Instalacje wielofunkcyjne w infrastrukturze podziemnej miast

Obecnie poza tunelami wieloprzewodowymi stosowane jest także wiele innych rozwiązań instalacyjnych o więcej niż jednej funkcji. Należą do nich m.in.:

• umieszczanie kabli, głównie światłowodowych, we wnętrzu przewodów kanalizacyjnych i rzadziej we wnętrzu przewodów wodociągowych i gazowych,
• umieszczanie wymienników ciepła w kolektorach kanalizacyjnych,
• tworzenie dwóch przekrojów o różnych funkcjach w jednym w trakcie bezwykopowej odnowy przewodów kanalizacyjnych,
• łączenie dwóch funkcji: miejskiej komunikacji samochodowej z kanalizacyjnym kolektorem deszczowym w jednej obudowie konstrukcyjnej.

Poniżej omówione zostaną przykłady takich wielofunkcyjnych rozwiązań instalacyjnych.

Tunele wieloprzewodowe to budowle o zróżnicowanych przekrojach poprzecznych, najczęściej prostokątnych lub kołowych, we wnętrzu których umieszczane są na półkach lub podporach przewody i kable różnego typu. W warunkach osiedlowych buduje się najczęściej tunele o przekroju prostokątnym, a metodami bezwykopowymi w śródmieściach miast czy pod „przeszkodami terenowymi”, np. rzekami lub torami kolejowymi – tunele o przekroju kołowym.

Pierwszy w Polsce tunel wieloprzewodowy, w projektowaniu którego uczestniczył m.in. autor artykułu, został wybudowany we Wrocławiu w latach 1976–1977 tradycyjną metodą w wykopie (rys. 1). Jest to przykład typowego tunelu wieloprzewodowego budowanego na osiedlach mieszkaniowych. W publikacjach [7, 8] pokazano wiele rozwiązań konstrukcyjnych tuneli wieloprzewodowych, które różnią się materiałem obudowy konstrukcyjnej, wielkością, rodzajem przekroju poprzecznego oraz rodzajem przewodów i kabli w nich umieszczonych.

Obecnie tunele wieloprzewodowe budowane są często metodami bezwykopowymi o przekroju kołowym. Na rys. 2 pokazano tunel wieloprzewodowy wybudowany w Zurychu, o łącznej długości 2900 m, którego zadaniem był przerzut ścieków (na odcinku znajdującym się pod rzeką) do oczyszczalni ścieków usytuowanej po drugiej stronie rzeki. Tunel o średnicy wewnętrznej 4,5 m wybudowano metodą mikrotunelowania w tempie 18 m na dobę.

Jego konstrukcja składa się z sześciu tubingów żelbetowych o grubości 27 cm. Wewnątrz tunelu umieszczono dwie rury kanalizacyjne kamionkowe o średnicy wewnętrznej 1100 mm. Doboru rur dokonano, analizując dziewięć rodzajów rur różniących się materiałem, z którego zostały wykonane, kierując się kryterium ponad 100-letniej trwałości rur oraz minimalizacją ich kosztu odniesionego do prognozowanego okresu eksploatacji. W tunelu umieszczono także inne przewody i kable.

Kolejny tunel wieloprzewodowy wybudowany pod licznymi przeszkodami terenowymi na odcinkach 16-kilometrowej trasy, na której układano w wykopie przewody ciśnieniowe transportujące wodę pitną, pokazano na rys. 3. Z uwagi na bardzo duże różnice w profilu wysokościowym tych przewodów, dochodzące miejscami do około 300 m, dobrano rury klasy PN 40 (DN 250) i PN 25 (DN 300). Wybrano rury stalowe o długości 16 m z wewnętrzną powłoką z zaprawy cementowej i zewnętrzną powłoką polietylenową i fibrobetonową (cementową zbrojoną włóknami). Obudowę konstrukcyjną tunelu wykonano również z rur stalowych.

Umieszczanie kabli światłowodowych we wnętrzu przewodów

Zaletą bezwykopowego montażu kabli światłowodowych we wnętrzu eksploatowanych przewodów jest przede wszystkim możliwość bardzo szybkiego i bezkolizyjnego dotarcia do ich przyszłych użytkowników. Obecnie w przewodach infrastruktury podziemnej umieszcza się głównie kable światłowodowe o średnicy zewnętrznej od 11,5 do 17,0 mm. Kable układane są w przewodach kanalizacyjnych, rzadziej w wodociągowych i gazowych [4].

W kanałach przełazowych kable montowane są w różnych osłonach, np. z laminatów, PVC, tworzywowo-stalowych, stalowych itp. Na fot. 1 i 2 pokazano sposób montażu kabli w kanałach przełazowych według systemu Cable-Runner. Na fot. 1 widoczne są kable zamocowane na ścianie bocznej kanału, a na fot. 2 – te same kable zabezpieczone specjalną osłoną chroniącą przed uszkodzeniem.

System CableRunning to także rozwiązania dla kanałów nieprzełazowych. Na rys. 4 pokazano szczegółowo zamocowanie kabli w odmianie tego systemu o nazwie Sewerline Flexible. Obudowę kabli wykonuje się z tworzyw sztucznych, najczęściej z PVC, PA lub PP.

Kolejną odmianą systemu CableRunner jest Sewerline Gravity. Na rys. 5 przedstawiono schemat umieszczania kabli w tym systemie pod specjalnie skonstruowaną kinetą, która łączona jest z krótszych odcinków, dzięki czemu można ją dostarczać na miejsce wbudowania zwiniętą na specjalnych bębnach. Kable mogą być również wbudowywane za pomocą specjalistycznego robota Fast (fot. 3).

Robot mocuje na wewnętrznej ścianie kanału rozprężne opaski ze stali szlachetnej z zatrzaskami, w których montowane są rurki, również ze stali szlachetnej. Następnie do rurek tych wprowadzane są cienkie kable światłowodowe.

W przewodach kanalizacyjnych nieprzełazowych można układać kable bez zastosowania specjalistycznych robotów poprzez [3]:

• napinanie między sąsiednimi studzienkami,
• przyklejanie do ścian wewnętrznych kanałów,
• wbudowanie kabli w utwardzane w kanale powłoki żywiczne, w przypadku gdy wraz z układaniem kabli wykonywana jest odnowa kanału,
• wbudowanie kabli w obszar zastosowania zaprawy cementowej przy odnowie kanałów polietylenowymi powłokami z kołeczkami dystansowymi (np. w technologii Trolining).

Kable światłowodowe mogą być także układane w przewodach wodociągowych [4]. W miejscu wejścia kabla do takiego przewodu umieszcza się uszczelnioną tuleję wlotową na kołnierzu, instalowaną bez przerywania przepływu wody. Przepływ wody przerywany jest tylko na czas wprowadzania kabla do przewodu. Jest on instalowany za pomocą linki, którą wprowadza się do kołnierza i która dopływa do następnego kołnierza.

Linkę łączy się następnie z kablem i wciąga ręcznie do rury na odległość do ok. 250 m. Każdy zawór na sieci wodociągowej to potencjalne miejsce podłączenia się do wprowadzonego kabla, dzięki temu, że nad każdym zaworem w niewielkich studzienkach przechowywane są pewne naddatki kabla. Podobnie mogą być przeciągane kable w przewodach gazowych (rys. 6).

Umieszczanie wymienników ciepła w kolektorach kanalizacyjnych

Celem montażu wymienników ciepła w kolektorach kanalizacyjnych jest pozyskanie energii, która dzięki zastosowaniu nowoczesnych urządzeń, jakimi są pompy ciepła, może zostać ze ścieków odzyskana, np. do ogrzewania pomieszczeń oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej [10]. Skala możliwości wykorzystania ciepła ze ścieków jest znaczna, o czym świadczą badania szwajcarskiego Federalnego Urzędu ds. Energii, które wskazały na możliwość wykorzystania tego źródła energii w 5% budynków w tym kraju.

W Szwajcarii, którą można uznać za prekursora w dziedzinie wykorzystania energii cieplnej ścieków, działa obecnie 29 takich systemów grzewczych, a kilkanaście innych jest w fazie projektowania. Ruszają ponadto liczne pilotażowe inwestycje w innych krajach Europy. Instalacje te mają zazwyczaj moc cieplną w przedziale od kilkunastu do kilkuset kW, ale istnieją również znacznie większe, np. instalacja na głównym kolektorze miejskim w Oslo z pompą ciepła o mocy prawie 19 MW.

Dużym udogodnieniem jest możliwość czerpania zysków z opisywanych instalacji przez cały rok. W miesiącach letnich temperatura ścieków jest dużo niższa niż powietrza zewnętrznego, co pozwala na ich wykorzystanie do chłodzenia skraplacza w agregacie chłodniczym bądź do tzw. natural coolingu (chłodzenia naturalnego).

Stosowane wymienniki ciepła moga być wbudowane w konstrukcję rur lub zainstalowane w już istniejących kolektorach kanalizacyjnych. W przypadku budowy nowych przewodów kanalizacyjnych lub wymiany zużytych na nowe można zastosować rury z wbudowanymi wymiennikami ciepła. Wymiennikami są najczęściej rury z polietylenu lub stali odpornej na korozję znajdujące się w obszarze specjalnie wyprofilowanej kinety rur betonowych lub żelbetowych. Warunki wymiany ciepła poprawia stalowy profil dna kinety stosowany przez niektórych producentów.

Wydajności wymienników ciepła wbudowanych w konstrukcję rur są mniejsze w porównaniu z innymi wymiennikami i wynoszą 1–2 kW na metr długości rury. Ich montaż jest możliwy także w połączeniu z technologią bezwykopowej odnowy przewodów kanalizacyjnych utwardzanymi powłokami żywicznymi. Wymiennik ciepła w postaci cienkich rurek z polietylenu (14×2 mm) umieszcza się w dolnej części przewodu, a następnie do jego wnętrza wprowadza się powłokę żywiczną.

Badania prototypowej instalacji wykazały, że w zależności od prędkości przepływu ścieków i ich temperatury uzyskiwano wydajność wymiennika w zakresie 0,13–0,50 kW na metr długości instalacji.

Do odbioru ciepła ze ścieków najczęściej stosowane są specjalne moduły umieszczane w istniejącym kanale. Ich zaletą jest stosunkowo niski koszt inwestycyjny i duża elastyczność, polegająca na możliwości łączenia modułów w odcinki o dowolnej długości. Rozwiązanie to może być stosowane w kolektorach kanalizacyjnych o dowolnych przekrojach poprzecznych, które są w dobrym stanie technicznym.

Jednym z możliwych rozwiązań jest system THERM LINER. W systemie tym wymiennik składa się z modułów o różnej długości (w zależności od ich szerokości), z możliwością zamontowania czterech rurek czynnika pośredniczącego (fot. 4), jednak bardzo często wystarczają tylko dwie.

Zastosowanie wymienników ciepła w tym systemie wymaga minimalnego przepływu wynoszącego 20 dm³/s, co pozwala na osiągnięcie wydajności cieplnej 2 kW/m2. Z uwagi na konieczność ręcznego montażu modułów minimalna średnica kolektora powinna wynosić 800 mm. Na fot. 5 pokazano wymiennik ciepła THERM LINER wbudowany w kanał jajowy.

W kolektorach kanalizacyjnych mogą być także montowane nieobudowane wymienniki ciepła wykonane z rur PE ułożonych w dwóch lub trzech rzędach po obu stronach kanału. Wymiennik z rur PE omywany jest bezpośrednio przez strumień ścieków. Jest on montowany przeważnie na ścianie kanału, gdyż takie rozwiązanie stwarza mniejsze problemy podczas jego eksploatacji. Zaletą tego sposobu są niewielkie koszty inwestycyjne oraz możliwość montażu i wymiany wymiennika bez konieczności wstrzymywania przepływu ścieków.

Tworzenie dwóch przekrojów o różnych funkcjach

Wyodrębnienie z jednego przekroju kanałowego dwóch różnych zaproponowano w technologii TopCote-liner stosowanej w bezwykopowej odnowie przewodów za pomocą utwardzanych in situ powłok żywicznych. Po utwardzeniu tej powłoki wewnątrz kanału uzyskuje się dwa niezależne przekroje.

Przewód odnowiony bezwykopowo w technologii TopCote-liner może prowadzić kolejno w górnej i dolnej części następujące media:

• wodę drenażową i ścieki sanitarne,
• wodę drenażową i ścieki deszczowe,
• mocz i ścieki sanitarne w systemach kanalizacyjnych oddzielnie odprowadzających mocz,
• ścieki sanitarne i deszczowe,
• rury ochronne z kablami i ścieki deszczowe,
• rury ochronne z kablami i ścieki sanitarne,
• przewód ściekowy ciśnieniowy w rurze PE i ścieki ogólnospławne,
• przewód wodociągowy ciśnieniowy w rurze PE i wody drenażowe,
• przewód grzewczy w rurze dodatkowej i ścieki sanitarne.

Łączenie komunikacji samochodowej z kolektorem deszczowym w jednej obudowie

Ideę połączenia funkcji kolektora kanalizacyjnego deszczowego z funkcją miejskiej komunikacji samochodowej urzeczywistniono w największym z dotychczas wybudowanych na świecie kolektorów kanalizacyjnych – kolektorze Smart w stolicy Malezji Kuala Lumpur. Ma on średnicę wewnętrzną 11,83 m i długość 9,8 km.

Ewenementem w skali światowej było zaprojektowanie w jego wnętrzu na odcinku długości 3 km dwukondygnacyjnej podziemnej trasy dla szybkiego ruchu pojazdów czynnej praktycznie cały rok, a wyłączanej z eksploatacji jedynie raz lub dwa razy w roku w okresie występowania najbardziej intensywnych opadów deszczowych.

Kolektor podzielono dwoma śluzami na trzy sektory: górny, środkowy i dolny (rys. 7). Założono retencjonowanie ścieków deszczowych w samym kolektorze o pojemności 1 mln m³, a w połączeniu z dwoma zbiornikami retencyjnymi pojemność ta wzrasta do 3 mln m³.

W trakcie eksploatacji kolektora mogą zaistnieć trzy warianty jego pracy, a warunki, w jakich będzie on pracował w danym czasie, monitorowane są przez specjalny system ostrzegawczy.

Przez większość dni w roku nie występuje zagrożenie podtopieniem centrum miasta. W wariancie I (rys. 8) kolektorem nie przepływają wtedy ścieki deszczowe, a jego środkowa część pełni funkcję śródmiejskiego tunelu drogowego. Wariant ten występuje najczęściej. Natomiast w przypadku umiarkowanych opadów deszczowych część ścieków deszczowych jest transportowana przez inne miejskie kolektory, a część przejmowana jest przez kolektor Smart (wariant II, rys. 8) odprowadzający je do dolnego zbiornika retencyjnego.

Przeczytaj artykuł pt.: Retencja kanałowa. Obniżanie maksymalnego odpływu ścieków opadowych »

Do kolektora doprowadzane są wówczas ścieki deszczowe w stosunkowo małych ilościach. W części drogowej ścieki deszczowe przepływają wtedy wyłącznie dolnym przepustem umieszczonym pod poziomami, na których odbywa się ruch kołowy (rys. 9). Zakłada się, że taka sytuacja może zdarzać się 7–10 razy w roku.

Wariant III (rys. 8) dotyczy najbardziej intensywnych opadów i może wystąpić średnio 1–2 razy w roku. Olbrzymie ilości ścieków deszczowych są wówczas kierowane do kolektora, aby nie dopuścić do zalania centrum Kuala Lumpur. W tym przypadku ruch pojazdów w kolektorze jest wstrzymywany i cały kolektor łącznie z częścią komunikacyjną służy do transportu ścieków deszczowych. O zamknięciu przejazdu pojazdów kolektorem i przewidzianych objazdach informują kierowców komunikaty umieszczane przed wjazdem.

Kierowanie ścieków deszczowych do górnego zbiornika retencyjnego rozpoczyna się po ok. 1,6 godziny od momentu wystąpienia opadów. Zbiornik retencyjny przetrzymuje skierowane do niego ścieki deszczowe przez ok. 1 godzinę, następnie odpływają one do kolektora. Ten czas przetrzymania jest niezbędny do bezpiecznej ewakuacji samochodów z kolektora, zanim ścieki przepłyną przez poziomy drogowe. Godzina jest więc maksymalnym okresem, który musi wystarczyć na to, by ostatni pojazd opuścił komunikacyjną część kolektora.

Przeczytaj artykuł pt.: Odprowadzanie wód opadowych systemami do podziemnej retencji i infiltracji »

Po tym czasie podwójne wodoszczelne grodzie umieszczone na obu końcach pokładów drogowych zostają otwarte i cały kolektor wypełnia się ściekami deszczowymi, które po ok. 4 godzinach odprowadzane są do dolnego zbiornika retencyjnego. Ich poziom w zbiorniku stopniowo wzrasta i po osiągnięciu wysokości ok. 28,0 m ścieki są odprowadzane przepustem do pobliskiej rzeki.

Całkowita ilość ścieków, które mogą wpłynąć do kolektora, wynosi ok. 4,55 mln m³, czyli w przybliżeniu 1,5 razy więcej niż pojemność magazynowania obu zbiorników i kolektora (3 mln m³) oraz 4,5 razy więcej niż pojemność retencyjna kolektora (1 mln m³). Maksymalna przepustowość kolektora w wariancie III może wynieść 290 m³/h.

Część komunikacyjna kolektora zostaje ponownie otwarta dla ruchu kołowego po upływie 52 godzin od momentu, gdy minie zagrożenie podtopienia miasta ściekami deszczowymi.

Uwagi końcowe

Przedstawione w artykule przykłady wielofunkcyjnych instalacji stosowanych w infrastrukturze podziemnej miast umożliwiają osiągnięcie wielu korzyści technicznych, a jednocześnie określonych efektów finansowych. Warto zatem stosować je także w naszym kraju. Niektóre z tych rozwiązań, np. umieszczanie kabli we wnętrzu przewodów, są już stosowane w poszczególnych miastach. Inne, np. dotyczące odzysku ciepła ze ścieków poprzez umieszczanie w kolektorach kanalizacyjnych wymienników ciepła, nie zostały dotychczas w Polsce zastosowane.

Opisane rozwiązania, szczególnie tunele wieloprzewodowe, mogą być wkomponowywane w jedną obudowę konstrukcyjną, np. z tunelami komunikacyjnymi. W publikacji [7] podano przykłady kilku wspólnych konstrukcji obiektów infrastruktury podziemnej o różnym przeznaczeniu, np. wspólną konstrukcję podziemnego przejścia dla pieszych z dwoma tunelami wieloprzewodowymi, wspólną konstrukcję metra, tunelu wieloprzewodowego i kolektora kanalizacyjnego, garażu podziemnego z tunelami wieloprzewodowymi itp. Zatem na ideę tworzenia wielofunkcyjnych instalacji można spojrzeć szerzej, planując je wspólnie z innymi budowlami infrastruktury podziemnej miast, głównie komunikacyjnymi.

Literatura

1.  Brandenburger Liner GmbH, Brandenburger Heatliner– Zukunftsenergie Abwasser, prospekt.
2. Brickwedde F., Energie aus Kanalabwasser – Leitfaden für Ingenieure und Planer.
3. GSTT Informationen, Leitungsverlegung in vorhandenen Netzen Teil 1, „Kabelverlegung in Kanalnetzen“ nr 12/1999.
4. Jeyapalan J., Ostatnia mila, „Inżynieria Bezwykopowa” nr 2/2003.
5. KA-TE System AG, Fast Robot System, prospekt.
6. Kiefer H., Stollenlösung für die Sanierung der Ab wasserverhältnisse, „Steinzeug-Info“ 2001/2002.
7. Kuliczkowski A., Madryas C., Tunele wieloprzewodowe, skrypt nr 169, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 1989.
8. Kuliczkowski A., Studium nad konstrukcją tuneli dla zbiorczego prowadzenia przewodów sieci miejskiej, praca magisterska (promotor doc. St. Lessaer), Politechnika Śląska, Gliwice 1973.
9. Kuliczkowski A., Dańczuk P., Służalec A., Projekt Smart, „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” nr 4/2006.
10. Kuliczkowski P., Rodzaje wymienników ciepła stosowanych w kolektorach kanalizacyjnych umożliwiających odzysk ciepła ze ścieków, „Instal” nr 12/2009.
11. Röhrenwerk Gebr. Fuchs GmbH, Wassertransportleitungen aus Stahl-Besonderheiten und Vorteile in Planung undAusführung, Sonderdruck 003.
12. TopCote AB, No-Dig enters the ”two in one” world with TopCote-liner, prospect.
13. Uhrig Strassen-Tiefbau GmbH, Waste Water – A Source of Thermal Energy for Heating, prospekt.
14. Wien Kanal Abwassertechnologien GesmbH, Cable Runner, Der Datenhighway im Kanal, prospekt.
15. Wien Kanal Abwassertechnologien GesmbH, Cable Runner, Sewerline Flexible „N“ nicht begehbare Kanäle, prospekt.
16. Wien Kanal Abwassertechnologien GesmbH, Cable Runner, Sewerline Gravity „G“ nicht begehbare Kanäle, prospekt.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!