Для комфортного водопользования необходим достаточный напор воды, что особенно актуально для многоэтажной жилой застройки. Распространенным вариантом решения этого вопроса является использование специализированных насосов и насосных станций повышения давления. Рассмотрим основные принципиальные схемы, а также особенности подобного оборудования.

Для полноценного потребления воды в жилом доме необходима поставка её под давлением не менее 2 бар. Это, как правило, достаточно для принятия душа, мытья посуды, нормального функционирования стиральной машины и других устройств. Именно давление в пределах от 2 до 4,5 бар считается нормальным, согласно ДБН В.2.5-64:2012 «Внутренний водопровод и канализация».

Однако давление даже немногим менее 2 бар уже может быть критичным для нормальной работы некоторых устройств, например, обратноосмотических фильтров. Со снижением показаний манометра катастрофически падает комфорт водопользования, а в крайнем случае и вовсе вода перестает течь из крана.

Причиной может быть как недостаточное давление на вводе, что особенно часто наблюдается в пиковые периоды водоразбора, так и, в домах старой постройки, сужение внутреннего диаметра трубопровода из-за отложений.

Проблему недостаточного давления могут решить насосы или насосные станции.

Классическим, из истории, примером решения по повышению давления воды в водопроводе является водонапорная башня. Такие металлические конструкции, называемые еще башнями Рожновского (по имени изобретателя Антона Рожновского, предложившего данную конструкцию в 1936 г.) получили широкое распространение в Украине и до сих пор успешно используются в сельской местности.

Они применяются для регулирования как напора в водопроводной сети, так и расхода, ведь в них создается запас воды (рис. 1). Основными составляющими водонапорной башни являются бак для воды, как правило, цилиндрической формы, и опорная конструкция (ствол). Высота, имеется в виду расстояние от земли до низа бака, обычно находится в пределах 25 м. Ёмкость бака составляет от нескольких десятков до нескольких тысяч кубометров, в зависимости от необходимой производительности водопроводов. Материалами для опорных конструкций служат сталь, железобетон, реже – кирпич. Баки выполнены преимущественно из бетона и стали.

Рис. 1. Водонапорная башня

Водонапорные башни оборудуют трубами для подачи и отвода воды, переливными устройствами, служащими для предотвращения переполнения резервуара, а также системой замера уровня. Закачка воды в башню из скважины осуществляется с помощью насосов.

Продолжением решения с водонапорными башнями можно считать схемы с резервуарами для воды на крыше (или нескольких промежуточных технических этажах), применяемые в высотных зданиях. Такие решения получили широкое распространение в первых небоскребах в США, в частности, в знаменитом 102-этажном Empire State Building.

Система, в которой резервуар с водой расположен на крыше здания, а вода из него «выдавливается» под действием силы тяжести на нижние этажи, имеет как преимущества в виду её относительной простоты, так и недостатки (рис. 2).

В данных схемах необходим насос для закачивания воды в резервуар, а также небольшой насос для подачи воды потребителям, расположенным непосредственно под резервуаром. Кроме того, необходимы редукторы, понижающие давление на нижних этажах, чтобы не было критического давления. В то же время, есть существенные недостатки – требуются просторные помещения для резервуаров и не исключена опасность протечки и затопления нижних этажей. Помимо того, больше расходы электроэнергии, ведь воду надо сначала поднять на верхний уровень, а затем еще и развести с помощью насосов на верхних этажах.

Более компактным, а как показывает практика и энергоэффективным решением является использование насосных станций повышения давления. Эти устройства представляют собой комплект оборудования, оснащенного автоматикой, для поддержания требуемого давления в водопроводной сети здания.

Наиболее простым является оборудование здания одной насосной станцией (рис. 3) на вводе. Для решения проблемы с избыточным давлением на нижних этажах при этом применяются редукторы. Недостаток данной системы в том, что для создания постоянно высокого давления требуется много энергии.

Более энергоэффективна система с разбивкой водопровода здания на зоны – высокого и низкого давления (рис. 4). При этом используются несколько насосных станций повышения давления. Именно такая схема получила в Украине наибольшее распространение при строительстве многоэтажных зданий.

И еще одна достаточно энергоэффективная система – ступенчатая (рис. 5). Её можно сравнить с предыдущей схемой. Разница – в разводке. Здесь одна из насосных станций выполняет роль доводчика – используется для повышения давления на верхних этажах.

Устройство насосной станции

Согласно ДБН В.2.5-64:2012 «Внутренний водопровод и канализация», тип насосной установки для дома и режим её работы определяется на основании технико-экономического сравнения следующих вариантов:

• непрерывно или периодически действующих насосов при отсутствии регулирующих емкостей;
• насосов производительностью равной или больше максимального расхода воды за 1 час, которые работают в повторно-кратковременном режиме совместно с гидропневматическими водонапорными баками или баками мембранного типа;
• непрерывно или периодически действующих насосов производительностью меньшей, чем максимальный расход воды за час, которые работают совместно с аккумулирующей емкостью.

Как правило, в насосных станциях используются один или несколько (обычно не более 6) насосов, закрепленных на единой раме. Их использование позволяет изменять подачу в достаточно широком диапазоне, не приводя при этом к значительному падению КПД.

Применяются одно- или многоступенчатые центробежные вертикальные (иногда – линейные) насосы, присутствующие в ассортименте практически всех крупных производителей насосного оборудования. У компании DP-Pumps (Нидерланды) – DPV, у Wilo (Германия) – MVI, Helix, y Grundfos (Дания) – CR и т.д.

Кроме насосов и рамы, в состав современной станции повышения давления обязательно входят коллекторы (всасывающий и напорные), обратные клапаны, задвижки, резервный насос, мембранный бак, шкаф управления, манометр.

В целях энергосбережения, как правило, применяются электронные устройства – частотные преобразователи. Они подстраивает частоту вращения рабочих колес насосов так, чтобы независимо от того, сколько точек водозабора работает в данный момент, на них подавалось достаточное количество воды, а напор в системе существенно не менялся. Это делает водоснабжение здания более комфортным и экономичным, а также продлевает ресурс работы оборудования.

Пример: частотные преобразователи VASCO (Nastec, Италия) для настенного монтажа и монтажа непосредственно на электродвигатель насоса.

В то же время, как бы тщательно ни была отрегулирована станция повышения давления, при её включении происходит скачок давления, так называемый гидравлический удар. Чтобы он не развивался в системе, в станции ставят мембранный бак, этот удар гасящий.

Согласно действующим ДБН, системы повышения давления следует оборудовать резервным насосом, чтобы напор в сети не снижался даже при поломке одного из рабочих насосов. Чтобы отделить неисправный насос от системы (для ремонта или замены), на коллекторы станций повышения давления устанавливают задвижки, позволяющие отключать насос, не останавливая работу станции.

Блок управления включает и выключает насосы и регулирует их работу. Например, следит за тем, чтобы все насосы установки вырабатывали свой ресурс равномерно, производит включение насосов с определенными временными задержками, не вызывающими разбалансировку системы, выключает моторы насосов, функционирующих в нештатном режиме и т.д. В зависимости от модели, блоки управления станций повышения давления фиксируют ошибки в работе системы и информируют о них специалистов, занимающихся техническим обслуживанием станции.

К станциям можно подключать различные устройства, облегчающие их эксплуатацию и увеличивающие надежность. Среди них и комплект защиты от «сухого» хода, отключающий установку, если давление во всасывающем коллекторе падает ниже 1 бар.

Часто на всасывающем и напорном коллекторах устанавливают виброизолирующие вставки из эластичного материала (например, пищевой резины), заключенного в металлическую оплетку. Они предназначены для уменьшения механического воздействия (вибрация, давление), которое оказывают друг на друга станции повышения давления и трубопровод.

Выбор оборудования

Основной параметр при выборе насосной станции – так называемая рабочая точка, т.е. точка пересечения кривых рабочей характеристики станции и характеристики сопротивления трубопровода. Она должна находиться в той области рабочей характеристики установки, где установка может экономично и устойчиво работать.

Необходимо также учитывать максимальное и минимальное давления, с которыми придется работать установке. Если к помещению, где будет установлена станция, предъявляются требования по взрывозащите, соответствующие требования должны предъявляться и к установке.

Напор для системы водоснабжения, который развивает повышающая давление насосная установка, определяется с учетом наименьшего гарантированного напора в наружной водопроводной сети по формуле:

H_p = H_gcom + ΣH_l,tot + H_f – H_g, где

H_gcom – геометрическая высота подачи воды от оси насоса до требуемого санитарно-технического прибора, м;

H_l,tot – сумма потерь напора на расчетном участке трубопровода, м;

H_f – нaпоp в санитарно-техническом приборе, м;

H_g – наименьший гарантированный напор в наружной водопроводной сети, м.

При проектировании установок учитываются требования к энергоэффективности насосов в соответствии с ДСТУ Б EN 15232 «Энергоэффективность зданий» (точность поддержания заданного давления, применения систем управления насосными установками с использованием частотных преобразователей, надежность, возможность подключения к системам диспетчеризации и т.п.).

Практические советы

Как бы то ни было, именно насос является основным и наиболее дорогостоящим элементом в насосной станции. Это главный механизм, который доставляет воду потребителю. Поэтому на качество насосов, репутацию производителя, гарантию их обслуживания (желательно не менее 2 лет), при выборе оборудования, стоит обратить первоочередное внимание.

Слабым местом в конструкции вертикальных насосов является корпус. Ведь ему приходится выдерживать значительно большие, в сравнении с горизонтальными насосами, давления. Именно этот параметр – один из главных при подборе насосов. Корпуса насосов из нержавеющей стали способны выдерживать максимальное давление до PN25, а иногда и PN40.

Как правило, из нержавеющей стали изготавливают также рабочие колеса и камеру насосов. Это делает их устойчивее к вредному воздействию водопроводной воды, содержащей различные примеси (соли жесткости, железо и т.д.).

Стоит обратить внимание и на качественность торцевых уплотнений (рис. 6). Они применяются для герметизации быстро вращающихся валов насосов и являются изнашиваемыми и расходными деталями. При этом стоимость замены уплотнений может составить половину полной стоимости насоса. Качественные уплотнения прослужат до 10 лет, тогда как некачественные придется менять чуть ли не ежегодно.

Рис. 6. Торцевое уплотнение насоса

Качественная сборка насосной станции, в частности сварка коллекторов, является залогом её длительной и безаварийной эксплуатации. Поэтому, чтобы не стать жертвой «гаражного» производства, стоит проверить то, есть ли у поставщика собственные производственные площади, технические условия на производство, сертификат соответствия УкрСЕПРО на продукцию. Кроме того, желательно наличие у компании сертификата системы менеджмента качества ISO 9001:2015 (в крайнем случае – ISO 9001:2008).

В зависимости от используемой электроники, количества насосов и т.д., стоимость насосной станции может составлять несколько тысяч долларов. В то же время, стоит ориентироваться не столько на разовые капитальные затраты, сколько на эксплуатационные расходы в будущем. Чем более надежно и эффективно оборудование, тем больше сэкономит его владелец за весь жизненный цикл работы станции. А это, ни много ни мало, – десятки лет.

В настоящее время на рынке представлено достаточно большое количество станций повышения давления. К примеру, насосные станции Hydro-Unit компании DP-Pumps построены на базе вертикальных многоступенчатых насосов серии DPV. Их гидравлическая часть выполнена из нержавеющей стали марок AISI 304L и AISI 316L. Производительность насосов – до 125 м3/час, напор – до 300 м. При этом корпус может выдерживать давление до 40 бар. Все насосы оснащены торцевым уплотнением вала, не требующим технического обслуживания.

В состав станции может входить от 2 до 6 параллельно работающих насосов. Основанием для них служит общая стальная плита, которая крепится к бетонному основанию. Со стороны всасывающего коллектора перед каждым насосом установлен запорный кран или задвижка. На стороне высокого давления, кроме запорного крана, расположен обратный клапан. Каждая станция укомплектована мембранным баком объемом 8–24 л для компенсации гидроударов при пуске.

На напорной стороне станции установлено реле или датчик давления. Все установки серии Hydro-Unit оснащены реле защиты от «сухого» хода. Для визуального контроля давления на всасывающей и напорной магистралях установлены манометры. Каждая станция укомплектована шкафом питания и с релейным или частотным регулированием. Наивысший уровень энергосбережения обеспечивается при комплектации станции устройствами частотного регулирования и насосами с эффективными электрическими двигателями класса IE3.

Установка поставляется полностью собранной, настроенной и проверенной, необходимо лишь подсоединить её к трубопроводу и подключить к электросети.

Данная статья была опубликована в специализированном журнале AW Therm – надежный гид в мире HVAC (выпуск сентябрь-октябрь 2016) и написана в соавторстве с г-ном Н. Копыловым.