СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Полезная модель относится к области строительства инженерных сооружений в районах с распространением вечномерзлых грунтов.
Известно устройство для аккумуляции холода в основании сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах, содержащее трубу, закрытую с двух сторон, заполненную рабочей средой, например, керосином, осуществляющее в зимнее время теплообмен между наружным воздухом и грунтом. Охлаждающий эффект устройства на основание создается в холодный период года за счет разницы между температурой грунта и атмосферного воздуха (А.с. СССР №198245, опубл. Б.И. №13, 1967 г.).
Недостатком его является то, что оно может быть применено только для сравнительно узких сооружений, когда возможно какое-то взаимопонимание рядов термосифонов, установленных с
противоположных сторон. Кроме того, долговечность термосифонов значительно меньше расчетного срока службы сооружения, а замена термосифонов весьма трудоемка и сложна.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой является система охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений, называемая «проветриваемое подполье». Система включает в себя аккумуляционную часть (открытое воздушное пространство, граничащее с сооружением, камеру-охладитель (пространство между низом сооружения и поверхностью земли) и расположенные на входе и выходе подполья вытяжной и перепускной каналы.
Система охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений выполнена из комплекса смежных охлаждающих подсистем. Каждая из охлаждающих подсистем может работать автономно или в связке друг с другом. Эти подсистемы могут иметь различные мощность и конструктивное исполнение (возможны варианты). Количество подсистем (может быть одна и более) и их особенности определяются особенностями инженерного сооружения, грунты оснований которого охлаждаются: это может быть отдельное здание или целый квартал вместе со вспомогательными постройками, гаражами и т.п. (Велли Ю.Я., Докучаев В.В., Федоров Н.Ф. Здания и сооружения на Крайнем Севере, М. - Л., Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1963, с.321-324).
Недостатки проветриваемого подполья:
- при широких сооружениях (100 м и более) эффективность проветриваемого подполья снижается;
- проветриваемое подполье исключает возможность устройства подземных помещений (гаражей, подвалов и др.).
Задача предлагаемой полезной модели состояла в создании долговечной охлаждающей системы вечномерзлых грунтов оснований сооружений, позволяющей устраивать подземные помещения и применять ее при широких сооружениях (100 м и более).
0
A
Для достижения указанного технического результата в системе охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений, включающей комплекс смежных охлаждающих подсистем, каждая из которых содержит аккумуляционную часть, камеру-охладитель, расположенную под инженерным сооружением, перепускной и вытяжной каналы, аккумуляционная часть и камера-охладитель выполнены в виде замкнутых камер, содержащих непроницаемые оболочки и полости в них, при этом аккумуляционная часть граничит с наружным воздухом, а камера-охладитель расположена ниже аккумуляционной части и соединена с последней вытяжным и перепускным каналами, при этом вытяжной канал соединен с верхней частью, а перепускной - с нижней частью полости камеры-охладителя, причем площадь F поверхности в плане камеры-охладителя определяется площадью самого сооружения, а площадь F камеры аккумуляционной части, граничащей с наружным воздухом, определяют по формуле:
з
2
где q - суммарный приток тепла в камеру-охладитель в зимний период, ккал/(м·час);
В, з
2
q - количество тепла, проходящее через стенку камеры аккумуляционной части, ккал/(м·час).
Кроме того, на боковой поверхности стенок вытяжных каналов может быть выполнена теплоизоляция.
Вытяжной и перепускной каналы каждой из подсистем могут быть в плане расположены с противоположных сторон. Между низом инженерного сооружения и верхом камеры-охладителя может быть размещен слой теплоизоляции. Камеры-охладители смежных подсистем могут быть выполнены с единой полостью и с несущими вертикальную нагрузку перегородками, имеющими отверстия в верхней и нижней части перегородок.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами,
где на фиг.1 изображена предлагаемая охлаждающая система - сечение А-А на фиг.2;
на фиг.2 - сечение Б-Б на фиг.1.
Охлаждающая подсистема содержит аккумуляционную часть 1, камеру-охладитель 2, вытяжной 3 и перепускной 4 каналы. Аккумуляционная часть 1 граничит с наружным воздухом. Камера-охладитель 2 расположена под зданием 5 и подземными помещениями 6, которые содержат пол 7, перекрытие 8 и несущие продольные и поперечные стенки 9.
k
k
Камера-охладитель 2 содержит пол 10, перекрытие 11, продольные и поперечные стенки 12. Стенки 12 могут быть непроницаемыми. Тогда каждая охлаждающая подсистема работает автономно. Они могут иметь в верхней и нижней части отверстия 13 и 14. Тогда охлаждающие подсистемы работают совместно. Над перекрытием 8 может быть расположен слой грунта 15, а пол 10 камеры-охладителя расположен на вечномерзлых грунтах оснований 16. Высоту h камеры-охладителя целесообразно делать такой, чтобы образовывался естественный перепад температур воздуха по высоте. Из практики следует, что высота h для выполнения вышеуказанного условия должна быть не менее 1.5-2.0 м. При этом вытяжной канал 3 соединен с верхней частью полости камеры-охладителя, а перепускной канал - с нижней частью полости. Вытяжной
канал 3 целесообразно покрыть теплоизоляцией 17. Между полом 7 подземного помещения 6 и перекрытием 11 камеры-охладителя 2 целесообразно устройство слоя теплоизоляции 18.
0, i
0
Размеры в плане i-той подсистемы определяются площадью F, при этом общая площадь F системы определяется
где n - количество подсистем.
i
i
0, i
i
i
i
Возможно каждую подсистему отделить стенками-перегородками 12 с расстоянием между ними в, с при этом F=в·с. Значение расстояния а между вытяжным и перепускным каналами должно как можно больше приближаться к значению расстояния между противоположными сторонами i-той подсистемы.
Система охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений работает следующим образом. В камере аккумуляционной части 1 воздух за счет теплообмена через стенки камеры с наружным воздухом охлаждается в зимний период и через перепускной канал 4 поступает в камеру-охладитель 2. Движение воздуха происходит за счет разности удельного веса холодного и теплого воздуха, поэтому охлажденный в камере аккумуляционной части воздух поступает вниз, в камеру-охладитель 2, вытесняя при этом нагретый воздух через вытяжной канал 3 обратно в камеру аккумуляционной части 1. В камере-охладителе холод передается в нижележащий грунт (или тепловые потоки из грунта поступают в воздух камеры-охладителя, нагревая его), при этом воздух нагревается. Чем больше перепад температур в системе, тем интенсивнее идет теплообмен, поэтому вытяжной канал целесообразно покрыть слоем теплоизоляции 17, чтобы воздух в канале не охладился, не дойдя до
камеры аккумуляционной части 1. Это необходимо для увеличения разности температур воздуха в каналах 3 и 4. В летний период конвекция прекращается, поскольку в канале аккумуляционной части 1 температура воздуха выше, чем в камере-охладителе 2. Таким образом, в зимний период холод поступает в камеру охладитель, а летом тепло не поступает, что обеспечивает суммарный за год отрицательный баланс и, следовательно, охлаждение грунтов оснований.
Основные параметры охлаждающей системы определяют из следующих соображений.
0
с, з
гp, з
з
2
В камеру-охладитель общей площадью F (м) в плане в зимний (холодный) период года поступает часовой приток тепла сверху (из сооружения), равный -q и приток тепла снизу (из охлаждаемого грунта), равный -q. Суммарный приток тепла в зимний период q равен
с, л
гр, л
л
В летний период в камеру-охладитель поступает тепло сверху, равное -q, но уходит вниз, нагревая грунт, при этом оно равно +q. Суммарный приток тепла в летний период q равен
с, л
c, з
В выражениях (1) и (2) составляющие q и q требуют компенсации за счет увеличения мощности аккумуляционной части. Поэтому они должны быть как можно больше снижены за счет устройства теплоизоляции 18. Другими словами, всегда решается вопрос: либо увеличить мощность аккумуляционной части, либо уменьшить теплопотери устройством теплоизоляции.
гр, год
Для обеспечения охлаждения грунтов необходимо, чтобы годовой тепловой баланс Q притока и оттока тепла в грунт был отрицательным:
з
л
где τ и τ - длительность в часах соответственно зимнего и летнего периодов.
возд, з
В зимний период аккумуляционная часть должна обеспечить аккумуляцию холода Q, равную (в соответствии с выражением (1))
В, з
A
2
За счет теплообмена с наружным воздухом в камеру аккумуляционной части поступает через квадратный метр поверхности, граничащей с воздухом, количество холода (отток тепла), равное q, (ккал/(м·час), а через всю поверхность F камеры количество холода, равное
A
Из равенства (4) и (5) следует, что площадь F камеры аккумуляционной части будет равна
з
В, з
Величины q, q и др. находят в результате проведения теплофизических расчетов на основе обычных требований и исходных данных: необходимой степени охлаждения (замораживания) грунтов,
0
A
A
0
0
A
2
2
свойств грунтов, теплового влияния сооружения и др. Размеры (F) в плане камеры-охладителя определяются размерами сооружения и теплофизическими расчетами. Площадь F поверхности камеры аккумуляционной части определяют из формулы (6). В связи с тем, что теплообмен через стенки камеры аккумуляционной части примерно в 10-50 раз интенсивнее, чем между воздухом камеры-охладителя и подстилающим грунтом, площадь F меньше площади F также в 10-50 раз. Например, при площади F=100 м ×120 м=12000 м было получено требуемое значение площади F=400 м.
Площадь поперечного сечения вытяжного и перепускного каналов подбирается из конструктивных соображений: имеющихся в наличии диаметров труб и т.п. Однако здесь должно быть соблюдено условие, характеризующее допустимую скорость движения воздуха по каналам. При скорости движения воздуха порядка более 0,5 м/сек возможно образование «пробок», препятствующих нормальному обмену воздуха между камерой-охладителем и камерой аккумуляционной части. Расход V воздуха будет определяться по формуле:
возд
где Q - определяется по формуле (5), ккал/час;
B
3
С - объемная теплоемкость воздуха, ккал/(м·град);
Δt - перепад температур между воздухом камеры-охладителя и камеры аккумуляционной части, град.
Предлагаемая система охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений может быть применена для широких сооружений с подземными помещениями (подвалами, гаражами и т.п.) и
эффективно использоваться как в отдельном здании, так и в целом квартале вместе со вспомогательными постройками.