В Украине водоснабжение сотен тысяч домохозяйств осуществляется из частных скважин. Обслуживание и конструирование таких систем водоснабжения зачастую осуществляют сантехники, буровики, специалисты по водоподготовке, инсталляторы насосного оборудования или сами владельцы. Каждый из перечисленных специалистов обладает в лучшем случае минимальным уровнем знаний в смежных областях, что не позволяет согласовать работу отдельных компонентов системы водоснабжения как единого комплексного механизма. Владельцы хотят получить давление, производительность и приемлемое качество воды, но слишком часто остаются неудовлетворенными работой системы водоснабжения в целом. Специалисты, способные комплексно решать проблемы водоснабжения, ценятся на «вес золота» и их телефоны передаются из рук в руки.

Производительность скважины.

Производительность скважины – это ожидаемая скорость поступления воды в скважину из окружающего водоносного пласта, которую можно приблизительно оценить на основе данных о производительности соседних скважин с одинаковой глубиной. Однако, фактическая производительность Вашей скважины может заметно отличаться от соседних и ее можно будет определить как объемную скорость отбора воды при стабильно образованном уровне без опустошения скважины и без выноса породы при продолжительном времени работы насоса. Принято считать, что скважина обладает низкой производительностью, если объем откачиваемой насосом воды не способен обеспечить пиковые потребности домохозяйства. Для современных домохозяйств пиковая скорость потребления воды в среднем оценивается на уровне 60…80 литров в минуту. При этом производительность многих скважин может оказаться значительно ниже указанных значений. Логично задать вопрос – как выбрать насос и какие могут быть компромиссные решения?

Поиск компромисса.

Если есть значительная разница между пиковым потреблением воды в домохозяйстве и производительностью скважины выбор насоса осуществляется на основе компромисса. С одной стороны, если выбрать насос,  способный перекачивать воду со скоростью 80 литров в минуту, а производительность скважины только 20 литров в минуту, логично предположить, что скважина может быть быстро откачана, насос окажется в аварийном режиме «сухого хода», а водоснабжение домохозяйства будет полностью остановлено. С другой стороны, если насос будет выбран на основе производительности скважины, вероятно его работа будет абсолютно нормальной, однако в системе водоснабжения будет регулярно наблюдаться недостаток как воды, так и давления. Владелец такой системы водоснабжения будет характеризовать ее работу фразами «низкое давление», «пропадает вода» или «слабый насос». Попытка исправить ситуацию установкой более «мощного» насоса создаст новую проблему  — прекращение подачи воды и аварию по «сухому ходу». Как же быть?

 Гидроаккумуляторы.

На первый взгляд логично было бы предположить, что увеличение общего объема гидроаккумуляторов способно кардинально улучшить ситуацию. Так часто и поступают владельцы в попытке преодолеть проблемы недостатка производительности в системе водоснабжения – значительно увеличивают  размер гидроаккумулятора или добавляют новые гидроаккумуляторы, суммируя их общий объем.  Вероятно работа системы водоснабжения будет улучшена, но далеко не кардинальным образом.

Представьте себе, что Вы установили гидроаккумулятор объемом 1000 литров с рабочим объемом аккумуляции воды 350 литров (в условиях нормальной эксплуатации приблизительно 1/3 общего объема гидроаккумулятора может быть заполнено водой). Все выглядит хорошо на первый взгляд¸ однако, есть проблема — не существует никакой возможности контролировать потребления этих аккумулированных 350 литров, а низкопроизводительный насос все так же не способен поддерживать давление в системе при прямой подаче воды тогда, когда это нужно – в часы пик. Если в ночное время будет потреблено 300 литров воды, то утром, когда все домочадцы собираются на работу и скорость потребления воды достигает максимума, до момента включения насоса останется только запас в 50 литров воды и Вы можете просто не успеть нормально принять душ. Давление в системе снова упадет и старая проблема вернется, несмотря на увеличенный объем гидроаккумулятора. Представить дальнейшую ситуацию не сложно — насос попытается обеспечить потребность воды прямой подачей,  а в системе при пиковом потреблении пропадет давление и вода.

Логично предположить, что если установлен достаточно мощный насос, скважина должна содержать в обсадной трубе запас воды не менее 350 литров воды для того, чтобы «закачать» воду в гидроаккумулятор типоразмером 1000 литров и одновременно «покрыть» текущую потребность в воде за счет притока в скважину. Если такого запаса нет и приток воды в скважину низкий, не будет возможности создать давление, достаточное для «отсечки» реле давления, уровень воды критично понизится и насос должен быть отключен средствами контроля уровня, чтобы избежать «перегрева» и выхода из строя. До тех пор, пока скважина не наполнится и система контроля уровня не «разрешит» повторное включение насоса, система водоснабжения останется без воды. Согласитесь, такое «прерывистое» водоснабжение может оказаться крайне неудобным – вода нужна «здесь и сейчас». Как итог, добавление гидроаккумуляторов не может полноценно устранить проблему скважины с низкой производительностью – проблема остается. Да, есть исключения, когда напорные гидроаккумуляторы большого объема и наличие большого статического резерва воды в обсадной трубе* все же способны «перекрывать» кратковременные пиковые расходы воды в системе и поддерживать «непрерывность» водоснабжения.

*1 метр обсадной трубы 125мм содержит запас воды объемом около 10 литров!

Гидроаккумуляторы и  «блек-ауты».

Все мы помним осень 2022 года, когда через массированные удары по энергетической инфраструктуре владельцы домохозяйств впервые столкнулись с ситуацией длительного отсутствия электроэнергии и, соответственно, отсутствия водоснабжения, обеспечиваемого скважинными насосами. Запустить «мощные» скважинные насосы от доступных на тот момент маломощных инверторов с аккумуляторами AGM или бензиновых генераторов оказалось проблематичным. В отсутствии возможности генерировать или аккумулировать приемлемое количество электроэнергии, логично было думать, что ситуацию исправит создание достаточного запаса воды под давлением. Первое, что я сделал — добавил в свою систему гидроаккумулятор, увеличив общий объем со 100 до 300 литров. И прямо столкнулся с трудностями контроля аккумулированного запаса воды – на момент отключения электроэнергии гидроаккумуляторы часто оставались в «полупустом» состоянии. Пришлось экстренно оснастить скважинный насос устройством плавного пуска, обеспечив работу от имеющегося в наличии инверторного генератора, и вручную периодически заполнять гидроаккумуляторы. Как минимум, такое решение с генератором было «рабочим», но «не комфортным».  Позже  я установил гибридный инвертор с аккумуляторами LiFePo4 и солнечными панелями, что позволило аккумулировать электроэнергию, планировать и контролировать ее потребление, обеспечить автоматическую работу скважинного насоса через устройство плавного пуска.

В итоге наличие гидроаккумуляторов, источника бесперебойного питания для всего домохозяйства, солнечных панелей,  резервного генератора для «закачивания» электроэнергии в аккумуляторы при необходимости и устройства плавного пуска для запуска насоса от источника ограниченной мощности окончательно стабилизировало работу системы водоснабжения. Изначально, сам по себе гидроаккумулятор большого объема позволял реже запускать генератор в течении суток, но показал очевидную проблему — сложность контроля остаточного запаса воды. Я мог проснуться утром без сетевого электропитания и запас воды в гидроаккумуляторе мог находится на «неприятном» минимуме – вместо максимальных 100 литров в запасе было только 10 литров. В итоге, напорные гидроаккумуляторы сами по себе не решали проблему водоснабжения и не делали водоснабжение дома «непрерывным» – нужно было обладать достаточно мощным и «удобным» источником альтернативной электроэнергии для периодического запуска насоса.

Динамика скважины.

Два фактора, которые ограничивают поступление воды – время использования и производительность скважины. При включенном насосе скорость понижения и уровень понижения пропорциональны скорости отбора воды. Чем больше мы откачиваем воду, тем больше в скважину поступает, но в любом случае, скорость наполнения скважины ограничена значением ее производительности. После выключения насоса обсадная труба за счет перепада давления заполняется до начального (статического) уровня, на котором перепад давления равен нулю и поступление воды в скважину прекращается. Производительность скважины при работе насоса ограничена и многие скважины большую часть времени суток не эксплуатируются и поступление воды равно нулю.

Уровень воды в скважине меняется и зависит от объемной скорости потребления воды и длительности циклов потребления. Производительность скважины приближается к своему максимальному значению  при снижении уровня воды. Чем ниже уровень в скважине в сравнении с начальным (статическим) уровнем, тем больше перепад давления и тем быстрее вода будет поступать в скважину из водоносного пласта. Если вода из скважины с низкой производительностью длительно откачивается снижение динамического уровня становится значительным, что в свою очередь меняет характеристики насоса. Насос генерирует лимитированное количество энергии, которое распределяется в определенной пропорции на создание давления и подачу воды. Чем больше энергии затрачивается на преодоление высоты подъёма, тем меньше энергии останется на подачу. Если подавать воду в дом напрямую из низкопроизводительной скважины, мы будем наблюдать снижение потока воды и давления в зависимости от длительности работы насоса.

 Альтернативные системы.

Принципиально нет сложности в том, чтобы обеспечить потребление дома с пиковой скоростью 80 л/мин из скважины с дебитом 5 л/мин или даже меньше, при условии что Вы сделаете независимыми процессы накопления и потребления воды. Да, вероятно такое «разделение» будет сопряжено с дополнительными капиталовложениями и с необходимостью в дополнительном пространстве для размещения оборудования. Если раньше система водоснабжения основывалась только на одной насосной системе, то для «разделения» понадобиться  дополнительно еще 2 компонента: промежуточная атмосферная емкость для накопления запаса воды и насосная система «второго подъема» (для подачи воды в дом, в т.ч. с пиковой скоростью). Атмосферная емкость рассматриваться как составной компонент системы водоподготовки, обеспечивающий при необходимости окисление железа, удаление сероводорода, коррекцию рН (аэрация) и дезинфекцию (как правило, дополнительное хлорирование или озонирование).

Накопление в промежуточную емкость будет базироваться на производительности скважины и осуществляться насосом «первого подъема», а водоснабжение дома будет осуществляться из атмосферной промежуточной емкости насосом «второго подъема». Если скважина способна обеспечить достаточный суточный объем воды для снабжения всех потребностей домохозяйства работа системы водоснабжения не будет ограничена.

В таблице ниже показано, что для семьи из 4 человек с суточным потреблением 500 литров на человека и общим суточным потреблением домохозяйства 2000 литров скважина с производительностью 5 литров в минуту способна обеспечить для домохозяйства производство достаточного объема воды при условии эксплуатации в течении 6,5 часов в сутки! Конечно, при условии, что в системе присутствует атмосферная накопительная емкость и можно вместить достаточный запас воды.

Потребность домохозяйства в воде		Доступный объем производства воды на основе производительности скважины
Число домочадцев	Потребность в воде min/max, л	Производительность скважины, л/мин	Суточный объем производства, л
1	300 — 500	0,5	720
2	600 — 1000	1	1440
3	900 — 1500	2	2880
4	1200 — 2000	3	4320
5	1500 — 2500	5	7200
6	1800 — 3000	8	11520
7	2100 — 3500	10	14400

 

Логично предположить, что в течении часа из скважины с дебетом 5 л/мин можно откачать 300 литров воды в накопительную емкость без заметного снижения уровня, используя только значение нормального притока воды. Используя таймер и имея статический запас воды в обсадной трубе, также можно отбирать воду более производительным насосом со скоростью, например, 50 л/мин, ограничив работу насоса значением  6 минут в час или 3 раза по 2 минуты в час с равными промежутками или любым другим приемлемым интервалом времени. Остановка накопления воды в атмосферной емкости и работа насоса «первого подъема» автоматизируется с помощью простого поплавкового выключателя.  Вместо простого таймера насос «первого подъема» может быть автоматизирован системой контроля уровня на основе датчиков (электродов) уровня с функцией задержки включения насоса. Датчики уровня физически задают допустимой диапазон работы насоса в зависимости от уровня воды в скважине. Нижний датчик запрещает работу насоса ниже заданного уровня (откачан весь допустимый статический объём воды в обсадной трубе). Верхний датчик разрешает повторное включение насоса при восстановлении статического запаса воды в скважине. Система контроля уровня активирует задержку времени для предотвращения слишком частых пусков.

Производительность системы водоснабжения. Определяйте диктующие условия.

Мы часто сталкиваемся с ситуациями когда, например, открытый смеситель на первом этаже приводит к низкому давлению и невозможности принять душ на втором этаже. При проектировании системы водоснабжения важно видеть общую картину. Когда в систему водоснабжения устанавливается водоочистное оборудование, для его периодической промывки может потребоваться значительно большая производительность, чем при штатном потреблении дома. Дом с тремя санузлами будет требовать большей производительности в сравнении с домом с одним или двумя санузлами, даже если в таком доме сейчас проживает только 1 или 2 человека. Нужно понимать, что дом, способный обеспечить комфортное проживание для 6 человек, в какой-то день может получить эти 6 человек. Если установить насосное и водоочистное оборудование, не соответствующие проектному размеру системы, в будущем может оказаться слишком накладным «вернуть»  системе водоснабжения корректную производительность.

Выводы.

Во многих случаях домовладельцы так и не получают ожидаемого качества водоснабжения, поскольку большинство людей относятся к воде из скважины точно так же, как к воде из муниципального водопровода.   Скважины с низкой производительностью создают проблемы, которые не решаются «усилением» систем водоснабжения дополнительными напорными гидроаккумуляторами. Понимание ограниченности скважин и насосных систем с гидроаккумуляторами c  возможностью создания альтернативных вариантов на основе накопления и хранения воды в промежуточных атмосферных емкостях с организацией подачи воды насосом повышения давления, позволяет обеспечить владельцам низкопроизводительных скважин требуемое давление, объем и качество воды в системе водоснабжения.