Thermal performance of trench backfills used for frost protection of water service lines

This paper describes the thermal performance of different configurations of trenches using various trench geometries and backfill and insulation materials. A limited number of laboratory tests were conducted to confirm the thermal properties of the backfills reported in the literature. The frost protection of water service is measured in terms of the number of days it takes for the frost front to reach the depth of water service lines under sustained subzero surface temperatures. The study specifically included typical granular materials used within the City of Ottawa (for-merly the Region of Ottawa\u2013Carleton), but the findings can be equally applied to other urban areas in Canada where the surficial terrain is rocky. The thermal analyses of the trenches were conducted using the finite element method that appropriately represents phase changes when the temperature falls below the freezing point of water. The analyses indicate that the use of sandwich insulation is ineffective, and that latent heat of backfill and native soils has a great impact on the frost protection of water service lines. A list of possible trench depths with different backfills and their thermal performance is provided.Cet article d\ue9crit la performance thermique de diff\ue9rentes configurations de tranch\ue9es obtenues en variant les g\ue9om\ue9tries et les mat\ue9riaux de remblai et d'isolation. Un nombre limit\ue9 d'essais de laboratoire a \ue9t\ue9 r\ue9alis\ue9 pour confirmer les propri\ue9t\ue9s thermiques des remblais rapport\ue9es dans la litt\ue9rature. La protection contre le gel des conduits d'eau est mesur\ue9e en fonction du nombre de jours requis pour que le front de gel atteigne la profondeur des lignes de service d'eau \ue0 des temp\ue9ratures de surface se maintenant sous z\ue9ro. L'\ue9tude a inclu sp\ue9cifiquement des mat\ue9riaux granulaires typiquement utilis\ue9s dans la r\ue9gion de Ottawa-Carleton, mais les r\ue9sultats peuvent \ueatre appliqu\ue9s \ue9galement \ue0 d'autres r\ue9gions urbaines au Canada o\uf9 le terrain est rocheux \ue0 la surface. Les analyses thermiques des tranch\ue9es ont \ue9t\ue9 r\ue9alis\ue9es par la m\ue9thode d'\ue9l\ue9ments finis qui repr\ue9sente de fa\ue7on appropri\ue9e les changements de phase lorsque la temp\ue9rature tombe sous le point de cong\ue9lation de l'eau. Les analyses indiquent que l'utilisation d'isolant en sandwich est inefficace et que la chaleur latente du remblai et des sols locaux a un impact important sur la protection contre le gel des lignes de service d'eau. On fournit une liste de profondeurs possibles de tranch\ue9es avec diff\ue9rents remblais, et on fournit leur performance thermique.Peer reviewed: YesNRC publication: Ye