Czysta woda jest jedną z najbardziej podstawowych potrzeb ludzkości i tych z nas, którzy w niej mieszkają obszary miejskie zwykle pobierają wodę z jakiegoś scentralizowanego systemu publicznego. Obsługa systemu wodnego to główna odpowiedzialność, która ma wpływ na zdrowie i bezpieczeństwo publiczne. Na gęsto zaludnionych obszarach miejskich czysta i obfita woda jest absolutną koniecznością, nie tylko do picia, ale także do urządzeń sanitarnych i gaszenia pożarów. I to nie jest coś, czego potrzebujemy od czasu do czasu; woda jest niezbędna zarówno w dzień, jak iw nocy, w weekendy, święta i w każdym innym czasie. Zatem zadanie znalezienia wystarczającej ilości wody, uczynienia jej bezpiecznym w użyciu, a następnie niezawodne rozprowadzenie jej do klientów systemu prawie bez przestojów jest monumentalnym zadaniem, które wymaga dużej infrastruktury. I prawdopodobnie najbardziej widocznym elementem publicznego systemu wodociągowego jest podwyższony zbiornik magazynowy, zwany również wieżą ciśnień. Jestem Grady, a to są roboty publiczne, moja seria filmów o infrastrukturze i otaczającym nas świecie stworzonym przez ludzi.
Powiedzmy, że jesteś właścicielem publicznego systemu wodociągowego . Znalazłeś źródło wody w wystarczającej ilości dla swoich klientów, znalazłeś sposób na oczyszczenie tej wody, tak aby była dla nich bezpieczna, a teraz nadszedł czas, aby ją wysłać. Wodę z jednego miejsca do drugiego możemy dostarczyć na kilka sposobów. Jeden z nich ma go tam po prostu zanieść. Czy to na grzbiecie zwierzęcia, na ciężarówce, czy na butelce w plecaku, cały czas fizycznie nosimy wodę. Ale zwykle nie jest to najbardziej efektywny sposób. Pierwszą infrastrukturą przeznaczoną do transportu wody był kanał otwarty. Czy to w rowie, kanale czy akwedukcie, woda jest przenoszona grawitacyjnie, czasami na bardzo duże odległości. Nadal używamy otwartych kanałów do transportu wody do nawadniania i odwadniania, ale mają one również pewne wady. Woda jest narażona na zanieczyszczenia i skażenie, kanały przecinają ziemię na pół, co utrudnia przejście, a woda może wpływać tylko do obszarów niżej położonych niż tam, gdzie się zaczęła. Ta ostatnia jest dużą wadą, zwłaszcza jeśli próbujesz dostarczyć wodę do obszaru ze wzgórzami lub górami. Dlatego większość publicznych systemów wodociągowych opiera się obecnie na rurach do dystrybucji.
Po prostu umieszczenie szczytu na otwartym kanale pozwala nam wykorzystać ciśnienie do przemieszczania płynów tam, gdzie ich potrzebujemy iść. Podobnie jak elektrony w przewodzie przepływającym od wysokiego do niskiego napięcia, płyn w rurze będzie przepływał od wysokiego do niskiego ciśnienia. Tak więc, jeśli podniesiesz ciśnienie na jednym końcu rury, możesz wysłać czystą wodę w dowolne miejsce. A jak podnosisz ciśnienie wody? Z pompką. Pompa to urządzenie, które przenosi płyny. W niektórych przypadkach pompa dosłownie podnosi płyn na większą wysokość, ale w większości przypadków pompa przekazuje energię do płynu, podnosząc jego ciśnienie. A pompy, zwłaszcza te, które obsługują całe miasta, są drogie. Jeśli więc masz za zadanie wybrać rozmiar pompy potrzebnej do publicznego systemu wodociągowego, co robisz? Może mierzysz ilość wody, którą miasto zużywa w danym dniu i wybierasz pompę, która może dopasować się do tego natężenia przepływu. Zobaczmy, jak to zadziała.
W Twoim mieście jest północ i większość Twoich klientów wody śpi. Oprócz klientów przemysłowych, którzy pracują 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, zapotrzebowanie na wodę jest minimalne, a Twoja pompa nie ma problemu z ich spełnieniem. Ale około 5 rano zaczynają działać automatyczne systemy zraszające. Około 6 rano ludzie zaczynają się budzić, brać prysznic, myć zęby, gotować śniadanie, wszystko, co wymaga wody. Nie minie dużo czasu, zanim zapotrzebowanie na wodę przekroczy wydajność pompy. Niemal od samego początku Twoja nowa pompa nie jest w stanie sprostać wymaganiom Twojego systemu, ponieważ jej rozmiar został określony tylko dla średniej. Zapotrzebowanie na wodę w dużych obszarach miejskich może się znacznie różnić w ciągu normalnego dnia, przy czym szczytowe zapotrzebowanie godzinowe (zwykle rano lub wieczorem) jest czasami nawet 5-krotnie większe od średniego dziennego zapotrzebowania. Tak więc, jeśli próbujesz zaspokoić zapotrzebowanie klienta na wodę za pomocą samych pomp, zamiast jednej, możesz potrzebować nawet pięciu pomp (lub jednej ogromnej pompy, która może wykonać pracę 5). I nie tylko to, będziesz musiał stale włączać i wyłączać pompy, aby sprostać zmiennemu zapotrzebowaniu, zwiększając zużycie sprzętu. I tu pojawia się miejsce do przechowywania. Dodajmy wieżę ciśnień do systemu i spróbujmy ponownie.
Jest północ i zapotrzebowanie jest niskie, ale pompa pracuje całkowicie szeroko otwarte. Zamiast klientów płynących woda wpływa do Twojej wieży ciśnień, napełniając zbiornik powoli, ale pewnie. Gdy nadchodzi poranek i zapotrzebowanie zaczyna rosnąć, pompa nadal pracuje. Nie jest w stanie samodzielnie zaspokoić zapotrzebowania, ale woda zmagazynowana w zbiorniku stanowi różnicę. Wszyscy Twoi klienci otrzymują potrzebną im wodę.Gdy ludzie zaczynają dzień, popyt ponownie spada poniżej średniej. Ale pompa nadal działa, a dodatkowy przepływ trafia do zbiornika. Popyt znów zaczyna rosnąć, gdy mieszkańcy miasta zaczynają gotować obiad, kąpać się i podlewać rośliny. Całe to dodatkowe zużycie wody powoduje opróżnianie zbiornika, zanim większość ludzi pójdzie spać i cykl zaczyna się od nowa.
Łatwo jest zobaczyć, jak przechowywanie zwiększa wydajność systemu wodnego . Wygładza szczyty i doliny zapotrzebowania na wodę nie tylko w pompach, ale także w całej infrastrukturze poprzedzającej, w tym stacji uzdatniania wody i zaopatrzeniu w wodę surową. Bez magazynowania wszystkie te obiekty musiałyby być dostosowane do szczytowego zapotrzebowania, co zwiększyłoby ich koszt. Przy wystarczającej ilości miejsca na dane pompy i inną infrastrukturę można dopasować do średnich wymagań, oszczędzając nie tylko koszty, ale także złożoność, ponieważ nie trzeba przewidywać zmian popytu i odpowiednio reagować. Czasami te szczyty i doliny są przewidywalne, ale czasami tak nie jest. Niektóre z największych zapotrzebowań na wodę na obszarach miejskich pochodzą z pożarów. Bez siły gaśniczej i wystarczającej ilości wody, aby je dostarczyć, pożary mogą wymknąć się spod kontroli w gęstych obszarach miejskich. W rzeczywistości wiele z najbardziej śmiertelnych katastrof w historii to pożary w miastach przed powstaniem nowoczesnych systemów wodociągowych. Obecnie większość gmin i przepisów budowlanych ma minimalne wymagania dotyczące ilości wody, która musi być dostępna dla strażaków. Przechowywanie i gotowość wody, jak w wieży ciśnień, znacznie ułatwia reakcję w sytuacji awaryjnej.
Możesz pomyśleć, dalej Grady . To nic nowego. Pamięć masowa to odwieczne rozwiązanie każdej sytuacji, w której podaż nie odpowiada popytowi. I tak, przechowywanie wody w dużym zbiorniku może nie być niczym niezwykłym. Ale wieże ciśnień to nie tylko duże zbiorniki, to duże zbiorniki umieszczone nad ziemią. A to dlatego, że wieże ciśnień to nie tylko magazynowanie wody; gromadzą również energię. Systemy dystrybucji wody opierają się na ciśnieniu, aby doprowadzić wodę tam, gdzie ona płynie. Jeśli kiedykolwiek brałeś prysznic przy niskim ciśnieniu wody, wiesz, jakie może to być frustrujące, ponieważ po prostu nie możesz uzyskać wystarczającej ilości wody z kranu. Zwiększanie ciśnienia w systemie wodnym jest również ważne dla zdrowia publicznego. Bez wystarczającego ciśnienia w rurach zanieczyszczenia mogą przedostać się do systemu przez krany lub małe nieszczelności. Większość systemów wodnych otrzymuje ciśnienie z pomp, a utrzymanie tego ciśnienia wymaga dużej ilości energii. Dlatego ważna jest możliwość magazynowania nie tylko samej wody, ale także energii, która została jej przekazana przez pompy. Na niektórych obszarach, gdzie koszty energii elektrycznej zmieniają się w zależności od zapotrzebowania, możesz uruchamiać pompy w nocy, gdy energia elektryczna jest tania do napełnienia wieży ciśnień. Następnie należy pozostawić pompy wyłączone w ciągu dnia, gdy energia elektryczna jest droższa, dzięki czemu tylko wieża może zwiększać ciśnienie w systemie i obsługiwać klientów. Przechowywanie energii w ten sposób odbywa się również na większą skalę, aby pomóc w zapewnieniu niezawodności sieci elektrycznej, ale to temat na inny film. Podwyższone miejsce do przechowywania jest również korzystne podczas przerwy w dostawie prądu, ponieważ utrzymuje ciśnienie w systemie nawet wtedy, gdy pompy nie działają.
Ale na jakim poziomie muszą być? Możesz wiedzieć, że ciśnienie w zbiorniku wodnym jest związane z głębokością. Im głębiej idziesz, tym większe ciśnienie. Podobnie jak w basenie lub oceanie, system dystrybucji wody ma ten sam związek między głębokością a ciśnieniem. Tak się składa, że jest zamknięty w szeregu rur. Możesz więc wyobrazić sobie system dystrybucji wody jako wirtualny ocean, pod którym wszyscy żyjemy, a powierzchnia wody w podwyższonych zbiornikach magazynowych reprezentuje powierzchnię wirtualnego oceanu. Wyobrażenie sobie systemu wodnego w ten sposób ułatwia dostrzeżenie wyzwania, jakim jest dostarczanie klientom wody pod odpowiednim ciśnieniem. Gdyby nasze miasta były płaskie, byłoby to całkiem proste. Wszystkie budynki znajdowałyby się na tej samej głębokości w wirtualnym oceanie. Ale większość obszarów ma przynajmniej pewną ilość rzeźby topograficznej. Klienci na niskich wysokościach znajdują się na dnie wirtualnego oceanu, gdzie ciśnienie może być zbyt wysokie. Możesz pomyśleć, że to dobra rzecz, ale rury i urządzenia hydrauliczne są przystosowane tylko do określonych ciśnień, więc przekroczenie tych wartości może spowodować poważne uszkodzenia. Czasami budynki na niskich wysokościach będą wyposażone w specjalne zawory obniżające ciśnienie. Klienci na dużych wysokościach będą znajdowali się blisko powierzchni wirtualnego oceanu, mając bardzo niskie ciśnienie wody. Jak wspomniałem, może to być nie tylko frustrujące, ale także doprowadzić do zanieczyszczenia systemu. Aby rozwiązać to wyzwanie, wiele dużych miast utrzymuje oddzielne systemy dystrybucji zwane strefami ciśnienia, z których każda ma własną wieżę ciśnień, aby obsługiwać klientów na różnych wysokościach w mieście.
Ale co się stanie, jeśli chcesz obsługiwać klientów na różnych wysokościach w tej samej lokalizacji?Wysokie budynki, takie jak drapacze chmur, mogą mieć odpowiednie ciśnienie wody na niższych kondygnacjach, podczas gdy wyższe piętra mogą sięgać blisko powierzchni lub nawet nad wirtualny ocean w systemie dystrybucji wody. Tak więc, zamiast polegać na ciśnieniu wody w mieście, większość wysokich budynków używa własnych pomp do dostarczania wody na wyższe piętra. Niektóre miasta, takie jak Nowy Jork, wymagają nawet, aby każdy budynek miał własny podwyższony zbiornik magazynowy.
Nie w każdym mieście są wieże ciśnień. Niektóre mają całe zaopatrzenie w wodę na większej wysokości, co minimalizuje potrzebę zwiększania ciśnienia w systemie. Czasami po prostu bardziej sensowne jest poleganie na samych pompach, aby zapewnić sprawne działanie systemu. W końcu wieże ciśnień nie są tanie, zajmują sporo miejsca i mogą pozwolić wodzie na stagnację, jeśli nie ma wystarczającej cyrkulacji. Jednak w przypadku publicznych wodociągów niezawodność ma kluczowe znaczenie. Minęło dużo czasu, odkąd grawitacja została wyłączona z powodu burzy, więc podwyższone zbiorniki magazynowe (w jakiejś formie lub w jakiejś formie) z pewnością zostaną tutaj. Dziękuję za uwagę i daj mi znać, co myślisz!
