W jakim celu są budowane wieże ciśnień ?

Wieże ciśnień są budowane w celu zapewnienia sprawnego działania sieci wodociągowej działającej na odpowiednim terenie. Dzięki działaniu wieży ciśnień woda dostarczana okolicznym obiektom posiada niezbędne ciśnienie a także pozwala tłoczyć przez rury wodę na wyższe kondygnację domów wysokopiętrowych. Wieże ciśnień budowano od końca XIX wieku do polowy XX. Kiedy to zostały wyparte przez bardziej wydajniejsze urządzenia hydrauliczne. W zasadzie nie ma na świecie krajobrazu, który by nie był wzbogacony o architekturę wieży ciśnień. Wodne wieże stoją i wielkich miastach, miasteczkach a także w małych wioskach. Niektóre z nich są dalej eksploatowane inne natomiast popadają w ruinę nie konserwowane i nie remontowane.

Wieże ciśnień na szczytach budynków są powszechną amerykańskich miast. W mieście wysokie budynki często muszą rozwiązywać własne problemy z ciśnieniem wody. Ponieważ budynki są tak wysokie, często przekraczają wysokość, z jaką może sobie poradzić miejskie ciśnienie wody. Tak więc wysoki budynek będzie miał własne pompy i własne wieże ciśnień. Wieża ciśnień na dachu to wariant wieży ciśnień , składający się ze zbiornika na wodę umieszczonego na dachu wysokiego budynku .

Konstrukcja ta zapewnia ciśnienie wody na stropach na wyższych wysokościach niż publiczne wieże ciśnień. 

Wraz ze wzrostem wysokości budynku wzrasta również pionowa wysokość jego instalacji wodociągowej . Powoduje to powstanie dużej kolumny wody, a ciężar tej wody wytwarza bardzo wysokie ciśnienie na dnie kolumny. Normalnie wymagałoby to bardzo grubej (wytrzymałej) instalacji wodociągowej, aby przetrwać ciśnienie. Armatura na dole kolumny wymagałaby zaworów redukujących ciśnienie, aby działać normalnie, a ciśnienie wody miejskiej musiałoby być bardzo wysokie, aby dostarczyć ciśnienie do szczytu kolumny.

Wpływ wysokości zbiornika na ciśnienie wody w wieży ciśnień

Zamiast tego instalacje wodno-kanalizacyjne na różnych poziomach budynku są często odseparowane, a ciśnienie dostarczane jest z wieży ciśnień na dachu zamiast z sieci miejskiej. Sama wieża jest zasilana przez pompę i przewód o stosunkowo wysokim ciśnieniu, który doprowadza wodę na szczyt budynku z rur poniżej.

Oprócz tego istnieją również wysokie budynki ze zbiornikami na wodę w konstrukcji budynku. Zbiorniki takich budynków zwykle służą nie tylko do utrzymywania ciśnienia wody na wyższych kondygnacjach, ale często także do wodociągu publicznego.

Woda magazynowana w wieżach ciśnień oprócz zapewnienia ciśnienia wody, ma także pokrywać zapotrzebowanie na chwilowy przestój w dostawie wody. Jest to alternatywne i bardzo funkcjonalne rozwiązanie. Bowiem przy awariach sieci wodociągowej, można pobierać wodę z wieży ciśnień.

wieże ciśnień mogą okazać się bardzo praktyczne podczas pożarów. Zastępy strażackie mogą czerpać wodę ze zbiornika do czasu ugaszenia pożaru.

Wieże ciśnień mogą okazać się niezbędne w gospodarstwach rolnych, ponieważ ich konstrukcja nie jest skomplikowana. Wieża ciśnień może być murowana albo składająca się ze stalowych konstrukcji.

Jak zaprojektować budowę wieży ciśnień ?

Konstrukcja wieży ciśnień opiera się na prawach grawitacji i ciśnienia hydrostatycznego. Woda spływa przez rury w wieży ciśnień do odbiorców pod własnym ciężarem. Grawitacja nadaje w płynących w rurociągach wodzie ruch i swobodny przepływ wody w dół. Natomiast prawo hydrostatyki pozwala nam na manipulowanie wielkością ciśnienia w rurach.

Wpływ wysokości wieży ciśnień na ciśnienie hydrostatyczne 

Najważniejszym czynnikiem wpływającym na wartość ciśnienia wytwarzanego przez wieżę ciśnień jest wysokość zbiornika z wodą. Ciśnienie hydrostatyczne wzrasta o około 0,1 Bara na każdy metr słupa wody. Ciśnienie hydrostatyczne panujące w magazynowanej wodzie zbiornika wieży ciśnień wzrasta wraz z głębokością. Oznacza to, że im wyższy słup wody, tym wyższe jest ciśnienie wywierane na dno zbiornika wieży ciśnień.

Jeśli przykładowo zbiornik z wodą umieszczony w wieży na wysokości 20 metrów, to ciśnienie wody u podstawy wieży ciśnień będzie wynosiło w przybliżeniu 1.94 Bara ( 1m = 0,097 Bara ) Wniosek wysuwa się, im wyżej znajduje się zbiornik z wodą, to tym większe będzie ciśnienie wody u podstawy wieży ciśnień. 

Jeśli natomiast wieża ciśnień zostanie wybudowana na małym pagórku lub wzniesieniu, to ciśnienie wody jest większe, niż powyższe wyliczenie. Tak samo dotyczy się to nieruchomości, do których dostarczana jest woda z wieży ciśnień. Obiekty położone na terenach wyższych, niż pozostałych będą objęte niższym ciśnieniem hydrostatycznym. Ponieważ wg prawa hydrostatyki różnica wytwarzająca ciśnienie pod wpływem grawitacji jest mniejsza. Nieruchomości położone w dolinie lub w obszarach niższej zabudowy, niż sąsiednie domy będą z kolei posiadać wyższe ciśnienie w rurociągach. 

Drugim sposobem na obliczenie ciśnienia wody jest zastosowanie wzoru :

P = gęstość wody * grawitacja * wysokość

P = 1000 * 9.81 * 20

P = 196200 pascala

P = 1.962 bary

Powszechnie w domowym kranie płynie woda pod ciśnieniem około 4 barów, więc żeby spełnić ten warunek wybudowana wieża ciśnień powinna posiadać zamontowany zbiornik co najmniej 40 metrów nad ziemią.

Wpływ pogody na wytwarzanie ciśnienia hydrostatycznego w wieży ciśnień.

Na wskutek zamontowanych wieżyczek odciągowych na dachu głowicy wieży ciśnień. Ciśnienie panujące wewnątrz wieży ciśnień jest takie samo jak ciśnienie panujące na zewnątrz. Możemy sprawdzić jaki wpływ na ciśnienie wody będzie miała pogoda.

Pogoda deszczowa, charakteryzująca się niskim ciśnieniem

P ( ciśnienie ) = 1000kg/m3 ( Gęstość wody )* 9.81 m/s ( Przyśpieszenie ziemskie) * wysokość naszej wieży ciśnień + 996.26 hPa

P = 1000 * 9.81 * 20 + 996.26 = 1962.0 hPa + 996.26 hPa

P= 2958.26 hPa = 2.96 barów

Pogoda słoneczna charakteryzująca się wysokim ciśnieniem 1026.42 hPa

P = 1962.0 hPa + 1026.42 hPa = 2988.42 hPa = 2.99 barów

Jak widać wpływ pogody na ciśnienie hydrostatyczne jest faktem, ale mało istotnym.

Jak regulowane jest ciśnienie wody z wieży ciśnień do budynków?

Regulowanie przepływu wody z wieży ciśnień do nieruchomości odbywa się za pomocą zaworu do regulacji ciśnienia. Aby zapewnić bezpieczeństwo podczas przepływu wody, zawory montuje się między zaworem odcinającym i wodomierzem. Taki układ pozwala na swobodną kontrolę obiegu wody w sieci wodociągowej i eliminowaniu wahań ciśnień.

Dodatkowe pytania

A jeśli budynek jest wyższy, niż wieża ciśnień ?, czy wtedy woda dopłynie na najwyższe piętro ?.

•  Nie,  wtedy wodociąg musi być wspomagany przez dodatkowe pompy.

Czy wodę w zbiorniku można zastąpić inną cieczą ?

• Nie, jeśli projektant lub użytkownik zamieniłby np. wodę z olejem, złamane zostanie prawo hydrostatyczne. Gęstość cieczy w zbiorniku ma wpływ na funkcjonowanie wieży ciśnień.

• Warto również pamiętać, ze kształt oraz rozmiary nie mają wpływy na ciśnienie hydrostatyczne wytwarzane przez wieże ciśnień. Najważniejsza jest wysokość zbiornika, ponieważ to ta wartość wywiera ciśnienie na dno zbiornika.

Dlaczego woda w zbiorniku nie zamarza zimą ?

• Ponieważ woda w zbiorniku jest pod wpływem ruchu a także co istotne, woda jest pod ciśnieniem.

Wrocław - wieża ciśnień - opis działania wieży ciśnień.

Bydgoszcz - wieża ciśnień - zasady działania wieży ciśnień.