電伴熱在地鐵管道保溫的應用解析
 地鐵的正常運營，離不開消防管道的安全保障，而在寒冷的冬季，沒有防凍措施的消防管道經常會被凍結，一旦發生火災，消防管道將無法及時使用，對整個地鐵的安全性構成了極大的隱患。根據多年的運營經驗，北京地鐵由于保溫層失效，多次發生消防給水管道被凍裂情況，這個問題在某種程度上已經影響了地鐵的安全運營、消防安全和乘車環境。如何解決消防給水管道防凍問題，是每一位地下工程設計者應該重視的問題。
1管道保溫方案的選擇
1. 1工程概述
    北京地鐵大興線為4號線南延線，與4號線共同構成貫穿北京南北向軌道交通主干線，沿線主要穿過豐臺區南苑西、大興區西紅門、大興新城主城區、大興新城核心區、大興區生物醫藥基地等地區。全線新建車站11座，其中高架車站1座，地下車站10座。
1. 2傳統消防管道的防凍保溫技術
    管道保溫的作用:一是減少管道內介質熱量在傳輸過程中流失，如熱水管道保溫。二是防凍保溫，如寒冷地區露天管道保溫。三是冷水管道防結露保溫。地鐵車站工程，在南方地區如廣州、深圳、上海等地方的消防管道保溫的主要作用是防結露保溫，而在北方地區如北京、天津等地方消防管道保溫的主要目的就是防凍保溫。
    傳統消防管道防凍保溫技術包括以下幾種方式:
1.2.1干式消火栓系統
    干式消火栓系統是指將寒冷地區部分設施內的液體排空放凈，以達到防凍效果。主要組成部分有:遠程控制的快速啟閉裝置、設置一定坡度的管道、快速排氣裝置以及必備的消火栓及組件。其主要特點是在快速啟閉裝置后的管路內無水，確保管路在外界氣溫較低時不被凍結?；馂陌l生時，可通過以下幾種方式打開閥門:消火栓處按鈕啟動;通過火災探測器報警自動啟動;現場手動應急開啟。這樣可以保證閥門在任何情況下都能開啟供水滅火。
1.2.2隔熱材料保溫
    采用隔熱材料保溫是指在消防管道外纏繞保溫材料，形成空氣隔熱層，延緩消防設施內液體物質溫度的下降速度，以達到保溫的目的[fU。目前主要使用的保溫材料有:1)泡沫型保溫材料。泡沫型保溫材料主要包括聚合物發泡型保溫材料和泡沫石棉保溫材料。2)復合硅酸鹽保溫材料。具有可塑性強，導熱系數低，耐高溫等特點。主要種類有硅酸鎂、硅鎂鋁、稀土復合保溫材料等。3)硅酸鈣絕熱制品保溫材料。其特點是密度小，耐熱度高，導熱系數小，抗壓強度較高，收縮率小。
4)纖維質保溫材料。防火性能和保溫性能優異。這些材料除了具有質輕、保溫、隔音等優點外，還具有很好的防火性能、耐寒、耐高溫等特點。
1.2.3添加防凍劑
    在消防管道內加防凍劑，降低水的冰點、提高水的耐寒性，是一種防凍措施，但對防凍劑的選擇應注意其滅火性能。防凍劑對管道有一定腐蝕作用，為了減小腐蝕速度，使用時還應添加防腐劑，并且此系統應與生活、生產給水系統有隔斷裝置。
1.2.4回水絕熱伴熱
    回水絕熱伴熱是指在消防管道旁平行安裝自來水管道，共同敷設保溫材料，借助自來水水溫進行保溫防凍。
1.2.5暖通系統伴熱
    暖通系統伴熱即借助供暖系統進行消防管道的伴熱保溫。其方法是在消防或給水管道旁平行布置暖通管道，共同敷設保溫絕熱層，借助供暖管水溫進行熱補償，達到保溫防凍的目的。
1. 3電伴熱保溫
    目前，全國各城市的地鐵消防管道保溫，普遍采用隔熱材料保溫技術(也稱常規保溫)和電伴熱保溫技術。
    隔熱保溫材料保溫，是單純利用加保溫層絕熱的防凍方案，存在一定的風險。根據研究結果，對于小直徑的管道如消防系統的噴淋未端管道在長期處于低溫外界環境中，單純增加保溫材料厚度不能防止管道靜流速水的凍結，對防凍作用不大，并且不能徹底解決防凍問題，對于小直徑管道尤其危險。此類方法只能延緩消防設施被凍結的時間，如遇到持續寒冷氣候，設施最終還是要凍結，難以解決問題。故此種保溫措施一般應用在有采暖的設備房間或者地下站里，對于出入口、風道等溫度低、風速大地方的消防管道不適用。
    根據多年的運營及設計經驗，結合北京的冬季溫度變化情況，一般情況下，設置在車站部分出人口、隧道洞口、車站和區間風道、高架站和地面站車站站廳及夾層內的消防給水管道由于平時水流速極小，管內水溫度基本與車站室外溫度一樣(根據相關資料，北京地鐵工程的室外極端低溫通常按一18.13℃考慮)，易導致管道結冰凍裂。
    電伴熱保溫是一種自動產生熱量以補償管道損失熱量的保溫技術，是一種最有效的防凍保溫措施。對于地鐵車站這種防火要求高的重要的公共場所，消防給水管道系統必須保證在任何時候都能正常運行。對于出人口、風道等溫度低、風速比較大地方的消防管道只有采取電伴熱保溫措施才能達到防凍的目的。
2電伴熱保溫技術
2. 1工作原理
    電伴熱保溫是通過伴熱媒體散發一定的熱量，通過直接或間接的熱交換補充被伴熱管道的熱損失，以達到升溫、保溫或防凍的正常工作要求I21。電伴熱保溫系統包括發熱電纜、控制箱、溫度傳感器(Pt100)、發熱電纜供電導線、鋁箔膠帶等組成。在管道適當位置放置溫度傳感器，控制箱內設有溫度控制模塊。當管道溫度低于設定溫度時，伴熱系統自動啟動伴熱回路開始工作，即對管道進行加熱，管道溫度上升，當管道溫度上升到設定溫度時，伴熱系統自動停止加熱。此伴熱程序周而復始地進行，使管道溫度始終保持恒定，從而起到主動為管道伴熱保溫的作用，保證管道系統冬季正常運行。
    電伴熱保溫結構與常規保溫一樣，包括絕熱層、防潮層、保護層。絕熱層的材質、厚度和結構的選擇應按照熱水保溫和冷水防結露要求的絕熱層厚度計算和選擇電熱帶功率，當功率過大時再增加絕熱層厚度。用于保溫為目的的絕熱層可不設防潮層，但用于防凍為目的的絕熱層則一般應設防潮層。保護層的設置要求與非電伴熱保護層的設置要求相同}3}n
    根據多年的設計經驗，并結合保溫材料的保溫性能、經濟成本等各方面考慮，北京地鐵大興線電伴熱保溫防潮層選用帶有不燃性復合玻璃布鋁箔防潮層的絕熱材料;絕熱層采用50 mm厚復合硅酸鎂材料，導熱系數0.036 W(m}K)，防火性能等級為A級;保護層選用PAP鋁塑復合卷材。
2. 2電伴熱保溫技術原則
    北京地鐵大興線消防給水管道電伴熱保溫的設計原則:
    I)在車站風道、出人口內的消防給水管道設自動電保溫系統。
    2)電保溫管道采用雙電源供電AC 220 V(動、照專業雙切電源箱)。
    3)2一4根管道共用1個控制箱，電控箱防護等級:配電室外IPSSo
    4)DN40以上管道(不含DN40 )的發熱電纜均采取I用1備雙路鋪設，DN40以下管道(含DN40 )的發熱電纜均采取單路鋪設。
    5)溫度控制模塊同時控制2-v4根管道;溫度傳感器的設置原則為:每套控制箱設I個環境溫度傳感器，每根管道設置2個溫度傳感器，放置于整個管道的相對不利點。
    6)整個控制系統能夠實現現場手動控制、自動控制，綜控室遠程監視及自動報警。自動報警包括超低溫報警、超高溫報警、漏電、斷纜、過流及傳感器故障等。
    7)設計參數:環境最低溫度一25℃;介質保持溫度
5 9C;高溫報警溫度10 0C;低溫報警溫度2 0C;環境修
正系數1.20
    8)發熱電纜選型:線性功率為蕊20 W/m o
    9)發熱電纜安裝:水平管道在管道下截面45“角處，垂直管道中截面鋪設;閥門處做波浪型鋪設;支管做上下截面45“角直線往復鋪設;消防栓處發熱電纜安裝至管道與栓頭結合部。發熱電纜供電導線選用低煙無鹵阻燃型3x2.5 mm2電纜，發熱電纜控制電纜選用低煙無鹵阻燃型3x1.0 mm2電纜，均采用X20 mm鍍鋅穿線管穿管安裝。
    對于設計者來說，設計電伴熱保溫系統除了要精心計算保溫層厚度，選擇合適的保溫材料，還要考慮到管道需要做電伴熱保溫具體位置。電伴熱保溫系統的建設投資大、維護費用高，不能所有管道都采用，要合理設計，使系統既能保證地鐵正常運行又節省投資成本和便于運營維護管理。
2. 3工程應用
    2010年12月，北京大興線通車試運行。根據運行情況，京港地鐵公司反映某些地方管道僅做了常規保溫，存在凍裂隱患。針對運營公司提出的問題，再一次核查全線，在以下幾個地方的管道補做電伴熱保溫:
1)地面站站廳層設備區生活給水管和消防給水管。2)架站夾層生活給水管和消防給水管。3)距離隧道洞口300 m的過軌消防給水管。
    經整頓后，大興線運行至今未發生過管道凍裂情況，證明電伴熱保溫是有效的。
3結語
    電伴熱保溫是一種主動加熱以補償熱量損失的保溫措施，是一種目前最有效的防凍保溫措施。由于建設投資大、維護費用高、施工復雜等因素制約了其應用和推廣，目前多用于北京、天津、哈爾濱等寒冷地區地鐵工程的出人口、風道、區間風道及洞口，地面站和高架站站廳層和夾層的消防給水管道和部分生活給水管道。
 
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