Система охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений

Полезная модель относится к области строительства инженерных сооружений в районах с распространением вечномерзлых грунтов.

Система охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений включает комплекс смежных охлаждающих подсистем, независимых или связанных друг с другом, каждая из которых содержит аккумуляционную часть, камеру-охладитель, расположенную под инженерным сооружением, перепускной и вытяжной каналы. Новым в предлагаемой системе охлаждения является то, что аккумуляционная часть и камера-охладитель выполнены в виде замкнутых камер, содержащих непроницаемые оболочки и полости в них, при этом аккумуляционная часть контактирует с наружным воздухом. Камера-охладитель расположена ниже аккумуляционной части и соединена с последней вытяжным и перепускным каналами, причем вытяжной канал соединен с верхней частью, а перепускной - с нижней частью полости камеры-охладителя. Площадь F ₀ поверхности камеры-охладителя в плане определяется площадью самого сооружения, а площадь F_A камеры аккумуляционной части, граничащей с наружным воздухом, определяют по соответствующей формуле.

Камеры-охладители смежных подсистем могут быть выполнены с единой полостью и с несущими вертикальную нагрузку перегородками, имеющими отверстия в верхней и нижней части перегородок.

Технический результат состоит в использовании охлаждающей системы для широких сооружений (100 м и более) с подземными помещениями.

Полезная модель относится к области строительства инженерных сооружений в районах с распространением вечномерзлых грунтов.

Известно устройство для аккумуляции холода в основании сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах, содержащее трубу, закрытую с двух сторон, заполненную рабочей средой, например, керосином, осуществляющее в зимнее время теплообмен между наружным воздухом и грунтом. Охлаждающий эффект устройства на основание создается в холодный период года за счет разницы между температурой грунта и атмосферного воздуха (А.с. СССР №198245, опубл. Б.И. №13, 1967 г.).

Недостатком его является то, что оно может быть применено только для сравнительно узких сооружений, когда возможно какое-то взаимопонимание рядов термосифонов, установленных с

противоположных сторон. Кроме того, долговечность термосифонов значительно меньше расчетного срока службы сооружения, а замена термосифонов весьма трудоемка и сложна.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой является система охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений, называемая «проветриваемое подполье». Система включает в себя аккумуляционную часть (открытое воздушное пространство, граничащее с сооружением, камеру-охладитель (пространство между низом сооружения и поверхностью земли) и расположенные на входе и выходе подполья вытяжной и перепускной каналы.

Система охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений выполнена из комплекса смежных охлаждающих подсистем. Каждая из охлаждающих подсистем может работать автономно или в связке друг с другом. Эти подсистемы могут иметь различные мощность и конструктивное исполнение (возможны варианты). Количество подсистем (может быть одна и более) и их особенности определяются особенностями инженерного сооружения, грунты оснований которого охлаждаются: это может быть отдельное здание или целый квартал вместе со вспомогательными постройками, гаражами и т.п. (Велли Ю.Я., Докучаев В.В., Федоров Н.Ф. Здания и сооружения на Крайнем Севере, М. - Л., Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1963, с.321-324).

Недостатки проветриваемого подполья:

- при широких сооружениях (100 м и более) эффективность проветриваемого подполья снижается;

- проветриваемое подполье исключает возможность устройства подземных помещений (гаражей, подвалов и др.).

Задача предлагаемой полезной модели состояла в создании долговечной охлаждающей системы вечномерзлых грунтов оснований сооружений, позволяющей устраивать подземные помещения и применять ее при широких сооружениях (100 м и более).

Для достижения указанного технического результата в системе охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений, включающей комплекс смежных охлаждающих подсистем, каждая из которых содержит аккумуляционную часть, камеру-охладитель, расположенную под инженерным сооружением, перепускной и вытяжной каналы, аккумуляционная часть и камера-охладитель выполнены в виде замкнутых камер, содержащих непроницаемые оболочки и полости в них, при этом аккумуляционная часть граничит с наружным воздухом, а камера-охладитель расположена ниже аккумуляционной части и соединена с последней вытяжным и перепускным каналами, при этом вытяжной канал соединен с верхней частью, а перепускной - с нижней частью полости камеры-охладителя, причем площадь F₀ поверхности в плане камеры-охладителя определяется площадью самого сооружения, а площадь F _A камеры аккумуляционной части, граничащей с наружным воздухом, определяют по формуле:

где q_з - суммарный приток тепла в камеру-охладитель в зимний период, ккал/(м ²·час);

q_{В, з} - количество тепла, проходящее через стенку камеры аккумуляционной части, ккал/(м²·час).

Кроме того, на боковой поверхности стенок вытяжных каналов может быть выполнена теплоизоляция.

Вытяжной и перепускной каналы каждой из подсистем могут быть в плане расположены с противоположных сторон. Между низом инженерного сооружения и верхом камеры-охладителя может быть размещен слой теплоизоляции. Камеры-охладители смежных подсистем могут быть выполнены с единой полостью и с несущими вертикальную нагрузку перегородками, имеющими отверстия в верхней и нижней части перегородок.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами,

где на фиг.1 изображена предлагаемая охлаждающая система - сечение А-А на фиг.2;

на фиг.2 - сечение Б-Б на фиг.1.

Охлаждающая подсистема содержит аккумуляционную часть 1, камеру-охладитель 2, вытяжной 3 и перепускной 4 каналы. Аккумуляционная часть 1 граничит с наружным воздухом. Камера-охладитель 2 расположена под зданием 5 и подземными помещениями 6, которые содержат пол 7, перекрытие 8 и несущие продольные и поперечные стенки 9.

Камера-охладитель 2 содержит пол 10, перекрытие 11, продольные и поперечные стенки 12. Стенки 12 могут быть непроницаемыми. Тогда каждая охлаждающая подсистема работает автономно. Они могут иметь в верхней и нижней части отверстия 13 и 14. Тогда охлаждающие подсистемы работают совместно. Над перекрытием 8 может быть расположен слой грунта 15, а пол 10 камеры-охладителя расположен на вечномерзлых грунтах оснований 16. Высоту h_k камеры-охладителя целесообразно делать такой, чтобы образовывался естественный перепад температур воздуха по высоте. Из практики следует, что высота h_k для выполнения вышеуказанного условия должна быть не менее 1.5-2.0 м. При этом вытяжной канал 3 соединен с верхней частью полости камеры-охладителя, а перепускной канал - с нижней частью полости. Вытяжной

канал 3 целесообразно покрыть теплоизоляцией 17. Между полом 7 подземного помещения 6 и перекрытием 11 камеры-охладителя 2 целесообразно устройство слоя теплоизоляции 18.

Размеры в плане i-той подсистемы определяются площадью F_{0, i}, при этом общая площадь F₀ системы определяется

где n - количество подсистем.

Возможно каждую подсистему отделить стенками-перегородками 12 с расстоянием между ними в_i, с_i при этом F_{0, i}=в_i·с _i. Значение расстояния а_i между вытяжным и перепускным каналами должно как можно больше приближаться к значению расстояния между противоположными сторонами i-той подсистемы.

Система охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений работает следующим образом. В камере аккумуляционной части 1 воздух за счет теплообмена через стенки камеры с наружным воздухом охлаждается в зимний период и через перепускной канал 4 поступает в камеру-охладитель 2. Движение воздуха происходит за счет разности удельного веса холодного и теплого воздуха, поэтому охлажденный в камере аккумуляционной части воздух поступает вниз, в камеру-охладитель 2, вытесняя при этом нагретый воздух через вытяжной канал 3 обратно в камеру аккумуляционной части 1. В камере-охладителе холод передается в нижележащий грунт (или тепловые потоки из грунта поступают в воздух камеры-охладителя, нагревая его), при этом воздух нагревается. Чем больше перепад температур в системе, тем интенсивнее идет теплообмен, поэтому вытяжной канал целесообразно покрыть слоем теплоизоляции 17, чтобы воздух в канале не охладился, не дойдя до

камеры аккумуляционной части 1. Это необходимо для увеличения разности температур воздуха в каналах 3 и 4. В летний период конвекция прекращается, поскольку в канале аккумуляционной части 1 температура воздуха выше, чем в камере-охладителе 2. Таким образом, в зимний период холод поступает в камеру охладитель, а летом тепло не поступает, что обеспечивает суммарный за год отрицательный баланс и, следовательно, охлаждение грунтов оснований.

Основные параметры охлаждающей системы определяют из следующих соображений.

В камеру-охладитель общей площадью F₀ (м²) в плане в зимний (холодный) период года поступает часовой приток тепла сверху (из сооружения), равный -q_{с, з} и приток тепла снизу (из охлаждаемого грунта), равный -q_{гp, з}. Суммарный приток тепла в зимний период q_з равен

В летний период в камеру-охладитель поступает тепло сверху, равное -q_{с, л}, но уходит вниз, нагревая грунт, при этом оно равно +q_{гр, л}. Суммарный приток тепла в летний период q _л равен

В выражениях (1) и (2) составляющие q _{с, л} и q_{c, з} требуют компенсации за счет увеличения мощности аккумуляционной части. Поэтому они должны быть как можно больше снижены за счет устройства теплоизоляции 18. Другими словами, всегда решается вопрос: либо увеличить мощность аккумуляционной части, либо уменьшить теплопотери устройством теплоизоляции.

Для обеспечения охлаждения грунтов необходимо, чтобы годовой тепловой баланс Q_{гр, год} притока и оттока тепла в грунт был отрицательным:

где _з и _л - длительность в часах соответственно зимнего и летнего периодов.

В зимний период аккумуляционная часть должна обеспечить аккумуляцию холода Q_{возд, з}, равную (в соответствии с выражением (1))

За счет теплообмена с наружным воздухом в камеру аккумуляционной части поступает через квадратный метр поверхности, граничащей с воздухом, количество холода (отток тепла), равное q_{В, з}, (ккал/(м²·час), а через всю поверхность F_A камеры количество холода, равное

Из равенства (4) и (5) следует, что площадь F_A камеры аккумуляционной части будет равна

Величины q_з, q _{В, з} и др. находят в результате проведения теплофизических расчетов на основе обычных требований и исходных данных: необходимой степени охлаждения (замораживания) грунтов,

свойств грунтов, теплового влияния сооружения и др. Размеры (F ₀) в плане камеры-охладителя определяются размерами сооружения и теплофизическими расчетами. Площадь F_A поверхности камеры аккумуляционной части определяют из формулы (6). В связи с тем, что теплообмен через стенки камеры аккумуляционной части примерно в 10-50 раз интенсивнее, чем между воздухом камеры-охладителя и подстилающим грунтом, площадь F_A меньше площади F₀ также в 10-50 раз. Например, при площади F₀=100 м ×120 м=12000 м² было получено требуемое значение площади F_A=400 м².

Площадь поперечного сечения вытяжного и перепускного каналов подбирается из конструктивных соображений: имеющихся в наличии диаметров труб и т.п. Однако здесь должно быть соблюдено условие, характеризующее допустимую скорость движения воздуха по каналам. При скорости движения воздуха порядка более 0,5 м/сек возможно образование «пробок», препятствующих нормальному обмену воздуха между камерой-охладителем и камерой аккумуляционной части. Расход V воздуха будет определяться по формуле:

где Q_возд - определяется по формуле (5), ккал/час;

С_B - объемная теплоемкость воздуха, ккал/(м³·град);

t - перепад температур между воздухом камеры-охладителя и камеры аккумуляционной части, град.

Предлагаемая система охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений может быть применена для широких сооружений с подземными помещениями (подвалами, гаражами и т.п.) и

эффективно использоваться как в отдельном здании, так и в целом квартале вместе со вспомогательными постройками.

1. Система охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений, включающая комплекс смежных охлаждающих подсистем, независимых или связанных друг с другом, каждая из которых содержит аккумуляционную часть, камеру-охладитель, расположенную под инженерным сооружением, перепускной и вытяжной каналы, отличающаяся тем, что аккумуляционная часть и камера-охладитель выполнены в виде замкнутых камер, содержащих непроницаемые оболочки и полости в них, при этом аккумуляционная часть контактирует с наружным воздухом, а камера-охладитель расположена ниже аккумуляционной части и соединена с последней вытяжным и перепускным каналами, при этом вытяжной канал соединен с верхней частью, а перепускной - с нижней частью полости камеры-охладителя, причем площадь F ₀ поверхности камеры-охладителя в плане определяется площадью самого сооружения, а площадь F_A камеры аккумуляционной части, граничащей с наружным воздухом, определяют по формуле

где q_з - суммарный приток тепла в камеру-охладитель в зимний период, ккал/(м ²·ч);

q_{В, з} - количество тепла, проходящее через стенку камеры аккумуляционной части, ккал/(м²·ч).

2. Охлаждающая система по п.1, отличающаяся тем, что на боковой поверхности стенок вытяжных каналов выполнена теплоизоляция.

3. Охлаждающая система по п.1, отличающаяся тем, что вытяжной и перепускной каналы каждой из подсистем в плане расположены с противоположных ее сторон.

4. Охлаждающая система по п.1, отличающаяся тем, что между низом инженерного сооружения и верхом камеры-охладителя размещен слой теплоизоляции.

5. Охлаждающая система по п.1, отличающаяся тем, что камеры-охладители смежных подсистем выполнены с единой полостью и с несущими вертикальную нагрузку перегородками, имеющими отверстия в верхней и нижней части перегородок.