室外架空給水管道防凍結計算研究

在室外穿越兩場區（如高速公路服務區）布給水管道時，經常會遇到室外露天架空敷設的情況。尤其對于我國北方地區，冬天室外溫度常低于0℃，管道內液體停流一定時間就存在凍結的可能，管道的防凍問題亟待解決。目前，相關圖集僅有供暖管道的保溫層計算方法[1]。由于供暖管道內熱水在采暖期內通常處于流動狀態，是以熱水為媒介達到傳輸熱量的目的，相當于存在著能量輸入，只要散熱量（溫降）控制在一定范圍內即可滿足供熱要求，一般不存在凍結可能。而對于冷水給水管道而言，其內液體（一般為水）原本溫度較低，向外界散發的熱量有限，且存在停流的可能，尤其是消防給水管道，通常情況下，消防給水管道內的液體處于靜止狀態，液體停流時間較長，故供暖管道保溫層的計算方法不適用于室外架空敷設給水管道的情況，這便給工程設計帶來不便，致使所做方案設計缺少理論依據做支撐。因此，探求室外架空給水管道保溫層厚度（δ）與凍結時間（t）及消防給水管道伴熱量（QTB）的關系，并提出技術可行、經濟合理的保溫措施，具有舉足輕重的作用。

1.研究區域和方法

1.1 研究區域概況

生活給水管道敷設依據規范要求需埋設在當地土壤冰凍線以下0.15m[2]，消防給水管道則需埋設在當地土壤冰凍線以下0.3m[3]。但有時受施工條件限制，這一要求并不能得到滿足，很多情況要采用露天架空敷設方式。本文選擇山西省具有代表性的三個地區（大同市、太原市、運城市）為研究對象，對該地區室外架空給水管道凍結時間與保溫層厚度的關系及電伴熱保溫進行研究，以期為類似的工程設計提供理論設計依據及參考。

大同市位于山西省北部，屬于溫帶大陸性季風氣候，冬季漫長，最冷月為一月，平均氣溫-11.3℃，極端平均最低氣溫-25.7℃；太原市位于山西省中部，屬于暖溫帶大陸性季風氣候區，最冷月為一月，平均氣溫-6.4℃，極端平均最低氣溫-21.9℃；運城市位于山西省南部，屬于暖溫帶大陸性季風氣候區，最冷月為一月，平均氣溫-2.2℃，極端平均最低氣溫-15.5℃。

1.2 研究方法

本文采用理論方法研究，管道停流時間t由兩個階段組成。第一階段為停流開始管道內液體由初始溫度T1降溫到0℃（不包括凍結潛熱）所需的時間t1；第二階段為管道內液體從0℃開始到管道斷面面積結冰率為n時所需的時間t2。

熱工計算原理[4]：

式中：Tf為管道外氣溫（℃）；A為熱阻倒數；B為熱容量系數；λ為管道保溫材料導熱系數[J/(m·℃)]；T1為管道內水的初始溫度（℃）；dA為管道保溫后外徑（m）；dB為管道外徑（m）；α為保溫材料表面放熱系數[W/(m2·℃)]；C1為管道內液體的比熱容[J/(kg·℃)]；C2為管道的比熱容[J/(kg·℃)]；C3為管道外保溫材料的比熱容[J/(kg·℃)]；m1為管道內液體的單位長度質量（kg/m）；m2為管道的單位長度質量（kg/m）；m3為管道外保溫材料的單位長度質量（kg/m）；Td為當量溫度（℃）；n為管道斷面結冰率；γ0為管道內液體的凍結潛能[J/(kg)]。

電伴熱計算原理：

式中：QTB為管道實際需要伴熱量（W/m）；T0為需要電伴熱維持的水溫（℃），此處均考慮T0=4℃。

2.結果與討論

2.1 凍結時間與保溫層厚度的關系

Tf分別取大同、太原、運城三個地區極端平均最低氣溫 （-25.7℃、-21.9℃、-15.5℃），以離心玻璃棉[5]為典型保溫材料，其導熱系數λ取0.031J/(m·℃)；保溫材料表面放熱系數α取14W/(m2·℃)；管道內水的比熱容C1取4.182×103J/(kg·℃)；因管壁較薄，C2可忽略不計；管道外保溫材料選用離心玻璃棉，其比熱容C3取1.256×103J/(kg·℃)；水的密度ρ1取1×103kg/m3；l離心玻璃棉的密度ρ3取45kg/m3；管道斷面結冰率n取1%[6]；水的凍結潛能γ0取334×103J/kg。

對于每個地區分別研究dB=0.10m、dB=0.15m、dB=0.20m、dB=0.25m（忽略壁厚）四種管徑的工況，具體關系見圖1-圖3。

如圖1-圖3所示，當給水管徑（dB）一定時，凍結時間隨著保溫層厚度的增加而不斷增大，但在所研究的保溫層厚度范圍內（0 ～0.5m），隨著保溫層厚度（δ）增加，凍結時間的增長率逐漸減小。從工程實際情況考慮，生活給水管道能保證在停流后12小時左右不凍結即可滿足使用要求[7]（三個地區具體保溫層厚度如表1所示），而消防給水管道在只有保溫材料的情況下顯然不能滿足不凍結的要求，還需采取其他保溫措施。

表1 三個地區凍結時間達到12小時所需的保溫層厚度（mm）

此外，當保溫層厚度一定時，凍結時間隨著給水管徑的增加而不斷延長。因熱量傳遞動力來源于管道內液體與外界環境的溫差，給水圓管管徑大則水力半徑大，單位外表面積管道上可用于傳遞的熱量多，因此達到凍結程度需要的時間更長，即達到相同的凍結時間，大管徑比小管徑所需的保溫層厚度小。

圖1 大同市管道內水的凍結時間與保溫層厚度關系

圖2 太原市管道內水的凍結時間與保溫層厚度關系

圖3 運城市管道內水的凍結時間與保溫層厚度關系

值得注意的是，由式（4）、式（5）可知，當管徑、保溫層厚度、保溫材料、液體相同時，A和B為定值；考慮T1和Td各地區差別不大，分別取相同值可知，管道凍結時間t僅與所研究地區極端平均最低氣溫Tf有關，即凍結時間t與各地的成正比關系。因此，本文中保溫層厚度與凍結時間的關系可類比推廣到全國，只需確定當地Tf取值即可。

圖4 大同市管道伴熱量與保溫層厚度關系

圖5 太原市管道伴熱量與保溫層厚度關系

圖6 運城市管道伴熱量與保溫層厚度關系

2.2 消防給水管道的電伴熱與保溫層厚度關系

通過以上計算分析可得，對于長時間管道內液體處于靜止狀態的消防給水管道而言，只靠加大保溫層厚度的方法來實現冰凍期內管道內液體不凍結是不現實的，需另外增加其他保溫措施，工程上一般采用外加電伴熱的保溫方式[8]。與2.1的研究地區及四種管徑規格相同，保溫層厚度與管道伴熱量的具體關系見圖4-圖6。

由圖4-圖6可知，在考慮電伴熱的情況下，消防給水管道維持一定的管道內水的溫度需要的伴熱量隨保溫層的厚度增加而減小。隨著保溫層的厚度增加、管道的散熱量減少，需要補充的伴熱量也隨之減少；在同一地區當保溫層厚度一定時，伴熱量隨著管徑的增加而增大，由于給水圓管管徑越大則水力半徑越大，單位外表面積管道上需要維持一定水溫，從而需要更多熱量，因此需要更多的電伴熱量。

對于不同地區，當在管徑及保溫層厚度一定時，伴熱量隨著所研究地區極端平均最低氣溫Tf的增大而減小，Tf值小則管道內外溫差越大，管道散失的熱量越多，則需要補充更多的能量來維持一定的水溫，即需要的伴熱量增大；同時，由式（7）可知，當管徑、保溫層厚度、保溫材料、液體相同時，伴熱量QTB僅與（T0-T）f成正比例關系，因此，本文保溫層厚度與消防給水管道的電伴熱的關系可推廣到全國，也只需確定當地Tf取值即可。

3.結論與建議

本文以山西省大同市、太原市、運城市三個地區為例，采用熱工原理及電伴熱公式分別對δ與t、δ與QTB的關系進行計算，研究發現：一是對于不同地區、不同管徑（≧100mm）的室外架空生活給水管道，在管道外加一定厚度的保溫層，可滿足一定停流時間內管道內水不凍結的要求；二是對于停流時間較長的消防給水管道，僅通過管道外加保溫層的做法不能滿足冰凍期管道內水不凍結的要求，還要輔以一定量的電伴熱；三是在確定全國其他地區Tf值后，可由本文類比推出該地區保溫層厚度（δ）與凍結時間（t）及消防給水管保溫層厚度（δ）與伴熱量（QTB）之間的關系。