Фундаментная свая со встроенным теплообменником
Полезная модель находится на стыке двух направлений в области строительства: проектирование и устройство свайных оснований и фундаментов зданий и сооружений и строительной теплотехники, а именно, к системам и устройствам автономного теплоснабжения и горячего водоснабжения (ГВС) зданий и сооружений, оптимальному способу съема и утилизации низкопотенциальной тепловой энергии от поверхностных слоев грунта, а также утилизации части энергии физических тепловых потерь зданий и сооружений, имеющих свайный фундамент, для нужд теплоснабжения и ГВС этих объектов, с использованием тепловых насосов.
Фундаментная свая квадратного сплошного сечения, цельная, с поперечным армированием ствола, состоящая из железобетонного свайного тела и свайной арматуры содержит в железобетонном стволовом теле встроенный, U-образный, полый внутри, теплообменник трубчатой формы необходимого профиля и конфигурации. При эксплуатации, внутренний объем встроенного теплообменника, заполнен жидким рабочим телом-теплоносителем.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая модель, является решение проблемы оптимального съема, передачи и утилизации тепловой энергии непосредственно от примыкающих к телу фундаментной сваи поверхностных слоев грунта для нужд автономного теплоснабжения и ГВС зданий и сооружений с помощью тепловых насосов и свайного фундамента со встроенными теплообменниками.
Техническим результатом является возможность всесезонного бесперебойного получения необходимого количества тепловой энергии для нужд автономного теплоснабжения и горячего водоснабжения зданий и сооружений, с минимальным потреблением электрической энергии, при использовании для этих целей тепловых насосов и фундаментных свай со встроенными теплообменниками, по сравнению с любым из существующих классических способов тепловой генерации в автономных теплоэнергетических системах, а также снижение общих тепловых потерь зданий и сооружений, за счет повторного использования части энергии физических тепловых потерь любого теплофицированного объекта от элементов конструкции его свайного фундамента, выполненного из железобетонных свай со встроенными теплообменниками.
Полезная модель находится на стыке двух направлений в области строительства: проектирование и устройство свайных оснований и фундаментов зданий и сооружений и строительной теплотехники, а именно, к системам автономного теплоснабжения и горячего водоснабжения (ГВС) зданий и сооружений, оптимальному способу съема и утилизации низкопотенциальной тепловой энергии от поверхностных слоев грунта, утилизации части энергии физических тепловых потерь зданий и сооружений, имеющих свайный фундамент, для нужд теплоснабжения и ГВС этих объектов, с использованием тепловых насосов и фундаментных железобетонных свай со встроенными в свайное тело теплообменниками.
В соответствии с требованиями ГОСТ 19804-91 (Переиздание. Январь 1995 г.), распространяющимися на все типы железобетонных свай, изготовленных из тяжелых бетонов и предназначенных для свайных фундаментов зданий и сооружений, основной функцией любой фундаментной сваи и свайного фундамента является обеспечение заданных параметров и характеристик по механической прочности и несущей способности свайной фундаментной конструкции.
В руководящем документе СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений, М, 2005 г.» прописан алгоритм проектной и конструкторской разработки, согласовании и утверждений конструкторской и технологической документации для всех видов и типов свайных оснований и фундаментов зданий и сооружений.
В последние годы значительно возрос интерес к энергоэффективным автономным системам и устройствам, использующим в своем составе возобновляемые источники первичной энергии (солнечная, геотермальная, ветровая и др.).
Тепловые насосы для отопления жилых домов, зданий и сооружений, с отбором и использованием тепловой энергии от поверхностных слоев грунта, в массовом строительстве ранее в России широко не применялись, ввиду отсутствия на рынке специальных энергоэффективных систем и устройств. Не существовало апробированных методик расчетов, критериев оценки исходных данных и полученных результатов. Также отсутствовал практический опыт реализации эффективных способов и устройств для оптимального съема и передачи в первичный контур теплового насоса, тепловой энергии непосредственно из объема поверхностного слоя грунта, прилегающего к наружной поверхности тела фундаментных свай, и смежных с ним слоев грунта. Существует большое количество патентных решений, на различные фундаментные сваи и свайные фундаменты.
Известна «Трубообразная свая, заключенная в бетон, способ забивания сваи» (Патент РФ на изобретение 
2236505). Трубообразная свая содержит металлическую свайную трубу для забивания в грунт; отверстие или отверстия на верхнем конце свайной трубы для подачи бетонной массы во внутреннее пространство свайной трубы; и на нижнем конце свайный башмак, содержащий продольную секцию наконечника с равномерной шириной и бугелем на верхнем конце, диаметр которого больше диаметра свайной трубы, при этом зона свайного башмака снабжена сквозными отверстиями для обеспечения выхода бетонной массы.
Также известен ряд патентных решений: Свайный фундамент (Патент РФ на полезную модель 100097), Свайный фундамент (Патент РФ 68014), Фундаментная конструкция для обустройства нефтяных месторождений в условиях вечной мерзлоты (Патент РФ на полезную модель 3695) и др.
Однако, все указанные выше патентные решения реализуют конкретную задачу, связанную с обеспечением требований только по механической и несущей способности, предъявляемых к сваям и свайным фундаментам. Недостатком всех перечисленных патентов является отсутствие возможности непосредственного преобразования и использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев грунта с помощью железобетонных фундаментных свай, за счет теплопроводности свайного тела любых железобетонных свайных конструкций.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и получаемому результату к заявляемой полезной модели является свайный фундамент, регламентированный в СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений, М, 2005 г.», в соответствии с требованиями ГОСТ 19804-91 (Переиздание. Январь 1995 г.) - Сваи железобетонные. Технические условия.
Однако, СП 50-102-2003 совместно с ГОСТ 19804-91 позволяют в полном объеме выполнить и реализовать на практике только проектные, конструкторские и технологические решения, связанные с обеспечением требований, к конструкциям фундаментов зданий и сооружений по механической прочности и несущей способности, но не решают проблему оптимального съема, передачи и утилизации тепловой энергии непосредственно от поверхностных слоев грунта для нужд теплоснабжения и ГВС зданий и сооружений с использованием тепловых насосов и свайных фундаментов.
Указанный недостаток исключается в предлагаемой патентной модели.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая модель, является решение проблемы оптимального съема, передачи и утилизации тепловой энергии поверхностных слоев грунта для нужд теплоснабжения и ГВС зданий и сооружений с помощью предлагаемой фундаментной сваи, оборудованной встроенным в железобетонное свайное тело теплообменником, для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев грунта и использования ее в автономных системах теплоснабжения и горячего водоснабжения зданий и сооружений с помощью тепловых насосов.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемой полезной моделью, является создание фундаментной сваи со встроенным в железобетонное свайное тело теплообменником, которая помимо обеспечения основных параметров по механической прочности и несущей способности, также позволяет решить поставленную задачу по утилизации низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев грунта, и использовать ее в автономных системах теплоснабжения и горячего водоснабжения зданий и сооружений с тепловыми насосами и свайным фундаментом, выполненном из свай со встроенными теплообменниками.
Поставленная задача достигается тем, что, используя теплопроводность тяжелых бетонов (основной материал для изготовления фундаментных свай и фундаментов), можно с незначительными потерями трансформировать тепловую энергию поверхностных слоев грунта, примыкающего к наружной поверхности тела фундаментной сваи, при помощи встроенного в стволовое тело каждой сваи U-образного, полого внутри, теплообменника трубчатой формы различного профиля и конфигурации. При эксплуатации, внутренний объем встроенного теплообменника, заполнен жидким рабочим телом-теплоносителем (этиленгликоль, растворы спиртов и др.).
Для увеличения количества утилизируемой геотермальной энергии входные и выходные патрубки всех встроенных теплообменников фундаментных свай могут параллельно объединяться на групповых или общих коллекторах, в зависимости от ландшафтной компоновки свайного фундаментного поля, выполненного из свай со встроенными теплообменниками.
Принудительная циркуляция теплоносителя во внутреннем объеме встроенного теплообменника позволяет снимать и переносить тепловую энергию от внутренних стенок теплообменника на входное устройство теплового насоса. Количество первичной тепловой энергии, необходимой для устойчивой работы теплового насоса, в соответствии со среднесуточной (сезонной) циклограммой работы системы теплоснабжения (дневной, ночной, пиковый, аварийный режимы) и системы ГВС, может регулироваться за счет изменения скорости циркуляции теплоносителя в теплообменнике, при вариации скорости вращения ротора приводного двигателя циркуляционного насоса первичного контура.
В предлагаемом устройстве встроенный в тело железобетонной сваи трубчатый U-образный теплообменник работает по принципу проточного нагревательного бойлера. Для всех режимов тепловых нагрузок, в проектном диапазоне изменений температуры окружающей среды, рабочая температура теплоносителя на входе в теплообменник (обязательное начальное условие для обеспечения режима эффективной теплопередачи) должна быть ниже, чем температура поверхностных слоев грунта и стволового тела фундаментной сваи. За счет эффекта теплопередачи материала свайного тела, происходит нагрев стенок теплообменника и, следовательно, нагрев теплоносителя, заключенного во внутреннем объеме теплообменника. При соблюдении указанных начальных условий, температура теплоносителя на выходе из теплообменника всегда будет выше, чем на его входе. Диапазон разности температур между входом и выходом, встроенного в свайное тело теплообменника, зависит от требований технического задания на теплоснабжение и ГВС объекта, типа теплоносителя, количества, типа и параметров теплового насоса, количества свай со встроенным теплообменником и др.
Описанная выше система и устройство на ее основе позволяют утилизировать не только тепловую энергию поверхностных слоев грунта, а также утилизировать часть тепловой энергии физических потерь от свайных конструкции фундамента любого здания и сооружения, фактически использовать часть энергии прямых физических тепловых потерь любого инженерного объекта, имеющего внутреннюю систему теплоснабжения с тепловым насосом и свайный фундамент, выполненный из свай со встроенными теплообменниками.
Полезная модель поясняется рисунками.
Масштаб рисунков соблюден условно.
На фиг.1 представлено вертикальное осевое сечение фундаментной сваи со встроенным теплообменником, забитой в грунт (до этапа разделки хвостовой части сваи для обвязки свайной арматуры с конструкцией ростверка фундамента и до этапа соединения входных и выходных трубных участков встроенного теплообменника с приемной гребенкой сборного теплового коллектора), где: 1 - свайное тело железобетонной фундаментной сваи, 2 - встроенный теплообменник, 3 - слой грунта.
На фиг.2 представлено горизонтальное сечение в плоскости А-А фундаментной сваи со встроенным теплообменником, где: 1 - свайное тело железобетонной фундаментной сваи, 2 - встроенный теплообменник, 3 - слой грунта, 4 - свайная арматура.
При изготовлении фундаментной сваи (технологический прототип - базовая железобетонная свая тип С в соответствии с ГОСТ 19804-91; цельная с ненапрягаемой арматурой, квадратная сплошного сечения с поперечным армированием ствола; длина ствола 11 метров, сечение ствола - 300×300 мм; марка бетона F300) со встроенным теплообменником в заливочную форму устанавливается заранее изготовленный корсет с арматурой. В процессе изготовления арматурного корсета по типоразмерному шаблону, внутрь корсета вставляется и раскрепляется стальной вязальной проволокой стальной трубчатый теплообменник, согласно габаритному и сборочным чертежам. Входной и выходной участки патрубков теплообменника должны быть «заглушены», для исключения попадания инородных предметов и влаги во внутреннее пространство. Перед монтажом в корсет конструкция теплообменника должна быть загерметизирована и проверена на герметичность. Далее производится заливка тяжелым бетоном заливочной формы с установленными в ней арматурным корсетом и теплообменником. Процесс выполняется в соответствии с технологической картой на изготовление и приемку изделия. Все виды работ и технологических операций соответствуют требованиям ГОСТ 19804-91 (Переиздание. Январь 1995 г.) - Сваи железобетонные. Технические условия и серии рабочих чертежей 1.011.1-10, вып.1; УД-40-88; 3.500.1-1
Свая изготовлена на технологическом оборудовании Томской компании РЕКОН, сотрудниками предприятия в соответствии с требованиями технической документации и рабочих чертежей. U-образный трубчатый теплообменник, изготовлен на технологическом оборудовании Томской компании РЕКОН сотрудниками предприятия в соответствии с требованиями рабочих чертежей. Трубопроводы для свайных теплообменников выполнены из стальных водогазопроводных труб по ГОСТ 3262-75 (Ду 32, толщина стенки 3,2 мм). Допускается соединение трубной части теплообменника (для наращивания длины) с помощью наружной проходной стальной бесшовной гильзы с последующей электрической или газовой сваркой участков соединения, согласно чертежу. После выполнения сварочных работ проверяются все сварные швы на герметичность, затем обрабатываются и грунтуются участки сварных швов в соответствии с требованиями технической документации.
Для научных исследований, практической отработки и серийной реализации в массовом производстве указанной выше технологии, компания РЕКОН г.Томск, совместно с ведущими учеными и специалистами в области теплотехники и строительства из Томского национального исследовательского политехнического университета и Томского государственного архитектурно-строительного университета, на базе собственного производства железобетонных изделий, по технологии и на оборудовании РЕКОН, на строительной площадке проекта высотной застройки в мкр. Мокрушинский, организовала промышленный испытательный полигон (участок свайного поля под секцию 4 высотного жилого дома 1 по ул. Нефтяной). Ранее, аналогичные технические решения разрабатывались, отрабатывались и реализовывались при проектировании и строительстве жилых домов коттеджного типа по ул. Балтийской в г.Томске и на ряде других аналогичных объектов. В проекте строительства энергоэффективного 60 квартирного жилого дома в г.Топки Кемеровской области по ул. Солнечной, проект имеет положительную экспертную оценку и рекомендации по его реализации, использованы указанные выше научные, проектные и технические решения. Совместные работы с учеными и специалистами в развитии данного направления будут продолжены и использованы при реализации проекта высотного жилищного строительства в мкр. Мокрушинский г.Томск.
При серийном производстве фундаментная свая со встроенным теплообменником будет изготавливаться в заводских условиях (100% складской готовности) на основании и в соответствии с ТУ, будет являться законченным технологическим изделием для строительной отрасли.
Преимуществом использования указанной фундаментной сваи со встроенным в железобетонное свайное тело теплообменником, является обеспечение основных параметров по механической прочности и несущей способности, а также возможность преобразования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев грунта, и использования ее в автономных системах теплоснабжения и горячего водоснабжения зданий и сооружений.
Фундаментная свая квадратного сплошного сечения, цельная, с поперечным армированием ствола, состоящая из железобетонного свайного тела и свайной арматуры, отличающаяся тем, что в железобетонном стволовом теле установлен встроенный U-образный полый внутри теплообменник трубчатой формы необходимого профиля и конфигурации, при этом внутренний объем встроенного теплообменника заполнен жидким рабочим телом-теплоносителем.
