Планирование цистерн для питьевой воды

Время чтения 6 минут

Обновлено - 10 декабря 2025 г.

При проектировании цистерн для питьевой воды необходимо учитывать несколько физических факторов, чтобы добиться желаемого качества питьевой воды и производительности насоса при минимальных затратах.

Анализ воды и предельные значения

Во-первых, необходимо провести лабораторный анализ каждого источника воды, в ходе которого показатели воды сравниваются с действующими предельными значениями, чтобы в случае необходимости принять конкретные меры по их соблюдению:

• Акриламид 0,10 мкг/л
• Сурьма 10 мкг/л
• Мышьяк 10 мкг/л
• Бензол 1,0 мкг/л
• Бензо(а)пирен 0,010 мкг/л
• Бисфенол А 2,5 мкг/л
• Бор 1,5 мг/л
• Бромат 10 мкг/л
• Кадмий 5,0 мкг/л
• Хлорат 0,25 мг/л
• Хлорит 0,25 мг/л
• Хром 25 мкг/л
• Медь 2,0 мг/л
• Цианид 50 мкг/л
• 1,2-Дихлорэтан 3,0 мкг/л
• Эпихлоргидрин 0,10 мкг/л
• Фторид 1,5 мг/л
• Галоуксусные кислоты (HAAs) 60 мкг/л
• Свинец 5 мкг/л
• Ртуть 1,0 мкг/л
• Микроцистин-LR 1,0 мкг/л
• Никель 20 мкг/л
• Нитрат 50 мг/л
• Нитрит 0,50 мг/л
• Пестициды 0,10 мкг/л
• Общий пестицид 0,50 мкг/л
• PFAS суммарно 0,50 мкг/л
• Сумма ПФАС 0,10 мкг/л
• Полициклические ароматические углеводороды 0,10 мкг/л
• Селен 20 мкг/л
• Тетрахлорэтен и трихлорэтен 10 мкг/л
• Общие тригалометаны 100 мкг/л
• Уран 30 мкг/л
• Винилхлорид 0,50 мкг/л

Жесткость воды

Жесткость воды представляет собой содержание карбоната кальция (CaCO₃) в ммоль/л, ppm или мг/л (1 ммоль/л = 1 ppm/л = 1 мг/л) Щелочноземельные ионы по международной системе единиц СИ (Международная система унитазов), устаревшие также в °dH (немецкая твердость 1 °dH соответствует 0,1783 ммл/л).

• мягкая вода -> менее 8,4 °dH, что соответствует менее 1,5 mmoll
• средняя -> 8,4 ... 14 °dH, что соответствует 1,5 ... 2,5 ммоль/л
• Жесткая вода -> более 14 °dH, что соответствует более 2,5 ммоль/л

Жесткость воды проявляется, в частности, в отложении накипи в трубах, на смачиваемых водой поверхностях и в потреблении тем большего количества моющих средств, чем более известковой, то есть жесткой, является вода.

Умягчение воды

Умягчение воды может осуществляться двумя способами: 

• Ионообменник (здесь вода пропускается через фильтр со смолой, насыщенной ионами натрия, в результате чего ионы кальция и магния, растворенные в воде, обмениваются на ионы натрия в смоле.
  В зависимости от скорости потока ионообменники рано или поздно насыщаются ионами кальция и магния, поэтому их необходимо промывать и регенерировать высококонцентрированным раствором поваренной соли (NaCl). После этого они снова могут поглощать ионы кальция и магния и соответственно выделять ионы натрия.
  В зависимости от производительности, такие системы требуют больших объемов в течение года. EN 973 Тип Сертифицированная высокочистая соль с чистотой более 99,5 %.
  Недостатком является обогащение воды натрием, что противоречит идее „питьевой воды с низким содержанием натрия“. Кроме того, это, конечно, постоянные расходы на регенерационную соль и связанные с этим эксплуатационные расходы.
• Обратный осмос, путем продавливания воды под высоким давлением через мелкие поры фильтра размером 0,00001 мкм. Однако недостатком является то, что полученная вода больше не содержит минералов и поэтому должна быть повторно минерализована, чтобы стать пригодной для использования человеческим организмом.
  Недостатками являются регулярно повторяющиеся расходы на осмосную мембрану (фильтрующий картридж) и „воду“, которая образуется в процессе обратного осмоса, что может составлять до 50% дополнительного расхода воды.
• Дистилляция, в результате чего вода не содержит минеральных веществ, что негативно сказывается на здоровье человека.
  Дополнительным недостатком является высокое энергопотребление.
• Кристаллизация семян, Катализатор (наполненный керамическими или полимерными шариками со специальным покрытием, к которым прилипают и кристаллизуются ионы кальция и карбоната) преобразует кальцит, вызывающий известковый налет, в игольчатые кристаллы арагонита, которые больше не прилипают.
  Вода по-прежнему содержит все минералы, включая „известь“ в виде кристаллов арагонита).
  Эта вода может быть полностью использована организмом.
  Срок службы таких устройств составляет более десяти лет, в зависимости от расхода и размеров. Они подключаются к магистрали внутреннего водоснабжения после счетчика воды.
  

Технологии кристаллизации семян

Жесткость воды не меняется ни при одной из следующих технологий. Однако отложения накипи значительно уменьшаются, так как CaCO₃ уже связан в стабильные мелкие микро- или очень мелкие нанокристаллы.

TAC

Кристаллизация с помощью шаблонов - Носителем ядра кристаллизации является твердая среда, например, смола или гранулят. При прохождении через них воды образуются кристаллы карбоната кальция, которые сразу же отделяются от носителя и уносятся с водой.
Идеально подходит для низких скоростей потока, так как образование микрокристаллов занимает больше времени, чем нанокристаллов в процессе NAC.

NAC

Кристаллизация при помощи нуклеации - по сути, идентичен процессу TAC, но вместо микрокристаллов здесь производятся нано-, а не микрокристаллы. Это означает, что количество частиц больше, а кристаллы меньше.
Это выгодно, если требуется высокая скорость потока, так как время контакта со средой сокращается, и образование кристаллов происходит быстрее, чем при использовании системы TAC.

MAC

Кристаллизация в среде - обобщает оба процесса, TAC и NAC, под одним общим термином. Термин MAC обычно используется, когда применяются запатентованные технологии, отличающиеся от обычных технологий процессов TAC/NAC.

Поставщик систем с кристаллизацией семян

Как всегда, важно отделить пшеницу от плевел, т.е. кто из производителей не только заявляет, но и доказывает функциональность своей продукции соответствующими сертификатами из независимых испытательных центров и/или исследований.

Как уже говорилось выше, время контакта с проходящей водой имеет большое функциональное значение, поэтому необходимо отдельно оценить технические характеристики отдельных продуктов по этому критерию и соответствующим образом адаптировать всю систему.

Здесь положительно выделяются следующие производители:

• ScaleStop - support@scalestopplus.com
  Независимые испытания Университет штата Аризона и DVGW (W512 от 2013 года) доказывают эффективность с 99% в каждом случае
• Водная техника - info@watertechgroup.com
  рекламирует свой продукт Безопасный для масштаба с эффективностью 99,9 процента
• Акон Чистый - info@aqon-pure.com
  Доказывает эффективность своей системы двумя исследованиями:. Hohenstein Innovations gGmbH и GSA (Ссылка 1, Ссылка 2, Ссылка 3)
• Ваттс - info@wattsindustries.it
  предлагает ассортимент продукции под названием Однопоточный на
• Кристальная стирка - clean@crystalwash.fr
  ограничивается одним Эффективность спецификации от 88 ... 97 % и относится к эффективности процесса TAC, общепризнанной DVGW-W512
  

Урожайность источника

В случае существующего или планируемого бурения скважины параметры дебит и скорость извлечения являются элементарными, наряду с другими параметрами, при расчете количества подземных вод, которые необходимо извлечь в единицу времени. Объяснение, включая расчеты, можно найти на этой странице Сайт.

Забор воды из реки часто осуществляется на основании разрешения и ограничен по количеству.

Выбор подающего насоса

Глубинный насос используется для откачки грунтовых вод с глубины от 8 до 90 метров. Следует отметить, что напор при добыче и глубина насоса (глубина всасывания) складываются в общий напор при подаче.

ПриложениеПример:

Глубина насоса (всасывающий сетчатый фильтр) 20 м + самая высокая точка добычи 30 м = 50 м - общий напор глубинного насоса..

Однако помимо чистого перепада высот необходимо также учитывать потери на трение в трубопроводе (шероховатость труб, фитингов и т. д. = динамический напор). Их необходимо учитывать при выборе насоса.

Предполагая, что производительность насоса составляет 3 000 л/ч (Q = 3/3600 м³/с = 0,0008333333333333333 м³/с), используя, например, трубу DN65 (D = 0,0752) из ПЭ/ПНД с шероховатостью по паспорту ε = 1,5 мкм = 1,5 × 10-⁶ м, кинематической вязкостью воды ≈ 1-10^-6 м²/с, а плотность ρ = 1000 кг/м³ и скорость потока g = 9,81 м/с², а также с учетом эквивалентов фитингов и т.д. на расчетную 1,2 кратную длину трубы 200 м, что соответствует 240 м и перепаду высот, который необходимо преодолеть, равным H_s 50 м (статический напор) при среднем ускорении под действием силы тяжести g = 9,81 м/с² (как константа), получаются следующие расчеты:

• Поперечное сечение DN65
  A = ( π ⋅ D² ) : 4 = ( π ⋅ 0,0752 ² ) : 4 = 0,004417865 m²
• Скорость потока
  v = Q : A = 0.0008333333333333333 м³/s : 0,004417865 m² = 0,1886280807 м/с
• число Рейнольдса (характеристическое число, низкое = ламинарный, высокое = турбулентный поток)
  Re = υD : v = ( 0,1886280807015056 ⋅ 0,0752 ) : ( 1⋅10-6 m²/с ) = 14147.10605261292 м²/s
• Коэффициент трения в трубе (Свами-Джайн)
  f = 0,25 : [ log₁₀ ( (ε : ( 3,7 ⋅ D )) + ( 5,74 : Re^0,9 ) ) ]²
  f = 0,25 : [ log₁₀ ( 5,405405405405405 × 10^-6 + 0,000728728 ) ]²
  f = 0,25 : [ log₁₀ ( 0,0007341334054054 ) ]²
  f = 0,25 : [ -3,134490 ]²
  f = 0,25 : 9,825866 = 0,028256663933258565
• Потери на трение в трубе (Дарси-Вейсбах)
  h_f  = f ⋅ ( L : D ) ⋅ ( v² : 2g )
  h_f  = f ⋅ ( 240 : 0,075 ) ⋅ ( 0,1886280807015056² : 2 ⋅ 9,81 )
  h_f  = f ⋅ ( 3 200 ) ⋅ ( 0.001813634 m )
  h_f  = 0,028256663933258565 ⋅ 5,803629 = ≈ 0,1639776104 m
• Эквивалентная потеря при формовке
  (идентичный фоммель, вместо L (длина трубы) L_eq (комплект из 10 м)
  h_eq = f ⋅ ( L_eq : D ) ⋅ ( v² : 2g ) = ≈0.0068324004 m
• Всего голов
  H_{мертвый} = H_s + h_f  + h_eq
  H_{мертвый} = 50,0 м + 0,1639776104 м + 0,0068324004 м = ≈50,1708100 м
• Давление на выходе насоса
  p = ρgH_{мертвый}
  p = 1000⋅9.81⋅50.1708100108 = 492175.6462064206 Па
  p = 492175,6462064206 Па : 10 000 = 4,921756462064206 бар
• Мощность гидравлического насоса
  P_h = ρgQH_{мертвый}
  P_h = 1000 ⋅ 9,81 ⋅ 0,0008333333333333333 ⋅ 50,1708100108 = 410,1463718386839 W
• Мощность электродвигателя P_{двигатель} с эффективностью η = 0,65
  P_{двигатель}= Ph : η
  P_{двигатель}= 410,1463718386839 : 0,65 = 630,9944182133598 W

Номинально насос мощностью около 630 Вт обеспечивает необходимую мощность. На практике, с учетом 80-процентного увеличения в качестве запаса прочности, эта мощность составляет около 1,1 кВт.

Клапаны

Если каждый бачок в сети должен быть индивидуально отделяемым, что имеет смысл в случае технического обслуживания или протечек, то для каждого бачка требуется запорный и обратный клапан, а также промывочный или сливной клапан.

Моторизованные клапаны должны иметь возможность ручного (аварийного) приведения в действие.

Все компоненты должны быть разработаны в соответствии с требованиями WRAS/DVGW для питьевой воды (седло из EPDM и мембрана из NBR). Монтажные фланцы для подключения приводов должны быть выполнены в соответствии с ISO 5211, фланцы двигателей - в соответствии с ISO5211 F05/F07.

Скорость утечки должна быть Класс VI что означает абсолютную (без пузырьков) герметичность, т.е. нулевой уровень утечки. Все клапаны с седлом из (PTFE) / EPDM отвечают этому требованию.
Металлические седла соответствуют только классу IV: допускается скорость утечки 10 мл/мин при испытательном давлении.

Вопрос о том, будут ли приводы работать от сети переменного тока 230 В или от сети постоянного тока 24 В (аккумулятор), решается в зависимости от требований к автоматической работоспособности даже в случае отключения общественного электроснабжения.
Все электрические компоненты систем, подвергающихся атмосферным воздействиям, должны соответствовать требованиям IP65 (пыленепроницаемость, защита от водяных струй), улучшенные IP67 (пыленепроницаемость, защита от кратковременного погружения в воду).

Моторизованные клапаны должны иметь концевые выключатели, в идеале - управление через 0 ... 10 В или 4 ... 20 мА, если необходимо контролировать не только открытое/закрытое положение.

Измерение уровня

Для контроля уровня подходят ультразвуковые датчики и датчики давления. В то время как датчики давления, расположенные на дне цистерны, постоянно подвергаются воздействию воды, ультразвуковые измерения бесконтактны: датчик устанавливается на крышке цистерны или под ней и поэтому быстро доступен.

Промышленные ультразвуковые датчики выдают ток 4 ... 20 мА, который генерирует напряжение, зависящее от измеряемой величины, через калиброванный преобразователь IU (ток в напряжение), которое оценивается микроконтроллером и отображается в виде измеренного значения, пересчитанного в литры, кубические метры или проценты.

Однако цены на ультразвуковые датчики растут вместе с увеличением ассортимента и достигают четырехзначных цифр в евро. Датчики с расстоянием измерения до 2,2 метра составляют около 200 евро, что ограничивает глубину цистерны примерно 2 метрами, если бюджет не будет превышен.