การออกแบบระบบท่อประปา
สิ่งที่ต้องคำนึงถึงในการออกแบบระบบท่อประปา
- คุณภาพและปริมาณของน้ำประปา
น้ำที่จ่ายให้แก่อาคารจะต้องมีคุณภาพสำหรับการบริโภคอุปโภค และต้องมีปริมาณเพียงพอต่อการใช้งาน
- วัสดุของท่อประปา
มีการกำหนดมาตรฐานวัสดุของท่อประปา ที่ใช้ในการจ่ายน้ำ ท่อประปาในอาคารส่วนใหญ่จะใช้เป็น ท่อเหล็กชุบสังกะสี(Galvanize) ท่อเหล็กดำ(Black Steel Pipe) ท่อทองแดง(Copper Pipe) ท่อเหล็กหล่อ(Cast Iron Pipe) หรือ ท่อพลาสติก(PE ,PVC)
- ระบบท่อประปาสำหรับอาคาร
ตามหลักแล้วท่อจะต้องเดินเป็นเส้นตรงเพื่อให้มีระยะที่สั้นที่สุด (เพื่อประหยัดต้นทุน)
ระบบท่อประปาสำหรัยอาคารไม่เกิน 3 ชั้น
ระบบท่อประปาสำหรัยอาคารไม่เกิน 10 ชั้น
ประเภทระบบการจ่ายน้ำของอาคาร
ระบบจ่ายน้ำในอาคารจะแบ่งตามลักษณะการออกแบบได้ 2 ประเภท คือ
- ระบบจ่ายขึ้น (Upfeed system)
ระบบจ่ายน้ำขึ้นคือท่อน้ำจะเดินจากด้านล่างขึ้นไปตามความสูงของอาคารเหมาะกับอาคารที่สูงไม่เกิน 10 ชั้นและพื้นที่น้อยกว่า 10,000 ตารางเมตร
ระบบจ่ายน้ำขึ้น (Upfeed System)
- ระบบจ่ายลง (Downfeed system)
ระบบจ่ายน้ำลงคือท่อจ่ายน้ำจะเดินลงมาจากชั้นบนสุดของอาคารเหมาะกับอาคารและอาคารขนาดใหญ่
ระบบจ่ายน้ำลง (Downfeed System)
การจ่ายน้ำในอาคารสูงสามารถแบ่งได้หลายโซนเพื่อการบำรุงรักษาและการจัดการแรงดันในท่อได้สะดวกขึ้น
ระบบจ่ายน้ำลงโดยใช้ถังสูงหลายถัง
ระบบจ่ายน้ำลงโดยการวางถังน้ำไว้บนดาดฟ้าสุขภัณฑ์และอุปกรณ์ที่ใช้น้ำบริเวณชั้นด้านบนจะมีแรงดันน้ำและปริมาณน้ำไม่พอเราจึงแยกระบบจ่ายน้ำของชั้นบนออกมาและมีการเพิ่ม “ถังอัดความดัน” เพื่อเพิ่มแรงดันกับปริมาณน้ำให้เพียงพอต่อการใช้งาน
ระบบจ่ายน้ำแบบผสม
การกระแทกของน้ำ หรือ ค้อนน้ำ (Water Hammer)
การเกิดค้อนน้ำ คือ การที่น้ำที่มีการไหลอยู่โดนขัดขวางการไหลทันที (การปิดวาล์ว, การปิดก็อกน้ำ) เมื่อน้ำไม่สามารถไหลต่อไปได้ก็จะเกิดการกระแทกและไหลย้อนกลับทางเดิม ทำให้ระบบท่อเกิดการสั่นสะเทือน เกิดเสียงดังและท่อน้ำจะเสียหายเร็วขึ้น
แรงดันของน้ำจากการกระแทกสามารถหาได้จากสูตร
P = 14.8V
เมื่อ
P = ความดันที่เพิ่มขึ้นจากการเกิดค้อนน้ำ (หน่วย บาร์ : bar)
V = ความเร็วของน้ำ (หน่วย เมตร/วินาที : m/s)
เราจะเห็นว่าความดันภายในท่อจะเพิ่มขึ้น 4 – 8 เท่าของความดันใช้งานปกติ
การเกิดค้อนน้ำ (Water Hammer)
การป้องกันการกระแทกของน้ำ
เราสามารถป้องกันการเกิดการกระแทกของน้ำได้โดยการติดตั้งอุปกรณ์ที่ “ดูดกลืนพลังงานจากคลื่นความดัน” (water hammer arrestor) มาติดตั้งไว้ในระบบท่อ อุปกรณ์ที่ง่ายที่สุด เรียกว่า ห้องอากาศ (Air Chamber) เป็นท่อน้ำที่ต่อเลยยาวออกไปจากท่อที่ต่อเข้าสุขภัณฑ์
ห้องอากาศ (Air Chamber) จาก dongilmt.com
การใช้ห้องอากาศสำหรับสุขภัณฑ์หลายชุด
อัตราการไหลและความดันของเครื่องสุขภัณฑ์
เครื่องสุขภัณฑ์แต่ละชนิดต้องการความดันและอัตราการไหลของน้ำตามคำแนะนำของผู้ผลิต สามารถดูความดันและอัตราการไหลต่ำสุดของสุขภัณฑ์ทั่วไปได้ที่ตารางด้านล่าง
ตารางแสดงความดันและอัตราการไหลสำหรับสุขภัณฑ์ทั่วไป
|
เครื่องสุขภัณฑ์ |
ความดัน |
อัตราการไหล |
|---|---|---|
| ก็อกน้ำ Ordinary basin faucet |
0.55 (8) |
0.19 (3) |
| ก็อกน้ำแบบหยุดได้เอง Self-closing basin faucet |
0.84 (12) |
0.16 (2.5) |
| ก็อกน้ำล้างจาน Sink faucet (15 mm.) |
0.35 (5) |
0.28 (4.5) |
| ก็อกน้ำอ่างน้ำ Bathtub faucet |
0.35 (5) |
0.38 (6) |
| ก็อกน้ำซักผ้า Laundry tub cock |
0.35 (5) |
0.32 (5) |
| ฝักบัว Shower |
0.84 (12) |
0.32 (5) |
| ก็อกสำหรับสุขภัณฑ์ Ball cock for closet |
1.00 (15) |
0.19 (3) |
| ก็อกน้ำคันโยกสำหรับชักโครก Flush valve for closet |
0.7-1.4 (10-20) |
0.9 – 2.5 (15 – 40) |
| ก็อกน้ำคันโยกสำหรับโถปัสสาวะ Flush valve for urinal |
1.00 (15) |
0.95 (15) |
เนื่องจากความดันในท่อจะมีการเปลี่ยนแปลงไม่คงที่ การติดตั้งอุปกรณ์ที่ควบคุมอัตราการไหลที่สุขภัรฑ์ที่ให้ผลดี คือ
- สามารถจำกัดอัตราการไหลเท่าที่จำเป็นให้กับสุขภัณฑ์แต่ละชนิดได้
- สามารถออกแบบท่อได้อย่างแม่นยำมากขึ้น
- ประหยัดพลังงานให้กับระบบน้ำ
Flexible Orifice ภาพจาก bertfelt.com
ความต้องการน้ำต่อวัน
ในแต่ละวันอาคารแต่ละประเภทจะมีความต้องการน้ำที่แตกต่างกัน โดยปกติทั่วไปจะอยู่ที่ 75 – 300 ลิตร (20 – 80 แกลลอน) สามารถหาความต้องการน้ำในแต่ละวัน ของอาคารได้ตามตารางด้านล่างน้ำ
| ประเภทอาคาร | ความต้องการน้ำ ลิตร/คน/วัน |
|---|---|
| อาคารที่อยู่อาศัย/อาพาทเม้นท์ |
100 – 300 |
| อาคารสำนักงาน |
40 – 70 |
| โรงพยาบาล |
600 – 1200 |
| โรงเรียน |
50 – 80 |
| โรงแรม |
200 – 400 |
| หอพัก |
200 – 300 |
| โรงซักรีด |
20 – 40 |
| สนามบิน |
15 – 25 |
ขนาดท่อสำหรับเครื่องสุขภัณฑ์
ขนาดของท่อประปาที่จ่ายให้แก่เครื่องสุขภัณฑ์แต่ละชนิดถูกกำหนดให้สามารถจ่ายน้ำให้เพียงพอ และมีแรงดันที่เหมาะสม ดังตารางด้านล่าง
ตารางแสดงขนาดท่อเล็กสุดสำหรับสุขภัณฑ์แต่ละชนิด
|
ชนิดของสุขภัณฑ์ |
ขนาดท่อ มม. (นิ้ว) |
|---|---|
| อ่างอาบน้ำ (bathtub) |
15 (1/2) |
| น้ำพุสำหรับดื่ม (drinking fountain) |
10 (3/8) |
| อ่างล้างชาม (dishwaher) |
15 (1/2) |
| อ่างล้างมือ (lavatoroy) |
15 (1/2) |
| ฝักบัวอาบน้ำ (shower) |
15 (1/2) |
| โถปัสสาวะชายแบบก็อกหมุน (urinal angle valve) |
15 (1/2) |
| โถปัสสาวะชายแบบคันโยก (urinal flush valve) |
20 (3/4) |
| ชักโครกแบบมีแท็งค์น้ำ (water closet flush tank) |
15 (1/2) |
| ชักโครกแบบไม่มีแท็งค์น้ำ (water closet flush valve) |
25 (1) |
| ก็อกสนาม (hose bib) |
15 (1/2) |
| อ่างซักล้าง (service sink) |
20 (3/4) |
การประมาณความต้องการน้ำสูงสุด
ในการออกแบบระบบท่อเราต้องคำนึงถึง
-
- การมีน้ำให้พอกับสุขภัณฑ์ที่ใช้สอย
- จำนวนเครื่องสุขภัณฑ์ที่ใช้พร้อมกัน
ความต้องการน้ำของสุขภัณฑ์ เราจะมีหน่วยที่เรียกว่า หน่วยสุขภัณฑ์ (fixture unit : FU) เราจะหาความต้องการน้ำได้จากการรวมค่า FU ของท่อเส้นนั้น จากนั้นนำไปหาอัตราการไหลได้จาก Hunter’s curve
เราจะมีวิธีการคำนวณปริมาณอัตราการไหลของน้ำได้ ดังนี้
1. รวมค่า FU ของท่อเส้นนั้น โดยดูจากตารางด้านล่าง
ตารางแสดงค่า FU ของสุขภัณฑ์
|
สุขภัณฑ์ |
ชนิดของวาล์วน้ำ |
ลักษณะอาคาร |
น้ำเย็น |
น้ำร้อน |
|---|---|---|---|---|
| ชักโครก |
วาล์วคันโยก |
สาธารณะ |
10 |
– |
| ชักโครก |
แท็งค์น้ำ |
สาธารณะ |
5 |
– |
| โถปัสสาวะชาย |
วาล์วคันโยก |
สาธารณะ |
10 |
– |
| โถปัสสาวะชาย |
วาล์วคันโยก |
สาธารณะ |
5 |
– |
| โถปัสสาวะชาย |
แท็งค์น้ำ |
สาธารณะ |
3 |
– |
| อ่างล้างหน้า |
วาล์วแบบหมุน |
สาธารณะ |
1.5 |
1.5 |
| อ่างอาบน้ำ |
วาล์วแบบหมุน |
สาธารณะ |
3 |
3 |
| ฝักบัว |
วาล์วแบบหมุน |
สาธารณะ |
3 |
3 |
| อ่างซักล้าง |
วาล์วแบบหมุน |
ออฟฟิศ |
2.25 |
2.25 |
| อ่างล้างจาน |
วาล์วแบบหมุน |
โรงแรม,ร้านอาหาร |
3 |
3 |
| น้ำพุสำหรับดื่ม |
วาล์วแบบหมุน |
ออฟฟิศ |
0.25 |
– |
| ชักโครก |
วาล์วคันโยก |
ส่วนตัว |
6 |
– |
| ชักโครก |
แท็งค์น้ำ |
ส่วนตัว |
3 |
– |
| อ่างล้างหน้า |
วาล์วแบบหมุน |
ส่วนตัว |
0.75 |
0.75 |
| อ่างล้างหน้า |
วาล์วแบบหมุน |
ส่วนตัว |
1.5 |
1.5 |
| อ่างล้างจาน |
วาล์วแบบหมุน |
ส่วนตัว |
1.5 |
1.5 |
2. หาอัตราการไหลของน้ำจาก Hunter’s curve
ตารางอัตราความต้องการน้ำสูงสุดของ Hunter’s Curve
|
สำหรับระบบจ่ายน้ำที่มีถังพักน้ำ |
สำหรับระบบจ่ายน้ำที่ไม่มีถังพักน้ำ |
สำหรับระบบจ่ายน้ำที่ไม่มีถังพักน้ำ |
|---|---|---|
| 6 | 5 | |
| 8 | 6.5 | |
| 10 | 8 | 27 |
| 12 | 9.2 | 28.6 |
| 14 | 10.4 | 30.2 |
| 16 | 11.6 | 31.8 |
| 18 | 12.8 | 33.4 |
| 20 | 14 | 35 |
| 25 | 17 | 38 |
| 30 | 20 | 41 |
| 35 | 22.5 | 43.8 |
| 40 | 24.8 | 46.5 |
| 45 | 27 | 49 |
| 50 | 29 | 51.5 |
| 60 | 32 | 55 |
| 70 | 35 | 58.5 |
| 80 | 38 | 62 |
| 90 | 41 | 64.5 |
| 100 | 43.5 | 67.5 |
| 120 | 48 | 72.5 |
| 140 | 52.5 | 77.5 |
| 160 | 57 | 82.5 |
| 180 | 61 | 87 |
| 200 | 65 | 91.5 |
| 225 | 70 | 97 |
| 250 | 75 | 101 |
| 275 | 80 | 105.5 |
| 300 | 85 | 110 |
| 400 | 105 | 126 |
| 500 | 125 | 142 |
| 750 | 150 | 178 |
| 1000 | 208 | 208 |
| 1250 | 240 | 240 |
| 1500 | 267 | 267 |
| 1750 | 294 | 294 |
| 2000 | 328 | 328 |
| 2250 | 348 | 348 |
| 2500 | 375 | 375 |
| 2750 | 402 | 402 |
| 3000 | 432 | 432 |
| 4000 | 525 | 525 |
| 5000 | 593 | 593 |
| 6000 | 643 | 643 |
| 7000 | 685 | 685 |
| 8000 | 718 | 718 |
| 9000 | 745 | 745 |
| 10000 | 769 | 769 |
Hunter's Curve
3. ปรับค่าอัตราความต้องการน้ำสูงสุดด้วย Water Factor
โดยน้ำค่า Water Factor X อัตราการไหลที่ได้จาก Hunter’s Curve
ตารางค่า Water Factor สำหรับโรงพยาบาล
|
FU |
Water Factor |
|---|---|
|
น้อยกว่า 400 |
1 |
|
401 – 600 |
0.9 |
|
601 – 1,200 |
0.77 |
|
1,201 – 1,500 |
0.74 |
|
1,501 – 2,000 |
0.7 |
|
2,001 – 2,500 |
0.69 |
|
2,501 – 3,000 |
0.68 |
|
3,001 – 4,000 |
0.65 |
|
4,001 – 5,000 |
0.64 |
|
5,001 – 6,000 |
0.63 |
|
6,001 – 8,000 |
0.62 |
|
8,001 – 10,000 |
0.61 |
|
10,001 – 13,000 |
0.6 |
ตารางค่า Water Factor สำหรับอาคารสำนักงาน, โรงเรียน และอพาทเม้นท์
|
FU |
Water Factor |
|---|---|
|
น้อยกว่า 400 |
1 |
|
401 – 600 |
0.87 |
|
601 – 900 |
0.75 |
|
901 – 1,200 |
0.64 |
|
1,201 – 1,500 |
0.63 |
|
1,501 – 2,000 |
0.61 |
|
2,001 – 2,500 |
0.60 |
|
2,501 – 3,000 |
0.59 |
|
3,001 – 4,000 |
0.58 |
|
4,001 – 5,000 |
0.56 |
|
5,001 – 6,000 |
0.56 |
|
6,001 – 7,000 |
0.56 |
|
7,001 – 8,000 |
0.55 |
*สำหรับ ฝักบัวอาบน้ำ และอ่างล้างมือ ให้นำอัตรการไหลมารวมทีหลัง
การคำนวณหาขนาดท่อ
เราสามารถคำนวณหาอัตราการไหลของน้ำได้จากสมการเบื้องต้น คือ
Q = AV
เมื่อ
Q = อัตราการไหล (หน่วย gpm)
A = พื้นที่หน้าตัดท่อ
V = ความเร็วของน้ำภายในท่อ
และเนื่องจากผนังของท่อจะมีผิวหยาบทำให้เกิดการไหลแบบปั่นป่วน (Turbulent Flow) ส่งผลให้เกิดแรงเสียดทานในท่อ และความดันภายในท่อจะลดลง เราสามารถคำนวณหาความดันลดได้จากสูตรของ Hazen-Williams
hf = (4.727/D4.87) L(Q/C)1.85
เมื่อ
hf = ความดันลด (หน่วย ฟุตน้ำ : ftw)
D = ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ (หน่วย ฟุต : ft)
L = ความยาวท่อ (หน่วย ฟุต : ft)
Q = อัตราการไหล (หน่วย ลูกบาศก์ฟุต/วินาที : ft3/s)
C = สัมประสิทธ์ความหยาบของท่อ (Surface Coefficient of pipe)
ค่า C จะขึ้นกับความหยาบของผนังท่อในทางปฏิบัติแล้วการใช้ Q = AV และสูตรของ Hazen – William นั้นไม่เหมาะสมจึงมีการแปลงสูตรให้อยู่ในรูปของกราฟทำให้สามารถอ่านค่าของขนาดท่อความเร็วน้ำอัตราการไหลและความดันลดได้จากกราฟโดยตรง
ตาราง Friction loss - Pipe Schedule 40
ในการออกแบบความเร็วของน้ำภายในท่อควรอยู่ระหว่าง 1.2 – 2.4 เมตร/วินาทีหรือ 4 – 8 ฟุต/วินาทีและความเร็วของน้ำควรไม่เกิน 3 เมตร/วินาทีเพื่อป้องกันการเกิดเสียงดังและลดการสึกกร่อนของท่อและวาล์ตารางด้านล่างจะเป็นข้อมูลเพื่อช่วยในการออกแบบท่อย่อย
ตารางข้อมูลแสดง จำนวนท่อย่อย 15 มม. (1/2 นิ้ว) ที่สามารถต่อจากขนาดท่อประปา
|
ขนาดท่อประปา มม. (นิ้ว) |
จำนวนท่อที่สามารถต่อได้เมื่อมีการใช้งานปกติ |
จำนวนท่อที่สามารถต่อได้ |
|---|---|---|
|
15 (1/2) |
1 | 1 |
|
20 (3/4) |
4 | 3 |
|
25 (1) |
10 | 6 |
|
30 (1-1/4) |
20 | 12 |
|
40 (1-1/2) |
30 | 20 |
|
50 (2) |
50 | 35 |
|
65 (2-1/2) |
90 | 60 |
|
80 (3) |
125 | 85 |
|
100 (4) |
225 | 150 |
ตารางข้อมูลแสดง จำนวนวาล์วแบบคันโยกขนาด 25 มม. (1 นิ้ว) ที่สามารถต่อจากขนาดท่อประปา
|
ขนาดท่อประปา มม. (นิ้ว) |
จำนวนวาล์วแบบคันโยกขนาด 25 มม. ที่สามารถต่อได้ |
|---|---|
|
30 (1-1/4) |
|
|
40 (1-1/2) |
2 – 4 |
|
50 (2) |
5 – 12 |
|
65 (2-1/2) |
13 – 25 |
|
80 (3) |
26 – 40 |
|
100 (4) |
41 – 100 |
*ให้นับวาล์วคันโยก ขนาด 20 มม. จำนวน 2 ตัว มีค่าเท่ากับ วาล์วคันโยกขนาด 25 มม. จำนวน 1 ตัว และใช้ท่อจ่ายขนาด 25 มม. ได้
ความดันลดภายในท่อ
ในงานระบบท่อน้ำที่ไหลภายในท่อจะผ่านทั้งท่อตรง ข้อต่อ และวาล์วต่างๆ ในการออกแบบเราจะใช้ค่า ความยาวสมมูล (equivalent length) หมายถึง ความยาวของท่อตรงที่มีขนาดเท่ากับขนาดของข้อต่อหรือวาล์ว และจะให้ความดันลดเท่ากับความดันลดของอุปกรณ์ ตารางด้านล่างนี้จะแสดงขนาดความยาวสมมูลของข้อต่อและอุปกรณ์เป็นเมตร
ตารางแสดงความยาวสมมูลของข้อต่อ และอุปกรณ์ (หน่วย เมตร)
|
ขนาดท่อ |
ข้องอ 90° |
ข้องอ 45° |
สามทาง |
สามทาง |
เกทวาล์ว |
โกลบวาล์ว |
แองเกิ้ลวาล์ว |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
10 (3/8″) |
0.8 |
0.2 |
0.5 |
0.1 |
0.06 |
2.4 |
1.2 |
|
15 (1/2″) |
0.6 |
0.4 |
0.9 |
0.2 |
0.12 |
4.5 |
2.4 |
|
20 (3/4″) |
0.8 |
0.5 |
1.2 |
0.25 |
0.15 |
6 |
3.6 |
|
25 (1″) |
0.9 |
0.6 |
1.5 |
0.3 |
0.18 |
7.6 |
4.5 |
|
30 (1-1/4″) |
1.2 |
0.7 |
1.8 |
0.4 |
0.25 |
11 |
5.5 |
|
40 (1-1/2″) |
1.5 |
0.9 |
2.1 |
0.5 |
0.3 |
14 |
6.7 |
|
50 (2″) |
2.1 |
1.2 |
3 |
0.6 |
0.4 |
17 |
8.5 |
|
65 (2-1/2″) |
2.4 |
1.5 |
3.6 |
0.8 |
0.5 |
20 |
10 |
|
80 (3″) |
3 |
1.8 |
4.5 |
0.9 |
0.6 |
24 |
12 |
|
100 (4″) |
4.2 |
2.4 |
6.4 |
1.2 |
0.8 |
38 |
17 |
|
125 (5″) |
5.1 |
3 |
7.6 |
1.5 |
1 |
42 |
21 |
|
150 (6″) |
6 |
3.6 |
9 |
1.8 |
1.2 |
50 |
24 |
ตัวอย่างการคำนวณที่ 1
อาคารสองชั้นมีสุขภัณฑ์ดังนี้ อาคารหลังนี้ต้องมีท่อประปาหลักขนาดเท่าไหร่ จึงจะจ่ายน้ำได้เพียงพอ
- ชักโครก ชนิดแท็งน้ำ (Flush Tank) 2 ชุด
- อ่างล้างมือ (Lavatory) 3 อ่าง
- อ่างห้องครัว (Kitchen sink) 1 อ่าง
- ก็อกน้ำ 15 มม. 1 ก็อก
สามารถหาจำนวนสุขภัณฑ์ได้จาก ตารางค่า FU
- ชักโครก 2 ชุด = 2 x 3 = 6 FU
- อ่างล้างมือ 3 อ่าง = 3 x 1 = 3 FU
- อ่างห้องครัว 1 อ่าง = 1 x 2 = 2 FU
รวมทั้งหมด 11 FU
จากตารางของ Hunter’s Curve เราจะได้ว่า 11 FU มีค่าเท่ากับ 8.5 gpm
จากตาราง water factor เราจะได้ค่าเท่ากับ 1.0
ถ้ามีการใช้ก็อกน้ำพร้อมกับสุขภัณฑ์อื่นๆ และอัตราการไหลของก็อกน้ำเท่ากับ 5 gpm
อัตราการไหลในท่อน้ำ = 8.5 + 5 = 13.5 gpm หรือ (13.5 x 3.785)/60 = 0.85 lps (ลิตร/วินาที)
จากกราฟในการหาขนาดท่อเราจะได้ว่า
ควรใช้ท่อขนาด 20 มม. ความเร็วของน้ำในท่อ 2.8 เมตร/วินาทีและมีความดันลดในท่อประมาณ 80-100 เมตรแต่เนื่องจากความดันลดนั้นสูงเกินไปเราจะเปลี่ยนไปใช้ท่อขนาด 25 มม. (ท่อใหญ่ขึ้น) และความเร็วของน้ำประมาณ 1.7 เมตร/วินาทีมีความลด 25 เมตร