ОХЛАЖДАЕМОЕ СВАЙНОЕ ОСНОВАНИЕ
COOLED PILE FOUNDATION

Изобретение относится к строительным теплотехническим сооружениям, возводимым в условиях вечной 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.
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), 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.
Техническим результатом является повышение энергоэффективности работы устройства.
Технический результат достигается тем, что дополнительно на сваи установлен каркас, на котором закреплено основание, аппарат воздушного охлаждения установлен над холодильной машиной, внутри каждой сваи установлен змеевик, выход которого соединен с входом трубопровода нагретого теплоносителя, а его выход соединен с входом коллектора нагретого теплоносителя, выход которого соединён с входным патрубком насоса контура охлаждения, выходной патрубок которого соединён с входным тройником, первый выход которого соединён с входом первого вентиля линии внутреннего охлаждения теплоносителя, выход которого соединён с входом линии внутреннего охлаждения теплоносителя, установленной в испаритель холодильной машины, выход линии внутреннего охлаждения теплоносителя соединён с входом второго вентиля линии внутреннего охлаждения теплоносителя, выход которого соединён с первым входом выходного тройника, второй выход входного тройника соединён с входом первого вентиля линии внешнего охлаждения теплоносителя, выход которого соединён с входом верхнего выходного тройника, первый выход которого соединён с входом первого вентиля контура внешнего охлаждения узлов холодильной машины, выход которого соединён с входом линии внешнего охлаждения узлов холодильной машины, выход которой соединён с входом второго вентиля контура внешнего охлаждения узлов холодильной машины, выход которого соединён с первым входом верхнего входного тройника, второй выход верхнего выходного тройника соединён с входным патрубком аппарата воздушного охлаждения, выходной патрубок которого соединён со вторым входом верхнего входного тройника, выход которого соединён со входом второго вентиля линии внешнего охлаждения теплоносителя, выход которого соединён со вторым входом выходного тройника, выход которого соединён с входом коллектора охлажденного теплоносителя, выход которого соединён со входом трубопровода охлаждённого теплоносителя, выход которого соединён со входом змеевика
Охлаждаемое свайное основание поясняется следующей фигурой:
фиг. 1 – схема охлаждаемого свайного основания, где
1 – свая;
2 – основание;
3 – холодильная машина (ХМ);
4 – аппарат воздушного охлаждения (АВО);
5 – змеевик;
6 – насос контура охлаждения;
7 – коллектор нагретого теплоносителя;
8 – коллектор охлаждённого теплоносителя;
9 – трубопровод нагретого теплоносителя;
10 – линия внутреннего охлаждения теплоносителя;
11 – первый вентиль линии внутреннего охлаждения теплоносителя;
12 – второй вентиль линии внутреннего охлаждения теплоносителя;
13 – линия внешнего охлаждения узлов ХМ;
14 – первый вентиль контура внешнего охлаждения узлов ХМ;
15  – второй вентиль контура внешнего охлаждения узлов ХМ;
16 – первый вентиль линии внешнего охлаждения теплоносителя;
17  – второй вентиль линии внешнего охлаждения теплоносителя;
18 – испаритель холодильной машины;
19 – входной тройник;
20 – верхний выходной тройник;
21 – выходной тройник;
22 – верхний входной тройник;
23 – каркас;
24 – трубопровод охлаждённого теплоносителя.
Охлаждаемое свайное основание содержит сваи 1 (фиг. 1). На сваи 1 установлен каркас 23, на котором жёстко закреплено основание 2. В каркасе 23 над сваями 1 выполнены отверстия, диаметр которых меньше диаметра свай 1. Внутри сваи 1 установлен змеевик 5. Выход змеевика 5 соединён с входом трубопровода нагретого теплоносителя 9, выход которого соединён с одним из входов коллектора нагретого теплоносителя 7. Выход коллектора нагретого теплоносителя 7 соединён с входным патрубком насоса контура охлаждения 6, который установлен внутри ХМ 3 абсорбционного типа. ХМ 3 закреплена на основании 2. Выходной патрубок насоса контура охлаждения 6 соединён с входным тройником 19. Первый выход входного тройника 19 соединён с входом первого вентиля линии внутреннего охлаждения теплоносителя 11, выход которого соединён с входом линии внутреннего охлаждения теплоносителя 10. В испарителе холодильной машины 18 выполнено два отверстия, в которых закреплена линия внутреннего охлаждения теплоносителя 10. Выход линии внутреннего охлаждения теплоносителя 10 соединён со входом второго вентиля линии внутреннего охлаждения теплоносителя 12, выход которого соединён с первым входом выходного тройника 21. Второй выход входного тройника 19 соединён с входом первого вентиля линии внешнего охлаждения теплоносителя 16, выход которого соединён с входом верхнего выходного тройника 20. Первый выход верхнего выходного тройника 20 соединён со входом первого вентиля контура внешнего охлаждения узлов ХМ 14, выход которого подключен к входу линии внешнего охлаждения узлов ХМ 13. Выход линии внешнего охлаждения узлов ХМ 13 соединён со входом второго вентиля контура внешнего охлаждения узлов ХМ 15, выход которого соединён с первым входом верхнего входного тройника 22. Второй выход верхнего выходного тройника 20 соединён с входным патрубком АВО 4, закреплённого над ХМ 3. Выходной патрубок АВО 4 соединён со вторым входом верхнего входного тройника 22. Выход верхнего входного тройника 22 соединён со входом второго вентиля линии внешнего охлаждения теплоносителя 17, выход которого соединён со вторым входом выходного тройника 21. Выход выходного тройника 21 соединён со входом коллектора охлажденного теплоносителя 8, выходы которого соединены со входами трубопроводов охлаждённого теплоносителя 24. Выход трубопровода охлаждённого теплоносителя 24 соединён со входом змеевика 5.
Охлаждаемое свайное основание работает следующим образом. Основание 2 связано с металлическим каркасом 23, закреплённым на сваях 1, углублённых в грунт. На основании 2 установлена ХМ 3, которая осуществляет охлаждение теплоносителя до отрицательной температуры. Охлаждённый теплоноситель с выходного тройника 21 подаётся на коллектор охлаждённого теплоносителя 8, после чего распределяется по транспортным участкам 9 с охлаждённым теплоносителем. Затем охлаждённый теплоноситель поступает на входы змеевиков 5, где нагревается, отбирая через корпус свай 1 теплоту прилегающего к сваям 1 грунта. Далее нагретый теплоноситель поступает на входы коллектора нагретого теплоносителя 7, с выхода которого подаётся на входной патрубок насоса контура охлаждения 6. Насос контура охлаждения 6 подаёт нагретый теплоноситель на входной тройник 19.
При работе ХМ 3, преимущественно в тёплое время года, в открытом состоянии находятся первый вентиль линии внутреннего охлаждения теплоносителя 11, второй вентиль линии внутреннего охлаждения теплоносителя 12, первый вентиль контура внешнего охлаждения узлов ХМ 14 и второй вентиль контура внешнего охлаждения узлов ХМ 15, а в закрытом состоянии – первый вентиль линии внешнего охлаждения теплоносителя 16 и второй вентиль линии внешнего охлаждения теплоносителя 17. В этом случае с первого выхода входного тройника 19 через  первый вентиль линии внутреннего охлаждения теплоносителя 11 нагретый теплоноситель поступает в линию внутреннего охлаждения теплоносителя 10. При прохождении нагретого теплоносителя по линии встроенного охлаждения теплоносителя 10 через испаритель холодильной машины 18, теплоноситель охлаждается, и через второй вентиль линии внутреннего охлаждения теплоносителя 12 на выходной тройник 21 поступает охлаждённый до отрицательной температуры теплоноситель. Охлаждение абсорбера и конденсатора ХМ 3 (на фигуре не показаны) обеспечивается с помощью АВО 4. Для этих целей обеспечивают циркуляцию теплоносителя по контуру, образованному линией внешнего охлаждения узлов ХМ 13 и АВО 4.
При необходимости замораживания грунта в условиях отрицательной температуры атмосферного воздуха в открытом состоянии находятся первый вентиль линии внешнего охлаждения теплоносителя 16 и второй вентиль линии внешнего охлаждения теплоносителя 17, а в закрытом состоянии – первый вентиль линии внутреннего охлаждения теплоносителя 11, второй вентиль линии внутреннего охлаждения теплоносителя 12, первый вентиль контура внешнего охлаждения узлов ХМ 14 и второй вентиль контура внешнего охлаждения узлов ХМ 15. В этом случае со второго выхода входного тройника 19 нагретый теплоноситель через  первый вентиль линии внешнего охлаждения теплоносителя 16 и верхний выходной тройник 20 поступает в АВО 4, где охлаждается, а затем через верхний входной тройник 22 и второй вентиль линии внешнего охлаждения теплоносителя 17 охлаждённый теплоноситель поступает на второй вход выходного тройника 21. Таким образом, замораживание грунта в холодное время года может осуществляться без включения в работу ХМ 3 за счёт охлаждения теплоносителя атмосферным воздухом.
Источником энергии для ХМ 3 абсорбционного типа служит тепловая энергия, которая поступает от размещаемого на основании 2 технологического оборудования, например, в виде горячих выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, турбин или пара. Этим достигается снижение нагрузки на систему электроснабжения охлаждаемого свайного основания. Потребление электроэнергии насоса контура охлаждения 6 относительно невелико, т.к. циркуляция теплоносителя осуществляется по замкнутому контуру.
Для отбора теплоты от грунта, прилегающего к сваям 1, между змеевиками 5 и сваями 1 обеспечивается качественный контакт. Для улучшения теплообмена пространство вокруг змеевиков 5 заполняется жидким или твёрдым материалом с высокой теплопроводностью.
Преимущество использования устройства состоит в повышении энергоэффективности круглогодичного замораживания грунта вокруг свай.