CN117888586A - 一种用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统，包括架空结构和通风降温系统；架空结构包括上层构筑物以及数根支撑上层构筑物的桩基础；通风降温系统包括数个旋转通风门、感应单元和控制单元；控制单元包括串联的温控器和风控器；旋转通风门内部中心安装有风温双控旋转轴，风温双控旋转轴分别与温控器和风控器电连接；感应单元包括第一温度探头、第二温度探头和风向仪；第一温度探头、第二温度探头分别与温控器电连接，风向仪与风控器电连接。本发明的风向追踪及选择性通风特性，可强迫架空结构外界变方向冷空气与内部热空气单向对流换热，结合构筑物的遮阳效应，最大程度的使工程构筑物下方地基基础的冷能不断积累。

Description

一种用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统

技术领域

本发明涉及多年冻土区工程建设技术领域，特别是涉及一种用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统。

背景技术

多年冻土是指温度低于0℃，且至少连续冻结两年的岩土层，具有较高的力学强度和承载力。但是，活动层表面的冻胀融沉会使得构筑物局部抬升、下沉、倾斜并产生裂缝。气候变暖导致的冻土退化、温度升高、活动层加深会加剧上述破坏。为此，多年冻土区的构筑物普遍使用桩、柱结构将房屋架空成敞开式通风结构，不仅有效的保护结构基础免受活动层冻胀融沉的破坏，而且构筑物的遮阳效应可以有效保持构筑物下伏多年冻土的热稳定性。青藏高原的高温多年冻土区旱桥、车站、部分观测站等也采用上述架空结构。该结构对下伏多年冻土的地温影响也已有报道。

全球变暖对这种架空结构的热稳定性提出了新的挑战。最为典型的是雅库茨克（昵称高跷之城），其大部分建筑都离地表5~10英尺，下部为打入冻土层的柱支撑结构。然而，随着北极地区的快速升温，雅库茨克的平均气温十年内升高5℃，导致永久冻土融化、构筑物结构下沉，地基开裂。青藏高原多年冻土温度普遍高于西伯利亚、阿拉斯加等地。过去几十年，高耸于欧亚大陆副热带东部的青藏高原增暖速度显著高于全球平均。较高的升温速率导致的高温冻土快速退化对工程构筑物的威胁更为显著。如何减小或者阻挡外部环境向结构下方的热输入，增加外部冷空气与架构下方的对流换热是有效提高架空结构维持下伏冻土温度较低状态的关键。

另外，冻土区风向四季变化多端，且存在主风向效应。以青藏高原为例，常年盛行西北风。构筑物的阻风效应使得迎风侧在暖季有明显的地温抬升效应，在冷季不能有效的与结构下方地基进行强制对流换热，导致构筑物下方及周围基础地温整体差异性较大，引发基础偏向地温较高方向侧的沉降及构筑物倾斜。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统，包括架空结构和设置在所述架空结构周围的通风降温系统；所述架空结构包括上层构筑物以及数根支撑上层构筑物的桩基础，所述桩基础的底部穿过活动层埋入多年冻土；

所述通风降温系统包括数个旋转通风门、感应单元以及控制单元，所述旋转通风门排列设置在上层构筑物与活动层之间架空空间侧边缘；所述控制单元包括串联的温控器和风控器；所述旋转通风门内部中心安装有风温双控旋转轴，所述风温双控旋转轴分别与温控器和风控器电连接，用于控制所述旋转通风门的旋转角度；所述感应单元包括感应架空空间外界空气温度的第一温度探头、感应架空空间内部空气温度的第二温度探头和监测上层构筑物顶部风向的风向仪；第一温度探头、第二温度探头分别与所述温控器电连接，所述风向仪与风控器电连接。

在上述技术方案中，所述上层构筑物的底部与地面间架空高度为1m。

在上述技术方案中，水平方向上，每个第一温度探头均距离架空空间侧边缘2m；所述第二温度探头与第一温度探头的高度相等，约为架空高度的1/2。

在上述技术方案中，所述第一温度探头的数量为四个，四个第一温度探头分别两两对称设置在所述架空空间的外部；一个第二温度探头设置在所述架空空间的中心位置。

在上述技术方案中，所述温控器和风控器设置在上层构筑物的内部。

在上述技术方案中，所述架空空间为正方体或长方体空间，所述架空空间的每一个边缘上均有多个旋转通风门排列相邻设置，每个旋转通风门关闭时，架空空间与外界空间隔离。

在上述技术方案中，所述温控器始终处于激活状态，风控器在激活状态下的巡检周期为半小时。

在上述技术方案中，所述上层构筑物的顶部固定安装有太阳能供电系统，所述太阳能供电系统为所述风温双控旋转轴、感应单元以及控制单元供电。

在上述技术方案中，所述上层构筑物四周分别固定安装有用于导流的风罩，所述风罩位于所述旋转通风门的顶部。

一种用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤1，第一温度探头和第二温度探头感应架空空间外界和内部的空气温度并发送给温控器，风向仪监测上层构筑物顶部风向；

步骤2，温控器接收第一温度探头、第二温度探头感应到的架空空间外界和内部的空气温度，当温控器接收到架空空间内部的空气温度大于架空空间外界的空气温度时，温控器产生控制信号激活风控器及风温双控旋转轴；

步骤3，所述风控器接收风向仪监测到的上层构筑物顶部风向，所述风控器输出信号并控制风温双控旋转轴进行旋转，从而带动旋转通风门进行旋转，使得旋转通风门与风向保持平行，使旋转通风门外部的冷空气从架空空间迎风侧进入，与架空空间内部空气进行对流换热，换热后的空气从架空空间另一侧排出；

步骤4，当温控器接收到架空空间内部的空气温度等于或小于架空空间外界的空气温度时，温控器传输信号并控制风温双控旋转轴驱动旋转通风门旋转关闭以保证架空空间与外界空间完全封闭隔离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的风向追踪旋转通风门可根据上层构筑物顶部风向以及架空空间外界和内部的空气温度相对大小，使外部冷空气向内流动，阻止外部热空气向内流动，以此达到架空结构内外选择性单向对流换热作用，从而维持上层构筑物下方地基持续低温状态；

2、本发明将遮阳降温和选择性强制对流有机结合，充分利用两者优点，通过对自然界冷能的采用，储藏，热能的避免、阻挡，达到架空结构最大降温效果，有效的解决高温高含冰量脆弱冻土环境与人类工程活动间的矛盾，满足工程建筑热稳定性的特殊要求；

3、本发明是风向追踪通风降温装置，通风降温过程中旋转通风门的角度时刻与构筑物上方风向仪监测到的风向保持一致（平行），结合入风口风罩的使用最大程度的保证变风向外界冷空气畅通进入架空空间内部实现强制对流换热，克服了路基通风管单向通风，对流换热不佳的缺点；

4、本发明在寒区构筑物工程中的实施，使工程建筑基础下方的冷能不断积累，使得下伏多年冻土地温维持在较低的水平，且整体温差较小；工程构筑物服役期间所需承载力对应的基础桩长大幅降低，有效降低工程成本。

附图说明

图1所示为本发明的用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统结构示意图。

图2所示为本发明的通风降温系统旋转通风门排列设置示意图。

图3所示为本发明的感应单元以及控制单元的结构示意图。

图4所示为本发明的北风风向的通风降温系统工作原理图。

图5所示为本发明的西风风向的通风降温系统工作原理图。

图6所示为本发明的西北风风向的通风降温系统工作原理图。

图中：1-旋转通风门，2-桩基础，3-上层构筑物，4-第一温度探头，5-第二温度探头，6-风罩，7-温控器，8-风控器，9-风温双控旋转轴，10-太阳能供电系统，11-风向仪。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统，参见图1，包括架空结构和设置在所述架空结构周围的通风降温系统。其中，所述架空结构架空设置在活动层与多年冻土的正上方。

所述架空结构包括上层构筑物3以及数根支撑上层构筑物3的桩基础2，所述上层构筑物的底部与地面间架空高度为1m，所述桩基础2的底部穿过活动层埋入多年冻土，所述上层构筑物能够对下伏多年冻土有遮阳降温的作用。

参见图2，所述通风降温系统包括数个旋转通风门1、感应单元以及控制单元，数个旋转通风门1排列设置在上层构筑物3与活动层之间架空空间侧边缘；所述架空空间为正方体或长方体空间，所述架空空间的每一个边缘上均有多个旋转通风门1排列相邻设置，每个旋转通风门1关闭时，架空空间与外界空间隔离（所述旋转通风门1闭合状态下保证架空空间与外界隔离）。参见图3，所述控制单元包括串联的温控器和风控器8，所述温控器7与风控器8均设置在上层构筑物3的内部；所述旋转通风门1内部中心安装有风温双控旋转轴9，所述风温双控旋转轴9分别与温控器7和风控器8连接，用于驱动旋转通风门1进行旋转；所述感应单元包括感应架空空间外界空气温度的第一温度探头4、感应架空空间内部空气温度的第二温度探头5和监测上层构筑物顶部风向的风向仪11；所述第一温度探头4的数量为四个，四个第一温度探头4分别两两对称设置在旋转通风门1外部；一个第二温度探头5设置在所述架空空间的中心位置；且水平方向上，每个第一温度探头4均距离架空空间侧边缘2m；所述第二温度探头5设置在上层构筑物3下方架空空间中心位置，所述第二温度探头5与第一温度探头4的高度相等；所述四个第一温度探头4和第二温度探头5分别与温控器7电连接，用于将第一温度探头4与第二温度探头5感应到的架空空间外界和内部的空气温度发送给温控器7；

所述风向仪11固定安装在上层构筑物3的顶部并与风控器8电连接，用于将监测到的上层构筑物顶部风向发送给风控器8。风控器8激活状态下接收到上层构筑物顶部风向后，可根据上层构筑物顶部风向输出信号至风温双控旋转轴9，控制风温双控旋转轴9驱动旋转通风门1进行旋转，使得旋转通风门1与风向保持平行，从而使旋转通风门1外部的冷空气进入。其中，所述温控器7始终处于激活状态，风控器8在激活状态下的巡检周期为半小时。

实施例2

在实施例1的基础上，所述用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤1，第一温度探头4和第二温度探头5感应架空空间外界和内部的空气温度并发送给温控器7，风向仪11监测上层构筑物顶部风向；

步骤2，温控器接收第一温度探头4、第二温度探头5感应到的架空空间外界和内部的空气温度，当温控器7接收到架空空间内部的空气温度大于架空空间外界的空气温度时，温控器7产生控制信号激活风控器8及风温双控旋转轴9；

步骤3，所述风控器8接收风向仪监测到的上层构筑物顶部风向，所述风控器8输出信号并控制风温双控旋转轴9进行旋转，从而带动旋转通风门1进行旋转，使得旋转通风门1与风向保持平行（如图4所示，所述风向仪11监测到的上层构筑物顶部风向为北风，架空空间迎风侧的旋转通风门1向内旋转90°，架空空间另一侧的旋转通风门1向外旋转90°，使旋转通风门1与上层构筑物顶部风向保持平行；如图5所示，所述风向仪11监测到的上层构筑物顶部风向为西风，架空空间迎风侧的旋转通风门1向内旋转90°，架空空间另一侧的旋转通风门1向外旋转90°，使旋转通风门1与上层构筑物顶部风向保持平行；如图6所示，所述风向仪11监测到的上层构筑物顶部风向为西北风，架空空间迎风侧的旋转通风门1向内旋转45°，架空空间另外两侧的旋转通风门1向外旋转45°，使旋转通风门1与上层构筑物顶部风向保持平行。），使旋转通风门1外部的冷空气从架空空间迎风侧进入，与架空空间内部空气进行对流换热，换热后的空气从架空空间另一侧排出；

步骤4，当温控器7接收到架空空间内部的空气温度等于或小于架空空间外界的空气温度时，温控器7传输信号并控制风温双控旋转轴9驱动旋转通风门1旋转关闭以保证架空空间与外界空间完全封闭隔离。

实施例3

在实施例1-2的基础上，所述上层构筑物3的顶部固定安装有太阳能供电系统10，所述太阳能供电系统10为所述风温双控旋转轴9、感应单元以及控制单元供电。

实施例4

在实施例1-3的技术上，所述上层构筑物3四周分别固定安装有用于导流的风罩6，能够保证风向变换后旋转通风门1外界冷空气畅通进入架空空间内部，所述风罩6位于所述旋转通风门的顶部。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统，其特征在于，包括架空结构和设置在所述架空结构周围的通风降温系统；所述架空结构包括上层构筑物以及数根支撑上层构筑物的桩基础，所述桩基础的底部穿过活动层埋入多年冻土；

所述通风降温系统包括数个旋转通风门、感应单元以及控制单元，所述旋转通风门排列设置在上层构筑物与活动层之间架空空间侧边缘；所述控制单元包括串联的温控器和风控器；所述旋转通风门内部中心安装有风温双控旋转轴，所述风温双控旋转轴分别与温控器和风控器电连接，用于控制所述旋转通风门的旋转角度；所述感应单元包括感应架空空间外界空气温度的第一温度探头、感应架空空间内部空气温度的第二温度探头和监测上层构筑物顶部风向的风向仪；第一温度探头、第二温度探头分别与所述温控器电连接，所述风向仪与风控器电连接。

2.根据权利要求1所述的用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统，其特征在于，所述上层构筑物的底部与地面间架空高度为1m。

3.根据权利要求1所述的用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统，其特征在于，水平方向上，每个第一温度探头均距离架空空间侧边缘2m；所述第二温度探头与第一温度探头的高度相等，约为架空高度的1/2。

4.根据权利要求1所述的用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统，其特征在于，所述第一温度探头的数量为四个，四个第一温度探头分别两两对称设置在所述架空空间的外部；一个第二温度探头设置在所述架空空间的中心位置。

5.根据权利要求1所述的用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统，其特征在于，所述温控器和风控器设置在上层构筑物的内部。

6.根据权利要求1所述的用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统，其特征在于，所述架空空间为正方体或长方体空间，所述架空空间的每一个边缘上均有多个旋转通风门排列相邻设置，每个旋转通风门关闭时，架空空间与外界空间隔离。

7.根据权利要求1所述的用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统，其特征在于，所述温控器始终处于激活状态，风控器在激活状态下的巡检周期为半小时。

8.根据权利要求1所述的用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统，其特征在于，所述上层构筑物的顶部固定安装有太阳能供电系统，所述太阳能供电系统为所述风温双控旋转轴、感应单元以及控制单元供电。

9.根据权利要求1所述的用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统，其特征在于，所述上层构筑物四周分别固定安装有用于导流的风罩，所述风罩位于所述旋转通风门的顶部。

10.一种如权利要求1所述的用于冷却冻土地基的架空结构风向追踪通风降温系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，第一温度探头和第二温度探头感应架空空间外界和内部的空气温度并发送给温控器，风向仪监测上层构筑物顶部风向；

步骤2，温控器接收第一温度探头、第二温度探头感应到的架空空间外界和内部的空气温度，当温控器接收到架空空间内部的空气温度大于架空空间外界的空气温度时，温控器产生控制信号激活风控器及风温双控旋转轴；

步骤3，所述风控器接收风向仪监测到的上层构筑物顶部风向，所述风控器输出信号并控制风温双控旋转轴进行旋转，从而带动旋转通风门进行旋转，使得旋转通风门与风向保持平行，使旋转通风门外部的冷空气从架空空间迎风侧进入，与架空空间内部空气进行对流换热，换热后的空气从架空空间另一侧排出；

步骤4，当温控器接收到架空空间内部的空气温度等于或小于架空空间外界的空气温度时，温控器传输信号并控制风温双控旋转轴驱动旋转通风门旋转关闭以保证架空空间与外界空间完全封闭隔离。