Förläggning av VA-ledningar vid användning av frostisolering : Parameteranalys vid instationär beräkning

• Main Author: Karlsson, Filip
• Format: Others
• Language: Swedish
• Published: Karlstads universitet, Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap (from 2013) 2015
• Subjects: VA-ledningar; läggningsdjup; frostisolering
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kau:diva-36423

Varje år orsakas stora skador på VA(vatten och avlopps)-ledningar under vinterhalvåret då de riskerar att frysa sönder. För att inte resultera i höga merkostnader måste detta undvikas. I tätbefolkade områden är frostskadade VA-ledningar sällsynt eftersom vatten kontinuerligt strömmar i ledningarna och därmed förhindrar vattnet från att frysa. Problem med VA-ledningar uppstår i mer glesbebyggda områden och säsongsbebodda sommarhusområden. Dessa områden saknar ofta kommunala VA-lösningar vilket därför behöver byggas ut. Många sommarhusområden ligger sjönära i en kringliggande fin natur med mycket berg strax under markytan. Det komplicerar arbetet med att gräva ned ledningarna då mycket sprängning blir nödvändigt och stora volymer jord behöver transporteras, vilket dels blir kostnadsmässigt mycket dyrare och samtidigt gör avtryck i den fina naturen. För att ändå ha möjlighet att förse dessa områden med kommunal vattenförsörjning och avloppsrening kan ledningarna läggas grundare i marken vilket minskar behövt markarbete. På grund av få permanentboende i området är ledningarnas vattenströmning minimal och om ledningarna samtidigt förläggs grundare ökar frysrisken markant. Då kan ledningarna förläggas med ett ovanliggande skikt av isolering som förhindrar frosten från att tränga ned. Denna studie syftar till att utreda hur bred isolering som vid grundare förläggning blir nödvändig att använda för att undvika frostskador på VA-ledningarna. Arbetet har utförts vid Karlstads universitet på uppdrag från Pernilla Brunsell Carlson, VA-ingenjör, WSP Karlstad. Under arbetet byggdes en beräkningsmodell i datorprogrammet Comsol som genom att ta hänsyn till värmeledning i mark beräknade temperaturvariationen hos ledningarna under en bestämd tidsperiod. Erhållna resultat användes bland annat för att bestämma hur bred isolering som blir nödvändig att använda för att undvika frostskador på VA-ledningarna vid olika läggningsdjup. Modellen användes även för att avgöra hur markens termiska egenskaper påverkar läggningsdjupet och bestämmandet av isolerbredd. Efter studien kan det konstateras att i grunda fall utan vattenströmning, från 0,6 meters läggningsdjup ned till 1,2 meter spelar användande av isolering ingen roll, ledningarna fryser ändå. Om inte ett konstant vattenflöde kan garanteras måste i dessa fall ledningarna förläggas djupare för att frostfria ledningar ska uppnås. Vid förläggning i lerjord hittas de absolut lägsta läggningsdjupen. Om ett garanterat vattenflöde på 2 W/m finns kan ledningarna förläggas vid 0,6 meters djup oberoende av markens jordart. Vattenströmning i ledningarna tillsammans med markens sammansättning blir de två klart avgörande faktorerna vid avgörande av läggningsdjup för att undvika frostskador. === Frost damage is every year dealt to water and waste pipes during the winter season. In order not to result in high additional costs this must be avoided. In heavily populated areas are frost-damaged water and waste pipes uncommon because water continuously flows in the pipes and thus prevents water from freezing. Frost problems with water and waste pipes occur in sparsely populated areas, and seasonal populated summer house areas. These areas often lack municipal water and waste solutions, which therefore needs to be expanded. A lot of these summer house areas are situated close to a lake in a beautiful surrounding nature with plenty of rock just below the soil surface. This complicates the burying process off the pipes because the rock must be detonated and lots of rock and soil must be transported, which partly will cost a lot and make an imprint in the surrounding nature. To still be able to provide these areas with municipal water supply and wastewater treatment the pipes can be laid shallower in the ground and reduce the needed soil work. Because of few permanent residents in the area, the water flow in the pipes are minimal, and if the pipes were laid shallower in the ground the risk of frozen pipes would sharply increase. This can be solved by placing one overlying layer of insulation that prevents frost from penetrating down to the pipes. This study aims to investigate the width of insulation necessary to avoid frost damaged water and waste pipes when shallow placed pipes is applied. The work has been performed at Karlstad’s University in the request of Pernilla Brunsell Carlson, Water and Waste engineer at WSP Karlstad. During the work a calculation model was built in the computer program Comsol as by taking into account the heat conduction in soil, estimated temperature variation of the pipes during a specific period of time. The obtained results are used, among other things, to determine the necessary width of insulation needed in order to avoid frost damage in the pipes at different laying depth as well as which impacts the thermal properties of soil has regarding to its frost depth. The study found that in shallow cases without water flow, from 0.6 meter laying depths down to 1.2 meters plays the use of insulation no role; the pipes will freeze anyway. Unless a constant water flow is guaranteed, the pipes must be placed deeper in the ground in order to achieve frost free pipes. When the pipes were laid in a clay soil the absolute minimum laying depths were found. In cases were a water flow of 2 W/m is guaranteed the pipes may be laid at 0.6 meters depth regardless of the soil type. The pipes water flow and the soil composition are the two most decisive factors in the determination of laying depth to avoid frost damage.