پيش بيني وسايل بهداشتي مناسب و كافي، توزيع صحيح آب و دفع فاضلاب همواره از مسائل بسيار حائز اهميت در معماري ساختمانها مي باشند كه در صورت عدم كفايت مي توانند مشكلات فراواني براي ساكنين آنها پديد آورند. در اين فصل با چگونگي طراحي صحيح و محاسبات شبكه لوله كشي آب و فاضلاب ساختمان آشنا خواهيم شد.

۱- سيستم آبرساني ساختمان:
اولين قدم در راه آبرساني ساختمانها، تأمين آب سالم و بهداشتي است. آب مصرفي ساختمان ممكن است از آب لوله كشي شهر، چاه، قنات و يا رودخانه تأمين شود. كنترل كيفيت آب از نظر املاح محلول، رنگ، بو و مزه و باكتريهاي موجود در آن از لخاظ بهداشتي واجد اهميت حياتي است. اين مهم درمورد آب شهر توسط سازمان ذيربط متداوماً انجام مي پذيرد، ولي در صورتيكه آب مصرفي ساختمان بطور اختصاصي از منابعي نظير چاه ، قنات و رودخانه تأمين شود، بايد قبلا ويژگيهاي آن از نقطه نظرهاي مزبور را اساس دستورالعملها و مقررات مدون مورد تدقيق و بررسي قرار گرفته نسبت به ايجاد كيفيت مطلوب اقدامات مقتضي بعمل آيند.

مشخصات آب- اين مشخصات را مي توان به سه دسته فيزيكي، شيميايي و ارگانيك تقسيم نمود:
الف- مشخصات فيزيكي : ويژگيهايي از قبيل دما، رنگ، تيرگي ، بو ومزه جزو خواص فيزيكي آب آشاميدني محسوب مي‌شوند. تمام اين خواص غير از دما، از طريق مطالعه روي نمونه آب مورد نظر، در آزمايشگاه مورد تدقيق قرار مي گيرند. تيرگي آب كه مربوط به گل و لاي معلق در آن است، در سيستم آمريكايي بر حسب قسمت در ميليون (ppm) مواد معلق در آب كه معادل ميلي گرم در ليتر مي باشد، بيان مي گردد. مثلاً اگر ميزان مواد معلق در آب برابر ۱۰ ppm باشد، آب در ليوان به صورت غبارآلود ديده مي‌شود. تيرگي مناسب براي آب معمولا ۵ ppm است. رنگ آب نيز كه از نظر مصرف كننده واجد اهميت مي باشد، پس از خارج كردن گل و لاي موجود در آن ( از طريق

سانتريفوژ) و در قياس با رنگ استاندارد و مجاز اندازه گيري مي‌شود. بو و مزه آب كه مربوط به مواد آلي و يا تركيبات شيميايي آن است بايد بطور كامل برطرف گردد تا آب قابل شرب شود.
ب- مشخصات شيميايي – خواص شيميايي آب مصرفي از نظر ميزان سختي، درجه اسيدي (pH )، مقدار آهن و منگنز وساير فلزات ، با تكنيكهاي آزمايشگاهي مورد بررسي قرار مي گيرند. مقدار كل فلزات موجود در آب نبايد از ۱۰۰۰ ppm و در بعضي موارد از ۵۰۰ppm تجاوز نمايد. جدول A-5 ميزان حداكثر مجاز مواد شيميايي موجود در آب را بر حسب ppm نشان مي‌دهد.

جدول A-5 : حداكثر مجاز مواد شيميايي موجود در آب
Ppm
0.1 Lead
0.05 Arsenic
0.2 Copper
5.0 Zinc
125 Magnesium
0.3 Iron
250 Chlorides
250 Sulfates
0.001 Phenol (in comounds)
1.0 (optimum concentration for prevention of tooth decay) Fluorine
درجه سختي آب در سيستم آمريكايي از روي ميزان كربنابت كلسيم موجود در آب بر حسب ppm تعيين مي‌شود. بالا بودن ميزان سختي آب باعث نزول كيفيت و ميزان مقبوليت آن از نظر مصارف مختلف خواهد شد. مثلاً صابون در آبي كه سختي آن زياد باشد خوب كف نمي كند و لذا مصرف آن بيشتر مي‌شود. در مورد وسايل و اجزاء سيستم رمايش از قبيل ديگ و رادياتور و غيره كه تشكيل رسوب روي جدار داخلي آنها باعث كاهش قدرت انتقال حرارتشان مي شود، ميزان كربنات كلسيم

آب بايد خيلي كمتر از ۱۵۰ ppm باشد. از طرف ديگر ، آبي كه درجه سختي آن كمتر از ۳۰ ppm باشد براي آشاميد چندان گوارا نيست، لذا در مورد آب آشاميدني ميزان سختي آب نبايد از اين حد تنزل كند. ميزان تمركز يون هيدروژن كه بعنوان pH ناميده شده و خاصيت اسيدي آب با آن سننجيده مي شود، يكي ديگر از موارد قابل بررسي است. چنانچه عدد pH آب برابر ۷ باشد طبيعي است، كمتر از آن نشان دهنده خاصيت اسيدي و بيشتر از آن نشانه خاصيت قليايي آب است. آبي كه داراي خاصيت اسيدي باشد مي تواند سبب خودگي لوله ها گردد. براي اندازه گيري pH آب از

معرفهاي شيميايي استفاده مي‌شود. ميزان تمركز آهن و منگنز آب وقتي بيش از ۰٫۳ ppm باشد ممكن است رنگ لباس را تغيير دهد و اگر افزون بر ۰٫۲ ppm باشد براي بيشتر مصارف صنعتي مناسب نيست.
ج- خواص ارگانيك- در آهاي طبيعي همواره تعداد بسيار زيادي موجودات تك سلولي از قبيل انواع باكتري، پلانكتون و جلبك زندگي مي‌كنند كه برخي از آنها مي توانند موجد انواع بيماريهاي عفوني در انسان يا حيوان باشند. تشخيص و تعيين ميزان ارگانيسم هاي ميكروبي موجود در آب، از طريق يك سلسله آزمايشات دقيق باكتريولوژيكي و بيولوژيكي روي نمونه‌هاي استاندارد صورت مي گيرد.
فشار و افت فشار آب :
براي درك بهتر مباحث بعدي لازم است توضيحي هر چند مختصر در مورد فشار و افت فشار آب داده شود:

الف – فشار استاتيك آب (PS) اين فشار كه فشار ساكن نيز ناميده مي‌شود ناشي از وزن ستون آب مي باشد و در يك سطح معين بطور يكسان به تمام جهات از جمله جدار لوله وارد مي گردد:

جرم مخصوص آب
g شتاب ثقل
h ارتفاع ستون آب
اين فشار را مي توان بر حسب ارتفاع ستون آب بيان داشت:

ب – فشار سرعتي آب (PV) – ميزان اين فشار در هر مقطعي از جريان بستگي به سرعت جريان آب دارد:

كه در آن V سرعت متوسط جريان آب كه اگر آنرا بر حسب ارتفاع نظير فشار بيان كنيم خواهيم داشت:

ج – فشار كل آب (Pt)- فشار كل در هر نقطه از مسير جريان آب برابر است با مجموع فشارهاي استاتيك و سرعتي : و اگر آنرا بر حسب ارتفاع نظير فشار بنويسيم خواهيم داشت:
براي اندازه‌گيري فشار آب از انواع فشار سنجها از قبيل فشارسنج گيج ، مانومتر و پيزومتر استفاده مي‌شود كه همگي فشار نسبي آب را نشان مي دهند.

د- فشانر مطلق (Pa) – عبارتست از فشار نسبي باضافه فشار آتمسفر: كه در آن : Pg فشار نسبي يا فشاري كه گيج نشان مي دهد[psi] و ۷/۱۴ فشار آتمسفر [psi]
معادله برنولي
فشاري كه در هر مقطعي از جريان سيال وجود دارد مستقيما متناسب با انرژي سيال است و در مورد انرژي سيال ايده آل رابطه اي وجود دارد كه به معادله برنولي موسوم است. اين معادله اشعار مي دارد كه كل انرژي موجود در واخد جرم يك سيالي ايده‌آل مقداري است ثابت. سيال ايده‌آل سيالي را گويند كه تراكم ناپذير بوده و ويسكوزيته‌اش صفر باشد، البته چنين سيالي وجود خارجي ندارد ولي سيالاتي مثل آب، نفت و گازها در فشار كم تا حدي رفتارشان به سيال ايده آل نزديك است. معادله برنولي بصورت زير نوشته مي‌شود (در ارتباط با شكل ۱-۵):

كه در آن ارتفاع فشار استاتيك، ارتفاع فشار سرعتي و Z ارتفاع مقطع مورد نظر از جريان سيال نسبت به يك سطح مبناي اختياري مي باشد.

افت فشارها- افت فشار كلي مجموع دو افت فشار استاتيك و سرعتي است:
الف- افت فشار استاتيك- وقتي آب در لوله اي جريان مي يابد، بدليل اصطكاك جريان با جدار لوله و تبذير انرژي ناشي از اصطكاك بين مولكولهاي آب كه بستگي به ويسكوزيته آن دراد، فشار متداوماً در طول لوله كاهش مي يابد. هر چه جدار لوله زبرتر باشد ميزان اين افت فشار كه به افت فشار استاتيك موسوم است بيشتر خواهد بود. رابطه اين افت فشار با سرعت جريان، طول لوله، قطر لوله و زبري سطح داخلي لوله، توسط فرمول زير بيان مي‌شود:
.
كه در آن :
افت فشار بر حسب فوت آب h :
ضريب اصطكاك بين سيال و لوله f:
طول لوله بر حسب فوت l:
قطر لوله بر حسب فوت d:
سرعت متوسط جريان بر حسب فوت بر ثانيه V:
شتاب ثقل بر حسب فوت بر مجذور ثانيه g:

ب – افت فشار سرعتي- اين افت فشار تابع سرعت جريان است و هر قدر عواملي كه موجب تغيير سرعت سيال مي‌شوند بيشتر باشند، مقدار افت فشار سرعتي افزونتر مي‌شود. عوامل مزبور يكي تغيير جهت جريان و در نتيجه بوجود آمدن حالت آشفتگي در مسير جريان مي باشد كه موجب افت سرعت مي گردد، مثل تغيير جهت جريان آب در زانويي ها و زانو سه راهه ها و ديگر تغيير مقطع لوله و وجود شيرها و موانع در مسير جريان آب. مقدار افت فشار سرعتي از رابطه زير بدست مي آيد:

كه در آن K ضريبي است كه بستگي به نوع وصاله دارد. بطوريكه ذكر شد، افت فشار كلي (hlt) برابر با حاصلجمع افت فشارهاي استاتيك و سرعتي است:.

خط گراديان هيدروليكي :
اين خط كه چگونگي افت فشار آب را در طول مسير جريان بطور عيني نشان مي دهد عبارتست از مكان هندسي در طول مسير جريان كه آب تا آن نقطه در داخل لوله پيزومتر بالا مي‌آيد. اين خط بطوريكه در شكل ۲-۵ ملاحظه مي‌شود، داراي شيبي در جهت جريان آب مي باشد. شيب اين خط معلول اختلاف فشاري است كه در اثر افت فشار در مسير جريان در لوله ايجاد مي‌شود

. از نقطه A تا B افت فشار آب ناشي از اصطكاك كه آن با جدار لوله است (افت فشار استاتيك). از B تا C كه در اثر عبور آب از شير افت فشار سرعتي ايجاد مي شود، شيب خط گراديان هيدروليكي ناگهان تند گرديده از C تا D مجدداً تنها افت فشار استاتيك وجود دارد، لذا شيب خط كمتر مي‌شود. از D تا E كه مقطع لوله ناگهان كوچك مي‌شود بدليل افت فشار سرعتي، شيب خط گراديان

هيدروليكي بشدت زياد مي گردد. به اين ترتيب علت كاهش فشار و يا قطع جريان آب در طبقات بالاي ساختمان را هنگامي كه مصرف طبقات پايين افزايش مي يابد، بهتر درك خواهيم نمود. بعنوان مثال ساختمان نشان داده شده در شكل ۳-۵ را در نظر مي گيريم. اگر مصرف آب در طبقه اول زياد شود، مثلاً همه شيرها را باز كنيم، بعلت افزايش دبي آب شيب خط گراديان هيدروليكي (يعني افت فشار) زياد شده نتيجتا فشار آب در شرهاي طبقه دوم كمتر از حالت مصرف معمولي خواهد بود. با بازكردن شير باغباني G در طبقه همكف، بعلت ازدياد دبي در لوله A-B و در نتيجه افزوني افت فشار، حط گراديان هيدروليكي ab شيب زيادي پيدا مي نمايد و سطح آب منبع T روي سقف پايين آمده به نقطه C مي رسد. چناچنه مقدار دبي شير باغباني باز هم زياد شود ، ازدياد تدبي در لوله A-B موجب تندتر شدن هرچه بيشتر شيب خط گراديان هيدروليكي ab شده اين خط را بوجود مي آورد كه سطح آب در لوله B-C از ارتفاع شير V2 نيز پائين تر آمده جريان آب در كليه دستگاهاي مصرف طبقه دوم بكلي قطع گردد.
شكل ۲-۵ : خط گراديان هيدروليكي

شكل ۳-۵ : اثر ازدياد مصرف آب در طبقه همكف بر روي فشار آب در طبقات بالاتر ساختمان
تأمين فشار آب ساختمان:
فشار آب ساختمان بايد به اندازه اي باشد كه آب را به بالاترين واحد بهداشتي ساختمان رسانده فشار لازم و مجاز (كه بعداً توضيح داده خواهد شد) را براي آن تأمين نمايد. فشار آب‌ ساختمان ممكن است توسط فشار آب شهر، مخزن ثقلي (در ارتفاع) و يا مخزن تحت فشار تأمين گردد:
۱- سيستم توزيع آب در ساختمان با فشار آب شهر:

در صورتيكه ساختمان از آب لوله كشي شهر استفاده نمايد كافي است لوله اصلي ورودي به ساختمان را به لوله آب شهر در خيابان مجاور وصل كنيم. فشار آب اغلب شهرها معمولاً بين ۳۰ تا ۸۰ پاوند براينچ مربع (psi) مي باشد. در صورتيكه فشار مجاز آب شهر براي رساندن آب به طبقات بالاي ساختمان و تأمين فشار مجاز آب در وسايل بهداشتي اين طبقات كافي نباشد، بايد از مخزن ثقلي يا مخزن تحت فشار كه متعاقباً‌ در موردشان توضيح خواهد شد براي تأمين فشار لازم كمك گرفته شود. مهندس طراح سيستم آبرساني ساختمان بايد قبلا از فشار آب در خيابان مجاور ساختمان اطلاع حاصل نمايد تا بر مبناي آن بتواند برآورد كند كه آيا فشار آب شهر در اين محل براي رساندن آب به بالاترين طبقه ساختمان كافي است يا خير. فشار مورد نياز عبارتست از :

كه در آن:
فشار لازم براي ساختمان [psi] H:
ارتفاع بالاترين وسيله بهداشتي متصله به h1
سيستم لوله كشي ساختمان [ft]
ميزان افت فشار آب در لوله از محل اتصال به لوله آب شهر تا بالاترين وسيله بهداشتي، كه با احتساب ضريب اطمينان معمولا برابر ۲۵psi در نظر گرفته مي‌شود. h2
فشار آب لازم براي وسيله بهداشتي مورد نظر كه بستگي به نوع آن دارد و طبق مقررات حداقل برابر ۸psi در نظر گرفته مي‌شود. فشار آب مورد نياز براي وسايل بهداشتي مختلف در جدول ۱-۵ (آخر فصل پنجم) ارائه شده است.
شكل ۴-۵ چگونگي توزيع آب با استفاده از فشار آب شهر را در يك ساختمان دو طبقه نشان مي دهد.
شكل ۴-۵ : توزيع آب در ساختماني كه از آب لوله كشي شهر استفاده مي‌كند.
سيستم توزيع آب در ساختمان با استفاده از مخزن ثقلي :
اين سيستم در مواقعي بكار مي رود كه آب ساختمان بطور اختصاصي از منابعي نظير چاه، قنات، و غيره تأمين گردد و يا فشار آب شهر براي رساندن آب به طبقات بالاي ساختمان كافي نباشد. مخزن ثقلي روي برج و يا پشت بام ساختمان و حداقل ۶ فوت بالاتر از بالاترين وسيله بهداشتي مصرف كننده نصب مي‌شود.

آب توسط فشار آب شهر و يا پمپ به مخزن ارسال شده از آنجا در ساختمان توزيع مي گردد. حجم مخزن ثقلي بر حسب احتياج روزانه ويا مدت مورد نظر، براي يك ساختمان ، مجتمع مسكوني و يا شهرك برآورده مي‌شود. مقدار مصرف روزانه بر حسب جمعيت ساختمان با استفاده از جدول ۲-۵ (آخر فصل پنجم) محاسبه مي گردد. در ساختمانهاي بيش از پنج طبقه كه از اين سيستم استفاده مي‌كنند، بايد در طبقات پايين تر شيرهاي فشار شكن تعبيه نمود تا فشار آب را در وسايل

بهداشتي اين طبقات كاهش داده مانع از بروز سروصدا در آنهاو آسيت ديدن لوله ها در اثر فشار زياد گردند. همچنين مي توان ترتيبي داد كه طبقات پايين تر با فشار آب شهر و طبقات بالاتر با فشار آب مخزن تغذيه شوند. اگر قرار است اين مخازن روي پشت بام نصب شوند بايد سقف طبقه آخر قدرت تحمل وزن آنها را داشته باشد. شكل ۵-۵ چگونگي توزيع آب در ساختمان را با استفاده از مخزن ثقلي نشان مي دهد.

شكل ۵-۵ : توزيع آب در ساختمان با استفاده از مخزن ثقلي

۳- سيستم توزيع آب در ساختمان با استفاده از مخزن تحت فشار:
مخزن تحت فشار يك مخزن بسته هوابندي شده است كه حدود دوسوم يا سه چهارم حجم آن از آب و بقيه از هوا پرشده است. موارد استفاده اين مخزن مشابه مخزن ثقلي است، با اين تفاوت كه چون فشار آب در اين مخازن توسط بالشتك هوا ايجاد مي‌شود مي توان آنرا در هر جاي ساختمان حتي در زيرزمين يا موتورخانه تاسيسات نصب نمود. در اين سيستم، هوا توسط كمپرسور و آب

بوسيله پمپ يا فشار آب شهر بداخل مخزن ارسال مي‌شوند. فشار مخزن توسط يك كنترل كننده فشار هميشه ثابت نگهداشته مي‌شود. هرگاه سطح آب مخزن در اثر مصرف به پايين ترين حد تعيين شده برسد، فشار هواي درون مخزن نيزي به حداقل پيش بيني شده خواهد رسيد و در اين زمان پمپ و يا شير موتوري با فرماني كه از كنترل كننده فشار دريافت مي‌كنند بطور خودكار وارد عمل شده آب را به مخزن مي فرستند. سطح آب در مخزن رفته رفته بال مي آيد تا به حداكثر

تعيين شده (حدود دو سوم حجم مخزن) برسد. در اين هنگام هوا نيز به حداكثر فشار پيش بيني شده رسيده پمپ خاموش و يا شير موتوري بسته مي‌شود. اگر فشار مخزن از حد مجاز فراتر رود، فشار اضافي توسط يك شير رها كننده فشار تخليه مي گردد. يك شير خلاء گير نيز از پيدايش خلاء در داخل و ضايعات ناشي از آن از جمله ايجاد فشار معكوس، جلوگيري مي‌كند. تغييرات مجاز بين حداقل و حداكثر فشار مخزن در جدول B-5 نشان داده شده‌اند.
هرچه حجم مخزن كوچكتر باشد طبعاً ارزانتر خواهد بود ولي تعداد دفعات خاموشي و روشن شدن پمپ زيادتر مي‌شود كه نتيجه آن گرم شدن موتور و كاسته شدن عمر آن و بالاخره افزايش مصرف برق مي باشد، لذا بايد حجم مخزن را طوري انتخاب نمود كه تعداد دفعات خاموش و روشن پمپ بيش از يك مرتبه در هر ۱۵ يا ۳۰ دقيقه نباشد. ظرفيت اين مخازن كه بهمان ترتيب مخازن ثقلي محاسبه مي‌شود نبايد از ۳۰ گالن براي ساختمانهاي كوچك و ۷۰ گالن براي ساختمانهاي بزرگ كمتر باشد. ظرفيت اين مخزن بستگي دارد به تعداد ساكنين ساختمان و مدت زمان مورد نظر براي مصرف كه درآن مدت آبي وارد مخزن نشود. اگر اطلاعات كافي براي محاسبه ظرفيت مخزن در

اختيار نداشته باشيم مي توانيم براي هر ۱۰۰۰ فوت مربع سطح زيربناي ساختمان حدود ۳۰۰ گالن در نظر بگيريم و اين كافي است كه مصرفي ۱۲ ساعت ساختمان را بدون آنكه آبي وارد مخزن شود تأمين نمايد. مخازن تحت فشار در دو نوع قائم و افقي ساخته مي‌شوند. شكل ۶-۵ يك مخزن تحت فشار افقي را با تجهيزات آن نشان مي دهد. اندازه‌هاي استاندارد مخازن تحت فشار قائم و افقي نيز در جداول c-5 و D-5 ارائه شده‌اند.

جدول B-5 : حداكثر و حداقل مجاز فشار در مخزن تحت فشار

شكل ۶-۵ : مخزن تحت فشار افقي و تجهيزات آن