Светлана Попова Дебютант

Как устроен водопровод в небоскребе?

Без воды человек не может обходиться нигде — ни в деревенском доме, ни в небоскребе. Однако вырыть колодец на минус десять метров в землю гораздо проще, чем обеспечить водой высотное здание. «Высокая вода» — это сложнейшая задача. Вымыть руки и сварить кофе на 50-м этаже — не так-то просто с точки зрения инженерной науки.

Самое высокое здание на планете «Бурдж Халифа» S-F, Shutterstock.com

Открываем кран — течет вода. Казалось бы, все просто. Однако как «загнать» воду на 50-й этаж? Как устроен водопровод в небоскребах?

Водоснабжение сверхвысотных зданий представляет собой нестандартную инженерную проблему. Действовать традиционным способом и просто накачивать воду в трубы нельзя. Потребуется колоссальное давление, чтобы на самых верхних этажах в кране был достаточный напор. Риск разрыва даже самых хороших труб слишком велик.

Поэтому в современных небоскребах применяется гибридная система, сочетающая в себе принципы обычного водопровода и старой доброй водонапорной башни. Вода поднимается на самый верх через серию промежуточных резервуаров, первый из которых, например, в самом высоком здании планеты Burj Khalifa расположен на 40-м этаже. Оттуда другой насос качает воду еще выше — в следующую промежуточную емкость уже меньшего объема. Далее происходит подъем воды к другому такому же резервуару на более высоком уровне и т. д. А вот с самой верхней емкости вода поступает уже собственно в водопровод. Качать ее туда не надо — с созданием напора прекрасно справляется сила гравитации.

Аналогичным способом решено водоснабжение в строящемся петербургском небоскребе «Лахта центр»: у воды будет пять «остановок», чтобы добраться до самого верха — 462 метра. Ежедневно через водопровод питерской высотки будет проходить более 2 миллионов литров холодной и горячей воды — это 1800 литров в минуту.

А вот в Центре Джона Хэнкока, стоэтажном небоскребе в Чикаго, насосы качают еще больше воды — более 2000 литров в минуту. Там система водоснабжения иная, основанная на мощнейших насосах. Два насоса накачивают воду в один-единственный резервуар на 50−52 этажах. Семь насосов «разводят» воду по потребителям. Объем резервуара — 114 кубических метров. Такой вариант водопровода небезупречен: шум, избыточное давление, коррозия. Уже пришлось проводить дорогостоящую модернизацию.

Какие трубы нужны для высокого водопровода? Во всем мире лучшим материалом считается высокопрочный чугун с шаровидным графитом. Это самые надежные и долговечные трубы, гарантия безаварийной работы — 100 лет. Они пластичны, просты в проектировании, монтаже, строительстве. В Токио сети водоснабжения и водоотведения сделаны на 97% из подобных труб. В Нью-Йорке, где 5,5 тысяч высотных зданий, — 85%. В Гонконге — 90%.

В современном небоскребе автоматизированы все инженерные системы. Например, в небоскребе «Запад» делового комплекса «Федерация» в «Москва Сити» применены новейшие ультразвуковые технологии. Любая протечка в любом месте мгновенно идентифицируется. Клапан автоматически закрывается контроллером, подача воды в аварийный участок приостанавливается.

В строительстве немало технологий, которые развились благодаря именно небоскребам. Например, лифты, спринклерное пожаротушение, керамика для облицовки зданий, кессонные фундаменты, системы микроклимата. Все это уже стало широко использоваться и в обычной жизни. Будем надеяться, что надежные, мощные, малошумные и экологичные системы водоснабжения когда-нибудь появятся и в наших обычных домах.

Статья размещена на сайте 20.02.2015

Комментарии (16):

Чтобы оставить комментарий зарегистрируйтесь или войдите на сайт

Войти через социальные сети:

  • Рис 2

    Оценка статьи: 4

  • Вячеслав Озеров Вячеслав Озеров Профессионал 26 февраля 2015 в 23:21 отредактирован 26 февраля 2015 в 23:34

    Валерий Сатокин, оставаясь сдержанным, принял бы Ваши извинения, если бы мы обсуждали статью «Как устроен водопровод в обычном МКД*», например, по нижеприведенной схеме, где, отдельно стоящая водонапорная башня, соединенная трубами с окружающими потребителями, подводит к ним воду, используя свойства сообщающихся сосудов. Разве не так? Такая схема называется – схема водоснабжения с нижним розливом.
    Примечание: *МКД – многоквартирный дом.

    Закон Паскаля здесь говорит лишь о том, что давление воды, и в водопроводной башне , и в трубопроводе МКД, на одной и той же высоте от земли (уровня океана) будет одинаковым во все стороны, поэтому то вода обязательно потечет из открытого крана, в какую бы сторону у него не было бы направлено отверстие излива.
    Также, из закона Паскаля следует, что вода в таком водопроводе может подняться лишь на высоту, не превышающую высоту верхнего уровня воды в башне. А вот с какой скоростью (расходом) будет вытекать вода из отверстия излива, зависит от силы тяжести столба жидкости, создающего напор (давление) в точке излива – см. следующий рисунок, на котором хорошо видно, что чем выше столб жидкости в точке излива, тем выше в ней давление и скорость вытекания жидкости.

    Вернемся к статье "Как устроен водопровод в небоскребе?"
    В небоскребах вышеописанная схема водоснабжение может быть лишь для нижних этажей, если они запитываются от городского водоснабжения, как в обычных МКД. Реально это возможно на высоту до 60 м., т.е. этажей на 15 - 20. В статье правильно сказано, что «вода поднимается на самый верх через серию промежуточных резервуаров» - накопительных баков. Водоснабжение верхних этажей технологичнее и экономичнее проводить уже по схеме верхнего розлива – к нижней части очередного накопительного бака подключают трубопроводы, разводящие воду к потребителям на нижележащих этажах. Здесь нет, как таковых сообщающихся сосудов, а есть трубы с водой, в которых давление возрастает по мере увеличения h. Давления возникающее в трубе пропорционально весу столба жидкости – т.е. гравитационной силе.

    Скорость истечения воды в месте излива была экспериментально установлена ещё в 1643 году итальянским физиком Торричелли и определяется по формуле: v (h) = k*√2gh,
    где g - ускорение свободного падения (гравитационная постоянная на Земле), k - коэффициент расхода, зависящий от вязкости жидкости и формы отверстия (например, для воды в случае круглого отверстия k = 0.62 ; для керосина k = 0.6 ), h – высота столба жидкости над отверстием излива, √- корень кв.


    Так, что автор прав в отношении водопровода небоскреба: "с созданием напора прекрасно справляется сила гравитации".

    Оценка статьи: 4

  • Ой, мальчики, какие вы умные. А мне как недалекой женщине статья понравилась. Как раз для женского ума. Просто и понятно объяснено. Светлана, спасибо за статью. Хоть что-то познавательное на ШЖ, а не только слюни, слезы, сопли.

    Оценка статьи: 5

    • Вячеслав Озеров Вячеслав Озеров Профессионал 25 февраля 2015 в 12:10 отредактирован 25 февраля 2015 в 12:12

      Лариса Завьялова, статья хороша тем, что обращает внимание вроде бы на самые обычно-привычные вещи - "вода из крана". Но, вдруг, оказывается не все так просто, особенно в высотных зданиях. Но с другой стороны, все должны это и так понимать, ибо описанные явления, их параметры, последствия: гравитация, сообщающиеся сосуды, напор воды, давление и т.д. и т.п. ИЗУЧАЛИСЬ в курсе ФИЗИКИ (8)9 - 10 классов школы!!! Ан нет - оказывается в этом путаются даже "мальчики". А что уж говорить о "девочках"? Респект автору!

      Оценка статьи: 4

  • За дебют и тему - "5". Но. "с созданием напора прекрасно справляется сила гравитации." Принцип действия водонапорной башни основан на законе сообщающихся сосудов. А создание водопроводов (как собственно и нефте-газо) возможно благодаря закону, сформулированному Паскалем. Так что гравитация к давлению воды, в данном случае, имеет отношение только в общем плане, как и для всего, происходящего на Земле.

    Оценка статьи: 5

    • Вячеслав Озеров Вячеслав Озеров Профессионал 24 февраля 2015 в 20:59 отредактирован 24 февраля 2015 в 21:01

      Валерий Сатокин, автор полностью прав: ибо "Принцип действия сообщающихся сосудов" основан на нахождение системы водоснабжения и водоотведения в условиях гравитации. При отсутствии гравитации система сообщающихся сосудов не работает!
      Автор постеснялся указать, что для подъема воды всего на 10 м. (3 этажный дом) необходимо создать давление в трубопроводе чуть более 1 ат* (1 атмосфера), а для подъема на 450 метров уже потребуется давление более 45 ат. А слив воды с высоты тех же 450 м. не менее сложная задача.
      За это, да за небольшой плагиат - 4

      * Примечания:
      1. 1 ат = 1кгс/1см2 = 1кг * 9,8 м/с2 / 1 см2
      2. 1 ат = 98066,5 Па = 0,980665 бар = 1 кгс/см2 = 0,96784 атм. = 735,56 мм рт. ст. = 10 м вод. ст. = 14,223 psi

      Оценка статьи: 4

      • Вячеслав Озеров, это слишком обще, для рассматриваемого процесса. Под воздействием гравитации происходят все события на Земле, о чем я, собственно, и сказал в последнем предложении предыдущего комментария.

        Оценка статьи: 5

        • Валерий Сатокин, если сказаное мною "слишком обще", то поведуйте, как работают сообщающиеся сосуды в условиях невесомости. Например на МКС.

          Оценка статьи: 4

          • Вячеслав Озеров, да при чем здесь невесомость! Вы, извините, читаете то, что написано или сразу свою подоплеку, а потом уже ее и комментируете? Уточняю. В конечном итоге, разумеется, можно говорить, что напор воды создается в водопроводе благодаря гравитации. Но это слишком обще (на этот момент я и указал). Так можно говорить о любом явлении, происходящем на Земле. Однако это никак не будет описывать природу того или иного процесса. Например, автомобиль движется по дороге благодаря гравитации. И что? Как это характеризует взаимодействие силы трения с другими моментами? Вот поэтому я не согласен с упомянутой выше фразой автора. Она совершенно не годится для описания затронутого в статье процесса. Водопровод - не водопад. Хотя и последний "работает" не только благодаря гравитации.
            И потом, если Вы считаете, что в рамках популярной статьи допустимо определить гравитацию, как принцип создания напора воды в водопроводе, то к чему Ваши конкретные выкладки в уточнениях?
            В том случае, ежели Вам угодно во что бы то ни стало отстаивать свое видение, свою точку зрения (о чем свидетельствует Ваше отклонение в сторону невесомости), то, извините, увольте меня от поддержания здесь дискуссии на отвлеченные около физические темы.

            Оценка статьи: 5

            • Валерий Сатокин, подъем воды на высоту n - этажного дома никакого отношения к сообщающимся сосудам не имеет, а вот переход (перелив, течение) жидкости в земных условиях из одного резервуара в другой, связанных между собой естественными или искусственными трубопроводами, может совершаться без насосов, лишь за счет сил гравитации. Главное, чтобы трубопроводы проходили ниже среднего уровня жидкости обоих сосудов, да и верхние кромки сосудов не были ниже этого среднего уровня.

              А теперь вернемся к обсуждаемой фразе, выдернутой вами из текста. В тексте она читается вместе с предыдущей: «А вот с самой верхней емкости вода поступает уже собственно в водопровод. Качать ее туда не надо – с созданием напора прекрасно справляется сила гравитации». Действительно вода под действием сил гравитации поступает из "верхней емкости" в трубу "водопровода", создавая в ней "напор", пропорциональный высоте трубы. Давление воды сверху - вниз будет возрастать на 1 ат через каждые 10м.

              Поэтому в небоскребах строят промежуточные емкости для воды, что бы из них не только пополнять верхние емкости, но и подавать воду в нижележащие этажи, как правило, расположенные не ниже, чем на 60 м. (6 ат.) Для здания высотой 300 м приходится делать не менее 5 промежуточных емкостей, с которых вода перекачивается в вышележащие емкости и разводится на нижележащие этажи.

              Оценка статьи: 4

              • Вячеслав Озеров, как я предполагал Вы попытаетесь увести вопрос в сторону. Удачи Вам!
                И согласен с Вами - "мальчики", зря Вы плохо в школе физику учили.

                Оценка статьи: 5

                • Вячеслав Озеров Вячеслав Озеров Профессионал 25 февраля 2015 в 14:56 отредактирован 25 февраля 2015 в 15:11

                  Валерий Сатокин, «в 1648 г. гидростатический парадокс продемонстрировал Блез Паскаль. Он вставил в закрытую бочку, наполненную водой, узкую трубку и, поднявшись на балкон второго этажа, влил в эту трубку кружку воды. Из-за малой толщины трубки вода в ней поднялась до большой высоты, и давление в бочке увеличилось настолько, что крепления бочки не выдержали, и она треснула».

                  «Законом Паскаля в гидростатике называется следующее утверждение, сформулированное французским учёным Блезом Паскалем: давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях.
                  На основе закона Паскаля работают различные гидравлические устройства: тормозные системы, гидравлические прессы и др»
                  .
                  (Википедия)

                  Поясните пжлст-а, какое отношение он имеет к обсуждаемой статье? Ну разве только при обсуждении работы насоса поднимающуго воду вверх. Но статья не об этом!

                  Оценка статьи: 4

                  • Вячеслав Озеров, вот Вам выдержка из работы ученика 7-го класса, а засим позвольте откланяться. Извините, у меня более нет ни желания, ни времени продолжать этот бессмысленный, разумеется с моей точки зрения, разговор.


                    Автор:
                    Фомичев Михаил, 7 класс

                    Тема работы: «Создание рабочей модели городского водопровода на основе физических явлений и законов»

                    Цель:
                    •Создать модель водопровода на основе принципа сообщающихся сосудов
                    •Проверить действие закона Паскаля на примере созданной модели системы водоснабжения в лабораторных условиях
                    •Изучить принцип сообщающихся сосудов на примере работы системы водоснабжения.

                    Ход работы:
                    1.Чтобы выполнить эту работу я со своими друзьями соорудил модель городского водопровода , основными частями которого являются:
                    •Емкость большого объема, поднятая на высоту (аналог водонапорной башни)
                    •Система стеклянных трубок, соединенных гибкими шлангами (аналог разветвленной сети труб городского водопровода)
                    •Лабораторный кран, соединенный с системой трубок гибким шлангом (аналог водоразборных колонок и кранов в квартирах потребителей)
                    •Пипетка, установленная над широкой чашей (аналог городского фонтана)

                    2. Принцип действия модели основан:
                    •Закон Паскаля: давление столба жидкости в «водонапорной башне» согласно закону Паскаля передается без изменения в любом направлении, что обеспечивает работу системы «городского водопровода»: работу фонтанов, получение воды потребителями не только «нижних», но и «верхних» этажей зданий
                    •Система сообщающихся сосудов позволяет поддерживать давление во всей системе водоснабжения.

                    Вывод:

                    Выполнив эту работу, я продолжил изучение механических явлений, изучил принцип действия городского водопровода, создал действующую модель системы водоснабжения и доказал на опыте, что движение воды в системе городского водоснабжения подчиняется закону Паскаля и по принципу равенства давлений в сообщающихся сосудах поступает в дома потребителей благодаря давлению, созданному в водонапорной башне.

                    Оценка статьи: 5

                    • Валерий Сатокин, вообще то движение жидкости, в т.ч. и "движение воды" (см. вывод) описывается уравнением Эйлера, которое названо в его честь. Л. Эйлер получил это уравнение в 1752 году (опубликовал в 1757 году).
                      Поверю, что этого может не знать Фомичев Михаил, ученик 7 класс, но Вы то должны это знать!

                      А Б. Паскаль. сформулировал закон о передаче
                      внешнего давления жидкостью в 1653 г. Закон Паскаля до настоящего времени служит основой конструирования гидравлических машин (гидроподъемников, прессов, тормозов и т.п.), которые работают, как на земле, так и в космосе, при отсутствии гравитации.

                      Оценка статьи: 4

                      • Вячеслав Озеров, прошу прощения за возвращение. Не сдержался. Уравнение Эйлера (его еще называют уравнением непрерывности, если я правильно помню) описывает движение жидкости вообще. Оно имеет отношение к перемещению воды в водопроводе такое же, как и гравитация. А вот закон Паскаля "жидкости и газы передают оказываемое на них давление по всем направлениям одинаково." и закон сообщающихся сосудов, который за ним неразрывно следует, с водопроводом связаны напрямую. Для описания этого процесса ученику 7-го класса знать уравнение Эйлера нет никакой необходимости. Можно было бы добавить, что именно по закону Паскаля вода проходит по всем извивам водопроводных труб без потери давления.
                        Кстати, гидравлический пресс и т.д., о котором Вы упорно упоминаете, конструктивно представляет собой, в первую голову, сообщающиеся сосуды разные в сечении.
                        Еще раз прошу прощения, откланиваюсь окончательно.

                        Оценка статьи: 5