Водонапорная башня: устройство и применение.

Введение

Водяная башня – это возвышенная конструкция, поддерживающая резервуар для воды. Водяные башни часто работают совместно с подземными или наземными резервуарами, которые хранят очищенную воду вблизи мест ее потребления. Другие типы водонапорных башен могут хранить только сырую (непитьевую) воду для пожаротушения или промышленных нужд и не обязательно быть подключенными к общественному водоснабжению. Водяные башни способны обеспечивать водоснабжение даже при отключении электроэнергии, поскольку используют гидростатическое давление, создаваемое высотой расположения воды (благодаря гравитации), для подачи воды в бытовые и промышленные системы водораспределения; однако, без электроэнергии они не могут долго поддерживать подачу воды, так как для наполнения башни обычно требуется насос. Водяная башня также служит резервуаром для обеспечения потребностей в воде в периоды пикового потребления. Уровень воды в башне обычно снижается в часы пиковой нагрузки, а затем насос пополняет ее ночью. Этот процесс также предотвращает замерзание воды в холодную погоду, поскольку башня постоянно опорожняется и наполняется.

История

Хотя использование возвышенных резервуаров для хранения воды существовало с древних времен в различных формах, современное использование водонапорных башен для напорных систем общественного водоснабжения развилось в середине XIX века, с распространением паровых насосов и разработкой более прочных труб, способных выдерживать повышенное давление. В Соединенном Королевстве стояки представляли собой высокие, открытые N-образные трубы, использовавшиеся для сброса давления и обеспечения фиксированной высоты для паровых насосных установок, которые, как правило, создавали пульсирующий поток, в то время как система распределения воды под давлением требовала постоянного давления. Стояки также предоставляли удобное фиксированное место для измерения расхода воды. Конструкторы обычно заключали подъемные трубы в декоративные каменные или деревянные сооружения. К концу XIX века стояки стали включать резервуары для хранения, чтобы удовлетворить растущие потребности городов. В некоторых районах, таких как Нью-Йорк в Соединенных Штатах, небольшие водонапорные башни строятся для отдельных зданий. В Калифорнии и некоторых других штатах когда-то возводили водонапорные башни, облицованные сайдингом (танковые дома) (1850-е – 1930-е годы), для снабжения отдельных домов; ветряные мельницы перекачивали воду из выкопанных вручную колодцев в резервуар. Водонапорные башни использовались для обеспечения водой пункты заправки паровозов на железнодорожных линиях. Ранним паровозам требовались остановки для пополнения запасов воды каждые…

Дизайн и строительство

Для строительства типичной водонапорной башни можно использовать различные материалы; чаще всего используются сталь и железобетон (в том числе армированный или предварительно напряженный бетон), а также дерево, стекловолокно или кирпич, с внутренним покрытием для защиты воды от воздействия материала облицовки. Резервуар в башне может иметь сферическую, цилиндрическую или эллипсоидальную форму, с минимальной высотой приблизительно и минимальным диаметром. Стандартная водонапорная башня обычно имеет высоту около 100 метров.

Давление создается за счет гидростатического давления высоты подъема воды; на каждый 10 метров подъема приходится 1 атмосфера давления. 30 метров подъема создают примерно 3 атмосферы, чего достаточно для обеспечения большинства бытовых нужд в давлении воды и требований распределительной системы. Высота башни обеспечивает давление в системе водоснабжения, которое может быть дополнительно усилено насосом. Объем резервуара и диаметр трубопроводов обеспечивают и поддерживают необходимую пропускную способность. Однако использование насоса для создания давления обходится дорого; для удовлетворения изменяющегося спроса насос должен быть рассчитан на пиковые нагрузки. В периоды низкого спроса используются поддерживающие насосы (жокеи) для обеспечения небольшого расхода воды. Водонапорная башня снижает энергопотребление за счет циклической работы насосов и, следовательно, необходимость в дорогостоящей системе управления насосами, поскольку такая система должна быть достаточно мощной для обеспечения того же давления при высоких расходах. Очень большие объемы и расходы воды необходимы при тушении пожаров. При наличии водонапорной башни насосы можно рассчитывать на средний спрос, а не на пиковый; водонапорная башня обеспечивает давление воды в течение дня, а насосы пополняют ее резервуар в периоды низкого спроса. Использование беспроводных сетей датчиков для мониторинга уровня воды в башне позволяет муниципалитетам автоматически контролировать и управлять насосами без прокладки и обслуживания дорогостоящих кабелей передачи данных.

Архитектура

На соседнем изображении показаны три архитектурных подхода к интеграции этих резервуаров в дизайн здания, один из которых – на 57-й улице в Нью-Йорке. Слева направо: полностью закрытая и богато украшенная кирпичная конструкция, простая, лишенная декора кирпичная конструкция, скрывающая большую часть резервуара, но оставляющая видимой его верхнюю часть, и простая утилитарная конструкция, не пытающаяся скрыть резервуары или как-либо интегрировать их в архитектуру здания. Эта технология появилась как минимум в XIX веке, и долгое время в Нью-Йорке требовалось, чтобы все здания выше шести этажей были оборудованы водонапорной башней на крыше. Первыми строителями водонапорных башен были бочары, расширившие свое мастерство, чтобы удовлетворить современную потребность, возникшую по мере роста высоты зданий в городе. Даже сегодня для герметизации воды не используются уплотнители. Деревянные стены водонапорной башни скреплены стальными тросами или лентами, но при первом заполнении вода просачивается сквозь щели. Когда древесина насыщается водой, она разбухает, щели закрываются и становятся водонепроницаемыми. Водонапорные башни на крыше хранят воду до тех пор, пока она не понадобится в здании внизу. Верхний слой воды забирается для повседневного использования, а вода в нижней части башни резервируется для тушения пожаров. Когда уровень воды опускается ниже определенной отметки, включается насос или открывается магистральный водопровод для пополнения башни – это происходит благодаря срабатыванию прессостата, уровневого выключателя или поплавкового клапана. Исторически железные дороги, использовавшие паровозы, нуждались в способе пополнения водяных запасов локомотивов. Водонапорные башни были обычным явлением вдоль железнодорожных путей. Пополнение тендеров осуществлялось с помощью водоподъемных кранов, питаемых от водонапорной башни. Некоторые водонапорные башни также используются как смотровые площадки, например, ресторан Голдбергтурм в Синдельфингене (Германия) или вторая из трех Кувейтских башен в Государстве Кувейт. Водонапорные башни часто служат местом размещения передающих устройств в УВЧ-диапазоне небольшой мощности, например, для закрытого вещания в сельской местности, любительской радиосвязи или сотовой связи. В холмистой местности для подъема резервуаров можно использовать естественный рельеф. Эти резервуары часто представляют собой бетонные цистерны, встроенные в склоны холмов или гор, но функционируют так же, как и традиционные водонапорные башни. Верхнюю часть таких резервуаров можно озеленить или использовать как парковую зону, если это необходимо.

The adjacent image shows three architectural approaches to incorporating these tanks in the design of a building, one on East 57th Street in New York City. From left to right, a fully enclosed and ornately decorated brick structure, a simple unadorned roofless brick structure hiding most of the tank but revealing the top of the tank, and a simple utilitarian structure that makes no effort to hide the tanks or otherwise incorporate them into the design of the building. The technology dates to at least the 19th century, and for a long time New York City required that all buildings higher than six stories be equipped with a rooftop water tower. The original water tower builders were barrel makers who expanded their craft to meet a modern need as buildings in the city grew taller in height. Even today, no sealant is used to hold the water in. The wooden walls of the water tower are held together with steel cables or straps, but water leaks through the gaps when first filled. As the water saturates the wood, it swells, the gaps close and become impermeable. The rooftop water towers store of water until it is needed in the building below. The upper portion of water is skimmed off the top for everyday use while the water in the bottom of the tower is held in reserve to fight fire. When the water drops below a certain level, a pressure switch, level switch or float valve will activate a pump or open a public water line to refill the water tower. Historically, railroads that used steam locomotives required a means of replenishing the locomotive's tenders. Water towers were common along the railroad. The tenders were usually replenished by water cranes, which were fed by a water tower. Some water towers are also used as observation towers, and some restaurants, such as the Goldbergturm in Sindelfingen, Germany, or the second of the three Kuwait Towers, in the State of Kuwait. It is also common to use water towers as the location of transmission mechanisms in the UHF range with small power, for instance for closed rural broadcasting service, amateur radio, or cellular telephone service. In hilly regions, local topography can be substituted for structures to elevate the tanks. These tanks are often nothing more than concrete cisterns terraced into the sides of local hills or mountains, but function identically to the traditional water tower. The tops of these tanks can be landscaped or used as park space, if desired.

Сферы и сфероиды

Чикагская мостовая и железная компания построила многие из водных сфер и сфероидов, найденных в Соединенных Штатах. На веб-сайте World's Tallest Water Sphere (Самая высокая водная сфера в мире) различие между водной сферой и водным сфероидом описывается следующим образом:

Водная сфера – это тип водонапорной башни, у которой на вершине расположена большая сфера. Сфера выглядит как мяч для гольфа на ти или как круглый леденец. Поперечное сечение сферы в любом направлении (восток-запад, север-юг или верх-низ) – это идеальный круг. Водный сфероид выглядит как водная сфера, но его верхняя часть шире, чем высота. Сфероид выглядит как круглая подушка, слегка приплюснутая. Поперечное сечение сфероида в двух направлениях (восток-запад или север-юг) – это эллипс, но только в одном направлении (верх-низ) – идеальный круг. И сфера, и сфероид являются частными случаями эллипсоидов: сфера имеет симметрию в 3 направлениях, сфероид – в 2 направлениях. Скаленные эллипсоиды имеют 3 оси разной длины и три неравных поперечных сечения. Union Watersphere – это водонапорная башня с шарообразным резервуаром для воды в Юнионе, штат Нью-Джерси, которая считается самой высокой водной сферой в мире. В статье Star Ledger сообщалось, что водонапорная башня в Эрвине, Северная Каролина, завершенная в начале 2012 года, высотой 219,75 футов (67 м) и вместимостью , стала самой высокой водной сферой в мире. Однако фотографии водонапорной башни Эрвина показали, что новая башня является водным сфероидом. Водонапорная башня в Брамене, штат Оклахома, построенная нацией Кау и завершенная в 2010 году, имеет высоту 220,6 футов (67 м) и может вместить . Немного выше, чем Union Watersphere, она также является сфероидом. Другая башня в Оклахоме, построенная в 1986 году и рекламируемая как «крупнейшая водонапорная башня в стране», имеет высоту 218 футов (66 м), может вместить и расположена в Эдмонде. Earthoid – идеально сферический резервуар, расположенный в Германтауне, штат Мэриленд, высотой 30 метров и вместимостью воды. Название происходит от того, что он окрашен в виде глобуса. Водяная башня в Гонзалесе, штат Калифорния, имеет форму мяча для гольфа, а ее резервуар поддерживается тремя трубчатыми опорами и достигает высоты около 38 метров. Watertoren (или Водные башни) в Эйндховене, Нидерланды, построенные в 1970 году, содержат три сферических резервуара, каждый диаметром и способных вместить воды, расположенные на трех шпилях.

A water sphere is a type of water tower that has a large sphere at the top of its post. The sphere looks like a golf ball sitting on a tee or a round lollipop. A cross section of a sphere in any direction (east west, north south, or top bottom) is a perfect circle. A water spheroid looks like a water sphere, but the top is wider than it is tall. A spheroid looks like a round pillow that is somewhat flattened. A cross section of a spheroid in two directions (east west or north south) is an ellipse, but in only one direction (top bottom) is it a perfect circle. Both spheres and spheroids are special case ellipsoids: spheres have symmetry in 3 directions, spheroids have symmetry in 2 directions. Scalene ellipsoids have 3 unequal length axes and three unequal cross sections. The Union Watersphere is a water tower topped with a sphere shaped water tank in Union, New Jersey, and characterized as the World's Tallest Water Sphere. A Star Ledger article suggested a water tower in Erwin, North Carolina completed in early 2012, 219.75 feet (67 m) tall and holding , had become the World's Tallest Water Sphere. However, photographs of the Erwin water tower revealed the new tower to be a water spheroid. The water tower in Braman, Oklahoma, built by the Kaw Nation and completed in 2010, is 220.6 feet (67 m) tall and can hold Slightly taller than the Union Watersphere, it is also a spheroid. Another tower in Oklahoma, built in 1986 and billed as the "largest water tower in the country", is 218 feet (66 m) tall, can hold , and is located in Edmond. The Earthoid, a perfectly spherical tank located in Germantown, Maryland is 100 feet (30 m) tall and holds of water. The name is taken from it being painted to resemble a globe of the world. The golf ball shaped tank of the water tower at Gonzales, California is supported by three tubular legs and reaches about 125 feet (38 m) high. The Watertoren (or Water Towers) in Eindhoven, Netherlands contain three spherical tanks, each in diameter and capable of holding of water, on three spires were completed in 1970.

Декоративные элементы

Водяные башни могут быть окружены декоративными покрытиями, включая изысканную кирпичную кладку, большую решетку, увитую плющом, или же просто окрашены. На некоторых городских водонапорных башнях название города написано большими буквами на крыше в качестве навигационного ориентира для пилотов и автомобилистов. Иногда украшения могут быть забавными. Примером служат водонапорные башни, построенные рядом друг с другом и обозначенные как "HOT" и "COLD". В США такие башни, обозначенные "HOT" и "COLD", можно встретить в городах Грейнджер (Айова), Кантон (Канзас), Пратт (Канзас) и Сент-Клэр (Миссури). В Эвелите (Миннесота) когда-то было две такие башни, но сейчас их уже нет. Многие небольшие города в США используют свои водонапорные башни для рекламы местного туризма, спортивных команд местных школ или других интересных местных фактов. В шведском городе Эребру построена водонапорная башня в форме "гриба", вмещающая почти два миллиона галлонов воды.

Самый высокий

Башня Год Страна Город Высота пика Замечания Swisscom Сент-Турм Сент-Кришона 1984 Св. Chrischona 250 м (820 футов) Naturstromspeicher Gaildorf, Ветротурбины 3, 4 и 5 2017 Gaildorf 246,5 м (809 футов) Три ветротурбины GE 3.4 137, оснащенные водяным резервуаром в подвале, используемым в качестве верхнего резервуара для гидроаккумулирующей электростанции. Кувейтские башни, башня A 1979 Кувейт-Сити 187 м (613 футов) Восточный дымоход Саарского коксового завода в Диллингене 150 м (492 футов) Дымоход с водяным резервуаром Кувейтские башни, башня B 1979 Кувейт-Сити 146 м (479 футов) Телевизионная башня Уолденбург 1959 Уолденбург 145 м (475 футов) Частично свободно стоящая башня, состоящая из водонапорной башни и антенной мачты, закрепленной к земле. Антенная мачта была демонтирована в 2008 году. Водонапорная башня Mechelen Zuid 1978 Mechelen 143 м (469 футов) Объединенная водо- и телекоммуникационная башня Водонапорная башня Ginosa 1915 Ginosa 130 м (426,5 футов) Большой дымоход электростанции Finkenheerd в Брискове-Финкенхерде 125 м (410 футов) Дымоход с водяным резервуаром, снесенный Centro idrico Eur 1990 Рим 120 м (394 футов) Дымоход азотного завода Piesteritz SKW в Виттенберге 120 м (394 футов) Дымоход, оборудованный водяным резервуаром K 1206 Водонапорная башня 1958 Ок-Ридж 116,43 м (382 футов) Снесена 3 августа 2013 года взрывчаткой Дымоход с водяным резервуаром плавильного цеха сталелитейного завода в Диллингене 115 м (377 футов) Дымоход с водяным резервуаром Дымоход сталелитейного завода в Бранденбурге 110,2 м (362 футов) Дымоход с водяным резервуаром Малый дымоход электростанции Finkenheerd в Брискове-Финкенхерде 110 м (361 футов) Дымоход с водяным резервуаром, снесенный Водонапорная башня стартового комплекса 36 на мысе Канаверал 107 м (351 футов) Дымоход 1 электростанции Muldenstein в Мульденштейне 103 м (338 футов) Дымоход с водяным резервуаром, снесенный 10 апреля 2011 года Дымоход завода Cassella во Франкфурте-Фихенхайме 102 м (335 футов) Дымоход, оборудованный до 2011 года водяным резервуаром Дымоход завода Novelis в Нахтерштедте 100 м (328 футов) Дымоход с водяным резервуаром Дымоход районной котельной в Ланберге 1972 Марбург 100 м (328 футов) Дымоход с водяным резервуаром Дымоход электростанции нефтеперерабатывающего завода Scholven в Гельзенкирхене 100 м (328 футов) Дымоход с водяным резервуаром Дымоход мусоросжигательного завода в Высочанах 1932 Прага 100 м (328 футов) Дымоход с водяным резервуаром, снесенный в 2003 году

TowerYearCountryTown Pinnacle height RemarksSwisscom Sendeturm St. Chrischona1984St. Chrischona250 m (820 ft)Naturstromspeicher Gaildorf, Wind Turbine 3,4 and 52017Gaildorf246.5 m (809 ft)Three GE 3.4 137 wind turbines equipped with a water tank in the basement, which is used as upper reservoir by a pumped storage hydroelectric power plantKuwait Towers, Tower A1979Kuwait City187 m (613 ft)Eastern Chimney of Saar Central Coke Plant Dillingen150 m (492 ft)Chimney with water tankKuwait Towers, Tower B1979Kuwait City146 m (479 ft) Waldenburg TV Tower1959 Waldenburg145 m (475 ft)Partially guyed tower consisting of water tower and antenna mast guyed to the ground as pinnacle. Antenna mast was dismantled in 2008. Mechelen Zuid water tower1978Mechelen143 m (469 ft)Combined water and telecommunications tower Ginosa Water Tower 1915Ginosa130 m (426.5 ft)Large Chimney of Finkenheerd Power Plant Brieskow Finkenheerd125 m (410 ft)Chimney with water tank, demolishedCentro idrico Eur 1990Rome120 m (394 ft)Chimney of Piesteritz SKW Nitrogen FactoryWittenberg120 m (394 ft) Chimney, which was equipped with a water tankK 1206 F Watertower1958Oak Ridge116.43 m (382 ft)Demolished on August 3d, 2013, by explosivesWater Tank Chimney of sinter plant of Dillingen Steel Mill Dillingen115 m (377 ft)Chimney with water tankChimney of Brandenburg steel works Brandenburg110,2 m (362 ft)Chimney with water tankSmall Chimney of Finkenheerd Power Plant Brieskow Finkenheerd110 m (361 ft)Chimney with water tank, demolishedWater Tower of Launch Complex 36 Cape Canaveral107 m (351 ft)Chimney 1 of Muldenstein power station Muldenstein103 m (338 ft)Chimney with water tank, demolished on April 10, 2011Chimney of Frankfurt Fechenheim Cassella works Frankfurt102 m (335 ft)Chimney, which was equipped until 2011 with a water tankChimney of Nachterstedt Novelis works Nachterstedt100 m (328 ft) Chimney with water tankChimney of Lahnberge district heating plant 1972Marburg100 m (328 ft)Chimney with water tankChimney of Scholven Refinery Power Plant Gelsenkirchen100 m (328 ft)Chimney with water tankChimney of Vysocany Incinerator 1932Prague100 m (328 ft) Chimney with water tank, demolished in 2003

Альтернативы

Альтернативой водонапорным башням являются простые насосы, установленные поверх водопроводных труб для повышения давления воды. Этот новый подход проще, но и более подвержен потенциальным рискам для здоровья населения; в случае отказа насосов потеря давления воды может привести к попаданию загрязнителей в систему водоснабжения. Большинство крупных водопроводных предприятий не используют этот подход из-за потенциальных рисков.

Хорватия

Водяная башня в Вуковаре.

Кувейт

Кувейтские башни, включающие два резервуара для воды, и Кувейтские водонапорные башни (башни-грибы в Кувейте).