Жизнь под давлением: как устроены водонапорные башни
Этим летом в городе Слободском Кировской области частнику продали местную достопримечательность — водонапорную башню, которую больше ста лет назад возвел знаменитый вятский архитектор Иван Чарушин. В советское время в ней располагались магазины, а в начале 2000-х работало местное телевидение. Новый владелец планирует открыть там музей, а часть помещений перепрофилировать под гостиничные номера.
Таких сооружений по всей России очень много. Водонапорные башни можно найти и в больших городах — Москве, Екатеринбурге, Санкт-Петербурге, и в деревнях. Многие из них до сих пор выполняют свое прямое назначение. А этот пост о том, как они работают, какие типы башен бывают, ну и еще немного про судьбу Слободской.
Текст ниже — редакционная переработка одного из выпусков ток-шоу «Разберем на атомы», которое прошло в августе при поддержке нашей кировской Точки кипения при ВятГУ.
В нем приняли участие Анатолий Курбатов — новый хозяин Слободской башни, а также кандидаты технических и исторических наук, рассказавшие про инженерные аспекты и архитектурные особенности водонапорных башен. Полную запись ток-шоу можно найти в описании мероприятия на Leader-ID.
История о том, как Анатолий Курбатов купил эту башню, тоже интересна, но, чтобы не загромождать текст, уберу ее под спойлер.
Панорама Слободского: вид на Благовещенский храм и реку Вятку
Одно из таких зданий в 2015 году в рамках программы приватизации администрация города выставила на торги. Это была одна из визитных карточек города — старинная водонапорная башня, построенная в 1911 году, видное четырехэтажное здание по 50 квадратных метров на этаж. Начальная цена — 941 тысяча рублей. Вопреки ожиданиям, покупателей не было, исходную цену снижали несколько раз.
Когда новость дошла до Курбатова, он был поражен. Красивейшее здание, построенное одним из самых талантливых архитекторов России — Иваном Чарушиным, уходило буквально даром!
Та самая водонапорная башня в Слободском
Недолго думая, общественный активист Анатолий принял несколько импульсивное, но благородное решение — выкупить здание за собственные средства и отреставрировать. В пользу покупки говорил и ряд благоприятных обстоятельств. Несмотря на то что это сооружение — уникальный исторический памятник, официально башня не имела статуса ОКН («объект культурного наследия»). Это значительно упрощало процедуру оформления покупки. Если бы у объекта был этот статус, все реставрационные и ремонтные работы автоматически выросли бы в цене в несколько раз.
Перед тем как принять окончательное решение в пользу покупки, Курбатов посоветовался с друзьями, стараясь взвешенно оценить риски такого вложения. Что примечательно, никто не высказался против.
Поэтому Анатолий сделал первый взнос и за две недели оформил все необходимые документы. Цена сделки — 625 тысяч рублей.
Зачем нужны водонапорные башни
Идея водонапорных башен настолько простая и гениальная, что по сей день в самых разных местах планеты можно встретить современные сооружения, выполняющие те же функции. В начале XX века насосы, способные перекачивать воду по трубам, уже существовали и даже отчасти использовались в коммунальном хозяйстве. А вот изобретение гидравлических помп, работающих на электричестве, было настоящим достижением инженерии того времени. Ведь после их установки жителям не нужно было крутить ручку у колодца — вода сама поднималась по трубам и лилась в ведра. Однако для сооружения мощного городского водопровода производительности таких насосов было недостаточно. Почему же не построить систему для прокачки воды с более мощным насосом? Теоретически это было возможно, но экономически нецелесообразно.
Другая проблема, которая послужила стимулом для создания технологии водонапорных башен, заключалась в том, что люди используют воду крайне неравномерно. Ранним утром, когда мы только-только просыпаемся, а также ночью, когда спим, вода особо не нужна. Возможно, есть один-два местных жителя, которые используют по каким-то причинам водопровод в это время, но это исключение.
Около 6–8 часов утра люди просыпаются, умываются, завтракают, и нагрузка на водопровод увеличивается. Ну, а днем начинают работать предприятия, включаются системы полива, и потребление воды возрастает в несколько раз. И в этот момент при использовании маломощного насоса передача воды практически прекратится, так как он просто не будет успевать закачивать воду в систему.
Нецелесообразность использования мощных насосов была еще в том, что тогда не было «умных» контроллеров, которые бы следили за регулировкой мощности. Если взглянуть на конструкцию насосных систем, используемых в большинстве старых водонапорных башен, можно увидеть, что старые насосы имеют всего два режима работы — «включено» и «выключено». А это означает, что мощный насос очень нерационально расходовал бы ресурсы.
Самый большой горизонтальный насос с разъемным картером, изготовленный индийской компанией Kirloskar Brothers Limited (KBL). Способен создавать поток 7000 литров в секунду при напоре 27,5 метра
В итоге водонапорные башни стали быстро возводить в самых разных местах.
Водонапорная башня в Зарайске, 1916 год
Водонапорная башня архитектора Геппенера в Москве, 1901 год
Что находится внутри водонапорной башни
В верхней части башни размещается большой резервуар для воды. Уровень, на который устанавливается этот бак, должен быть выше самого высокого здания, в которое будет подаваться вода. Разница высот очень важна, поскольку весь принцип работы водонапорной башни основан на давлении, которое создает столб жидкости.
К резервуару ведут трубы от насосной станции, где обычно используют маломощный насос, постепенно наполняющий резервный бак.
Функциональность водонапорных башен проста. Однако если мы посмотрим на архитектуру таких сооружений в Европе, особенно начала XX века, то увидим, что облик многих из подобных строений нередко напоминает средневековые замки.
Более современные башни могут иметь футуристический дизайн, как Ройхувуори в Хельсинки — одна из самых крупных водонапорных башен в мире.
Водонапорная башня Ройхувуори, 1977 г. В данный момент не эксплуатируется
Эта башня построена в виде гриба, ее максимальный диаметр — 66,7 м при высоте 52 м, а объем резервуара — 12 600 м3.
В США, где бизнес известен своим прагматизмом, даже старые водонапорные сооружения имеют строгий облик — резервуар с опорами. Ничего лишнего, никаких удорожающих «красот», лишь бы конструкция выполняла свое предназначение.
Водонапорная башня на крыше бывшего предприятия Ford в Омахе, штат Небраска
На территории России популярнее всего были так называемые башни Рожновского. Они не блещут изящным дизайном, но исключительно надежны, особенно учитывая наши суровые климатические условия.
Башня Рожновского сконструирована таким образом, что вода в ней не замерзает даже при –30 градусах по Цельсию. При этом очень важна правильная эксплуатация: при такой низкой температуре забор воды должен происходить со скоростью два резервуара в сутки. Если напор уменьшится, вода действительно превратится в лед.
Башня Рожновского и ее внутреннее устройство
При возведении водонапорных башен в старой России часто использовали комбинированные материалы — кирпич и древесину. Из кирпича, как из более прочного материала, строили ствол водонапорной башни, а из древесины — верхний этаж. Древесина была легче, а еще ее использование обуславливалось наличием в России холодных зим. Современные водонапорные башни, как и конструкция Рожновского, выполнены исключительно из металла.
Обычные водонапорные башни строили по полгода, но конструкцию Рожновского устанавливали в несколько раз быстрее. Башни возводили вдоль железнодорожных путей, потому что изначально их разработали, чтобы быстро заправлять водой паровозы. Согласно стандартам, срок эксплуатации такой башни — 30 лет, но благодаря надежной конструкции фактический срок службы намного больше.
Главные составляющие водонапорной башни Рожновского мало чем отличаются от прочих конструкций водонапорных башен: бак для воды, водонапорная металлическая опора, крышки бака с люком для осмотра. Толщина стенок ствола и купола таких водонапорных конструкций одинакова — около 5 мм. Конструкция башни Рожновского предусматривала вариант установки сразу двух резервуаров, расположенных по отношению друг к другу на разной высоте. Необходимость в использовании двух резервуаров могла возникнуть в том случае, если требовалось обеспечить несколько водонапорных сетей с разным напором воды в каждой. Максимальная высота башни редко превышает 30 метров.
Установка современной водонапорной башни
На внутренней стенке резервуара приварены скобы льдоудерживателя, а также скобы для спуска обслуживающего персонала. Для подъема на башню используют наружную лестницу с предохранительным ограждением.
Раз в три-четыре года необходимо проводить плановое обслуживание — выявлять и заделывать трещины и течи, удалять ржавчину, делать дезинфекцию резервуара, красить, заменять крепежное металлическое кольцо.
Шуховская водонапорная башня в Полибино, Липецкая обл., 1896 г.
Из всех конструкций выделяется легендарная Шуховская башня. Владимир Шухов изобрел первые в мире гиперболоидные конструкции и придумал способ возведения сетчатых оболочек. Благодаря новой форме и технологии крепления такие металлические башни имели высокую прочность при меньшем весе. Сегодня о таких конструкциях вспоминают редко, тем не менее в разных городах все еще можно встретить водонапорные башни в узнаваемом «шуховском» стиле.
Лестница на «шуховской» башне
Плюсы и минусы
Водонапорные башни были очень удачным решением. Они имеют массу достоинств и до сих пор используются в тех районах, где необходимо обеспечить передачу воды по трубам при минимальном вложении средств.
Расчет давления в водонапорной башне может сделать даже школьник. Вначале следует определить высоту подъема воды, используя формулу h=n*hэ, где n — число этажей в здании, а hэ — высота этажа. Вспоминаем формулу Паскаля для определения давления на уровне Земли:
P=ρ*g*H,
где ρ — плотность воды, g — ускорение свободного падения, а H — высота водонапорной башни. Так можно легко вычислить давление в водонапорной башне на любом этаже здания.
В современных зданиях напор воды обычно не превышает 6–8 атмосфер (по СНиП 2.04.01–85 от 0,3 до 6 атм для холодной и от 0,3 до 4,5 атм для горячей). Для зданий выше 40 метров дополнительно используются регуляторы давления (и вода может подаваться сверху вниз), а для высотных сооружаются целые технические этажи с насосными станциями.
Недостатки у башен тоже есть, хотя их немного. Главный минус — привязка к высоте. Как показывает опыт использования водонапорных башен, в населенных пунктах рано или поздно возводят все более высокие здания, для которых давления, создаваемого высотой труб в башне, уже недостаточно. Тут или новую башню нужно сооружать, или полностью пересматривать конструкцию водопровода. Так как оба решения слишком дорогие, обычно в таких случаях в высотных зданиях резервуар устанавливают прямо на крышу.
Башня в Новосибирске, 1938 г.
Водонапорные башни очень легко «приспосабливаются» в условиях нового времени. Старые сооружения проходят реконструкцию и превращаются в офисы или магазины. А еще лучше — в музеи, ведь многие из таких сооружений имеют богатую историю.
Ок, купил. А что теперь делать с «водокачкой»?
Курбатов признался, что поначалу ему было трудно принять сам факт того, что «все это» теперь его ответственность. Отныне ему нужно решать, как будет выглядеть здание и что в нем будет.
Удивительно, но еще тридцать лет назад, пока башня находилась в распоряжении АО «Кировские коммунальные системы», она выполняла свою основную функцию. Позже ее уже не использовали по прямому назначению и она много раз переходила из рук в руки. Когда-то тут располагался магазин «Охотник и рыболов», а в начале нулевых было представительство региональной телекомпании. О том, чтобы использовать водонапорную станцию по прямому назначению, речь не идет — в этом нет необходимости, да и технически это сделать сложно. Значит, нужно искать новые варианты использования сооружения.
Курбатов планирует разделить здание на две части. На нижних этажах открыть музей, а верхний, четвертый этаж, откуда открывается потрясающий вид на город, отдать под гостиницу с номерами для любителей романтики.
Что касается тематики музейной экспозиции, тут еще нет определенности. С одной стороны, музей может быть посвящен Ивану Чарушину — главному зодчему Вятской губернии. С другой — можно сделать современный музей водонапорных сооружений с интерактивными трехмерными презентациями, иллюстрирующими архитектуру водонапорных башен разных мест на планете.
Окончательное решение относительно будущего здания примут, когда отреставрируют фасад и начнут восстанавливать внутренние помещения. Все-таки выбор варианта — это вторично, а главное — спасти здание, остановить разрушение и вернуть ему былое очарование. К сожалению, известно много примеров, когда после небрежного ремонта и «восстановления» исторически ценных зданий, переданных властью в частную собственность, от первоначального облика не оставалось и следа. Но Анатолий решил, что приложит все усилия, чтобы спасти башню.
Уже проведено техобследование, составлена смета и опреден фронт работ. По предварительной оценке, на восстановление здания потребуется около 1,8 млн рублей.
Часть задач взяли на себя волонтеры. Прежде всего, необходимо было убрать поросль, включая ту, что покрывает верхний этаж здания. Такие случайно проросшие растения очень опасны: их корневая система медленно, но неуклонно разрушает здание. Другая большая забота — очистить дом от гор мусора, который там скапливался долгими годами, и вывезти его.
Все проблемы и вопросы: «как лучше организовать работы», «с какими подводными камнями можно столкнуться» и другие — приходится решать самостоятельно, потому что спросить просто не у кого. Если посмотреть на всю Россию, то окажется, что опыта по восстановлению объектов такого рода у нас не так много. Рассчитывать можно только на собственные силы. Впрочем, есть надежда на грант — как президентский, так и частных или госкомпаний, что существенно снизит собственные затраты.
Анатолий Курбатов на одном из этажей башни. Как видно, печное отопление все еще в строю
Для реставрации наружного фасада водонапорной башни Анатолий решил задействовать потенциал движения по восстановлению городской исторической среды Том Сойер Фест. Настойчивость членов этой группы в конце концов начала приносить плоды: сегодня у команды волонтеров появились более или менее постоянные спонсоры, в числе которых такие компании, как МТС, Stanley, Black & Decker, «Леруа Мерлен».
Еще одна немного подзабытая, но очень правильная традиция — субботники. На настоящий момент новый владелец уже провел несколько таких мероприятий, благодаря чему дело сдвинулось с мертвой точки. К слову сказать, позитивный пример всегда заразителен. Свою помощь предложили даже главный архитектор Слободского и глава департамента благоустройства города, много людей приехали из Кирова.
Вместо итогов
Современные насосные системы практически вытеснили водонапорные конструкции. Электроника и прочее оборудование, которое адаптирует работу насоса под условия, становятся «умнее» и постоянно удешевляются. Вероятно, со временем люди полностью откажутся от идеи использования водонапорных конструкций и встанет другая проблема: куда девать сооружение. Возможно, появятся экзотические хостелы с панорамным видом с последнего этажа, новые музейные экспозиции. Есть и другая тенденция: такие сооружения выкупают и переоборудуют под жилые дома. В Сети можно нагуглить море оригинальных историй, но они, наверно, заслуживают отдельного рассказа.
