Vodárenská věž - princip činnosti - konstrukce - schéma - účel

 Vodárenská věž - k čemu slouží?

Vodárenská věž ( Water tower / Wasserturm ) označovaná také jako vodárenská věž je stavební objekt. Je určen k regulaci tlaku a řízení průtoku vody v hydraulickém systému pokrývajícím malou plochu, na které je postaven. Vodárenská věž je objekt, který funguje na základě jednoduchých fyzikálních zákonů. Má mnoho funkčních charakteristik, na nichž jsou založeny základy modulu vodní infrastruktury plánovaného pro průmyslový, městský a železniční sektor. Princip vodárenské věže

Vodárenská věž

Prioritním prvkem při návrhu vodárenské věže je nalezení vhodného místa pro budoucí základy stavby. Aby byla stavba plně funkční, musí být postavena na nejvyšší místní nadmořské výšce. Protože akumulace vody v nádrži vodojemu musí být umístěna výše než vodovodní systémy umístěné u spotřebitelů. Schéma fungování celého hydraulického systému založeného na vodárenské věži spočívá v tom, že čerpadlo čerpá vodu z hluboké nádrže a čerpá kapalinu směrem nahoru přímo do vodní nádrže, která je umístěna na vrcholu vodárenské věže. Pak vlivem své tíhy a díky gravitačnímu zákonu vytlačuje vodu z potrubí, dokud se tlak ve věžové nádrži nevyrovná tlaku v celém hydraulickém systému potrubí ( Pascalův zákon ). Celý proces fungování tlakové věže je tedy založen na jevu hydrostatické rovnováhy, který funguje na principu proudění kapaliny ve "spojených nádobách".

Účel a cíl vodárenské věže

Kromě autonomní stabilizace průtoku vody má vodárna několik dalších praktických funkcí. Když byla parní čerpadla nahrazena elektrickými. Úkolem vodárenské věže bylo sloužit jako zásobárna vody pro hydraulický systém. Oběh vody začíná v čerpací stanici a přes filtry se dostává ke spotřebitelům. Mezitím je věžová nádrž doplňována vodou, dokud není hladina vody v nádrži na odpovídající úrovni. 

V době špičkového odběru vody spotřebiteli je hydraulický systém provozovaný v oblasti přetížen a čerpací stanice nezvládá průtok vody. V nádrži se otevře uzavírací ventil a voda z věže se dodatečně přivede do potrubního systému. Pokud se výkon čerpací stanice zlepší, ventil opět uzavře přítok vody z nádrže a čerpadla se vrátí do provozu. Výše uvedená cirkulace vody v hydraulickém systému je cyklická.

Funkčnost vodárenské věže

V dřívějších dobách byla stavba vodárenských věží velmi významnou událostí. Tyto zázraky vodního stavitelství dokázaly ulehčit obyvatelům od základních domácích prací. Představte si, že nosíte kbelíky s vodou do čtvrtého patra budovy! - něco strašného. Vodárenská věž dokázala ulevit lidem a sama dodávala vodu do vyšších pater. Ale jak je to s teplou vodou? Ke kotelně a komínu bylo připojeno mnoho vodárenských věží. Voda byla ohřívána a dodávána do kohoutků. Je úžasné mít teplou vodu z kohoutku, aniž byste museli opustit dům.

Historie vodárenské věže

Vodárenská věž není vynálezem naší doby. Již od dob starého Říma se stavěly akvadukty, které zásobovaly města sladkou vodou z horských potoků na principu gravitace. Hory jsou skvělou analogií pro schéma vodárenské věže. Rozkvět výstavby vodárenských věží nastal na přelomu 19. a 20. století. V tomto období se vodárenské věže používaly k uchovávání vody v městských a průmyslových oblastech a hrály také důležitou roli v železniční infrastruktuře; zásobovaly lokomotivy a nemovitosti vodou.

Konstrukční schéma vodárenské věže

Vodárenská věž se skládá z několika částí ; konstrukční a mechanické.

Sokl

Konstrukce může být vyrobena ze dřeva, červených cihel, železobetonu, nýtovaných nebo svařovaných ocelových plechů. Vodárenská věž má pevný základ, vytyčený kruhovým, čtvercovým nebo jiným geometrickým tvarem. Základ věže obvykle tvoří pevný základ, který je vyroben z tesaného kamene, keramických cihel nebo železobetonového bloku.

Jádro (podpora)

Dalším důležitým prvkem konstrukce vodojemu je šachta, nazývaná také podpěra, která je umístěna svisle mezi základnou a hlavicí. Uprostřed prvku se nachází schody vedoucí k nádrži a síť potrubí pro čerpání a rozvod vody. Výška dříku se obvykle architektonicky neliší od zbytku stavby. Obvykle má úzký válcovitý tvar s vertikálním uspořádáním, a je tedy snadno rozpoznatelný. Šachta vodárenské věže má také okna, která umožňují řádné osvětlení vnitřku stavby.

Hlava

V této části věže se nachází nádrž na vodu, která má své druhy, typy, kapacitu a tvar. Rozlišují se základní typy nádrží na vodu:

Obdélníková nádrž

Nádrž se zaoblenou základnou

Nádrž typu Intze

Nádrž Intze s vnitřním válcem

Nádrž typu Intze 2

Nádrž typu Barkhausen

Nádrž typu Klönne

Nádrže jsou vyrobeny z nýtované oceli, železobetonu nebo plastu. Kapacita nádrží se může pohybovat od desítek až po tisíce metrů krychlových.

Hlavice vodárenských věží mají různé tvary v závislosti na architektonickém stylu, fantazii architekta nebo funkčnosti. Nejčastěji mají tvar koule, krychle, hřibu apod. Fasáda hlavice vodárenské věže je místem pro zdůraznění ducha doby, ve které byla navržena, místem pro kombinaci různých detailů a architektonických prvků. Může být také použit k propagaci místního podniku, který v noci svítí v podobě neonového nápisu apod.

Důležitým prvkem hlavy jsou větrací otvory, které udržují potřebný objem vzduchu v nádrži a zabraňují stagnaci vody.

Filtry

Systém filtrace a čištění vody

Čerpací stanice 

Zařízení, které se obvykle nachází v těsné blízkosti vodárenské věže. Čerpací stanice je zodpovědná za ovládání kapaliny v celém hydraulickém systému pomocí ventilů.

Potrubí

Soustava potrubí rozmístěná v celém hydraulickém systému; začátek potrubí je spojen se zdrojem ; místo, odkud čerpadlo nasává vodu svislým potrubím umístěným v šachtě věže do nádrže.

Architektura vodárenské věže

Novogotický styl

V Polsku a Evropě jsou nejčastější vodárenské věže z červených cihel, které odkazují na novogotický styl nebo obecně na historizující trend, velmi populární na přelomu 19. a 20. století ve střední Evropě. Tyto typy stavebních konstrukcí napodobují středověké hrady nebo obranné věže. Na stavbu základové části vodárenské věže - soklu - byl kromě výše zmíněných cihel použit také polní kámen. Novogotické vodárenské věže mají špičatá, štíhlá okna. Ozdobné vlysy jsou z červených cihel a jsou uspořádány v různých kombinacích a sklonech - hlava, kočár a základna. Nejběžnějším vlysem je arkádový vlys, který se skládá z malých hrotitých galerií. Tento detail obvykle zvýrazňuje mezilehlou římsu mezi hlavicí a dříkem; dodává budově obranný charakter v podobě machikol.

Přírodní vodárenská věž

Lze si představit, že největší vodní věže nepostavili lidé, ale příroda. Mám na mysli horské vrcholy, jimiž podle gravitačních zákonů protékají proudy sladké vody do údolí a nížin. 

Ledovce na vrcholcích hor po většinu dní v roce shromažďují obrovské množství vody, která za teplých letních dnů pod vlivem slunce taje a napájí celý koloběh vody v přírodě. Příroda je mocná, člověk se učí jejím zákonům, aby později své znalosti uplatnil ve vznešených a funkčních stavbách. 

Zamrzá v zimě voda v nádrži vodojemu?

Samozřejmě, že ano. Voda v nádrži uvnitř věže podléhá stejným povětrnostním podmínkám jako voda vně konstrukce. V chladnějších částech zeměkoule jsou vodojemy navíc vybaveny topnými systémy a potrubí je obaleno izolací a hliníkovým pláštěm s vatou. Vodárenské věže mají také ohřívací systém, kdy ohřívač přivádí do základny stoupačky ohřátou vodu nebo páru. V obou případech stoupá do nádrže teplo, které zpomaluje zamrzání. 

Na povrchu vody v nádrži se tvoří led, který je v mnoha případech silný až několik centimetrů. Tato vrstva ledu obvykle vystupuje na povrch při stoupání a klesání vodní hladiny. Led často zamrzá na střeše nebo horních stěnách nádrže a zůstává tam, protože se pod ním během každodenního používání mění hladina.

V mírnějších klimatických oblastech se uvnitř nádrže instalují ocelové žebříky a ze střechy se zavěšují sondy pro kontrolu stoupacího potrubí a hladiny vody. V chladnějším podnebí je nutné vynechat veškeré vnitřní kování, protože vrstva ledu má tendenci je vytrhávat.

Vodárenské věže na střechách budov jsou běžným prvkem amerických měst. Ve městě musí vysoké budovy často řešit vlastní problémy s tlakem vody. Protože jsou budovy tak vysoké, že často přesahují výšku, kterou je schopen zvládnout tlak vody ve městě. Takže vysoká budova bude mít vlastní čerpadla a vlastní vodárenské věže. Střešní vodárenská věž je varianta vodárenské věže , která se skládá z vodní nádrže umístěné na střeše vysoké budovy.

Tato konstrukce zajišťuje tlak vody do stropů ve větší výšce než veřejné vodárenské věže. 

S rostoucí výškou budovy roste i svislá výška jejího vodovodního systému. Vzniká tak velký sloupec vody, který svou vahou vytváří na dně sloupce velmi vysoký tlak. Za normálních okolností by to vyžadovalo velmi silný (robustní) vodovodní systém, který by odolal tlaku. Aby armatury ve spodní části sloupu mohly normálně fungovat, musely by být vybaveny redukčními ventily a tlak městské vody by musel být velmi vysoký, aby se do horní části sloupu dostal tlak.

Vodovodní potrubí v různých podlažích budovy je často izolované a tlak je dodáván z vodárenské věže na střeše namísto z městské sítě. Samotná věž je napájena čerpadlem a poměrně vysokotlakým potrubím, které přivádí vodu do horní části budovy z potrubí pod ní.

Kromě toho existují také vysoké budovy s vodními nádržemi v konstrukci budovy. Nádrže těchto budov obvykle slouží nejen k udržování tlaku vody v horních patrech, ale často také pro veřejný vodovod.

Kromě zajištění tlaku vody je voda uskladněná ve vodárenských věžích určena také k překlenutí dočasných výpadků dodávek vody. Jedná se o alternativní a velmi funkční řešení. Při poruše vodovodu lze vodu čerpat z vodárenské věže.

Vodní věže mohou být velmi praktické při požárech. Hasiči mohou z nádrže čerpat vodu až do uhašení požáru.

Vodárenské věže mohou být na farmách nepostradatelné, protože jejich stavba není složitá. Vodárenská věž může být zděná nebo složená z ocelových konstrukcí.

Jak se navrhuje konstrukce vodárenské věže?

Konstrukce vodárenské věže je založena na zákonech gravitace a hydrostatického tlaku. Voda proudí potrubím ve vodárenské věži ke spotřebitelům pod vlastní vahou. Gravitace způsobuje pohyb vody proudící v potrubí a voda volně stéká dolů. Naproti tomu zákon hydrostatiky nám umožňuje manipulovat s velikostí tlaku v potrubí.

Vliv výšky tlakové věže na hydrostatický tlak 

Nejdůležitějším faktorem, který ovlivňuje velikost tlaku vytvářeného vodárenskou věží, je výška vodojemu. Hydrostatický tlak se zvyšuje přibližně o 0,1 baru na každý metr vodního sloupce. Hydrostatický tlak převládající v uskladněné vodě ve věžové nádrži se s hloubkou zvyšuje. To znamená, že čím vyšší je vodní sloupec, tím vyšší je tlak působící na dno nádrže vodojemu.

Pokud je například nádrž na vodu umístěna ve věži ve výšce 20 metrů, pak bude tlak vody u základny vodojemu přibližně 1,94 Bar ( 1m = 0,097 Bar ) Návrh zní, že čím výše je umístěna nádrž na vodu, tím vyšší bude tlak vody u základny vodojemu. 

Pokud je naopak vodárenská věž postavena na malém kopci nebo vyvýšenině, je tlak vody větší než podle výše uvedeného výpočtu. Totéž platí pro nemovitosti, do kterých je voda dodávána z vodojemu. Nemovitosti, které se nacházejí ve vyšší poloze než ostatní, budou vystaveny nižšímu hydrostatickému tlaku. Protože podle zákona hydrostatiky je rozdíl vytvářející tlak pod vlivem gravitace nižší. Nemovitosti, které se nacházejí v údolí nebo v oblastech s nižší zástavbou než sousední domy, budou mít zase vyšší tlak v potrubí. 

Druhým způsobem výpočtu tlaku vody je použití vzorce :

P = hustota vody * gravitace * výška

P = 1000 * 9.81 * 20

P = 196200 pascalů

P = 1,962 bar

Pro domácí vodovod je běžné, že voda z kohoutku teče pod tlakem přibližně 4 barů, takže pro splnění této podmínky by měl mít vybudovaný vodojem nádrž instalovanou ve výšce nejméně 40 metrů nad zemí.

Vliv počasí na vznik hydrostatického tlaku ve vodárenské věži.

V důsledku instalovaných odsávacích věží na střeše hlavice vodojemu. Tlak uvnitř vodojemu je stejný jako tlak venku. Můžeme se podívat, jaký vliv bude mít počasí na tlak vody.

Deštivé počasí charakterizované tlakovou níží

P ( tlak ) = 1000 kg/m3 ( hustota vody ) * 9,81 m/s ( zemské zrychlení ) * výška naší vodárenské věže + 996,26 hPa

P = 1000 * 9,81 * 20 + 996,26 = 1962,0 hPa + 996,26 hPa

P = 2958,26 hPa = 2,96 baru

Slunečné počasí charakterizované vysokým tlakem 1026,42 hPa

P = 1962,0 hPa + 1026,42 hPa = 2988,42 hPa = 2,99 baru

Jak vidíte, vliv počasí na hydrostatický tlak je sice skutečností, ale zanedbatelnou.

Jak se reguluje tlak vody z vodojemu do budov?

Regulace průtoku vody z vodojemu do nemovitosti se provádí pomocí regulačního ventilu. Pro zajištění bezpečnosti při průtoku vody se ventily instalují mezi uzavírací ventil a vodoměr. Toto uspořádání umožňuje volné řízení cirkulace vody ve vodovodním systému a eliminuje kolísání tlaku.

Doplňující otázky

Co když je budova vyšší než vodárenská věž?, bude pak voda proudit do nejvyššího patra?

 Ne, pak musí být zásobování vodou podpořeno dalšími čerpadly.

Lze vodu v nádrži nahradit jinou kapalinou?

Ne, pokud by konstruktér nebo uživatel nahradil například vodu olejem, hydrostatický zákon by byl porušen. Hustota kapaliny v nádrži ovlivňuje funkci vodojemu.

Je třeba si také uvědomit, že tvar a velikost nemají žádný vliv na hydrostatický tlak vytvářený vodárenskou věží. Nejdůležitějším faktorem je výška nádrže, protože právě tato hodnota působí tlakem na dno nádrže.