Juni 2012
Ontwerpen van leidingwaterinstallaties in torenbouw
Het strijkijzer in den Haag of Montevideo in Rotterdam. Nederland heeft inmiddels verschillende aansprekende woontorens. In de nabije toekomst wordt er in Nederland naar verwachting nog meer hoogbouw gerealiseerd. Het Bouwbesluit, de normen en de richtlijnen zijn nog niet allemaal goed toegesneden op hoogbouwspecifieke knelpunten. Daarom werken sinds 2005 betrokken partijen, zoals bouwmaatschappijen, institutionele beleggers, architecten, adviseurs en installatiebedrijven, oplossingen uit.
We spreken van torenbouw bij een gebouwhoogte van meer dan 70 m. Oplossingen voor installatietechnische knelpunten in torenbouw zijn inmiddels opgenomen in de nieuwe NEN 3215-2011. Ook NTR 3216 (Gebouwriolering) en in Isso-publicatie 55 (Leidingwaterinstallaties), die beide in 2012 verschijnen, schenken er aandacht aan. De belangrijkste problematiek bij het ontwerp van leidingwaterinstallaties in torenbouw is het hydraulisch ontwerp en het ontwerp van het drukverhogingssysteem. Het hydraulisch ontwerp moet ervoor zorgen dat de gebruiksdruk aan de tappunten niet te laag of te hoog is. Voor reguliere tappunten, zoals een normale douche- of keukenkraan, is een minimale gebruiksdruk van 100 kPa nodig. Vooral in appartementen op de hoogste verdiepingen van woontorens kom je exclusieve tapwatervoorzieningen tegen die een hogere druk nodig hebben om goed te functioneren. Daarom wordt een minimale gebruiksdruk van 200 kPa ter plaatse van de woningaansluiting aanbevolen. Om geluidsoverlast te voorkomen wordt een maximale gebruiksdruk aan het tappunt van 300 kPa aangehouden. Omdat er altijd enig verlies in het leidingsysteem optreedt, wordt een maximale statische druk aan de woningaansluiting van 400 kPa aanbevolen.
In tabel 1 is deze vertaling van eisen aan het tappunt naar eisen aan de appartementsaansluiting weergegeven. Hiermee liggen de belangrijkste ontwerpuitgangspunten voor het hydraulisch ontwerp vast: een minimale gebruiksdruk van 200 kPa en een maximale statische druk van 400 kPa bij de woningaansluiting. Voor het ontwerp van het drukverhogingssysteem moeten we ook een inschatting maken van de leidingverliezen in de verdeelleiding (de stijgstrang) van de collectieve installatie. Hiervoor kunnen de richtwaarden uit tabel 2 worden aangehouden.
Drie woontorens onderzocht
De vakafdeling Sanitaire technieken van TVVL heeft in 2008 samen met UNETO-VNI een nader onderzoek uitgevoerd naar het ontwerp van leidingwaterinstallaties voor woontorens. De resultaten daarvan zijn opgenomen in het TVVL-voorstudierapport st-23 en zijn verder uitgewerkt in Isso-publicatie 55. Bij drie woontorens is onderzocht hoe de leidingwaterinstallaties zijn gerealiseerd. In de onderzochte gebouwen wordt per drukzone een drukverhogingsinstallatie gebruikt. Drukreduceertoestellen worden enkel gebruikt om de druk na de drukverhogingsinstallatie te stabiliseren, dus niet om de druk substantieel te verlagen. In figuur 1 is schematische de opzet van het drukverhogingssysteem in de onderzochte gebouwen weergegeven.
In figuur 2 is van de drukzones in de onderzochte gebouwen de maximale gebruiksdruk (bij de start van de drukzone) en de minimale gebruiksdruk (bij het eind van de drukzone) gegeven. We zien dat de minimale gebruiksdruk meestal lager is dan 200 kPa en de maximale gebruiksdruk altijd hoger dan 300 kPa. In alle gevallen wordt de maximale gebruiksdruk van 300 kPa fors overschreden en in veel gevallen zullen de minimale gebruiksdrukken niet voldoende zijn voor luxe tapwatervoorzieningen.
Formule berekening maximale hoogte drukzone
Ontwerp
Gegeven de gewenste minimale gebruiksdruk bij de woningaansluiting van 200 kPa en de maximale statische druk van 400 kPa bij de woningaansluiting is de maximale hoogte van de drukzone gelijk aan:
[ zie Formule ]
Waarin:
h1: De hoogte van de start van de drukzone (ten opzichte van de drukverhogingsinstallatie) [m].
pstat;max: maximale statische druk [kPa]. pdyn;max : maximale gebruiksdruk [kPa].
Δpdyn: De gemiddelde wrijvingsverliezen per meter
hoogteverschil [kPa/m.].
10 : Statisch drukverlies per meter stijgstrang- hoogte (bij g = 10 m2/s) [kPa/m]
Opvallend is dat in deze formule ook de hoogte van de start van de drukzone (h1) ten opzichte van de drukverhogingsinstallatie een belangrijke rol speelt. Bij het gebruik van deze berekeningswijze zal de maximale hoogte van de drukzone kleiner zijn naarmate de drukzone hoger is gelegen. Ook de grootte van de leidingverliezen spelen een grote rol bij de maximale hoogte van de drukzone. Dit is in figuur 3 weergegeven.
De afnemende hoogte van de drukzone wordt veroorzaakt doordat het verschil tussen gebruiksdruk en statische druk steeds groter wordt naarmate je hoger in het gebouw komt. Het beperken van het drukverlies in de leidingen, bijvoorbeeld door het kiezen van een lagere ontwerpstroomsnelheid in de verdeelleiding vergroot de ontwerpflexibiliteit. De conclusie is dat het vrijwel onmogelijk is voor hoge woongebouwen goedfunctionerende drukverhogingssystemen te maken zonder van drukreduceertoestellen gebruik te maken. Door het strategisch plaatsen van een drukreduceertoestel aan de start van een drukzone hoog in het gebouw wordt op dat punt de gebruiksdruk en statische druk weer dichter bij elkaar gebracht, waardoor er weer meer ‘ruimte’ is voor de drukzone.
De formule voor de hoogte van de drukzone is dan:
[ zie formule ]
Waarin:
h: De maximale hoogte van de drukzone [m].
pstat;max: De maximale statische druk [kPa]
pdyn;min: De minimale gebruiksdruk [kPa].
Δpdyn: De gemiddelde wrijvingsverliezen per meter hoogteverschil [kPa/m].
Δpdyn;drukreduceer: Het drukverlies over het drukreduceertoestel [kPa]
10: Statisch drukverlies per meter stijgstranghoogte (bij g = 10 m2/s) [kPa/m]
De consequentie is wel dat de drukverhogingsinstallatie een iets hogere druk zal moeten leveren.
Vullen we de formule in met een maximale statische druk van 400 kPa, een minimale gebruiksdruk van 200 kPa, leidingverliezen van 0,6 kPa/m en een maximaal drukverlies over het drukreduceertoestel van 40 kPa, dan wordt de maximale hoogte van de drukzone 16 m.
Schema 1 t/m 4
Ook door het plaatsen van een extra drukreduceertoestel zal de hoogte van de drukzone niet groter dan 15 à 20 m kunnen zijn. De exacte hoogte is afhankelijk van het drukverlies over het drukreduceertoestel. Dus waarom dan geen drukreduceertoestel per groep verdiepingen of zelfs per verdieping (figuur 4) De maximale statische druk van 400 kPa is dan niet meer bepalend. Met het drukreduceertoestel is immers deze druk per verdieping of per appartement in te stellen. De maximale druk die nu bepalend wordt, is de maximale druk vóór het onderste drukreduceertoestel van de drukzone. Deze maximale statische druk is 600 kPa, omdat bij een defect drukreduceertoestel nooit meer dan 600 kPa op de woningaansluiting mag komen te staan. De hoogte van de drukzone kan worden bepaald met formule 2, waarbij voor de maxi- male statische druk 600 kPa aanhouden. Bij dezelfde uitgangspunten wordt de hoogte van de drukzone gelijk aan 35 m.
Met de drukreduceertoestellen wordt een verdeling gemaakt in primaire drukzones. Daardoor kan bij een defect drukreduceertoestel de druk op de woningaansluiting niet groter worden dan 600 kPa. De hoogte van de (secundaire) drukzone kan weer worden berekend met formule 2. Dit kan eventueel ook worden gerealiseerd met veiligheidsventielen voor de woninginstallatie. Aan de toepassing ervan kleven in deze situatie echter ook bezwaren, zoals het droogvallen van het stankslot.
In het rapport st23 ‘leidingwaterinstallaties in woontorens’ en in Isso-publicatie 55 ‘Ontwerpen van leidingwaterinstallaties voor utiliteit en woongebouwen’ worden al deze drukverhogingsconcepten uitgebreid beschreven en wordt met handige rekenschema’s de berekeningswijze toegelicht.
Energiegebruik
Elk drukreduceertoestel zorgt voor energieverspilling. Vanuit dat oogpunt moet de toepassing van drukreduceertoestellen worden beperkt. Het ontwerp van de leidingwaterinstallatie is echter een afweging tussen comfort en flexibiliteit bij de eindgebruiker, het plaatsten van een extra drukverhogingsinstallatie en het energiegebruik. In figuur 6 is een vergelijking gemaakt tussen twee extreme situaties.
Uit de berekeningen blijkt dat voor concept 2 uit figuur 6 ongeveer een kwart meer energie nodig is.
Maximumvolumestroom
Voor bepaling van de maximumvolumestromen koud en warm tapwater zijn in opdracht van UNETO-VNI door KWR (Watercycle Research Institute) rekenregels vastgesteld voor het bepalen van de maximale momentvolumestromen en de vraag naar warmtapwater per minuut, uur en dag in woontorens. Dit is gebeurd met het simulatiemodel Simdeum. De rekenregels zijn vastgesteld voor woontorens, die zijn opgebouwd uit appartementen met verschillende woningtypologieën. Er is een zestal woningtypologieën vastgesteld. De typologieën zijn onder andere gebaseerd op een inventarisatie van de woningplattegronden van vier woontorens. De woningtypologieën worden vastgesteld op basis van de aanwezige sanitaire toestellen, de bewonersklasse (aantal personen, leeftijd en geslacht) en de mate van arbeidsparticipatie. Ook zijn rekenregels opgesteld voor kantoren en hotels. Vanuit deze rekenregels wordt een nieuwe methode voor het bepalen van de maximum moment volumestroom bepaald. De q√n-methode zal straks niet meer van toepassing zijn voor de grotere leidingen in de leidingwaterinstallatie. In het najaar wordt hierop in een vervolgartikel nader ingegaan. Dit gebeurt voorafgaand aan een symposium dat Isso, TVVL, UNETO-VNI en KWR op 6 november houden.
Tekst: Michiel van Bruggen, Oscar Nuijten
Schema 5, 6