Поверхностный фундамент для одноэтажного здания на многолетнемерзлых грунтах
SURFACE FOUNDATION FOR SINGLE-STOREY BUILDING ON PERMAFROST GROUNDS

Предлагаемое устройство относится к строительству одноэтажных зданий на многолетнемерзлых грунтах с искусственным охлаждением грунтов основания с помощью теплового насоса и одновременным обогревом здания с помощью теплового насоса и дополнительного источника тепла.
Проблема вызвана тем, что все здания на многолетнемерзлых грунтах имеют естественные системы охлаждения, использующие низкие отрицательные температуры атмосферного воздуха в зимнее время. Это ставит их в зависимость от климата. Наметившееся в настоящее время глобальное потепление климата представляет большую угрозу для устойчивости этих зданий в связи с растеплением основания. По этой причине некоторые здания уже сегодня испытывают деформации, которые в будущем будут только увеличиваться. Все это побудило создание устройств и способов, ослабляющих тепловое влияние климата на устойчивость зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах.
Известен способ и устройство для круглогодичных охлаждения, замораживания грунта основания фундамента и теплоснабжения сооружения на вечномерзлом грунте в условиях криолитозоны (Патент РФ № 2519012, кл. E02D3/115, 2014).
Указанное изобретение включает бурение скважин и круглогодичное охлаждение и замораживание грунта основания фундамента с одновременным и круглогодичным частичным теплоснабжением 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, рабочее тело теплового насоса 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 массиве основания сооружения с несущими сваями по периферии или, будучи разделенной на менее мощные, термоскважины устанавливают по его периферии, выполняя дополнительно несущую функцию сваи, причем теплоноситель разделенных термоскважин подают по теплоизолированным теплопроводам к общему теплообменнику первичного контура теплового наоса или к нескольким тепловым насосам, установленным в различных помещениях сооружения.
Эта конструкция имеет ряд существенных недостатков:
- температура грунта на контакте с термоскважиной становится значительно ниже температуры грунта в естественных условиях, что может привести к морозному растрескиванию грунта и деформации сооружения;
- расположенные в основании сооружения термоскважины не подлежат ремонту, что делает конструкцию в целом неремонтопригодной, а следовательно, и недостаточно надежной;
- конструкция предусматривает полное ее изготовление на стройплощадке, что в условиях сурового климата является нежелательным и нарушает основное требование к конструкциям на Севере – максимальная сборность.
Наиболее близким техническим решением является устройство ремонтопригодной конструкции поверхностного фундамента, обеспечивающей обогрев сооружения и сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии вне зависимости от изменения климата и при этом не вызывающей чрезмерного охлаждения многолетнемерзлых грунтов, которое может привести к их растрескиванию (Патент РФ № 2583025, кл. E02D3/115, 2016). Поверхностный фундамент состоит из отдельных модулей полной заводской готовности, которые на стройплощадке собираются в единую конструкцию и подсоединяются к тепловому насосу параллельно с помощью теплоизолированных коллекторов греющего и охлаждающего контура теплового насоса. При этом каждый модуль фундамента представляет собой коробчатую железобетонную плиту, состоящую из верхнего и нижнего короба, разделенных теплоизолятором. В верхнем коробе помещается змеевик греющего контура (водяной контур) теплового насоса, в нижнем – охлаждающего (рассольный контур). Такой фундамент одновременно обеспечивает обогрев полов сооружения верхним змеевиком и охлаждение грунтов основания нижним за счет низкопотенциального тепла, отбираемого из грунта тепловым насосом.  Фундамент устанавливается на подсыпку из крупно скелетного грунта, не подверженного деформациям при промерзании-оттаивании.
Эта конструкция имеет два существенных недостатка:
2
- количество низкопотенциального тепла, отбираемого тепловым насосом из грунта основания, оказывается недостаточным для обогрева сооружения. Так, например, как следует из приведенных в прототипе формул, при потребном количестве для обогрева полов одноэтажного здания 50 Вт/м и продолжительности отопительного сезона 9 месяцев количество низкопотенциального тепла не превышает 5-10% от потребного;
- конструкция предусматривает наличие крупно скелетного грунта, не подверженного деформациям при промерзании-оттаивании, для создания подсыпки, которого в осваиваемых северных районах крайне мало.
Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является создание конструкции фундамента, в полной мере обеспечивающей обогрев здания с одновременным сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии вне зависимости от изменения климата и при этом не вызывающей чрезмерного охлаждения многолетнемерзлых грунтов, которое может привести к их растрескиванию, без устройства подсыпки.
Указанная задача решается заявляемым устройством, которое представляет собой поверхностный фундамент, устанавливаемый непосредственно на мерзлый грунт и состоящий из описанных в прототипе отдельных модулей, которые на стройплощадке собираются в единую конструкцию и подсоединяются к тепловому насосу параллельно с помощью теплоизолированных коллекторов греющего и охлаждающего контуров теплового насоса. При этом к коллектору греющего контура теплового насоса подсоединяется дополнительный источник тепла, компенсирующий дефицит низкопотенциального тепла для обогрева здания, интенсивность которого автоматически регулируется в зависимости от теплопотерь здания. Кроме того, в каждом модуле содержится жидкость, замерзающая (оттаивающая) при отрицательной температуре, залитая  в его нижний короб и предохраняющая основание от чрезмерного охлаждения и морозного растрескивания грунтов.
д.и
Количество тепла, сообщаемого зданию дополнительным источником Q за отопительный сезон, вычисляется по формуле:
,                                                                          (1)
где потребное количество тепла для обогрева здания за отопительный сезон; количество низкопотенциального тепла, перекачиваемое из грунта тепловым насосом.
,                                                                      (2)
н
где q – нормированная интенсивность подачи тепла через пол в отопительный сезон; площадь фундаментного модуля; количество модулей; продолжительность отопительного сезона.
,                                                                          (3)
где объем жидкости, замерзающей (оттаивающей) при отрицательной температуре и находящейся в нижнем коробе фундаментного блока, определяется по формуле (4);  удельная теплота промерзания-оттаивания жидкости, замерзающей (оттаивающей) при отрицательной температуре.
(4)
,                                                                   (5)
bf
где температура воздуха в здании; T – температура промерзания-оттаивания жидкости замерзающей (оттаивающей) при отрицательной температуре; продолжительность года и отопительного сезона; термическое сопротивление пола сооружения и теплоизоляции в составе поверхностного фундамента; коэффициент теплообмена между воздухом в здании и поверхностью пола.
Номинальная тепловая мощность теплового насоса находится по формуле (6), а мощность дополнительного источника тепла – по формуле (7).
,                                                            (6)
(7)
где коэффициент запаса, принимается равным 1.2–1.5.
По параметрам подбираются тепловой насос и дополнительный источник тепла.
На фиг 1 показан разрез фундаментного модуля, на фиг. 2 – сборный чертеж плана поверхностного фундамента из фундаментных модулей.
Фундаментный модуль 1 состоит из нижнего короба 2, внутри которого размещен змеевик охлаждающего контура теплового насоса 3 и залита жидкость, замерзающая (оттаивающая) при отрицательной температуре (водный раствор диэтиленгликоля) 4. Во избежание переохлаждения основания в качестве температуры замерзания–оттаивания жидкости 4 назначается среднегодовая температура грунта на подошве слоя сезонного оттаивания в естественных условиях. Во избежание разрыва короба 2 при замерзании жидкости 4 объем  жидкости 4 принимается меньше объема короба 2 на величину ее расширения при замерзании. Нижний короб 2 имеет съемную крышку 5, поверх которой размещен верхний короб 6 со змеевиком греющего контура 7 теплового насоса 12. Змеевик 7 положен на слой теплоизоляции 8, которая размещена на крышке 5 нижнего короба 2. Фундаментный модуль устанавливается непосредственно на мерзлый грунт 9. Фундаментные модули 1, в совокупности образующие поверхностный фундамент, подсоединяются параллельно к теплоизолированному коллектору 10 охлаждающего контура и теплоизолированному коллектору 11 греющего контура теплового насоса 12, при этом в теплоизолированный коллектор 11 вмонтирован дополнительный источник тепла 13.
bf
bf
Работает устройство следующим образом. С началом отопительного сезона тепловой насос 12 и дополнительный источник тепла 13 включаются в работу. При этом происходит обогрев полов здания змеевиком 7 и промораживание жидкости 4 змеевиком 3. При  замерзании жидкости 4 температура во всем объеме короба 2 поддерживается постоянной и равной температуре фазового перехода T, которая, в свою очередь, равна температуре грунта в естественных условиях. Поэтому переохлаждения грунта не происходит. Мощность теплового насоса 12 назначена таким образом, чтобы промораживание жидкости 4 длится весь отопительный сезон, следовательно, весь отопительный сезон на подошве поверхностного фундамента поддерживается естественная температура грунта. По окончании отопительного сезона тепловой насос 12 и дополнительный источник тепла 13 отключаются. Под действием тепла от здания происходит оттаивание льда в нижнем коробе 2 фундаментного блока 1, намороженного в отопительный сезон из жидкости 4. При этом температура во всем объеме короба 2 поддерживается также постоянной и равной температуре фазового перехода T жидкости 4, которая, в свою очередь, равна температуре грунта в естественных условиях. Оттаивание длится до начала нового отопительного сезона. Таким образом, в течение года температура грунта на подошве поверхностного фундамента постоянна и равна температуре грунта в естественных условиях. Поэтому в течение года в основание не пропускается ни импульс холода, ни импульс тепла, которые могут вызвать деформации основания.
Далее до конца периода эксплуатации здания годовые циклы промерзания–оттаивания жидкости 4 повторяются.