Способ термостабилизации грунта за счет круглогодичного регулирования теплопередачи
SOIL THERMAL STABILIZATION METHOD DUE TO YEAR-ROUND REGULATION OF HEAT TRANSFER

Область техники
Изобретение относится к области строительства, а именно к устройствам для термостабилизации посредством изменения условий теплообмена поверхности грунта (в том числе поверхностного льда) с окружающим воздухом: в теплое время теплоизоляционный слой лежит на поверхности грунта, препятствуя его нагреванию, а в холодное время – поднимается выше локальной глубины снежного покрова, способствуя лучшему охлаждению.
Уровень техники
Способы термостабилизации многолетнемерзлых грунтов можно разделить на следующие основные группы:
1) пассивные (экранирование солнечного излучения, естественной конвекции, жидких атмосферных осадков);
2) активные (использующие холодильные машины и охлаждающие устройства);
В свою очередь, активные способы делятся на:
а) не требующие энергоснабжения, например, сезоннодействующие устройства (СОУ – термосифоны, тепловые трубы, воздуховоды для выноса тепла);
б) требующие энергоснабжения, например, вентиляторы и холодильные машины (тепловые насосы, тепловые трансформаторы, вихревые холодильники).
В последнее время все более широкое применение находят комбинированные способы, сочетающие активные и пассивные (например, горизонтальные естественнодействующие трубчатые (ГЕТ) системы с теплоизоляцией поверхности грунта). Во многом необходимость развития способов термостабилизации обусловлена изменением климата – повышением среднегодовой температуры воздуха, увеличением количества осадков.
Известен аналог – установка экранов на откосах дорожной насыпи (патент CN 202 850 037 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. Также грунт лучше промораживается зимой, поскольку под экранами не накапливается снег, являющийся природным теплоизолятором.
Недостатком является то, что остается не скомпенсированным тепловой поток за счет естественной конвекции летом, величина которого может быть значительной.
Известен аналог – дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах, на откосах которой уложена теплоизоляция (патент RU 2 324 032 С1, МПК E02D 17/18, опубликовано 10.05.2008). Преимуществом данного способа является простота и дешевизна реализации. Однако эффект от этого пассивного способа не всегда достаточен, поскольку он способствует подавлению теплообмена не только летом, но и зимой. Таким образом, значительно уменьшается годовая амплитуда колебаний температуры приповерхностного слоя грунта, но в результате нередко может наблюдаться и положительный дрейф среднегодовой температуры (например, в областях островного распространения вечной мерзлоты).
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 2 387 937 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.
Таким образом, общим недостатком конвективных систем является возможность работы лишь в холодное время года и замораживание толщи грунта, когда на самом деле требуются предотвращение подвода и 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.
Известен основной аналог – способ термостабилизации многолетнемерзлых грунтов, включающий экранирование грунта от солнечной радиации и атмосферных осадков путем установки над поверхностью термостабилизируемого участка грунта на высоте не менее локальной глубины снежного покрова преобразователей энергии солнечного излучения (ПЭСИ), создание запирающего проникновение тепла в грунт слоя охлаждением приповерхностного слоя грунта с использованием холодильной машины, питание которой полностью или частично осуществляют энергией, вырабатываемой ПЭСИ, путем отвода тепла грунтовыми зондами, расположенными в слое грунта не более глубины его естественного оттаивания, или распыления в зазор между поверхностью грунта и ПЭСИ охлажденного газа или искусственного снега (патент RU 2 748 086 C1, МПК E02D 3/115; E01C 3/06; F25B 27/02, опубликовано 19.05.2021). Преимуществом этого способа является предотвращение проникновения тепла вглубь грунта в теплое время года и создание лучших условий для промораживания в холодное время за счет предотвращения накопления снега под ПЭСИ. Недостатками этого способа являются техническая сложность и высокая стоимость реализации.
Главной особенностью предлагаемого авторами способа является круглогодичное управление теплопередачей между поверхностью защищаемого грунта и окружающей средой за счет максимального экранирования грунта от подвода тепла (излучением, естественной конвекцией, выпадением жидких осадков) из окружающей среды в теплое время года и улучшения условий для теплоотвода в холодное время года (предотвращая снегонакопление). При этом не требуется применения такой сложной и дорогостоящей техники как холодильные машины и системы их энергообеспечения. Управление теплопередачей осуществляется перемещением теплоизолирующего слоя. Предлагаемый способ может быть использован на участках с уже существующими системами термостабилизации (чаще всего, термосифонами) – уменьшая тепловую нагрузку на грунт летом, увеличивая и делая более равномерным теплоотвод из грунта зимой.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков аналогов, а именно: недостаточного уменьшения теплового потока в грунт в теплое время года; уменьшения возможностей для естественного охлаждения грунта в холодное время года; 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, конвекции и атмосферных осадков в теплое время года, когда теплоизоляция находится на поверхности грунта; интенсификации конвективного теплоотвода в холодное время года за счет уменьшения высоты снежного покрова под экраном, когда теплоизоляция поднимается над поверхностью грунта выше локального снежного покрова. Таким образом, эффект от использования предлагаемого способа достигается за счет уменьшения нежелательного поступления тепла в грунт и интенсификации естественного теплоотвода из него (в некоторых случаях с использованием вентиляторов может быть организована вынужденная конвекция под экраном в холодное время года). Предлагаемый способ значительно меньше зависит от изменений климата, чем СОУ (более мягкие зимы, рост количества жидких атмосферных осадков), солнце-осадкозащитные навесы (более жаркое лето) и стационарные теплоизоляционные покрытия (рост среднегодовой температуры воздуха и грунта, высоты снежного покрова).
Перечень чертежей
На фиг. 1 представлена схема тепловых потоков в холодное время года: справа – в естественных условиях, слева – при реализации предлагаемого способа.
На фиг. 2 представлена схема тепловых потоков в теплое время года: справа – в естественных условиях, слева – при реализации предлагаемого способа.
На фиг. 3 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 в холодное время года (когда температура воздуха ниже температуры поверхности грунта) в естественных условиях фиг. 1 (слева) тепловой поток 5 от поверхности грунта 1 отводится естественной конвекцией 4, величина теплового потока 5 ограничивается наличием снежного покрова 3, который работает как естественный теплоизоляционный материал. При использовании предлагаемого способа в холодное время года фиг. 1 (справа) теплоизоляционный материал 2 поднят над поверхностью грунта 1 выше снежного покрова 3; отсутствие снега под навесом из теплоизоляционного материала 2 позволяет максимально использовать конвекцию 4 (естественную или принудительную) для охлаждения поверхности грунта 1.
На схеме тепловых потоков при реализации предлагаемого способа в теплое время года (когда температура воздуха выше температуры поверхности грунта) в естественных условиях фиг. 2 (слева) тепловой поток 5 поступает в грунт 1 в результате естественной конвекции 4, воздействия жидких атмосферных осадков 6 и поглощения солнечного излучения 7. При использовании предлагаемого способа в теплое время года фиг. 2 (справа) теплоизоляционный материал 2 лежит на поверхности грунта 1, ограничивая теплопередачу конвекцией 4 и излучением 7 (в том числе из-за меньшего по сравнению с грунтом коэффициента поглощения), способствуя отведению жидких атмосферных осадков 6 за пределы защищаемой поверхности грунта.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает хорошие условия для охлаждения грунта в холодное время года и уменьшает его нагрев в теплое время года. Что и следует из результатов численного моделирования (выполнено для условия Якутска), представленных на фиг. 3 для естественных условий в марте 8 и сентябре 9, в первый год применения предлагаемого способа (начато в сентябре предыдущего года) в марте 10 и сентябре 11, через пять лет после применения предлагаемого способа в марте 12 и сентябре 13.
Поднятие теплоизоляционного слоя и его опускание на поверхность грунта может осуществляться как вручную, так и автоматически с использованием различных механизмов, тросовых (например, по патенту RU 2 138 437 С1, МПК B66B11/08, опубликован 27.09.1999), пневматических (например, по патенту RU 2 334 634 С1, МПК B60S9/12, B66F3/24, опубликован 27.09.2008) и гидравлических (например, по патенту RU 2 620 570 С1, МПК B66F3/24, B66F11/100, B66F1/08, опубликован 26.05.2017) подъемников. Сам теплоизоляционный слой может быть как жестким, так и нежестким (например, надувным или засыпным). При наличии на защищаемом участке термосифонов, целесообразно рассмотреть возможность их использования в качестве элементов системы перемещения теплоизоляционного слоя. Перемещение теплоизоляционного слоя допустимо проводить постепенно в течение промежутка времени до 10 дней. Начинать перемещение целесообразно, используя данные о температуре грунта под теплоизоляционным слоем и воздуха. Энергию для питания привода перемещающего механизма целесообразно получать от возобновляемых источников. В поднятом состоянии теплоизоляционный материал может быть ориентирован не параллельно поверхности грунта, если это обеспечивает условие отсутствия снегонакопления и циркуляции воздуха под ним. В опущенном состоянии теплоизоляционный материал не обязательно должен касаться грунта – принципиальным условием является минимизация тепловых потоков в грунт.
Пример реализации
Листы из экструдированного пенополистирола толщиной 50 мм закрепляют на основании из материала с низкой теплопроводностью. Конструкция основания обеспечивает механическую прочность при снеговых и ветровых нагрузках, удержание плит теплоизолирующего материала, высокое термическое сопротивление теплообмену между нижней и верхней поверхностями. Таким условиям отвечает, например, деревянный каркасный короб, размеры которого определяются удобством монтажа и перевозки (1,2х1,8 м). Каркасные короба объединяют в более крупные секции для сокращения числа приводов и элементов механизма перемещения теплоизоляционного слоя. С верхней стороны секции покрывают стойким к внешним воздействиям материалом – светлым металлическим профлистом. Для эффективного отвода жидких осадков верхнюю поверхность секций располагают под наклоном к горизонту не менее 2 см на 1 м. В поднятом положении нижняя поверхность секций находится на высоте 1 м над поверхностью грунта. Для подъема используют винтовые домкраты с электроприводом. Для питания привода механизма перемещения теплоизолирующей конструкции и иных целей энергоснабжения на необходимой по площади поверхности поверх профлиста размещают фотоэлектрические преобразователи (солнечные батареи). Привод подъемного механизма включают, когда устойчиво (в среднем за 5 дней) изменяется направление теплообмена между атмосферой и грунтом (определяют по показаниям датчиков температуры поверхности грунта Тг под теплоизоляционным слоем и воздуха над ним Tв), привод включают по мере доступности энергии от системы энергоснабжения до тех пор, пока секции теплоизоляционного слоя не достигнут соответствующего крайнего положения (верхнего для Тг>Tв или нижнего для Тг<Tв). Для предотвращения блокирования свободной циркуляции воздуха под теплоизолирующим слоем вследствие метелевого переноса, отбрасывания снега при очистке прилегающей местности сооружают специальные экраны из фанеры, перенаправляющие потоки снега выше теплоизолирующего слоя.