1 [Last Update 2015/04/30] 建築環境工学・建築設備工学入門 <給排水・衛生設備編> <給水設備> 給水設備の演習問題 2 給水設備機器容量の求め方 サンプル建物の概要 INDEX 建物用途:オフィス 延べ面積:5,000㎡ 各階面積:600㎡ 階 数:地下1階、地上8階 建物高さ:32m 階 高:4.0m 給水方式:重力式 高置水槽 揚水管(Qm) 給水管(Qp) 揚水ポンプ M P 受水槽 水道引込み管(Qh) 予想給水量の算出 (1) 建物使用人員数[N]を想定する。 ■ 建物使用人員数(N) =単位面積当りの人員密度[人/㎡]×床面積[㎡] =0.2人/㎡×5,000㎡ = 1 000 [人] (2) 建物の水使用特性に類似する給水原単位から使用水量を算定する。 ■ 1日使用水量(Qd) =1人当たり使用量(Qn)×建物使用人員数(N) =120リットル/(人・d)×1 000人 = 120,000 [リットル/d] = 120 [m3/d] ■時間平均予想給水量(Qh) =1日使用水量(Qd)/建物使用時間(T) =120m3/(人・d)÷10hr = 12 [m3/hr] ■時間最大予想給水量(Qm) =時間最大予想給水量のピーク率(Km)×時間最大予想給水量(Qh) =2.0(-)×12(m3/hr) =24[m3/hr] ■ピーク時最大予想給水量(Qp) =ピーク時最大予想給水量のピーク率(Km)×時間最大予想給水量(Qh)÷60 =4.0(-)×12(m3/hr)÷60(min/hr) =800[リットル/min] 3 時刻別予想給水量の推移 4 オフィスビルを例として C A B B C ピーク時最大 A Qd :1日当たりの使用水量[ℓ/d] T :1日平均使用時間[h] Qh :時間平均予想給水量[ℓ/h] Km :時間最大給水量のピーク率 Qm :時間最大予想給水量[ℓ/h] Kp :ピーク時最大予想給水量のピーク率 Qp :ピーク最大予想給水量[ℓ/min] 5 建物予想給水量の算定 用途別時刻変動 集合住宅 ホテル 8.0 4.0 平日 0 0 4 8 12 16 時刻 [時] 20 日曜 8.0 4.0 24 平日 0 4 8 12 16 時刻 [時] 20 平日 0 4 8 12 16 時刻 [時] 20 4.0 平日 0 店舗・飲食店 4 8 12 16 時刻 [時] 20 平日 0 4 8 12 時刻 [時] 16 20 24 4 8 12 16 時刻 [時] 20 24 20 24 劇場 12.0 日曜 8.0 平日 4.0 0 0 24 平日 0 水使用量 [%] 4.0 水使用量 [%] 日曜 8.0 20 4.0 24 12.0 土曜 12 16 時刻 [時] 8.0 0 小規模小売店舗 12.0 8 12.0 8.0 24 4 高等学校 0 0 平日 0 水使用量 [%] 水使用量 [%] 4.0 4.0 24 12.0 8.0 8.0 0 小学校 12.0 水使用量 [%] 土曜 0 事務所 水使用量 [%] 12.0 12.0 水使用量 [%] 日曜 土曜 水使用量 [%] 水使用量 [%] 12.0 病院 8.0 4.0 平日 0 0 4 8 12 16 時刻 [時] 20 24 0 4 8 12 16 時刻 [時] 引込み管サイズと受水槽容量の関係 給水引き込み管径サイズの算定 水道本管と吐水 口の落差を考慮 する。 継ぎ手や量水器等の局 部抵抗を考慮する。 M 受水槽容量の算定 量水器 上水本 管 給水本管の圧力は 一般的に150~400kPa程度 150kPa≧h-20kPa+30kPa ⇓ h≦140kPaとなり、引込み配管 長が極端に長い場合を除き、十 分に余裕がある ⇓ 流速により、配管径を決定する Vs :受水槽の有効容量[ℓ] Qd :1日当たりの使用水量[ℓ/d] h1 定水位弁 受水槽 受水槽の容量は、揚水ポンプ の揚水量および連続運転時間, 上水引き込み管の給水能力及 び連続給水時間の関係式で決 定される。 実務上は、水道事業者の規定 などから1日使用水量の1/2程 度とすることが一般的である。 Hj :上水本管の水圧[kPa] H :配管などの圧力損失[kPa] H1 :上水本管と定水位弁の静水頭差に相当する水圧差[kPa] H2 :定水位弁の必要最低圧力[kPa] 6 受水槽容量の算出 受水槽の容量は、配水管(インフラ)の状況に左右される ①水使用時間帯で渇水しないこと。 ②水の使用時間帯以外の時間帯に受水槽が満水に復元されていること。 これらの条件は、下式で表すことができる ①の条件 Vs≧Vd-Qs×T ②の条件 Qs×(24-T)≧Vs Vs : 受水槽の有効容量[m3] Vd : 1日の使用水量[m3/d] Qs : 配水管などの水源からの給水能力[m3/d] T : 1日の平均水使用時間[h/d] 水源が水道の場合では、配水管の圧力変動により給水能力が変化するので、 一般的に受水槽の有効容量は1日使用水量の半分程度とする。 Vs=Qd÷2 =120(m3/d)÷2 =60m3(有効) ※水道事業者の規定がある場合が多いので、その規定を確認する必要がある。 7 高置水槽・揚水ポンプ容量の算定 (1) Qpu・T2 Ve QP Qpu T1 T2 :高置水槽の有効容量[ℓ] :ピーク最大予想給水量[ℓ/min] :揚水ポンプの揚水量[ℓ/min] :ピーク時最大予想給水量の 継続時間[min] :揚水ポンプの最短運転時間[min] 揚水ポンプの停止水位 揚水管 揚水ポンプの起動水位 Qpu 給水管 (QpーQpu)・T1 Qp 8 高置水槽・揚水ポンプ容量の算定 (2) 高置水槽の容量(Ve)は、ピーク時最大予想給水量(Qp)と揚水量(Qpu)の関 係により求められる。 Ve≧(Qp-Qpu)×T1+Qpu×T2 Ve : 高置水槽の有効容量[m3] Qp : ピーク時最大予想給水量[リットル/min] Qpu: 揚水ポンプの揚水量[リットル/min] T1 : ピーク時最大予想給水量の継続時間[min] T2 : 揚水ポンプの最短運転時間[min] T1を10min、T2を20min、Qpuを暫定的に400リットル/minとすると、 Ve≧(Qp-Qpu)×T1+Qpu×T2=(800-400)×10+400×20 =4 000 +8 000 =12 000[リットル] =12m3(有効) 揚水ポンプは時間最大予想給水量を満足しており、かつ算定された高置水槽 容量は建物の1日水使用量の1/10となる。 9 10 揚水ポンプ揚程の算出 吐出し速度水頭(m) 揚水ポンプの揚程は、下式により求める。 吐出し側配管類の摩擦損失(m) 水槽内に押し流す圧力V2/2g(m) H≧H1+H2+V2/2g 全 揚 程 (m) H :揚水ポンプの全揚程 H1 : 揚水ポンプの吸水面から揚水管長部まで の実高さ(実揚程) H2 : 揚水管路における直管、継ぎ手、弁類な どによる摩擦損失水頭 吐 出 し 揚 吐 程 出 (m) し 実 揚 程 (m) 吐出し配管 バルブ チャッキ バルブ ポンプ 吸込み揚程(m) V2/2g:吐水口の速度水頭 吸込み実揚程(m) 吸込み配管 ※一般に揚水管の吐水口における速度水頭は僅か なので省略してもよい。 フート弁 吸込み側 配管類の 摩擦損失(m) 実 揚 程 (m) 給水管サイズ決定(サンプル) (1) 給水系統図(暫定) 設計条件 建物用途:事務所ビル(貸オフィスビルを想定) 階数:地上8階 構造:SRC造 給水方式:高置水槽方式 オフィス部分の有効面積:364[㎡] 単位面積当たりの人員0.15[人/㎡] 1フロア当たりの人員:男性39人女性16人 11 給水管サイズ決定(サンプル) (2) 基準階便所 概略図 掃除流し(胴長) 大便器(洗浄弁」サイホン式) 大便器(洗浄弁サイホン式) 小便器(洗浄弁) 小便器(洗浄弁) 小便器(洗浄弁) 12 給水使用水量の算出方法について [1]水使用時間率と器具給水単位による方法 ・設計者による判断要素が多く、より実態に即した算定方法である。 ・設置器具個数に対する使用人数が少ない場合の低減が考慮されている。 ・手計算では算定方法が煩雑である。 [2]器具給水負荷単位による方法 ・算定方法が容易である。 ・器具給水負荷単位が10以下や3000以上のときは図が整備されていないため算定できない。 ・洗浄弁と洗浄タンクが混在する場合の算定方法が不備である。 ・過大負荷になるといわれている。 [3]器具利用から予想する方法 ・器具数の少ない場合や器具の利用方法に規則性がある場合に使用する。 ・算定方法が容易である。 ・以下の場合の適用に効果的である。 1)住宅や集合住宅の住戸内 2)学校 [4]実測値に基づいた方法 ・集合住宅にのみ適用できる。 13 器具給水単位と水使用時間率による方法 (1) 任意利用形態 2か所以上もしくは2階 以上に設置されている はい いいえ 集中利用形態 ①器具数の補正 ②器具給水単位と 水使用時間率の算出 ④それぞれの器具の瞬時最大流量 の1/2を加える。 連続流の場合はそのまま加算する。 はい ③瞬時最大流量 異種器具がある 14 給 水 管 管 径 の 選 定 ①器具数の補正 任意利用形態において器具を分散して設置する場 合、器具数の補正を行う。 左図より、利用人数から器具数の適正値を想定する ことができる。 今回の場合、フロア当たりの男性の利用人数が 3 9人であることから左図を用い算定すると、適正値は 大便器:1.4(2個)、小便器:1.9(2個)となる。 適正値: 小便器1.9 適正値: 大便器1.4 男性39人/フロア しかし実際の器具数は、大便器2個、小便器3個であ るため、小便器の器具数が過多であることが分かる。 器具給水単位と水使用時間率による方法 (2) 任意利用形態 2か所以上もしくは2階 以上に設置されている ④それぞれの器具の瞬時最大流量 の1/2を加える。 連続流の場合はそのまま加算する。 はい いいえ 集中利用形態 ①器具数の補正 はい ②器具給水単位と 水使用時間率の算出 ③瞬時最大流量 異種器具がある 給 水 管 管 径 の 選 定 ②各器具の器具給水単位と水使用時間率(注1の算出 表をもとに各器具の器具給水単位と水使用時間率を算出する。 器具給水単位:水使用時間率 掃除流し 3:0.5 大便器 9:0.03 小便器 2:0.3 表● 器具給水単位と水使用時間率ηの標準値 器具名 給水方式など 接続口径(A) 器具給水単位 水使用時間率η 大便器 洗浄弁サイホン式/男 25 9 0.03 洗浄弁サイホン式/女 25 9 0.15 洗浄タンク/男 13 1 0.15 洗浄タンク/女 13 1 0.5 小便器 洗浄弁 13 2 0.3 洗浄タンク 13 0.5 1 掃除流し 胴長 20 3 0.5 参考文献:給排水衛生設備計画設計の実務の知識 (注1:占有される時間に対する水を使用する時間の割合 15 器具給水単位と水使用時間率による方法 (3) 任意利用形態 2か所以上もしくは2階 以上に設置されている はい いいえ ①器具数の補正 ②器具給水単位と 水使用時間率の算出 集中利用形態 ④それぞれの器具の瞬時最大流量 の1/2を加える。 連続流の場合はそのまま加算する。 はい ③瞬時最大流量 ③瞬時最大流量の算出 小便器における瞬時最大流量の算出例 異種器具がある いいえ 16 給 水 管 管 径 の 選 定 ②の結果をもとに 器具ごとの瞬時最大流量を 算出する。左図は小便器の 算出例である。 小便器(設置個数1)の場合 瞬時最大流量は28L/min 小便器(設置個数2)の場合、 瞬時最大流量は30L/min 瞬時最大流量 40L/min 瞬時最大流量 30L/min 瞬時最大流量 28L/min 設置個数:3 設置個数:2 設置個数:1 小便器(設置個数3)の場合、 瞬時最大流量は40L/min 器具給水単位と水使用時間率による方法 (4) 任意利用形態 2か所以上もしくは2階 以上に設置されている はい いいえ 集中利用形態 ①器具数の補正 ②器具給水単位と 水使用時間率の算出 ④個々の器具の瞬時最大流量のう ちの最大のものにほかの1/2を加え て求める。 連続流の場合はそのまま加算する。 はい ③瞬時最大流量 異種器具がある 給 水 管 管 径 の 選 定 ④異種器具がある場合(フロアでの算出) ③の結果をもとに フロア全体の瞬時最大流量を算出する。 順序として末端部分から算出を行い、 この時瞬時最大流量の小さい方の値を1/2とし て加える。 40L/min 140+40×1/2=160L/min 140+40×1/2=160L/min 160+28×1/2=174L/min 160+30×1/2=175L/min 160+40×1/2=180L/min 17 器具給水単位と水使用時間率による方法 (5) ④異種器具がある場合(建物全体での算出) 例 2階と3階をつなぐ管の瞬時最大流量を算出する場合 器具の数は掃除流し2個、大便器4個、小便器6個 となり、②③の手順で算出する。 8F7F-8F 6F-7F 表● 2F-3Fの算出結果 器具数 器具給水単位 水使用時間率 瞬時最大流量 掃除流し 2 3 0.5 55 大便器 4 9 0.03 150 小便器 6 2 0.3 75 この算出結果をもとに④の手順で計算を行う。 155+(55+75)×1/2=220L/min 表● 他階の算出結果 1F-2F 2F-3F 3F-4F 4F-5F 180L/min 220L/min 265L/min 310L/min 5F-6F 6F-7F 7F-8F 8F- 350L/min 390L/min 440L/min 480L/min 5F-6F 4F-5F 3F-4F 2F-3F 1F-2F 18 器具給水負荷単位による方法 (1) 器具給水負荷単位の算出 フロア 瞬時最大流量の算出 建物全体 瞬時最大流量の算出 表より各器具の器具給水負荷単位を求めることができる。 今回の場合事務所ビルで使用される器具であるため、すべて公衆 用の値となる。 19 器具給水負荷単位による方法 (2) 建物全体 瞬時最大流量の算出 フロア 瞬時最大流量の算出 器具給水負荷単位の算出 ①で算出した器具給水負荷単位をもとに表(b)を用いて瞬時最 大流量の算出を行う。 ただし、末端部分のように器具単体に接続される配管の瞬時最 大流量は、対象器具の仕様に合わせることが望ましい。 4:20 器具給水負荷単位39の場合の算出例 14:125 24:140 29:150 34:160 瞬時最大流量 170L/min 39:170 器具給水負荷単位の累積:瞬時最大流量 器具給水負荷単位 39 20 器具給水負荷単位による方法 (3) フロア 瞬時最大流量の算出 器具給水負荷単位の算出 給水立て管の瞬時最大流量の算出には 各階の器具給水負荷単位の累積の値を用いる。 以下は建物最上部における給水立て管の瞬時最大流量である。 表● 8F-瞬時最大流量の算出例 瞬時最大流量 480 器具給水負荷単位 312 表● 他階の算出結果 1F-2F 2F-3F 3F-4F 4F-5F 170L/min 240L/min 280L/min 310L/min 5F-6F 6F-7F 7F-8F 8F- 350L/min 380L/min 430L/min 480L/min 建物全体 瞬時最大流量の算出 8F- 312 7F-8F 273 6F-7F 234 5F-6F 195 4F-5F 156 3F-4F 117 2F-3F 78 1F-2F 39 器具給水負荷単位 21 22 各階給水系統図の作成 [水使用時間率と器具 給水単位による方法] [水使用時間率と器具 給水単位による方法] 40L/min 160L/min 160L/min 174L/min 180L/min 掃除流し 掃除流し 4 4 125L/min 140L/min 150L/min 160L/min 170L/min 4×40 20 大便器FV 大便器FV 10 10 14×160 105 大便器FV 大便器FV 10 10 105 20L/min 給水負荷単位 給水負荷単位の累計 105 [器具給水負荷単位法] 器具名称 同時使用水量 20 175L/min [器具給水負荷単位法] 24×160 105 小便器 小便器 5 5 30 29×174 30 小便器 小便器 5 5 30 34×175 30 小便器 小便器 5 5 30 39×180 30 使用水量 4×20 14×125 24×140 29×150 34×160 39×170 流量線図の使い方 ②流量係数 C=000 給水管直管の流量公式は、ダルシー・ワイズバッハ の式で示される。 ⊿p;摩擦による圧力損失 λ ;管内摩擦係数 d ;管内径 ρ ;水の密度 v ;管内平均流速 管内摩擦係数λは、レイノルズ数Reと管壁の粗さを 用いてムディー線図から求めることができるが、Re に対して非線形性を有する。しかし、建築の給排水 設備分野における実用上の流れは、層流との遷移 域から乱流域にあるため、実際にはより簡便なヘー ゼン・ウィリアムスの実験式が使用されている。 ①管内流量 [ ℓ /min] 𝑙 ρ𝑣2 ⊿p=λ・ ・ 𝑑 2 Q=4.87・C・d2.63・i0.54×103 Q ;流量 👉 ①・・・流量線図の縦軸 C ;流量係数👉 ②・・・Cの値毎に線図化 i ;単位長当りの圧力損失 👉 ③・・・流量線図の横軸 管径d(👉④)は、流量線図中の右上がりの直線で、 流量Qと管径dの関係から流速v(👉⑤)は図中の右 下がりの直線で示されている。 ③単位摩擦抵抗 [kPa/m] 23 【関連資料】流量公式の理解 給水管の流量計算は、一般に管内摩擦損失を計算する ダルシー・ワイズバッハの式 Q=(π/4)×(2g/λ)0.5×D2.5×I0.25×(60×103) ヘーゼン・ウィリアムスの式 Q=(0.27853×C×D2.63×I0.54)×(60×103) =1.671×C×D2.63×I0.54×104 H=10.666×C-1.85×D-0.487×Q1.85×L ウェストンの式 Q=πD2/4×V×60×103 h={0.0126+(0.01739-0.1087D)/V0.5} ×(L/D)×(V2/2g) などが活用されている。 【記号】 Q:流量[ℓ/min] D:管径[m] V:流速[m/s] h:圧力損失水頭[m] λ:摩擦損失係数[-] L:管長[m] g:重力加速度 9.8[m/s2] C:流量係数[-] 24 【関連資料】ムーディー線図 ダルシー・ワイズバッハの式は、ベルヌーイの定理における動圧に対して管路に生じる摩擦損失は比例するもの としている。 公式に含まれる摩擦損失係数はレイノルズ(Re)数と管路の粗さ(粗度)ε/Dからムーディー線図を用いて求める。 この線図内ではレイノルズ数を指標として、流れが層流域、遷移域、乱流域における管種に応じた摩擦損失係 数を求めることができる。 25 26 給水管サイズの求め方(例) 給水負荷単位 掃除流し 使用水量 4 20 4×20 大便器FV 0.29×0.82 30A 10 105 14×125 大便器FV 0.48×1.4 50A 10 105 24×140 0.48×1.4 小便器 50A 5 30 29×150 小便器 0.18×0.96 60A 5 30 小便器 5 30 34×160 0.18×0.96 60A [解説(例)] ①管内流量170ℓ/minと、 ③単位圧力損失 0.6kPa/m 又は⑤流速1.5m/s の交点をとると、管径 50Aと60A間になり、管径 60Aとすると流速は1.0m/s 以内、単位圧力損失は 約0.2kPa/mとなる。 (配管には、一般配管用ス テンレス鋼管を使用し、流 速は1.5m/s以下、許容圧 力損失0.6kPa/mとする) 給水負荷単位×流量 単位摩擦損失×流速 管 径 ②流量係数 C=140 ①管内流量 [ ℓ /min] 器具名称 170 39×170 0.2×1.0 60A 0.2 0.6 ③単位摩擦抵抗 [kPa/m] 給水管サイズの求め方(水使用時間率と器具給水単位による方法) 給水負荷単位 掃除流し 使用水量 4 20 4×40 大便器FV 0.29×0.82 30A ① 10 105 14×160 大便器FV 0.5×1.45 50A ② 10 105 小便器 5 24×160 0.5×1.45 29×174 小便器 0.21×1.05 60A 30 小便器 5 30 ③ ④ 34×175 0.21×1.05 ⑤ 60A 60A ⑥ ④⑤ ②③ ① 給水負荷単位×流量 39×180 0.25×1.2 ②流量係数 C=140 (配管には、一般配管用 ステンレス鋼管を使用し、 流速は1.5m/s以下、許容 圧力損失0.6kPa/mとす る) 50A 30 5 [解説] 各箇所の管内水量から、 流量線図を用いて、単位 負荷抵抗・流速・口径を 求める。 ①管内流量 [ ℓ /min] 器具名称 ⑥ 単位摩擦損失×流速 管 径 0.6 ③単位摩擦抵抗 [kPa/m] 27 給水管サイズの求め方(器具給水負荷単位法) 給水負荷単位 掃除流し 使用水量 4 20 4×20 大便器FV 0.29×0.82 30A ① 10 105 14×125 大便器FV 0.48×1.4 50A ② 10 105 小便器 5 24×140 0.4×1.25 29×150 小便器 0.45×1.3 60A 30 小便器 5 30 ③ ④ 34×160 0.5×1.45 ②流量係数 C=140 (配管には、一般配管用 ステンレス鋼管を使用し、 流速は1.5m/s以下、許容 圧力損失0.6kPa/mとす る) 50A 30 5 [解説] 各箇所の管内水量から、 流量線図を用いて、単位 負荷抵抗・流速・口径を 求める。 ①管内流量 [ ℓ /min] 器具名称 ⑤ ⑤⑥ ③④ ② ① 60A 給水負荷単位×流量 39×170 0.2×1.0 60A ⑥ 単位摩擦損失×流速 管 径 0.6 ③単位摩擦抵抗 [kPa/m] 28 給水系統図の作成 各階平面の配管サイズ決定について 各階に配置される洗面所といった水まわりの平面計画 が作成されている場合では、建築平面や構造躯体との 取り合いに留意しながら給水管のルートを検討する。 それ以降の手順はメイン配管のサイズ決定方法と同様 である。 給水単位×流量 単位摩擦損失×流速 管 径 29 給水系統図の作成と管径決定 (1) (ⅳ) 給水系統図の作成する。 [器具給水負荷単位法] [水使用時間率と器具 給水単位による方法] 312×480 312×480 273×430 273×430 39×180 39×170 0.2×1.0 0.25×1.2 234×380 39×180 60A 60A 39×180 0.25×1.2 195×350 234×380 39×170 0.2×1.0 195×350 60A 39×180 60A 60A 39×180 156×310 78×240 117×280 60A 60A 39×170 0.25×1.2 39×180 60A 60A 39×180 78×240 39×170 39×170 60A 0.25×1.2 給水単位×流量 単位摩擦損失×流速 管 径 60A 60A 60A 39×170 0.2×1.0 0.25×1.2 39×180 0.2×1.0 0.2×1.0 0.25×1.2 39×190 39×170 0.2×1.0 0.25×1.2 117×280 39×170 0.2×1.0 0.25×1.2 156×310 60A 39×170 0.2×1.0 60A 60A 30 給水系統図の作成と管径決定 (2) (ⅳ) 決定した配管サイズにおける管内の 流速と単位摩擦損失を凡例の中段に 記載する。 ②流量係数 C=140 312×480 39×170 0.2×1.0 39×170 0.2×1.0 60A 39×170 0.2×1.0 39×170 60A 0.2×1.0 60A 39×170 0.2×1.0 39×170 60A 60A 39×170 0.2×1.0 0.2×1.0 39×170 0.2×1.0 給水単位×流量 ⑦⑧ ⑥ ⑤ ④ ③ ② 60A ①管内流量 [ ℓ /min] ⑧ 0.24×1.4 80A 273×430 ⑦ 0.19×1.3 80A 234×380 0.3×1.45 ⑥ 75A 195×350 0.27×1.4 ⑤ 75A 156×310 ④ 0.22×1.3 75A 117×280 0.18×1.1 ③ 75A 78×240 ② 0.14×0.9 75A 39×170 1.0×2.0 ① 60A 1 ① 60A 60A 単位摩擦損失×流速 管 径 0.6 ③単位摩擦抵抗 [kPa/m] 31 32 発 行 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 (SHASE: The Society of Heating, Air Conditioning and Sanitary Engineers of Japan)
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