между лучом, выходящим из центра окружности и ее диаметром от 0 до п обусловлен следующим; при у = 0 в положении «закрыто» выпуклая часть отверстия одной шайбы пересекается с вогнутой частью отверстия другой шайбы, что не позволяет закрыть проходное отверстие .