УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ГРУНТА ВОКРУГ СВАЙ
DEVICE FOR THERMOSTABILIZATION OF SOIL AROUND PILES

Изобретение относится к строительным теплотехническим сооружениям, возводимым в условиях многолетней мерзлоты.
Известна свайная опора для сооружений, возводимых на вечномёрзлом грунте (патент РФ № 2384671, опубл. 20.03.2010), содержащая частично заглубенный в грунт металлический или железобетонный трубчатый ствол с закрытыми торцами и охлаждающее устройство сезонного действия. В заглубленной части трубчатого ствола размещена емкость с аккумулирующим холод веществом.
Недостатком устройства является то, что в качестве генераторов холода используются охлаждающие устройства сезонного действия, что увеличивает объём буровых работ. Кроме того, не обеспечивается надёжное замораживание грунта в условиях долгосрочного повышения температуры атмосферного воздуха.
Известна свая (Горелик Я.Б., Хабитов А.Х. Об эффективности применения термостабилизаторов при строительстве на многолетнемерзлых грунтах // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика, т. 5, №3, 2019, с. 25-46), внутри корпуса которой установлен испаритель термостабилизатора, при этом оребрённый конденсатор вынесен за пределы корпуса сваи в надземной части.
Недостатком устройства является оребрённый конденсатор, ограничивающий возможности использования сваи в качестве опоры для различных сооружений на вечной мерзлоте. Кроме того, при обустройстве вентилируемого подполья использование оребрённого конденсатора усложняет монтажные работы по устройству ростверка, поскольку конденсатор не имеет защиты от механических воздействий.
Известен способ и устройство для круглогодичного охлаждения, замораживания грунта основания фундамента и теплоснабжения сооружения на вечномерзлом грунте в условиях криолитозоны (патент РФ № 2519012, опубл. 10.06.2014), включающий бурение скважин, охлаждение грунта, обеспчечивающий круглогодичное регулирование охлаждения и замораживания грунта основания фундамента и проведение круглогодичного частичного теплоснабжения сооружения за счет теплоты охлаждаемого и замораживаемого грунта основания фундамента и прилегающих к нему слоев грунта.
Недостатками этого устройства являются высокая вероятность морозного растрескивания грунта и деформации сооружения вследствие высокой разности температур грунта на контакте с термоскважиной и грунта в естественных условиях, сложная процедура монтажа в условиях низких температур, связанная с необходимостью полного сбора установки в месте использования, неремонтопригодность термоскважин, расположенных в основании сооружения, а следовательно, низкая надежность.
Известна свая стальная со встроенным сезонным охлаждающим устройством (патент РФ № 2575383, опубл. 05.02.2015), представляющая собой вытянутое по длине трубчатой формы тело вращения постоянного или переменного сечения, оснащённая сезонным охлаждающим устройством, выполненным в виде заполненной хладагентом стальной трубы диаметром меньшим внутреннего диаметра трубчатой формы тела вращения. При этом стальная труба размещена в полости трубчатой формы тела вращения с плотным примыканием ее частей, относящихся к зонам испарения и конденсации, к внутренней стенке трубчатой формы тела вращения, при этом в зоне испарения и в зоне конденсации стальной трубы трубчатой формы тело вращения заполнено теплопроводящими материалом или жидкостью, или гелем, или отверждаемыми теплопроводящими составами или их смесями.
Недостатком устройства является заполненная теплопроводящим материалом зона конденсации, ограничивающая доступ в пространство сваи и снижающая ремонтопригодность, а также ограниченная диаметром сваи поверхность рассеяния зоны конденсации.
Известна Т-образная тепловая свая для охлаждения грунта (патент РФ № 2256746, опубл. 20.07.2005), содержащая вертикальный железобетонный ствол с горизонтальной опорой, расположенной над поверхностью грунта, как и конденсатор тепловой трубы, выполненной из труб и транспортная зона которой выполнена внутри вертикального железобетонного ствола и соединена вдоль продольной своей оси с испарителем тепловой трубы, выполненным с оребрением.
Недостатком устройства является горизонтальная опора, ограничивающая возможности использования Т-образной тепловой сваи в качестве опоры для различных сооружений на вечной мерзлоте.
Известна свая (авторское свидетельство СССР №742537, опубл. 25.06.1980), включающая заострённый книзу ствол с размещённой в нем продольной арматурой, причём продольная арматура выполнена в виде системы трубчатых элементов, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Трубчатый элемент, расположенный в одной плоскости, выполнен замкнутым и имеет в верхней части выходное отверстие. Трубчатый элемент, расположенный в другой плоскости, выполнен разомкнутым и снабжён в нижней части патрубком с выходными отверстиями, размещёнными в острие ствола, а в верхней – выходным отверстием. При этом ствол в верхней части снабжён сообщающимися с источником тепла и выходными отверстиями трубчатых элементов горизонтальным каналом и подвижным поршнем, расположенным в горизонтальном канале.
Недостатком устройства является использование продольной арматуры с трубчатыми элементами, часть из которых выполнена замкнутыми, а часть – разомкнутыми. Во-первых, такая форма и расположение трубчатых элементов в свае при подаче холодного воздуха может приводить к переносу теплоты верхних оттаявших слоёв грунта к нижним мёрзлым слоям грунта, вызывая его растепление, в связи с чем необходимо охлаждать подаваемый в трубчатые элементы воздух до температуры более низкой, чем температура мёрзлого грунта у острия сваи. Во-вторых, разомкнутое исполнение части трубчатых элементов не позволяет использовать в качестве хладагента незамерзающую жидкость, обладающую лучшими показателями теплоёмкости, чем воздух.
Известна система термостабилизаторов грунта в комбинации с холодильным агрегатом (Колосков Г.В., Ибрагимов Э.В., Гамзаев Р.Г. К вопросу выбора оптимальных систем термостабилизации грунтов при строительстве в криолитозоне / Геотехника, №6, 2015, с. 4-11), включающая парожидкостные термостабилизаторы, состоящие из испарителей, транспортных участков и конденсаторов, при этом в транспортные участки термостабилизаторов установлены дополнительные теплоотводящие элементы, соединённые с холодильной машиной.
Недостатком системы является массивная надземная часть, образованная конденсаторами термостабилизаторов, не позволяющая использовать устройство качестве опоры для различных сооружений на вечной мерзлоте. Другим недостатком является холодильная машина, создающая дополнительную нагрузку на систему электроснабжения.
Известна принудительно вентилируемая свая (Окороков Н.С., Коркишко А.Н., Коржикова А.П. Экспериментальное исследование принудительно вентилируемой сваи / Вестник МГСУ, т. 15, №5, 2020, с. 665-677), предназначенная для термостабилизации грунта путём принудительной вентиляции холодного воздуха холодильной машины по телу сваи, погружённой в грунт.
Недостатком устройства является вентилятор, создающий дополнительную нагрузку на систему электроснабжения, а также снижающий надёжность устройства, работающего в суровых климатических условиях. Другим недостатком является использование в качестве хладагента воздуха, обладающего худшими показателями теплоёмкости по сравнению с незамерзающими жидкостями.
Известен фундамент сооружения (патент РФ  № 2531155, опубл. 16.04.2013), образованный винтовыми сваями, в котором каждая свая включает заостренный снизу и заглушенный сверху ствол. Внутри каждого ствола соосно с ним закреплена труба, нижний торец которой открыт, а верхний торец заглушен, трубы являются испарителем холодильной машины, в состав которой входят также компрессор и теплообменник. В качестве двигателя компрессора используется роторный ветродвигатель с вертикальным валом, кинематически связанный с компрессором.
Недостатком устройства является ветродвигатель, не обеспечивающий непрерывной работы устройства в течение длительного времени и подверженный воздействию неблагоприятных атмосферных воздействий. Другим недостатком является редуктор и электромагнитная тормозная муфта, снижающие коэффициент полезного действия устройства.
Известен фундамент сооружения (патент РФ  № 2531155, опубл. 16.04.2013), принятый за прототип, образованный винтовыми сваями, в котором каждая свая включает заостренный снизу и заглушенный сверху ствол. Внутри каждого ствола соосно с ним закреплена труба, нижний торец которой открыт, а верхний торец заглушен, трубы являются испарителем холодильной машины, в состав которой входят также компрессор и теплообменник. В качестве двигателя компрессора используется роторный ветродвигатель с вертикальным валом, кинематически связанный с компрессором.
Недостатком устройства является ветродвигатель, не обеспечивающий непрерывной работы устройства в течение длительного времени и подверженный воздействию неблагоприятных атмосферных воздействий. Другим недостатком является редуктор и электромагнитная тормозная муфта, снижающие коэффициент полезного действия устройства. Эти недостатки исключены в предлагаемом устройстве.
Техническим результатом является повышение энергоэффективности работы устройства.
.
.
Технический результат достигается тем, что в плите выполнены на равном расстоянии друг от друга отверстия, в которые установлены транспортные участки с охлаждённым теплоносителем и с нагретым теплоносителем, а сверху закреплены устройства подвеса, в верхней части  которых выполнены отверстия в которые установлены с возможностью съема транспортные участки с охлаждённым теплоносителем и с нагретым теплоносителем, транспортный участок с охлаждённым теплоносителем соединен с теплоизолированным транспортным участком с охлаждённым теплоносителем, который выполнен в виде медной трубы, на которой сверху плотно закреплена теплоизолирующая полиуретановая труба, на верхнем и нижнем концах которого установлены фланцы, далее он соединен с трубкой ввода, при этом длина которой зависит от длины термоэлемента и через входной фитинг соединен с термоэлементом, который выполнен в виде змеевика, а через выходной фитинг соединен с теплоизолированным транспортным участком с нагретым теплоносителем, который выполнен в виде медной трубы, на которой сверху плотно закреплена теплоизолирующая полиуретановая труба, на верхнем и нижнем концах которого установлены фланцы, далее он соединен через переходники с транспортным участком с нагретым теплоносителем, и со шлангом с нагретым теплоносителем, который выполнен из эластичного материала, соединен последовательно через переходники с магистралью с нагретым теплоносителем с коллектором нагретого теплоносителя  и через трубку с нагретым теплоносителем со входом холодильной машины. Дополнительныепереходники установлены внизу транспортных участков с охлаждённым теплоносителем и с нагретым теплоносителем с возможностью закрепления в них дополнительных транспортных участков. Дополнительные переходники установлены внизу трубки ввода с возможностью закрепления в них дополнительных трубок ввода Дополнительные переходники установлены внизу термоэлемента с возможностью закрепления в них дополнительных термоэлементов
Устройство термостабилизации грунта вокруг свай поясняется следующей фигурой:
фиг. 1 – устройство термостабилизации грунта вокруг свай, где
1 – свая;
2 – плита;
3 – термоэлемент;
4 – транспортный участок с охлаждённым теплоносителем;
5 – транспортный участок с нагретым теплоносителем;
6 – шланг с охлаждённым теплоносителем;
7 – шланг с нагретым теплоносителем;
8 – холодильная машина;
9 – коллектор охлаждённого теплоносителя;
10 – коллектор нагретого теплоносителя;
11 – трубка с охлаждённым теплоносителем;
12 – трубка с нагретым теплоносителем;
13 – магистраль с охлаждённым теплоносителем;
14 – магистраль с нагретым теплоносителем;
15 – трубка ввода;
16 – устройство подвеса;
17 – выходной фитинг;
18 – входной фитинг;
19 – теплоизолированный транспортный участок с охлаждённым теплоносителем;
20 – теплоизолированный транспортный участок с нагретым теплоносителем.
Устройство термостабилизации грунта вокруг свай содержит сваи 1 (фиг. 1), заглубленные в грунт и образующие свайное поле, сверху  закреплена плита 2, на которой установлена холодильная машина 8. Холодильная машина 8 соединена через трубку с охлаждённым теплоносителем 11 с коллектором охлаждённого теплоносителя 9, который через магистраль с охлаждённым теплоносителем 13 соединен через переходник со шлангом с охлаждённым теплоносителем 6, который выполнен из эластичного материала. Шланг с охлаждённым теплоносителем 6 соединен с транспортным участком с охлаждённым теплоносителем 4 через переходник. Все транспортные участки изготовлены из меди. Установка дополнительных переходников внизу транспортного участка с охлаждённым теплоносителем 4 и увеличение его длины за счет установки дополнительных транспортных участков с охлаждённым теплоносителем 4 обеспечивает увеличение длины погружения термоэлемента 3. Устройство подвеса 16 выполнено с отверстиями в его верхней части, в которые установлены транспортный участок с охлаждённым теплоносителем 4 и транспортный участок с нагретым теплоносителем 5 и закреплены с возможностью съема. В плите 2 выполнены на равном расстоянии друг от друга отверстия, в которые установлены транспортный участок с охлаждённым теплоносителем 4 и транспортный участок с нагретым теплоносителем 5, а сверху закреплены устройства подвеса 16. Транспортный участок с охлаждённым теплоносителем 4 соединен с теплоизолированным транспортным участком с охлаждённым теплоносителем 19. Теплоизолированный транспортный участок с охлаждённым теплоносителем 19 выполнен в виде медной трубы, на которой сверху плотно закреплена теплоизолирующая полиуретановая труба с толщиной стенки не менее 50 мм. На верхнем и нижнем концах теплоизолированного транспортного участка с охлаждённым теплоносителем 19 установлены фланцы (на фигуре не показаны). Транспортный участок с охлаждённым теплоносителем 19 соединен с трубкой ввода 15, длина которой зависит от длины термоэлемента 3 и через входной фитинг 18 соединена с термоэлементом 3, который выполнен в виде змеевика. Установка дополнительных переходников внизу трубки ввода 15 и увеличение его длины за счет установки дополнительных трубок ввода 15 обеспечивает увеличение зоны термического воздействия на грунт. Термоэлемент 3 через выходной фитинг 17 соединен с теплоизолированным транспортным участком с нагретым теплоносителем 20. Установка дополнительных переходников внизу термоэлемента 3 и увеличение его длины за счет установки дополнительных термоэлементов 3 обеспечивает увеличение зоны термического воздействия на грунт. Теплоизолированный транспортный участок с нагретым теплоносителем 20 выполнен в виде медной трубы, на которой сверху плотно закреплена теплоизолирующая полиуретановая труба с толщиной стенки не менее 50 мм. На верхнем и нижнем концах теплоизолированного транспортного участка с нагретым теплоносителем 20 установлены фланцы (на фигуре не показаны). Теплоизолированный транспортный участок с нагретым теплоносителем 20 соединен через переходники с транспортным участком с нагретым теплоносителем 5, и со шлангом с нагретым теплоносителем 7, который выполнен из эластичного материала. Установка дополнительных переходников внизу транспортного участка с нагретым теплоносителем 5 и увеличение его длины за счет установки дополнительных транспортных участков с нагретым теплоносителем 5 обеспечивает увеличение длины погружения термоэлемента 3. Шланг с нагретым теплоносителем 7 последовательно соединен через переходники с магистралью с нагретым теплоносителем 14 с коллектором нагретого теплоносителя 10 и через трубку с нагретым теплоносителем 12 со входом холодильной машины 8.
Охлаждённый теплоноситель с выхода холодильной машины 8 поступает по трубке с охлаждённым теплоносителем 11 на вход коллектора охлаждённого теплоносителя 9, в котором распределяется по магистралям с охлаждённым теплоносителем 13. Затем охлаждённый теплоноситель поступает последовательно в шланг с охлаждённым теплоносителем 6, выполненным из эластичного материала, транспортные участки с охлаждённым теплоносителем 4 с возможностью увеличения дины за счет установки дополнительных транспортных участков с охлаждённым теплоносителем 4 для увеличения глубины погружения термоэлемента 3, теплоизолированный транспортный участок с охлаждённым теплоносителем 19 и трубку ввода 15 с возможностью установки в нижней части дополнительных трубок ввода 15 для увеличения зоны термического воздействия на грунт. Затем охлаждённый теплоноситель поступает через выходной фитинг 18 на вход термоэлемента 3 с возможностью увеличения его длины за счет установки дополнительных термоэлементов 3 с целью увеличения зоны термического воздействия на грунт, который установлен внутри сваи 1 на глубине, зависящей от зоны растепления грунта. С выхода термоэлемента 3 через входной фитинг 17 теплоноситель поступает последовательно на теплоизолированный транспортный участок с нагретым теплоносителем 20, транспортные участки с нагретым теплоносителем 5 с возможностью увеличения дины за счет установки дополнительных транспортных участков с нагретым теплоносителем 5 для увеличения глубины погружения термоэлемента 3, шланг с нагретым теплоносителем 7, выполненным из эластичного материала,  и магистраль с нагретым теплоносителем 14. Затем нагретый теплоноситель поступает в коллектор нагретого теплоносителя 10, с выхода которого через трубку с нагретым теплоносителем 12 теплоноситель подаётся на вход холодильной машины 8.
Управляемость процесса заморозки грунта обеспечивается как регулированием подачи теплоносителя холодильной машиной 8, так и регулированием глубины опускания термоэлемента 3 внутри сваи 1. При увеличении глубины опускания термоэлементов 3 последовательно устанавливают дополнительные транспортные участки с охлаждённым теплоносителем 4, аналогично последовательно устанавливают  дополнительные транспортные участки с нагретым теплоносителем 5. Для закрепления термоэлемента 3 на плите 2 установлено устройство подвеса 16, которое фиксирует транспортный участок с охлаждённым теплоносителем 4 и транспортный участок с нагретым теплоносителем 5. Фиксация в устройстве подвеса 16 может осуществляться путём зажима винтами.
При необходимости увеличения зоны термического воздействия на грунт термоэлементов внутри каждой сваи 1 может использоваться несколько термоэлементов 3, установленных последовательно, при этом последовательно устанавливают несколько трубок ввода 15. В качестве холодильной машины 8 может быть использована абсорбционная холодильная машина, работающая за счёт избытков тепловой энергии от оборудования, размещённого на плите 2, или компрессорная холодильная машина.