Результат интеллектуальной деятельности: Поверхностный фундамент здания, обеспечивающий сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии с одновременным обогревом здания

Изобретение относится к строительству 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 на создание устройств и способов, ослабляющих тепловое влияние климата на устойчивость зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах.

Известны способ и устройство для круглогодичных охлаждения, замораживания грунта основания фундамента и теплоснабжения сооружения на вечномерзлом грунте в условиях криолитозоны (патент РФ №2519012, кл. E02D 3/115, 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 насоса 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. E02D 3/115, 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 крупноскелетного грунта, не подверженного деформациям при промерзании-оттаивании.

Эта конструкция имеет существенный недостаток.

Количества низкопотенциального тепла, отбираемого тепловым насосом из грунта основания, оказывается недостаточным для обогрева здания. Так, например, как следует из приведенных в прототипе формул, при потребном количестве для обогрева полов одноэтажного здания 50 Вт/м² и продолжительности отопительного сезона 9 месяцев количество низкопотенциального тепла не превышает 5-10% от потребного. Это количество еще больше сокращается при увеличении продолжительности отопительного сезона, т.е. с продвижением на север.

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.

Указанная задача решается заявляемым устройством, которое представляет собой поверхностный фундамент, устанавливаемый на подсыпку из крупноскелетного грунта 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 внешний источник тепла, компенсирующий дефицит низкопотенциального тепла для обогрева здания, интенсивность которого автоматически регулируется в зависимости от теплопотерь здания и количества низкопотенциального тепла, отбираемого из грунта тепловым насосом.

Количество тепла, сообщаемого зданию внешним источником Q_в.и за отопительный сезон, вычисляется по формуле:

где Q₁ - потребное количество тепла для обогрева здания в отопительный сезон; Q₀ - количество низкопотенциального тепла, отбираемого из грунта тепловым насосом.

где q^н - нормированная интенсивность подачи тепла через пол в отопительный сезон; S_м - площадь фундаментного модуля; n - количество модулей; t_w - продолжительность отопительного сезона.

где h_d - толщина крупноскелетной подсыпки; L_v,d - удельная теплота промерзания-оттаивания подсыпки.

где λ_th,d - коэффициент теплопроводности грунта подсыпки в талом состоянии; T_in - температура воздуха в здании; t_y - продолжительность года; R_flo, R_ins - термическое сопротивление пола сооружения и теплоизоляции в составе поверхностного фундамента; α_in - коэффициент теплообмена между воздухом в здании и поверхностью пола.

На фиг 1 показан сборный чертеж плана поверхностного фундамента из фундаментных модулей.

Фундаментные модули 1, в совокупности образующие поверхностный фундамент, устанавливаются на подсыпку из крупноскелетного грунта (не показана) и подсоединяются параллельно к теплоизолированному коллектору 3 охлаждающего контура и теплоизолированному коллектору 4 греющего контура теплового насоса 2, при этом в теплоизолированный коллектор 4 греющего контура вмонтирован внешний источник тепла 5.

Работает устройство следующим образом.

Поверхностный фундамент из фундаментных блоков 1 собирается на подсыпке в конце зимы, когда грунты основания, в том числе подсыпка, находятся в мерзлом состоянии, подключается к тепловому насосу 2 через коллекторы 3 и 4, причем в последний вмонтирован внешний источник тепла 5. Затем тепловой насос 2 и внешний источник тепла 5 включаются в работу, которая продолжается до конца отопительного периода. При этом мощность внешнего источника тепла 5 автоматически регулируется в зависимости от теплопотерь здания и количества низкопотенциального тепла, отбираемого из грунта тепловым насосом 2. В это время происходит обогрев пола здания и охлаждение мерзлого основания. С окончанием отопительного периода тепловой насос 2 и внешний источник тепла 5 отключаются и под действием тепла от сооружения происходит оттаивание подсыпки, которое распространяется на всю ее мощность только к началу нового отопительного сезона, когда включается тепловой насос 2 и внешний источник тепла 5 и начинается промерзание оттаявшей подсыпки. Мощность теплового насоса 2 подобрана таким образом, чтобы к концу отопительного периода подсыпка была полностью проморожена и в основание не поступил импульс холода, который мог бы вызвать растрескивание грунтов. Далее до конца периода эксплуатации сооружения годовые циклы промерзания-оттаивания подсыпки повторяются.