СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КРУГЛОГОДИЧНЫХ ОХЛАЖДЕНИЯ, ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТА ОСНОВАНИЯ ФУНДАМЕНТА И ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ СООРУЖЕНИЯ НА ВЕЧНОМЕРЗЛОМ ГРУНТЕ В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ
METHOD AND DEVICE FOR YEAR-ROUND COOLING, FREEZING OF GROUND AT FOUNDATION BASE AND FOR HEAT SUPPLY OF STRUCTURE ON PERMAFROST GROUND IN CRYOLYTIC ZONE

Изобретение относится к устройствам регулируемой температурной стабилизации, охлаждения и замораживания грунта основания фундаментов, а также теплоснабжения сооружений на вечномерзлых грунтах (в условиях криолитозоны).
При промышленном и гражданском строительстве зданий в вечномерзлых грунтах происходит изменение температурного поля оснований сооружений, так как под тепловым действием сооружений образуются чаши оттаивания, что приводит к осадке здания. Основная задача возведения фундамента на вечномерзлом грунте - сохранение мерзлого состояния грунта, при котором он обладает высокой несущей способностью.
Известно много методов и устройств стабилизации и замораживания оснований сооружений на вечномерзлых грунтах, получено много патентов на такие способы и устройства. Однако ни одно из них не гарантирует круглогодичного замораживания грунта по всей глубине скважины и не содержит дополнительной функции теплоснабжения за счет теплоты охлаждения вечномерзлого грунта.
Известен способ повышения устойчивости свайных фундаментов в криолитозоне, включающий размещение теплоизоляционного экрана на поверхности грунтового основания и расчет необходимых его параметров (патент РФ № 2159308, опубл. 20 ноября 2000). Теплоизоляционный экран размещают на поверхности и внутри грунтового основания, его размеры, геометрическую конфигурацию, а также теплофизические свойства материала, имеющие пространственную анизотропию, определяют из условий совпадения проектируемого температурного поля, обеспечивающего устойчивость сооружения в течение всего периода эксплуатации, и расчетного температурного поля, полученного путем решения методом конечных разностей нестационарного двумерного неоднородного уравнения теплопроводности в прямоугольных координатах для анизотропной среды с наличием в ней подвижной границы раздела фаз и представляющей собой инженерно-геологический разрез грунтов основания, вмещающего проектируемый теплоизоляционный экран, и прилегающие слои грунта.
Недостатками этого способа являются необходимость большого количества теплоизоляционного материала и связанного с этим большого объема грунтовых работ, а также вероятность несовпадения расчетных и фактических значений температурных полей и невозможности последующей регулировки температурного режима свайных фундаментов.
Известно устройство для охлаждения грунта, предлагаемое для повышения интенсивности и снижения продолжительности процесса охлаждения грунта, а также выполнения охлаждения грунта с регулируемым процессом (патент РФ № 2110647, опубл. 10 мая 1998). Устройство содержит установленную в грунтовую скважину обсадную трубу с размещенной в ней внутренней трубой, соединенной воздуховодом с всасывающим или напорным патрубком вентилятора. Внутрь обсадной трубы вставлена трубка, сообщающаяся с окружающей воздушной средой или с воздуховодом и имеющая возможность продольного перемещения внутри обсадной трубы. Трубка выполнена из материала с низкой теплопроводностью или имеет покрытие из теплонепроводящего материала. Внутренняя труба на конце имеет эжектирующую насадку, а на боковой поверхности имеет винтовое ребро и отверстия диаметром 0,08-0,12 D. Последние расположены в нижней части трубы с шагом по длине 30-50 D, где D - внутренний диаметр трубы.
Недостатком этого устройства является зависимость от температуры окружающей воздушной среды, от неопределенности положения подвижной трубки, низкий коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней поверхности обсадной трубы.
Известно устройство для стабилизации пластично-мерзлых грунтов с круглогодичным режимом работы для аккумуляции холода в основании сооружений, включающее подземную и надземную части трубчатого герметичного корпуса, заполненного хладагентом, подземная часть которого является испарителем, а надземная - конденсатором, снабженным полкой, имеющей расположенные на ее поверхности термоэлектрические модули в виде батареи элементов Пельтье (заявка на изобретение № 2009114953, опубл. 27 октября, 2010). Данное устройство снабжено тепловой трубой, один конец которой, имеющий полку, присоединен к горячей поверхности термоэлектрических модулей, а другой конец, являющийся зоной конденсации, имеет ребристую поверхность, причем ось зоны конденсации расположена под углом φ наклона к горизонту и, как вариант, имеет полку, на которой размещены радиаторы с установленными на них вентиляторами.
Недостатком данного устройства является энергозатратность и возможность обледенения ребристой поверхности конденсатора.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является тепловая свая (патент РФ №2250302, опубл. 20.04.2005). Тепловые сваи устанавливаются в вечную мерзлоту в зимнее время путем просверливания в ней с помощью буровой установки колодцев. Затем сваи выставляют и закрепляют между собой, после чего в зазоры колодцев заливают воду, которая замерзает и жестко связывает всю конструкцию в вечной мерзлоте. Замерзанию залитой воды в зазоры колодцев в вечной мерзлоте способствует также работа тепловой трубы, когда температура окружающего воздуха ниже температуры вечной мерзлоты. При этом начинается охлаждение грунта вокруг испарителей до температуры, практически равной температуре окружающего воздуха. Свая Т-образной формы с металлическим пластинчатым оребрением конденсаторов, выполненным одновременно с элементами горизонтальной части сваи, позволившая не только обеспечить достаточно развитую внешнюю поверхность для интенсивного охлаждения конденсаторов в зимнее время, но и обеспечить прочность тепловой трубы, соединенной с тепловой сваей. Если тепловая свая металлическая, то тепловая труба может просто привариваться к стальному стволу и к металлическому оребрению. В случае не очень больших нагрузок сама тепловая труба может служить одновременно сваей. Для более мощных сооружений, для строительства зданий, дорог и т.п. целесообразно тепловые сваи делать железобетонными, при этом тепловая труба служит частью металлической арматуры. Изобретению присвоены золотая медаль и диплом на Всемирной выставке новшеств, исследований и новых технологий в Брюсселе «Еврика-2003».
Недостатком тепловой сваи-прототипа является пассивность системы терморегулирования с помощью тепловой трубы, зависимость от температуры окружающей среды, не используется теплота конденсации.
Кроме отмеченных, общим недостатком всех аналогов и других конструкций укрепления основания фундаментов в условиях криолитозоны является отсутствие системы теплоснабжения сооружений за счет теплоты охлаждаемого или замораживаемого вечномерзлого грунта.
Задачей предлагаемого изобретения является гарантированное круглогодичное регулируемое обеспечение замороженного состояния грунта основания фундамента сооружения по всей глубине скважины, а также одновременное обеспечение частичного, до половины, покрытия тепловой нагрузки сооружения с коэффициентом преобразования теплового насоса больше единицы за счет теплоты охлаждения и замораживания вечномерзлого и прилегающих к нему слоев грунта основания.
В результате использования данного изобретения будет обеспечено круглогодичное устойчивое состояние фундамента сооружения за счет постоянно замораживаемого основания, исключающего оттаивание грунта, а также покрытие частичной, до половины расчетного значения, тепловой нагрузки за счет теплоты охлаждения и замораживания грунта с повышением температуры в подающей линии тепловым насосом, например, до +35°С, с последующим догревом до нормативной.
Вышеуказанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе круглогодичного охлаждения, замораживания грунта основания фундамента и теплоснабжения сооружения на вечномерзлом грунте в условиях криолитозоны, включающем бурение скважин, охлаждение грунта, круглогодично регулируют охлаждение и замораживание грунта основания фундамента и проводят круглогодичное частичное теплоснабжение сооружения за счет теплоты охлаждаемого и замораживаемого грунта основания фундамента и прилегающих к нему слоев грунта, при этом образуют первичный контур с низкотемпературным теплоносителем теплового насоса, в котором рабочее тело имеет температуру кипения ниже на 10-30°С минимальной температуры теплоносителя первичного контура, тепловой насос располагают внутри сооружения и осуществляют теплоснабжение с коэффициентом преобразования больше единицы 1-3, причем теплоноситель первичного контура теплового насоса имеет температуру замерзания ниже минимальной температуры окружающего воздуха места сооружения до -60°С, а температура испарения рабочего тела вторичного контура выше нижнего предела его рабочего диапазона температур до -75°С, при этом термоскважину устанавливают в центре основания сооружения с несущими сваями по периферии или, будучи разделенной на менее мощные, термоскважины устанавливают по его периферии, выполняя дополнительно несущую функцию сваи фундамента сооружения, причем теплоноситель разделенных термоскважин подают по теплоизолированным теплопроводам к общему теплообменнику первичного контура теплового насоса или к нескольким тепловым насосам, установленным в различных помещениях сооружения.
В предлагаемом способе в качестве теплоносителя первичного контура используют FreeziumTM, а в качестве рабочего тела теплового насоса используют фреон R23.
В предлагаемом способе грунт основания фундамента может быть любым из криолитозоны, например островная мерзлота, талики.
Технический результат достигается также тем, что предлагаемое устройство для круглогодичных охлаждения, замораживания грунта основания фундамента и теплоснабжения сооружения на вечномерзлом грунте в условиях криолитозоны, содержащее установленную без зазора в грунтовую скважину заглушенную снизу обсадную трубу с размещенной в ней коаксиально трубой с открытым нижним торцом, зазор между трубами на верхнем торце обсадной трубы заглушен, верхние торцы труб содержат патрубки, полости труб и патрубков заполнены теплоносителем, содержит тепловой насос, низкотемпературный теплоноситель, нагрев теплоносителя происходит от грунта в обсадной трубе, внутренняя труба снаружи теплоизолирована, патрубки через теплоизолированные трубопроводы соединены с всасывающим и нагнетающим патрубками теплового насоса, образуя первичный контур, рабочее тело теплового насоса имеет температуру кипения ниже на 10-30°С минимальной температуры теплоносителя первичного контура, тепловой насос расположен внутри сооружения и осуществляет теплоснабжение с коэффициентом преобразования больше единицы, при этом патрубки труб соединены с регулируемым жидкостным насосом и теплообменником, образуют самостоятельный первичный замкнутый контур, соединенный с испарителем теплового насоса.
В предлагаемом устройстве приводная мощность для теплового насоса и регулируемого жидкостного насоса потребляется из электросети или от ветроэлектрогенератора.
Вечномерзлый грунт поверхностных (глубиной до сотен метров) слоев земли в качестве основания фундамента сооружения рассматривается и как низкопотенциальный источник энергии для теплоснабжения посредством применения тепловых насосов, которые отбирают теплоту охлаждаемого и замораживаемого грунта и повышают температуру теплоносителя в подающей линии.
Свая, она же термосважина, выполнена в виде теплообменника типа, например, «труба в трубе», с низкотемпературным (температура замерзания намного ниже 0°С) теплоносителем, трубопроводами, образующими первичный контур теплового насоса; включает тепловой насос с температурой кипения рабочей жидкости ниже нижней температуры замерзания теплоносителя, вспомогательные регулируемые насосы первичного контура и подающей линии, приборы отопления сооружения.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1, 2 и 3.
На фиг.1 показана принципиальная схема устройства.
На фиг.2 приведена расчетная схема термоскважины.
На фиг.3 приведены изменения минимальной температуры термоскважин 100 и 150 м, диаметра замороженного грунта и коэффициента преобразования теплового насоса за годы эксплуатации сооружения.
Принцип действия тепловых насосов предложен У.Томпсоном в 1852 г.
Способ круглогодичных охлаждения, замораживания грунта основания фундамента и теплоснабжения сооружения на вечномерзлом грунте в условиях криолитозоны осуществляют следующим образом.
Тепло, отбираемое из окружающей среды, например грунта, передается в теплообменник 1 испарителя теплового насоса, по замкнутому контуру которого циркулирует рабочее тело, например фреон. Фреон в испарителе 2 кипит и испаряется при низкой температуре, поглощая скрытую теплоту испарения. Пары поступают в компрессор 3, где их давление и температура повышаются. Сжатые пары фреона поступают в конденсатор 4, где теплообменником 5 фреон охлаждается, передавая свое латентное тепло фазового перехода теплоносителю, циркулирующему в системе теплоснабжения 6. Охладившись, фреон переходит в жидкое состояние и через регулирующий вентиль или детандер 7 возвращается в испаритель 2. Тепловой насос имеет собственный насос первичного контура или (и) вспомогательный 8, если мощности собственного недостаточно.
Термоскважина может располагаться как в центре основания фундамента, так и по периферии сооружения, выполняя функции свай, при этом мощность и глубина свай-термоскважин уменьшается пропорционально их количеству, а теплопроводы от свай-термоскважин подведены к общему тепловому насосу, размещенному внутри сооружения, или к отдельным тепловым насосам, размещенным в разных помещениях сооружения.
Перед использованием устройства на месте будущего сооружения проводится инженерно-геологическое бурение, с целью определения свойств и мощности грунта, если это не было известно раньше. Определяют тепловые нагрузки сооружения(-й) и проводят теплотехнические расчеты, в результате которых определяют параметры скважины и размещенной в ней без зазора термоскважины (фиг.2), осуществляющей отбор тепла из грунта с помощью теплового насоса (фиг.1). Термоскважина представляет собой теплообменник типа, в частности, «труба в трубе», погруженный вертикально в грунт на расчетную глубину. Циркулирующий в теплообменнике теплоноситель отбирает тепло из грунта и подает его в теплообменник 1 испарителя 2 теплового насоса (фиг.1). Охладившись, теплоноситель по внутренней трубе возвращается в нижнюю часть теплообменника, цикл первичного контура замыкается. По вторичному контуру циркулирует рабочее тело, например, фреон. Фреон в испарителе 2 кипит и испаряется при низкой температуре, поглощая скрытую теплоту испарения. Пары поступают в компрессор 3, где их давление и температура повышаются. Сжатые пары фреона поступают в конденсатор 4, где теплообменником 5 фреон охлаждается, передавая свое латентное тепло фазового перехода теплоносителю, циркулирующему в системе теплоснабжения 6. Охладившись, фреон переходит в жидкое состояние и через регулирующий вентиль или детандер 7 возвращается в испаритель 2.
Тепловой насос имеет собственный насос первичного контура или (и) вспомогательный 8, если мощности собственного недостаточно.
В связи с тем, что с каждым годом объем охлажденного грунта вокруг термоскважины увеличивается, рассматривается протекание во времени этого процесса и его влияние на основание фундамента на примере покрытия тепловой нагрузки двухэтажного дома с площадью S=250 кв. метров, в котором проживает 10 человек, расположенного в районе с условиями, аналогичными условиям с.Хатанга Красноярского края.
ht
ht
По СНиП-23-01-99 определяется продолжительность и средняя температура наружного воздуха периода со средней температурой воздуха не более 8°С, соответственно, z=311 суток и t=-17,1°С.
По СНиП-23-02-2003 определяют градусо-сутки по формуле:
int
ht
ht
Dd=(t-t)z,
int
где t=21°C - расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания; Dd=11849 градусо-суток. Нормируемый удельный расход тепловой энергии на отопление определяют по таблице 8 СНиП-23-02-2003:
<mrow><msubsup><mi>q</mi><mi>h</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>g</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>105</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup><msup><mo>⋅</mo><mo>∘</mo></msup><mtext></mtext><mi>C</mi><mo>⋅</mo><mi>с</mi><mi>у</mi><mi>т</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>29,17</mn></mrow>
2
Вт·ч(м·°C·сут),
и тогда тепловая нагрузка отопительного периода
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>q</mi><mi>h</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>g</mi></mrow></msubsup><mo>⋅</mo><mi>D</mi><mi>d</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mo>/</mo><mn>3,6</mn><mo>=</mo><mn>86409</mn><mtext> кВт</mtext><mo>⋅</mo><mtext>ч</mtext><mtext>.</mtext></mrow>
Помесячную тепловую нагрузку принимают, при отсутствии данных, например, равномерной в течение 10 месяцев отопительного периода, что составляет 8640 кВт·ч, а в июне и июле - только для горячего водоснабжения. Принимают тепловую нагрузку, покрываемую за счет преобразования тепловым насосом теплоты мерзлого грунта, равной, например, половине расчетной (табл.1). Остальная половина нагрузки покрывается теплогенератором или догревателем, обычно встроенным в корпус теплового насоса.
0
1
2
Ограничиваются процессами теплопереноса из грунта в теплообменник термоскважины. На фиг.2 изображена расчетная схема термоскважины, где d - диаметр внешней трубы теплообменника, d - диаметр слоя грунта после первого месяца охлаждения (покрытия месячной нагрузки), d-i - после второго месяца и т.д., d - очередной диаметр.
Расчеты производят в предположении квазистационарного режима в течение каждого месяца. Массу каждого слоя определяют по формуле:
<mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>Q</mi><mrow><msub><mi>c</mi><mi>p</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>w</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
p
w
c
где Q - месячная тепловая нагрузка из табл.1, c - удельная теплоемкость грунта, t и t - средние температуры слоя на границах с неохлажденным и охлажденным слоями грунта. Тепловой поток от охлаждаемого слоя к теплообменнику определяют как
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mi>w</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>R</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
13
0
где t - средняя температура на внешней оболочке теплообменника, R - термическое сопротивление от неохлажденного слоя до теплообменника, например от d до d:
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>λ</mi><mi>h</mi></mrow></mfrac><mi>ln</mi><mfrac><mrow><msub><mi>d</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>d</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
i
1
2
n
i
где d - диаметры d, d, …, d, d; h - высота полого цилиндра (очередного слоя грунта).
Принимают, например, в связи с отсутствием данных, следующие свойства вечномерзлого грунта:
w
0
температура t=-4°С [Алексеев С.И. Основания и фундаменты. Часть 12. Цитата: «Ниже глубины Н - амплитуды нулевых температур вечномерзлый грунт будет находиться при постоянной отрицательной температуре ≈-4°С … на глубине ≈15 м»];
p
in
out
3
mpi@ysn.ru
термические коэффициенты: c=2,135 кДж/(кг·°С), γ=917,4 кг/м, λ=2,09 Вт/(м·К) [Гаврильев Р.И. Теоретические оценки теплопроводности сегрегационного льда. Институт мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН, 677010, Якутск,  Авторский проект O8ODE.RU]; температуры на входе в испаритель t и на выходе t определяют расчетами для получения заданной тепловой мощности. Масса охлаждаемого за год грунта составляет в данном примере ≈3000 тонн.
Расчеты проводят с начала отопительного сезона, в предположении полностью естественно охлажденного грунта (первый год эксплуатации). Расчеты и графику выполняют с помощью компьютерной программы Excel, график представляют как на фиг.3.
0
Покрытие тепловой нагрузки в первый год эксплуатации при диаметре внешней трубы теплообменника (обсадной трубы) d=0,5 м происходит: при глубине скважины h≈150 м, охлаждении теплоносителя в обсадной трубе до температуры -16°С и диаметре охлажденного грунта ≈6 м; при глубине скважины h≈100 м, соответственно, -26°С и 8 м. На второй и каждые последующие годы эксплуатации отопительный период будет начинаться при все более толстом охлажденном слое грунта, т.е. при все увеличивающемся термическом сопротивлении R. На фиг.3 показано изменение диаметра замороженного грунта и минимальной температуры скважины в течение 10 лет эксплуатации.
Как следует из фиг.3, на 10-й год эти показатели увеличатся до ≈21 м и -25°С (скважина 150 м) и ≈21 м и -37°С (100 м). В дальнейшем эта закономерность имеет слабо выраженный экспоненциальный характер. Там же показаны средние за год значения коэффициентов преобразования идеального обратного цикла Карно теплового насоса, из которой видно, что с понижением температуры охлаждения (замораживания) и с уменьшением глубины термоскважины коэффициенты преобразования уменьшаются. Для реального цикла с коэффициентом термодинамического совершенства ν=0,2-0,5 коэффициент преобразования остается больше единицы.
По полученным значениям температур проводят выбор низкотемпературного теплоносителя, рабочего тела и цикла теплового насоса. Далее производится бурение скважины, установка без зазора обсадной трубы, монтаж комплектующих термоскважины, трубопроводов, работы внутри сооружения: подключение теплового насоса, приводной мощности от сети или от системы с ветроэлектрогенератором, тепловых приборов и систем автоматики в соответствии со строительными нормами и правилами.
Устройство может иметь самостоятельный первичный замкнутый контур с регулируемым жидкостным насосом и теплообменником, соединенный через патрубки труб с испарителем теплового насоса. Такая схема применима при недостаточной мощности насоса первичного контура теплового насоса.
Устройство содержит низкотемпературный теплоноситель первичного контура теплового насоса с температурой замерзания ниже минимальной температуры окружающего воздуха места сооружения, например FreeziumTM, имеющий температуру замерзания до -60°С [http://temper-t.narod.ru/Freeziumpdf.pdf], а температура испарения рабочего тела вторичного контура, например Фреона R23, выше нижнего предела его рабочего диапазона температур (-75°С) [Интернет. ["Геофрост-Трейд" © 2009-2011]. Потенциал истощения озонового слоя ODR=0 [http://www.freon-group.ru/freon_r23/]. Такие температуры не приведут к замораживанию теплоносителя и рабочего тела теплового насоса при монтаже аварийной остановки оборудования, но номинальные температуры выбираются по результатам расчетов (фиг.3).
Устройство замораживает любой грунт криолитозоны, например островную мерзлоту, талики, т.к. при достаточной, десятки метров, глубине скважины термосвая удерживается грунтом без дополнительных фиксирующих приспособлений, а замораживание вблизи обсадной трубы происходит достаточно быстро (несколько часов) после включения теплового насоса.
Термоскважина устройства располагается, в зависимости от размеров и конфигурации сооружения, в центре основания сооружения с несущими сваями по периферии или, будучи разделенной на менее мощные, термоскважины устанавливаются по его периферии, выполняя дополнительно несущую функцию сваи.
Устройство использует приводную мощность для теплового насоса и регулируемого жидкостного насоса от электросети или от ветроэлектрогенератора, обеспечивая постоянную или прерывистую приводную мощность.