Способ термостабилизации многолетнемерзлых грунтов
METHOD OF THERMAL STABILIZATION OF PERMAFROST SOILS

Область техники
Изобретение относится к области строительства, а именно к устройствам для термостабилизации посредством создания с использованием холодильных машин охлажденного приповерхностного слоя, запирающего проникновение тепла вглубь грунта, преобразователей солнечной энергии (фотоэлектрических и тепловых) для питания этих холодильных машин и экранирования грунта от воздействия солнечного излучения и жидких атмосферных осадков (минимизации подвода внешнего тепла).
Уровень техники
Способы термостабилизации многолетнемерзлых грунтов можно разделить на следующие основные группы:
1) пассивные (экранирование солнечного излучения и жидких атмосферных осадков);
2) сезоннодействующие устройства (СОУ - термосифоны, тепловые трубы, воздуховоды для выноса тепла);
3) активные (холодильные машины для отвода тепла).
Известен аналог - установка экранов на откосах дорожной насыпи (патент CN 202850037 U, МПК E01F 7/02), где предлагаемые экраны способствуют уменьшению поглощения тепла грунтом за счет отражения и поглощения солнечной радиации и перенаправления в сторону от сооружения потоков жидких атмосферных осадков.
Недостатком является то, что остается не скомпенсированным тепловой поток за счет естественной конвекции, который может превышать экранируемую часть. Такие экраны дают максимальный эффект именно в той области (Тибет), для которой они предложены. Для областей с вечномерзлыми грунтами в России характерен менее существенный вклад солнечного излучения в растепление грунтов.
Широко используются для термостабилизации грунтов термосифоны, принцип действия которых основан на замораживании грунта в холодное время года до такого состояния, что в теплое время не произойдет его размораживания. Известен аналог такого устройства - гравитационная тепловая труба (патент RU 2387937 C1, МПК F28D 15/02, опубликовано 27.04.2010). Термосифоны широко используются для термостабилизации грунтов. Принцип действия основан на замораживании грунта в холодное время года до такого состояния, что в теплое время не произойдет его размораживания.
Недостатки такого способа проявились теперь в связи с потеплением климата в Арктике и субарктике, когда реальные условия эксплуатации стали существенно отличаться от расчетных: в течение более мягких и коротких зим уже не запасается достаточного количества холода для предотвращения оттаивания грунта в течение более длинного и теплого лета. Поскольку эти устройства рассчитаны на использование природного источника холода, их применение в сочетании с холодильными машинами, к которому в критических случаях вынуждены прибегать, является крайне неэффективным, т.к. замораживается грунт на глубине, а грунт на поверхности остается талым. Кроме того, термосифоны создают неравномерное поле температур, что в современных условиях начинает приводить к возникновению оттаявших узких участков между ними, через которые ускоряются фильтрационные процессы, в конечном итоге способствующие потере несущей способности и проседанию грунта.
Известен аналог - устройство для охлаждения грунта, использующее принцип принудительной конвекции (патент RU 2110647 С1, МПК E02D 3/115, E02D 19/14, опубликовано 10.05.1998). Это СОУ, обладающее всеми недостатками термосифонов и при этом требующее внешнего энергоснабжения.
Известен аналог - установка для замораживания грунта на основе вихревого охладителя (патент RU 2109878 С1, МПК E02D 3/115, опубликовано 27.04.1998). Отличается от предыдущего аналога принципом получения холодного воздуха, поэтому может быть использован и в теплое время года. При этом недостатки, связанные с потребностью во внешнем источнике энергии и избыточным замораживанием толщи грунта остаются.
Известен основной аналог - Система замораживания грунтов с использованием холодильной машины (патент RU 2435904 С2, МПК E02D 3/115, опубликовано 27.08.2009,Бюл. №34). Холодильные установки могут эффективно предотвращать размораживание грунтов, но их использование экономически оправдано лишь в экстренных случаях, т.к. требуют подвоза энергоустановок и горючего для них. К недостаткам данного конкретного решения можно отнести то, что скважины для грунтовых зондов выполняются вертикальными, что не всегда целесообразно. Вертикальное расположение скважин приводит к замораживанию больших объемов грунта, в то время как, по сути, необходимо лишь отводить тепло от поверхности, откуда оно и поступает в грунт.
Таким образом, общим недостатком конвективных систем является возможность работы лишь в холодное время года и замораживание толщи грунта, когда на самом деле требуется отвод тепла лишь от приповерхностного слоя, а активных систем - дополнительная потребность во внешнем электроснабжении, при этом, как правило, с недостаточной энергоэффективностью при охлаждении избыточного объема грунта.
Предлагаемый авторами способ сочетает в себе экранирование грунта от подвода тепла из окружающей среды, использование солнечной энергии для энергоснабжения холодильной машины (ХМ), с целью большей энергоэффективности - минимизацию потребности в холодопроизводительности за счет создания приповерхностного запирающего слоя вместо замораживания толщи грунта. В отличие от естественных условий, когда увеличение интенсивности солнечного излучения (в том числе на склонах и откосах южной экспозиции) приводит к более интенсивному оттаиванию грунта, при реализации предлагаемого способа, от грунта наоборот отводится больше тепла. Элементы предлагаемого способа могут быть использованы также на участках с уже существующими системами термостабилизации (чаще всего, термосифонами) - уменьшая тепловую нагрузку на грунт и питая ХМ, позволяя использовать сезонные охлаждающие устройства и в теплое время года.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков аналогов, а именно: недостаточного уменьшения теплового потока в грунт; отсутствия или необходимости использования внешних энергетических ресурсов для теплоотвода в теплое время года; теплоотвода из глубины грунта, в то время как размораживаются в первую очередь верхние слои. При использовании предлагаемого способа улучшение достигается за счет комплексного подхода к решению проблемы, а именно сочетания: экранирования солнечной радиации и атмосферных осадков преобразователями энергии солнечного излучения (ПЭСИ - фотоэлектрическими, термоэлектрическими, тепловыми); интенсификации конвективного теплоотвода в холодное время года за счет уменьшения высоты снежного покрова под ПЭСИ; активного теплоотвода с использованием ХМ; полностью или частично автономного питания ХМ энергией, вырабатываемой ПЭСИ; отвода тепла не из большого объема грунта на глубине, а из приповерхностного слоя, запирающего проникновение тепла (как из окружающей среды, так и от искусственных сооружений) в толщу грунта, причем этот слой может создаваться как за счет грунтовых зондов, так и распыления над поверхностью грунта охлажденного газа или вместо газа - искусственного снега; при наличии в охлаждаемом грунте сезонных охлаждающих устройств, ХМ также может быть использована для их охлаждения в теплое время года. Таким образом, эффект от использования предлагаемого способа достигается за счет уменьшения нежелательного поступления тепла в грунт и интенсификации теплоотвода из него.
При отсутствии прямой солнечной радиации, когда тепловой поток извне минимален, по предлагаемому способу реализуется пассивный режим, а при ясной погоде реализуется активный режим с положительной обратной связью: с ростом интенсивности солнечного излучения увеличивается производительность ХМ. Такая связь также устраняет проблемы для склонов и откосов южной экспозиции, на которые в естественных условиях увеличивается поток солнечного излучения. Вертикальные поверхности сооружений, при расположении ПЭСИ на них, во многих случаях обеспечат большую пиковую мощность, чем с горизонтальных поверхностей, так как на широтах севернее 60-й параллели солнце поднимается выше 45 градусов над горизонтом в течение очень небольшого времени. Тепловая инерция грунта позволяет в значительной мере сглаживать неравномерность поступления энергии от солнца. Однако, в некоторых случаях, может применяться и аккумулирование электрической, тепловой энергии, жидкого хладагента для обеспечения непрерывной и равномерной работы ХМ. Наличие вблизи поверхности грунта экрана из ПЭСИ уменьшает конвективный теплообмен летом, а также минимизирует снегонакопление под ним, что способствует лучшему промораживанию приповерхностного слоя грунта зимой.
Поскольку, прежде всего, требуется предотвратить проникновение тепла вглубь грунта, грунтовые зонды, как правило горизонтальные, располагают на глубине не более глубины естественного оттаивания грунта. Уже существующие на местности грунтовые зонды также могут быть использованы, даже если они уходят ниже глубины естественного оттаивания грунта. В некоторых случаях, например, при необходимости сохранения поверхностных ледяных массивов, вместо грунтовых зондов может быть использован охлажденный до температуры не выше 0°C газ не тяжелее воздуха (в том числе воздух) или искусственный снег, инжектируемые в зазор между ПЭСИ и защищаемой поверхностью. ПЭСИ могут располагаться на площади большей, чем термостабилизируемый участок, для обеспечения требуемой мощности.
Перечень фигур
На фиг. 1 представлена схема тепловых потоков в естественных условиях и при реализации предлагаемого способа.
На фиг 2 представлены расчетные распределения температуры грунта по глубине в естественных условиях и при реализации предлагаемого способа.
Осуществление изобретения
На схеме тепловых потоков при реализации предлагаемого способа фиг. 1 (справа) поток солнечного излучения 1 воздействует на ПЭСИ 2, конвективный тепловой поток 3 из атмосферы (в некоторых случаях к нему добавляется тепловой поток от искусственного сооружения) преобразуется в кондуктивный тепловой поток 4 к грунтовым тепловым зондам 5 и выносится тепловым потоком 6 в холодный контур ХМ 7, приводимой в действие генерируемой от ПЭСИ энергией 8, обеспечивая вынос утилизируемого теплового потока 9, а высота снежного покрова 10 и глубина естественного оттаивания грунта 11 формируют границы размещения ПЭСИ 2 и грунтовых зондов 5. На схеме тепловых потоков без реализации предлагаемого способа фиг. 1 (слева) показаны воздействующие на грунт тепловые потоки от солнечного излучения 1 и конвекции 3 (в некоторых случаях к ним добавляется тепловой поток от искусственного сооружения), формирующие кондуктивный тепловой поток 4 в грунте, который, будучи некомпенсированным, приводит к размораживанию грунта и потере его несущей способности.
ПЭСИ устанавливают над поверхностью термостабилизируемого участка грунта на высоте не менее локальной глубины снежного покрова. Возможны варианты как с одно- или двухосевой ориентацией ПЭСИ на солнце (например, по патенту RU 2716361 С1 (МПК F24S 30/00), опубликован 2020-03-11), так и без таковой. Вариант установки выбирают из условия обеспечения максимального экранирование термостабилизируемой площади от прямого солнечного излучения и преобразования его энергии. Целесообразна организация стока атмосферных осадков с поверхности ПЭСИ за пределы термостабилизируемого участка. Таким образом, реализуют меры пассивной защиты термостабилизируемого участка от поступления тепла из атмосферы. ПЭСИ могут быть как только фотоэлектрические (например, по патенту RU 2287207 С1 (МПК H01L 31/048), опубликован 2006-11-10), термоэлектрические или комбинированные термо-фотоэлектрические (например, по патенту RU 128396 U1 (МПК H01L 27/142), опубликован 2013-05-20), так и в сочетании с тепловыми (вакуумными солнечными коллекторами (например, по патенту RU 165800 U1 (МПК F24J 2/05; F24J 2/20; F24J 2/48), опубликован 2016-11-10), в том числе с концентраторами (например, по патенту RU 179500 U1 (МПК F24J 2/05; F24J 2/06; F24J 2/32), опубликован 2018-05-16), плоскими коллекторами (например, по патенту RU 195335 U1 (МПК F24S 10/70), опубликован 2020-01-23)) - в случае использования абсорбционной ХМ (например, по патенту RU 2224189 C2 (МПК F25B 15/04; F25B 15/00; F25B 15/10; F25B 33/00), опубликован 2004-02-20).
Низкий коэффициент производительности (КОП) абсорбционных ХМ относительно парокомпрессионных (примерно 2,0 против 4,0) компенсируется более высоким КПД теплового преобразования энергии солнечного излучения, чем фотоэлектрического (0,6 против 0,2). В результате получают произведение КОП и КПД в 1,5 раза выше: 1,2 против 0,8 (ориентировочные значения для промышленных образцов). Также стоит отметить, что с ростом температуры окружающей среды КПД фотоэлектрических преобразователей в большинстве случаев падает, а тепловых - возрастает. Однако некоторые фотоэлектрические преобразователи хорошо преобразуют диффузную солнечную радиацию, которая не преобразуется в тепловых, что необходимо учитывать при реализации способа на конкретной местности.
Холодный контур ХМ (независимо от принципа ее действия) располагают в пределах термостабилизируемого участка параллельно поверхности грунта (чаще всего, горизонтально) на глубине, определяемой расчетом, исходя из местных условий и технических требований, как правило, в пределах от 10 до 50 см. Чем меньше глубина залегания грунтовых зондов, тем больший тепловой поток на них приходится и тем большей должна быть холодильная мощность системы. Для уменьшения объема земляных работ поверх грунтовых зондов мелкого залегания может дополнительно укладываться теплоизоляция. Чем глубина залегания грунтовых зондов больше, тем больше и глубина оттаивания грунта. Расположение грунтовых зондов ниже глубины естественного оттаивания нецелесообразно. Использование грунтовых зондов мелкого залегания особенно актуально для скальных подстилающих грунтов. В случае если применение грунтовых зондов даже мелкого залегания невозможно, технически сложно или необходимо сохранить поверхностный ледяной массив, вместо грунтовых зондов может быть использован охлажденный газ не тяжелее воздуха или искусственный снег, инжектируемые в зазор между ПЭСИ и защищаемой поверхностью, создавая надповерхностный запирающий слой. Если на площадке для реализации предлагаемого способа уже предпринимались меры по термостабилизации грунта, для минимизации затрат целесообразно сначала рассмотреть возможности использования уже существующих на местности грунтовых зондов (например, термосифонов) вместо или совместно с созданием приповерхностного запирающего слоя.
Тепло из горячего контура ХМ сбрасывают одним или несколькими из следующих способов: в атмосферу за счет естественной или принудительной конвекции; в грунт или в водоем за пределами термостабилизируемого участка; утилизируют для нужд теплоснабжения; используют во втором каскаде ХМ. Производительность ХМ согласуют с выходной мощностью ПЭСИ. Для обеспечения большей равномерности работы ХМ в некоторых случаях применяют аккумулирование электрической и тепловой энергии; накопление хладагента, чтобы его конденсация происходила в более холодное ночное время для повышения коэффициента производительности ХМ.
Пример реализации
2
Грунтовые зонды диаметром 25 мм располагают параллельно поверхности оттаявшего грунта на глубине 20 см с шагом 20 см с использованием кабелеукладчика. Охлаждение теплоносителя на основе раствора пропиленгликоля в воде в грунтовом контуре осуществляют от минус 4°С до минус 10°С с использованием парокомпрессионного теплового насоса (КОП 4,0) со сбросом тепла в атмосферу. Расчетное значение коэффициента теплопередачи для грунтовых зондов составляет 45,7 Вт/(мК). Питание теплового насоса осуществляют от фотоэлектрических модулей (солнечных батарей) с КПД 15%, расположенных на высоте 50 см над уровнем поверхности грунта, после согласования электрических параметров (преобразования постоянного тока в переменный инвертором). Расчет установившихся температур в грунте в результате применения предлагаемого способа в условиях города Якутска приведен на фиг. 2: 12 - естественные условия, январь; 13 - естественные условия, июль; 14 - предлагаемый способ, январь; 15 - предлагаемый способ, июль. Результаты этого расчета показывают, что использование предлагаемого способа позволяет сохранять грунт в мерзлом состоянии в течение всего года без внешнего энергоснабжения, в том числе видно снижение температуры на малых глубинах зимой из-за минимизации снежного покрова под ПЭСИ. Оценка стоимости данной реализации предлагаемого способа на единицу площади термостабилизируемой поверхности показывает, что она сопоставима с применением термосифонов.
Если работы по монтажу грунтовых зондов затруднены (например, скальный или крупнообломочный грунт), невозможны или нецелесообразны (например, необходимо сохранить поверхностный лед), запирающий слой может быть создан над поверхностью грунта. Например, для термостабилизации ледника, в отличие от предыдущего примера грунтовые зонды не используют, на выходе из теплового насоса получают охлажденный до температуры минус 10°C воздух, который затем вдувают в зазор между солнечными батареями и поверхностью грунта через проложенные по поверхности грунта воздуховоды. Для ветреных районов, на склонах и в других условиях, связанных с интенсивным переносом воздушных масс, этот способ может оказаться неэффективным. Тогда для создания более эффективного запирающего слоя используют генераторы искусственного снега, распыляющие его вместо охлажденного воздуха в зазоре между поверхностью грунта и солнечными батареями. Таким образом, кроме более интенсивного по сравнению с охлажденным воздухом теплоотвода при плавлении снега, также создается теплоизоляционный слой, уменьшающий конвективный теплоперенос в грунт. При этом снег менее чувствителен к движению воздушных масс, чем охлажденный воздух. Для создания искусственного снега может быть взята как вода из местных водоемов и водотоков, так и атмосферные осадки, собранные с солнечных батарей и других поверхностей сооружений. Обычно собранные осадки требуют меньшей водоподготовки по сравнению с водой из естественных источников, но количество собранных осадков может оказаться недостаточным для производства искусственного снега в количестве, обеспечиваемом энергией, получаемой от солнечных батарей.
В случае если в грунте уже находятся СОУ, ХМ может быть использована для их охлаждения в теплое время года. Например, на конденсационной (надземной) части термосифона располагают змеевиковый теплообменник, позволяющий охлаждать ее в теплое время года, таким образом, продлевая период использования СОУ. При этом в теплое время года целесообразно обеспечить теплоизоляцию надземной части СОУ для уменьшения потерь холодопроизводительности.