针对北京地铁给排水管道存在的问题及特点,在全面分析的基础上提出一套地铁给排水管道防冻的措施及方案,并重点对常规防冻保温和电保温的措施进行了阐述。普遍意义上的防冻保温是为防止管道冬季被冻裂而设置,一般分常规防冻保温和电保温,本文主要针对防冻保温系统进行研究。近年来,保温技术的快速发展和应用,推动了传统保温设计方法、施工技术不断更新和发展。在充分借鉴这些技术的基础上,对北京地铁有别于一般工业和民用建筑的各种特殊情况进行研究和分析,以期得到一套适用于北京地铁给排水管道防冻保温的措施及方案。

地铁给排水管道的安装条件及特点

根据多年的设计及运营经验,北京地铁给排水管道防冻保温主要包括:地铁地下车站出入口、车站站厅层部分位置、车站风道的消防给排水管道及存水排给排水管道的防冻保温;区间洞口进隧道方向200 m、地下区间风道两端各150 m 的区间消防管、地下区间风道内压力排给排水管道防冻保温;地面和高架车站的夹层、大厅内消防给给排水管道防冻保温,部分流动性较差的生产、生活给给排水管道的防冻保温。北京地铁给排水管道的安装场所较为特殊,相对于一般工程,在考虑管道防冻措施及方案时一定要结合其以下特点:

(1) 地铁工程中部分区域冬季温度较低(如设置在车站出入口、隧道洞口、车站和区间风道、涵洞以及冷冻站、站厅层的部分位置等处的地铁消防管) ,有时甚至与室外温度一致;

(2) 部分区域风速较大(出入口、风道、区间、洞口等) ,特别是区间和车站风道风速较高,极端风速达12 m/ s ;

(3) 局部区域潮湿;

(4) 杂散电流多(全线均有、区间特别明显) ;

(5) 有振动影响等(区间、站台等) 。

管道防冻保温结构分析及要求

通常管道防冻保温结构包括:保温层(绝热层) 、防潮层、保护层。保温层材料的选择是决定保温结构的基础,保温结构的拟定也需要有适合的保温材料来保障。选择保温材料,应首先满足保温对象的介质运行工况要求和环境要求,同时也需要考虑保温材料本身特点和使用环境配套及消防卫生环保等要求。根据有关课题和大量实测数据得出如下结论:北京地铁内不同材料在防冻和防结露条件下存在不同的环境修正值;在进行导热系数和保温层计算时,要根据各种具体部位的风速和其他条件,对不同保温材料在地铁管道和设备保温的导热系数值进行相应的修正;同时在管道选材、防迷流和防腐蚀等方面应采取相关加强措施。

一般来说,对于防冻保温,风速越大,保温层的导热系数越大,所需要的保温层就越厚。由于地铁的振动因素的影响以及对消防的特殊要求,因此在设置常规保温时要尽量采用不燃类A 级材料,并要求材料的气密性、水密性都要好,且要求防水、防潮、使用寿命长,在保温计算时还应该考虑这些因素对保温层的保温效果的不利影响。

因此,在进行地铁防冻保温计算时,应考虑风速修正和地铁环境修正。综合考虑地铁环境及风速对保温层厚度计算的影响,引入地铁防冻保温导热修正系数( K) = 地铁环境修正系数( K1 ) ×风速修正系数( K2 ) 。根据有关课题的试验结果, K1 取值范围为1.19～1.34 ,具体值与保温材料和施工工艺有关。

K2 = 0.6 + 0.3w^0.5
式中,w 为风速,当实际风速w ≤1.78 m/ s 时,
取K2 = 1 。

防冻保温方案分析及实施方案

地铁给排水管道防冻是一项系统工程,其研究应从实际效果、经济成本、运营维护等多角度考虑。首先应从管道的设计、选材、敷设入手,优化管道的系统设计,减少需要保温的管道数量;选择自保温性能良好的管材;尽量将给排水管道敷设在温度高于0 ℃的位置、有条件的尽量埋地敷设。

根据相关资料,北京地铁工程的室外最低极端温度通常按- 18.3 ℃考虑。根据多年的运营及设计经验,结合北京的冬季温度变化情况,在一般情况下,对于设置在车站部分出入口、隧道洞口、车站和区间风道、涵洞等处的地铁消防给排水管道,部分生产生活给给排水管道,由于平时水流速极小,与车站室外温度基本一样,须设置电伴热进行主动保温;对于与室外直接连通的地下车站站厅层消防管、生活给给排水管道、位于车站和区间风道的排给排水管道、生活给给排水管道等需采取加强常规保温方案。

常规保温措施：按北京地铁的上述条件计算,常规保温通常选择的做法为50 mm 厚的复合硅酸镁管壳,外包不燃性玻璃布复合铝箔防潮层,并在防潮层外表面包铝合金薄板保护层( D N > 100 时,厚度为0.6 mm ;D N ≤100 时,厚度为0.5 mm) ,或选用规范允许的其他保温做法,所有保温材料均要求达到不燃A级,并要求平整美观和良好的气密性。

电保温措施：管道电保温是在常规防冻保温不能保证管道正常运行和功能时设置的加强型保温措施,是一种主动保温模式。近年来,北京地铁在已建成的新线和地铁1 、2 号线改造工程设计和建设中已大量采用,管道电保温方案已成为北京地铁给排水管道防冻的一种有效解决方案,由于电保温系统的建设、维护、运行和管理费用相对较高,对具体管道是否应采取该系统应做全设计寿命的技术经济分析和比较来选择确定。总之,即使选择了稳定可靠的电保温系统,其节能措施仍应是保温系统要关注的非常重要的控制指标。

管道电保温系统主要由电源供电、发热电缆、温控系统、远程控制单元、管道外保温及标识等组成,以期由温度控制系统提供精确的温度自动控制,以保证用最少的能耗达到防冻效果。发热电缆可选用双芯双导串联型恒功率或自限温发热电缆,通常功率在8.5～20 W/ m ,对于消防给水系统等需要重点保护的管线可采用一主一备的敷设方式。温控系统能在设定的温度范围内通过在管道上的温度传感器传回的温度信号自动启停,且提供启动、停止、故障、超高、超低温报警及漏电保护等功能。整个电保温系统应能提供BAS 监控的远程接口。管道外保温层可参考常规的防冻保温做法,并设相应的电保温标识,在进行保温计算时可考虑适当加厚常规保温层来减小电保温的能耗。

地铁给排水管道防冻应从给排水和消防系统方案的源头入手,首先采取非保温防冻措施,尽量减少保温防冻的管道数量;地铁给排水管道防冻保温措施和方案的选择,一定要在充分分析和计算的基础上采取相应的保温技术措施及方案。

(1) 要在充分分析和计算的基础上对不同给排水管道采取相应的防冻技术措施,一般情况下,对于长时间处于与室外环境温度接近且介质为基本静态流态的给排水管道,须采用节能型的管道电保温方案。

(2) 在进行导热系数和绝热层计算时,要根据各种具体部位的风速等条件,对不同保温材料在地铁给排水管道和设备保温的导热系数值进行相应的修正。

(3) 地铁给排水管道防冻保温材料的选用一定要严格按照有关地铁安全和环保要求及标准来进行。