居民住宅自來水管道防凍的研究

俞宙

【摘 要】去年冬季，中國華東區(qū)域出現(xiàn)大面積長時間極端低溫氣候，出現(xiàn)了較大面積的居民住宅小區(qū)水管凍結(jié)、凍裂現(xiàn)象，極大的影響了住宅小區(qū)的正常供水，并造成了水資源的大量流逝。為避免再次遭遇低溫所造成的自來水供水管道凍結(jié)以及水管凍結(jié)而引起的凍裂問題，從這次事件中吸取經(jīng)驗教訓，必須認真分析低溫對居民小區(qū)住宅供水的影響，并及時進行相應的防凍措施，從根本上消除隱患，避免相似事件的再次發(fā)生。

【關鍵詞】住宅小區(qū)；水道；防凍

0 導言

居民住宅小區(qū)的供水管道在遇到極端低溫氣候（外界環(huán)境平均溫度低于0°C）時，如無相應的防凍保暖包扎或采取其他應急措施，極易結(jié)冰。同時，夜間平均氣溫更低，加之供水管道內(nèi)的水由于少人使用，缺乏流動性，更成為供水管道凍結(jié)的多發(fā)時段，出現(xiàn)居民住戶一覺醒來卻發(fā)現(xiàn)無水可用的窘境。在這種情況下，認真分析居民小區(qū)供水管道夜間凍結(jié)的原因，及相應的防凍保暖措施的效果，對于極端低溫下的供水管道凍結(jié)防治有著相當積極的意義。

1 夜間低溫對居民小區(qū)供水管道的影響分析

1.1 夜間低溫對包扎處理過的居民小區(qū)管道算式建立

根據(jù)經(jīng)驗，我們知道一般越細的供水管道，越容易結(jié)冰，成為防凍包扎的薄弱緩急。那么通過公式，我們可以看出，在單位長度下，管道厚度不明顯變化的前提下，將供水管道本身視為絕熱層，隨著管道外徑D0的增加，絕熱層外徑D1也會相應增加，而熱損失量缺反而會減少。同時，結(jié)冰所需要的熱量隨著管道內(nèi)半徑r的增加而增加。同樣的條件下，供水管道凍結(jié)時間隨管道內(nèi)半徑r急劇增加。以最不利管段DN20口徑為例，目前，上海地區(qū)主要采取的防凍保暖材料多為黑色NBR/PVC橡膠B1級發(fā)泡海綿管，厚度為0.9cm。以管長1米的DN20口徑鋼塑復合管，管道內(nèi)半徑r=0.01m，單位管道長度取h=1m。

單位長度（1m）的DN20供水管道結(jié)冰完全需要的熱量Q熔=106KJ。水結(jié)冰后體積會進行一定的膨脹，膨脹體積約為原體積的1/10，那么管道內(nèi)10/11的水結(jié)冰，管道就可視為凍結(jié)，所需熱量Q凍=96KJ。

1.2 夜間低溫對經(jīng)過防凍包扎處理過的居民小區(qū)管道的影響分析

可見完好的防凍包扎，可以有效的緩急居民小區(qū)管道凍結(jié)的現(xiàn)象，在極速降溫的情況下，平均氣溫要低于-11.2°C才會導致管道凍結(jié)。同時環(huán)境溫度低于零度時，溫度越高，管道結(jié)冰需要的時間也就越長。

1.3 夜間低溫對未經(jīng)過防凍包扎處理過的居民小區(qū)管道的影響分析

對未經(jīng)過防凍包扎處理過的小區(qū)，同以DN20為例，視其管道為絕熱層，查表取λ鑄鐵=66，λPPR=0.24，鋼塑復合管/ppr管厚度δ=3*10-3m，管道換熱面積S=π·D1·h=0.082 m2代入公式1，計算可得未經(jīng)過包扎的1m長DN20鋼塑復合管道單位時間換熱量為：

Q/T0=2.4KJ/（°C·h）；未經(jīng)過包扎的1m長DN20的PPR管道單位時間換熱量為Q/T0=2.4KJ/（°C·h）。不同材質(zhì)的供水管道對管道換人的影響微乎其微，未經(jīng)過包扎的管道熱損失量約是經(jīng)過包扎供水管道的2.3倍。

2 結(jié)冰對居民住宅小區(qū)管道的影響分析

2.1 結(jié)冰對居民住宅小區(qū)管道的影響

根據(jù)大量的報修記錄顯示，在去年冬季小區(qū)水管報修中，由于結(jié)冰造成二次停水占據(jù)了相當高的比例，各種應結(jié)冰造成的水管，水表凍裂，接頭凍開而導致相關單位不得不應急關閉居民供水等待專業(yè)人員的搶修。

2.2 結(jié)冰對居民住宅小區(qū)管道的影響的成因

水結(jié)冰后體積會進行一定的膨脹，膨脹產(chǎn)生的壓力約為960～2000kg/cm2，常用供水管道的承壓等級為16 kg/cm2。顯而易見，想通過改變管道材質(zhì)，提高相應物理性能，消除水結(jié)冰后膨脹對居民住宅小區(qū)管道的影響是不可行的。

3 結(jié)論與建議

3.1 上海市目前采取的黑色NBR/PVC橡膠B1級發(fā)泡海綿管已經(jīng)可以有效的應對寒潮的突然侵襲，在寒潮來臨之際為應急搶險工作預留出寶貴的時間。但在長時間低溫侵襲的情況下，尤其長時間平均氣溫跌破冰點不能及時回暖的情況下，管道依然在不停的進行熱量流失這一行為，防凍包扎并不能根治該問題，仍要采取例如進行水體流動，輔助供熱等其他措施防止管道完全凍結(jié)。同時，上述計算結(jié)果是指供水管道完全凍結(jié)所需要的溫度，一旦環(huán)境溫度跌破零度，隨著跌破冰點時間的逐步增長，供水管道很可能出現(xiàn)部分結(jié)冰的情況。

3.2 本次計算結(jié)果是在包扎完好的不透風條件下得出，實際操作中門窗未關好，管道貼著墻壁，彎頭，閥門或其他供水配件處包扎松散、裸露等都會影響到結(jié)果，大大的增加管道的熱量流失速率，使得完全解凍時間大大提前。建議上述位置加厚絕熱層，極端氣溫來臨前應加強上述部位的巡視工作，避免防凍包扎老化或其他原因造成的裸露，應適當增加絕熱層厚度或及時采取其他輔助手段，確保管道處門窗完好密閉。DN20管道作為管道的末梢，居民用水在供水管道的時間也相對最長，當環(huán)境溫度低于冰點時，當水流到達該處時已經(jīng)損失了一部分的熱量，在實際情況中，-11.2°C的極限溫度只能作為參考值，在寒潮來襲之際，切不可因此掉以輕心，保持水的流通，避免水在低于冰點的環(huán)境下滯留過程時間能有效的避免水管凍結(jié)。

3.3 目前無法解決管道結(jié)冰造成的物理形變，但選用彈性系數(shù)較大的管材能緩解管道凍結(jié)所造成形變導致的凍裂現(xiàn)象。同時，在寒潮來臨之際，提醒居民睡前放掉部分管道存水，也能極大的避免這一情況的發(fā)生。

3.4 現(xiàn)在采取的防凍保暖包扎能有效的緩解突發(fā)性低溫侵襲對供水管網(wǎng)的影響，但是對于長時間大范圍的寒冷天氣，目前的防凍措施只能起到延緩供水管道凍結(jié)的作用，卻無法從根本上解決這一現(xiàn)象的發(fā)生，應對此類情況建立應急預案。對供水管道進行供熱改造或采取集中式供暖或許能成為根治水管凍結(jié)的有效手段。或者，越細的管道越容易結(jié)冰的同時，也就意味著越是大口徑的管道同樣也是越不容易結(jié)冰，同時大管道中水的停留時間也相對較短，受環(huán)境的影響相對較小，在遭遇長時間低溫情況下，停止使用小口徑的供水管道末端，采用集中式大口徑管網(wǎng)區(qū)域供水或許也是一種應急思路。

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