RU2519012C2 - Method and device for year-round cooling, freezing of ground at foundation base and for heat supply of structure on permafrost ground in cryolytic zone - Google Patents
Method and device for year-round cooling, freezing of ground at foundation base and for heat supply of structure on permafrost ground in cryolytic zone Download PDFInfo
- Publication number
- RU2519012C2 RU2519012C2 RU2012117487/03A RU2012117487A RU2519012C2 RU 2519012 C2 RU2519012 C2 RU 2519012C2 RU 2012117487/03 A RU2012117487/03 A RU 2012117487/03A RU 2012117487 A RU2012117487 A RU 2012117487A RU 2519012 C2 RU2519012 C2 RU 2519012C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- soil
- temperature
- heat pump
- year
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам регулируемой температурной стабилизации, охлаждения и замораживания грунта основания фундаментов, а также теплоснабжения сооружений на вечномерзлых грунтах (в условиях криолитозоны).The invention relates to devices for controlled temperature stabilization, cooling and freezing of the foundation foundation soil, as well as heat supply to structures on permafrost soils (under permafrost conditions).
При промышленном и гражданском строительстве зданий в вечномерзлых грунтах происходит изменение температурного поля оснований сооружений, так как под тепловым действием сооружений образуются чаши оттаивания, что приводит к осадке здания. Основная задача возведения фундамента на вечномерзлом грунте - сохранение мерзлого состояния грунта, при котором он обладает высокой несущей способностью.During industrial and civil construction of buildings in permafrost soils, a change in the temperature field of the foundations of structures occurs, since under the thermal action of structures defrosting bowls are formed, which leads to building settlement. The main task of erecting a foundation on permafrost soil is to preserve the frozen state of the soil, in which it has a high bearing capacity.
Известно много методов и устройств стабилизации и замораживания оснований сооружений на вечномерзлых грунтах, получено много патентов на такие способы и устройства. Однако ни одно из них не гарантирует круглогодичного замораживания грунта по всей глубине скважины и не содержит дополнительной функции теплоснабжения за счет теплоты охлаждения вечномерзлого грунта.Many methods and devices are known for stabilizing and freezing the foundations of structures on permafrost soils, and many patents have been obtained for such methods and devices. However, none of them guarantees year-round freezing of the soil throughout the depth of the well and does not contain an additional heat supply function due to the heat of cooling of permafrost soil.
Известен способ повышения устойчивости свайных фундаментов в криолитозоне, включающий размещение теплоизоляционного экрана на поверхности грунтового основания и расчет необходимых его параметров (патент РФ № 2159308, опубл. 20 ноября 2000). Теплоизоляционный экран размещают на поверхности и внутри грунтового основания, его размеры, геометрическую конфигурацию, а также теплофизические свойства материала, имеющие пространственную анизотропию, определяют из условий совпадения проектируемого температурного поля, обеспечивающего устойчивость сооружения в течение всего периода эксплуатации, и расчетного температурного поля, полученного путем решения методом конечных разностей нестационарного двумерного неоднородного уравнения теплопроводности в прямоугольных координатах для анизотропной среды с наличием в ней подвижной границы раздела фаз и представляющей собой инженерно-геологический разрез грунтов основания, вмещающего проектируемый теплоизоляционный экран, и прилегающие слои грунта.There is a method of increasing the stability of pile foundations in the permafrost zone, including placing a heat-insulating screen on the surface of the soil base and calculating its necessary parameters (RF patent No. 2159308, publ. November 20, 2000). The heat-insulating screen is placed on the surface and inside the soil base, its dimensions, geometric configuration, as well as the thermal properties of the material having spatial anisotropy, are determined from the conditions of coincidence of the designed temperature field, which ensures the stability of the structure throughout the entire period of operation, and the calculated temperature field obtained by solving by the finite difference method a non-stationary two-dimensional inhomogeneous heat equation in rectangular coordinates ah anisotropic medium for the presence therein movable boundary phase section and constituting geotechnical soil base section accommodating the projected heat shield and an adjacent soil layers.
Недостатками этого способа являются необходимость большого количества теплоизоляционного материала и связанного с этим большого объема грунтовых работ, а также вероятность несовпадения расчетных и фактических значений температурных полей и невозможности последующей регулировки температурного режима свайных фундаментов.The disadvantages of this method are the need for a large amount of heat-insulating material and the associated large amount of soil work, as well as the likelihood of a mismatch between the calculated and actual values of the temperature fields and the inability to subsequently adjust the temperature of the pile foundations.
Известно устройство для охлаждения грунта, предлагаемое для повышения интенсивности и снижения продолжительности процесса охлаждения грунта, а также выполнения охлаждения грунта с регулируемым процессом (патент РФ № 2110647, опубл. 10 мая 1998). Устройство содержит установленную в грунтовую скважину обсадную трубу с размещенной в ней внутренней трубой, соединенной воздуховодом с всасывающим или напорным патрубком вентилятора. Внутрь обсадной трубы вставлена трубка, сообщающаяся с окружающей воздушной средой или с воздуховодом и имеющая возможность продольного перемещения внутри обсадной трубы. Трубка выполнена из материала с низкой теплопроводностью или имеет покрытие из теплонепроводящего материала. Внутренняя труба на конце имеет эжектирующую насадку, а на боковой поверхности имеет винтовое ребро и отверстия диаметром 0,08-0,12 D. Последние расположены в нижней части трубы с шагом по длине 30-50 D, где D - внутренний диаметр трубы.A device for cooling soil is proposed for increasing the intensity and reducing the duration of the soil cooling process, as well as performing soil cooling with an adjustable process (RF patent No. 2110647, publ. May 10, 1998). The device comprises a casing pipe installed in a soil well with an internal pipe placed therein, connected by an air duct to a suction or pressure pipe of a fan. A pipe is inserted inside the casing, communicating with the surrounding air or the air duct and having the possibility of longitudinal movement inside the casing. The tube is made of a material with low thermal conductivity or has a coating of heat-conducting material. The inner pipe at the end has an ejection nozzle, and on the side surface has a helical rib and holes with a diameter of 0.08-0.12 D. The latter are located in the lower part of the pipe with a step in length of 30-50 D, where D is the inner diameter of the pipe.
Недостатком этого устройства является зависимость от температуры окружающей воздушной среды, от неопределенности положения подвижной трубки, низкий коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней поверхности обсадной трубы.The disadvantage of this device is its dependence on the temperature of the surrounding air environment, on the uncertainty of the position of the movable tube, low heat transfer coefficient from air to the inner surface of the casing.
Известно устройство для стабилизации пластично-мерзлых грунтов с круглогодичным режимом работы для аккумуляции холода в основании сооружений, включающее подземную и надземную части трубчатого герметичного корпуса, заполненного хладагентом, подземная часть которого является испарителем, а надземная - конденсатором, снабженным полкой, имеющей расположенные на ее поверхности термоэлектрические модули в виде батареи элементов Пельтье (заявка на изобретение № 2009114953, опубл. 27 октября, 2010). Данное устройство снабжено тепловой трубой, один конец которой, имеющий полку, присоединен к горячей поверхности термоэлектрических модулей, а другой конец, являющийся зоной конденсации, имеет ребристую поверхность, причем ось зоны конденсации расположена под углом φ наклона к горизонту и, как вариант, имеет полку, на которой размещены радиаторы с установленными на них вентиляторами.A device for stabilization of plastic-frozen soils with a year-round mode of operation for accumulating cold at the base of structures, including the underground and aboveground parts of the tubular sealed enclosure filled with refrigerant, the underground part of which is an evaporator, and the aboveground part is a condenser equipped with a shelf having located on its surface thermoelectric modules in the form of a battery of Peltier elements (application for invention No. 2009114953, publ. October 27, 2010). This device is equipped with a heat pipe, one end of which having a shelf is attached to the hot surface of thermoelectric modules, and the other end, which is a condensation zone, has a ribbed surface, and the axis of the condensation zone is at an angle φ of inclination to the horizon and, alternatively, has a shelf on which radiators with fans installed on them.
Недостатком данного устройства является энергозатратность и возможность обледенения ребристой поверхности конденсатора.The disadvantage of this device is the energy consumption and the possibility of icing on the ribbed surface of the capacitor.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является тепловая свая (патент РФ №2250302, опубл. 20.04.2005). Тепловые сваи устанавливаются в вечную мерзлоту в зимнее время путем просверливания в ней с помощью буровой установки колодцев. Затем сваи выставляют и закрепляют между собой, после чего в зазоры колодцев заливают воду, которая замерзает и жестко связывает всю конструкцию в вечной мерзлоте. Замерзанию залитой воды в зазоры колодцев в вечной мерзлоте способствует также работа тепловой трубы, когда температура окружающего воздуха ниже температуры вечной мерзлоты. При этом начинается охлаждение грунта вокруг испарителей до температуры, практически равной температуре окружающего воздуха. Свая Т-образной формы с металлическим пластинчатым оребрением конденсаторов, выполненным одновременно с элементами горизонтальной части сваи, позволившая не только обеспечить достаточно развитую внешнюю поверхность для интенсивного охлаждения конденсаторов в зимнее время, но и обеспечить прочность тепловой трубы, соединенной с тепловой сваей. Если тепловая свая металлическая, то тепловая труба может просто привариваться к стальному стволу и к металлическому оребрению. В случае не очень больших нагрузок сама тепловая труба может служить одновременно сваей. Для более мощных сооружений, для строительства зданий, дорог и т.п. целесообразно тепловые сваи делать железобетонными, при этом тепловая труба служит частью металлической арматуры. Изобретению присвоены золотая медаль и диплом на Всемирной выставке новшеств, исследований и новых технологий в Брюсселе «Еврика-2003».The closest in technical essence to the proposed device is a thermal pile (RF patent No. 2250302, publ. 20.04.2005). Thermal piles are installed in permafrost in winter by drilling in it with the help of a drilling rig wells. Then the piles are exposed and fixed among themselves, after which water is poured into the gaps of the wells, which freezes and rigidly binds the entire structure in permafrost. The freezing of the flooded water in the gaps of wells in permafrost is also facilitated by the operation of the heat pipe when the ambient temperature is lower than the permafrost temperature. In this case, cooling of the soil around the evaporators begins to a temperature almost equal to the temperature of the surrounding air. A T-shaped pile with metal plate finning of capacitors, made simultaneously with the elements of the horizontal part of the pile, which allowed not only to provide a sufficiently developed external surface for intensive cooling of the condensers in winter, but also to ensure the strength of the heat pipe connected to the heat pile. If the heat pile is metal, then the heat pipe can simply be welded to the steel barrel and to the metal fins. In the case of not very large loads, the heat pipe itself can simultaneously serve as a pile. For more powerful structures, for the construction of buildings, roads, etc. it is advisable to make thermal piles reinforced concrete, while the heat pipe is part of the metal reinforcement. The invention was awarded a gold medal and diploma at the World Exhibition of Innovations, Research and New Technologies in Brussels “Eureka 2003”.
Недостатком тепловой сваи-прототипа является пассивность системы терморегулирования с помощью тепловой трубы, зависимость от температуры окружающей среды, не используется теплота конденсации.The disadvantage of the thermal pile of the prototype is the passivity of the thermal control system using a heat pipe, depending on the ambient temperature, the heat of condensation is not used.
Кроме отмеченных, общим недостатком всех аналогов и других конструкций укрепления основания фундаментов в условиях криолитозоны является отсутствие системы теплоснабжения сооружений за счет теплоты охлаждаемого или замораживаемого вечномерзлого грунта.In addition to those noted, a common drawback of all analogues and other structures for strengthening the foundations of the foundations in the permafrost zone is the lack of a heat supply system for structures due to the heat of a cooled or frozen permafrost.
Задачей предлагаемого изобретения является гарантированное круглогодичное регулируемое обеспечение замороженного состояния грунта основания фундамента сооружения по всей глубине скважины, а также одновременное обеспечение частичного, до половины, покрытия тепловой нагрузки сооружения с коэффициентом преобразования теплового насоса больше единицы за счет теплоты охлаждения и замораживания вечномерзлого и прилегающих к нему слоев грунта основания.The objective of the invention is the guaranteed year-round adjustable provision of the frozen state of the soil of the foundation foundation of the structure throughout the depth of the well, as well as the simultaneous provision of partial, up to half, coverage of the heat load of the structure with a heat pump conversion coefficient of more than one due to the heat of cooling and freezing of the permafrost and adjacent to it soil layers of the base.
В результате использования данного изобретения будет обеспечено круглогодичное устойчивое состояние фундамента сооружения за счет постоянно замораживаемого основания, исключающего оттаивание грунта, а также покрытие частичной, до половины расчетного значения, тепловой нагрузки за счет теплоты охлаждения и замораживания грунта с повышением температуры в подающей линии тепловым насосом, например, до +35°С, с последующим догревом до нормативной.The use of this invention will ensure a year-round stable state of the foundation of the structure due to the constantly frozen base, excluding thawing of the soil, as well as covering a partial, up to half the calculated value, heat load due to the heat of cooling and freezing of the soil with increasing temperature in the supply line by a heat pump, for example, up to + 35 ° C, followed by heating to the normative.
Вышеуказанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе круглогодичного охлаждения, замораживания грунта основания фундамента и теплоснабжения сооружения на вечномерзлом грунте в условиях криолитозоны, включающем бурение скважин, охлаждение грунта, круглогодично регулируют охлаждение и замораживание грунта основания фундамента и проводят круглогодичное частичное теплоснабжение 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, в котором рабочее тело 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 центре основания сооружения с несущими сваями по периферии или, будучи разделенной на менее мощные, термоскважины устанавливают по его периферии, выполняя дополнительно несущую функцию сваи фундамента сооружения, 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.The above result is achieved by the fact that in the proposed method for year-round cooling, freezing the soil of the foundation base and heating the structure on permafrost soil in the permafrost zone, including drilling wells, cooling the soil, they regulate the cooling and freezing of the soil of the foundation base year-round and conduct year-round partial heat supply to the structure due to the heat cooled and frozen soil of the base of the foundation and adjacent layers of soil, while forming primary circuit with a low temperature coolant of the heat pump, in which the working fluid has a boiling point lower by 10-30 ° C of the minimum temperature of the primary coolant, the heat pump is placed inside the building and heat is supplied with a conversion factor greater than 1-3 unit, and the primary coolant the pump has a freezing temperature below the minimum ambient temperature of the construction site to -60 ° C, and the temperature of the evaporation of the working fluid of the secondary circuit in Above the lower limit of its operating temperature range to -75 ° C, the thermal well is installed in the center of the base of the structure with bearing piles on the periphery or, being divided into less powerful, the thermal wells are installed on its periphery, additionally carrying the function of the foundation piles of the structure, and the heat carrier divided thermal wells are fed through heat-insulated heat pipes to a common heat exchanger of the primary circuit of the heat pump or to several heat pumps installed in different rooms facilities.
В предлагаемом способе в качестве теплоносителя первичного контура используют FreeziumTM, а в качестве рабочего тела теплового насоса используют фреон R23.In the proposed method, FreeziumTM is used as the primary coolant, and R23 freon is used as the working fluid of the heat pump.
В предлагаемом способе грунт основания фундамента может быть любым из криолитозоны, например островная мерзлота, талики.In the proposed method, the foundation base soil can be any of the permafrost zone, for example, permafrost, taliks.
Технический результат достигается также тем, что предлагаемое устройство для круглогодичных охлаждения, замораживания грунта основания фундамента и теплоснабжения сооружения на вечномерзлом грунте в условиях криолитозоны, содержащее установленную без зазора в грунтовую скважину заглушенную снизу обсадную трубу с размещенной в ней коаксиально трубой с открытым нижним торцом, зазор между трубами на верхнем торце обсадной трубы заглушен, верхние торцы труб содержат патрубки, полости труб и патрубков заполнены теплоносителем, содержит тепловой насос, низкотемпературный теплоноситель, нагрев теплоносителя происходит от грунта в обсадной трубе, внутренняя труба снаружи теплоизолирована, патрубки через теплоизолированные трубопроводы соединены с всасывающим и нагнетающим патрубками теплового насоса, образуя первичный контур, рабочее тело теплового насоса имеет температуру кипения ниже на 10-30°С минимальной температуры теплоносителя первичного контура, тепловой насос расположен внутри сооружения и осуществляет теплоснабжение с коэффициентом преобразования больше единицы, при этом патрубки труб соединены с регулируемым жидкостным насосом и теплообменником, образуют самостоятельный первичный замкнутый контур, соединенный с испарителем теплового насоса.The technical result is also achieved by the fact that the proposed device for year-round cooling, freezing the soil of the foundation foundation and heating the structure on permafrost soil in the permafrost zone, containing a casing pipe plugged at the bottom and plugged in from below without a gap in the soil borehole, with a coaxially placed pipe with an open bottom end between the pipes at the upper end of the casing is plugged, the upper ends of the pipes contain nozzles, the cavity of the pipes and nozzles are filled with coolant, contains heat pump, low-temperature coolant, heating of the coolant occurs from the soil in the casing pipe, the inner pipe is insulated from the outside, the pipes are connected through the heat-insulated pipes to the suction and discharge pipes of the heat pump, forming the primary circuit, the working body of the heat pump has a boiling point lower by 10-30 ° With a minimum temperature of the primary coolant, the heat pump is located inside the building and provides heat supply with a conversion coefficient greater units, while the pipe nozzles are connected to an adjustable liquid pump and a heat exchanger, form an independent primary closed loop connected to the evaporator of the heat pump.
В предлагаемом устройстве приводная мощность для теплового насоса и регулируемого жидкостного насоса потребляется из электросети или от ветроэлектрогенератора.In the proposed device, the drive power for a heat pump and an adjustable liquid pump is consumed from the mains or from a wind generator.
Вечномерзлый грунт поверхностных (глубиной до сотен метров) слоев земли в качестве основания фундамента сооружения рассматривается и как низкопотенциальный источник энергии для теплоснабжения посредством применения тепловых насосов, которые отбирают теплоту охлаждаемого и замораживаемого грунта и повышают температуру теплоносителя в подающей линии.The permafrost soil of the surface (hundreds of meters deep) earth layers is also considered as a low-grade energy source for heat supply through the use of heat pumps, which select the heat of the cooled and frozen soil and increase the coolant temperature in the supply line as the foundation foundation of the structure.
Свая, она же термосважина, выполнена в виде теплообменника типа, например, «труба в трубе», с низкотемпературным (температура замерзания намного ниже 0°С) теплоносителем, трубопроводами, образующими первичный контур теплового насоса; включает тепловой насос с температурой кипения рабочей жидкости ниже нижней температуры замерзания теплоносителя, вспомогательные регулируемые насосы первичного контура и подающей линии, приборы отопления сооружения.A pile, it is also a heat well, is made in the form of a heat exchanger of the type, for example, “pipe in pipe”, with a low-temperature (freezing temperature much lower than 0 ° С) coolant, pipelines forming the primary circuit of the heat pump; includes a heat pump with a boiling point of the working fluid below the lower freezing temperature of the coolant, auxiliary adjustable pumps of the primary circuit and the flow line, heating devices of the structure.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1, 2 и 3.The essence of the invention is illustrated in figures 1, 2 and 3.
На фиг.1 показана принципиальная схема устройства.Figure 1 shows a schematic diagram of a device.
На фиг.2 приведена расчетная схема термоскважины.Figure 2 shows the design diagram of thermal well.
На фиг.3 приведены изменения минимальной температуры термоскважин 100 и 150 м, диаметра замороженного грунта и коэффициента преобразования теплового насоса за годы эксплуатации сооружения.Figure 3 shows the changes in the minimum temperature of
Принцип действия тепловых насосов предложен У.Томпсоном в 1852 г.The principle of operation of heat pumps was proposed by W. Thompson in 1852.
Способ круглогодичных охлаждения, замораживания грунта основания фундамента и теплоснабжения сооружения на вечномерзлом грунте в условиях криолитозоны осуществляют следующим образом.The method of year-round cooling, freezing the soil of the base of the foundation and heat supply to the structure on permafrost soil in the permafrost zone is as follows.
Тепло, отбираемое из окружающей среды, например грунта, передается в теплообменник 1 испарителя теплового насоса, по замкнутому контуру которого циркулирует рабочее тело, например фреон. Фреон в испарителе 2 кипит и испаряется при низкой температуре, поглощая скрытую теплоту испарения. Пары поступают в компрессор 3, где их давление и температура повышаются. Сжатые пары фреона поступают в конденсатор 4, где теплообменником 5 фреон охлаждается, передавая свое латентное тепло фазового перехода теплоносителю, циркулирующему в системе теплоснабжения 6. Охладившись, фреон переходит в жидкое состояние и через регулирующий вентиль или детандер 7 возвращается в испаритель 2. Тепловой насос имеет собственный насос первичного контура или (и) вспомогательный 8, если мощности собственного недостаточно.Heat taken from the environment, such as soil, is transferred to the
Термоскважина может располагаться как в центре основания фундамента, так и по периферии сооружения, выполняя функции свай, при этом мощность и глубина свай-термоскважин уменьшается пропорционально их количеству, а теплопроводы от свай-термоскважин подведены к общему тепловому насосу, размещенному внутри сооружения, или к отдельным тепловым насосам, размещенным в разных помещениях сооружения.The thermal well can be located both in the center of the foundation foundation and on the periphery of the structure, performing the functions of piles, while the power and depth of thermo-well piles decreases in proportion to their number, and the heat pipes from the thermo-well piles are connected to a common heat pump located inside the structure, or to separate heat pumps located in different rooms of the structure.
Перед использованием устройства на месте будущего сооружения проводится инженерно-геологическое бурение, с целью определения свойств и мощности грунта, если это не было известно раньше. Определяют тепловые нагрузки сооружения(-й) и проводят теплотехнические расчеты, в результате которых определяют параметры скважины и размещенной в ней без зазора термоскважины (фиг.2), осуществляющей отбор тепла из грунта с помощью теплового насоса (фиг.1). Термоскважина представляет собой теплообменник типа, в частности, «труба в трубе», погруженный вертикально в грунт на расчетную глубину. Циркулирующий в теплообменнике теплоноситель отбирает тепло из грунта и подает его в теплообменник 1 испарителя 2 теплового насоса (фиг.1). Охладившись, теплоноситель по внутренней трубе возвращается в нижнюю часть теплообменника, цикл первичного контура замыкается. По вторичному контуру циркулирует рабочее тело, например, фреон. Фреон в испарителе 2 кипит и испаряется при низкой температуре, поглощая скрытую теплоту испарения. Пары поступают в компрессор 3, где их давление и температура повышаются. Сжатые пары фреона поступают в конденсатор 4, где теплообменником 5 фреон охлаждается, передавая свое латентное тепло фазового перехода теплоносителю, циркулирующему в системе теплоснабжения 6. Охладившись, фреон переходит в жидкое состояние и через регулирующий вентиль или детандер 7 возвращается в испаритель 2.Before using the device at the site of the future structure, engineering and geological drilling is carried out in order to determine the properties and power of the soil, if this was not known before. The thermal loads of the structure (s) are determined and thermal engineering calculations are carried out, as a result of which the parameters of the well and the thermal well placed in it without a gap are determined (Fig. 2), which selects heat from the ground using a heat pump (Fig. 1). A thermal well is a heat exchanger of the type, in particular, “pipe in pipe”, immersed vertically in soil at a design depth. The heat carrier circulating in the heat exchanger removes heat from the soil and delivers it to the
Тепловой насос имеет собственный насос первичного контура или (и) вспомогательный 8, если мощности собственного недостаточно.The heat pump has its own primary pump or (and) auxiliary 8, if its own power is not enough.
В связи с тем, что с каждым годом объем охлажденного грунта вокруг термоскважины увеличивается, рассматривается протекание во времени этого процесса и его влияние на основание фундамента на примере покрытия тепловой нагрузки двухэтажного дома с площадью S=250 кв. метров, в котором проживает 10 человек, расположенного в районе с условиями, аналогичными условиям с.Хатанга Красноярского края.Due to the fact that every year the volume of chilled soil around the thermal well increases, the course of time of this process and its effect on the foundation foundation is considered using the example of covering the heat load of a two-story building with an area of S = 250 sq. meters, in which 10 people live, located in an area with conditions similar to the conditions of the village of Khatanga, Krasnoyarsk Territory.
По СНиП-23-01-99 определяется продолжительность и средняя температура наружного воздуха периода со средней температурой воздуха не более 8°С, соответственно, zht=311 суток и tht=-17,1°С.According to SNiP-23-01-99, the duration and average outdoor temperature of the period with an average air temperature of not more than 8 ° C are determined, respectively, z ht = 311 days and t ht = -17.1 ° C.
По СНиП-23-02-2003 определяют градусо-сутки по формуле:According to SNiP-23-02-2003, the degree-day is determined by the formula:
Dd=(tint-tht)zht,Dd = (t int -t ht ) z ht ,
где tint=21°C - расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания; Dd=11849 градусо-суток. Нормируемый удельный расход тепловой энергии на отопление определяют по таблице 8 СНиП-23-02-2003:where t int = 21 ° C is the calculated average temperature of the internal air of the building; Dd = 11849 degree days. The normalized specific heat energy consumption for heating is determined according to table 8 of SNiP-23-02-2003:
и тогда тепловая нагрузка отопительного периодаand then the heat load of the heating period
Помесячную тепловую нагрузку принимают, при отсутствии данных, например, равномерной в течение 10 месяцев отопительного периода, что составляет 8640 кВт·ч, а в июне и июле - только для горячего водоснабжения. Принимают тепловую нагрузку, покрываемую за счет преобразования тепловым насосом теплоты мерзлого грунта, равной, например, половине расчетной (табл.1). Остальная половина нагрузки покрывается теплогенератором или догревателем, обычно встроенным в корпус теплового насоса.Monthly heat load is taken, in the absence of data, for example, uniform for 10 months of the heating period, which is 8640 kWh, and in June and July - only for hot water supply. Take the thermal load, which is covered by the heat pump converting the heat of frozen soil, equal, for example, to half the calculated value (Table 1). The remaining half of the load is covered by a heat generator or pre-heater, usually built into the heat pump housing.
Ограничиваются процессами теплопереноса из грунта в теплообменник термоскважины. На фиг.2 изображена расчетная схема термоскважины, где d0 - диаметр внешней трубы теплообменника, d1 - диаметр слоя грунта после первого месяца охлаждения (покрытия месячной нагрузки), d-i - после второго месяца и т.д., d2 - очередной диаметр. They are limited by the processes of heat transfer from the soil to the heat well heat exchanger. Figure 2 shows the design diagram of the thermal well, where d 0 is the diameter of the outer pipe of the heat exchanger, d 1 is the diameter of the soil layer after the first month of cooling (covering the monthly load), di is after the second month, etc., d 2 is the next diameter .
Расчеты производят в предположении квазистационарного режима в течение каждого месяца. Массу каждого слоя определяют по формуле:Calculations are made under the assumption of a quasistationary regime during each month. The mass of each layer is determined by the formula:
где Q - месячная тепловая нагрузка из табл.1, cp - удельная теплоемкость грунта, tw и tc - средние температуры слоя на границах с неохлажденным и охлажденным слоями грунта. Тепловой поток от охлаждаемого слоя к теплообменнику определяют какwhere Q is the monthly heat load from Table 1, c p is the specific heat of the soil, t w and t c are the average temperature of the layer at the boundaries with uncooled and cooled soil layers. The heat flux from the cooled layer to the heat exchanger is defined as
где t0 - средняя температура на внешней оболочке теплообменника, R - термическое сопротивление от неохлажденного слоя до теплообменника, например от d13 до d0:where t 0 is the average temperature on the outer shell of the heat exchanger, R is the thermal resistance from the uncooled layer to the heat exchanger, for example from d 13 to d 0 :
где di - диаметры d1, d2, …, dn, di; h - высота полого цилиндра (очередного слоя грунта).where d i are the diameters d 1 , d 2 , ..., d n , d i ; h - the height of the hollow cylinder (the next layer of soil).
Принимают, например, в связи с отсутствием данных, следующие свойства вечномерзлого грунта:Take, for example, due to lack of data, the following properties of permafrost soil:
температура tw=-4°С [Алексеев С.И. Основания и фундаменты. Часть 12. Цитата: «Ниже глубины Н0 - амплитуды нулевых температур вечномерзлый грунт будет находиться при постоянной отрицательной температуре ≈-4°С … на глубине ≈15 м»];temperature t w = -4 ° С [Alekseev S.I. Foundations and foundations.
термические коэффициенты: cp=2,135 кДж/(кг·°С), γ=917,4 кг/м3, λ=2,09 Вт/(м·К) [Гаврильев Р.И. Теоретические оценки теплопроводности сегрегационного льда. Институт мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН, 677010, Якутск, mpi@ysn.ru Авторский проект O8ODE.RU]; температуры на входе в испаритель tin и на выходе tout определяют расчетами для получения заданной тепловой мощности. Масса охлаждаемого за год грунта составляет в данном примере ≈3000 тонн.thermal coefficients: c p = 2.135 kJ / (kg · ° C), γ = 917.4 kg / m 3 , λ = 2.09 W / (m · K) [Gavrilyev RI Theoretical estimates of the thermal conductivity of segregated ice. Institute of permafrost them. P.I. Melnikova SB RAS, 677010, Yakutsk, mpi@ysn.ru Author's project O8ODE.RU]; the temperatures at the inlet to the evaporator t in and at the outlet t out are determined by calculations to obtain a given thermal power. The mass of soil cooled per year is ≈3000 tons in this example.
Расчеты проводят с начала отопительного сезона, в предположении полностью естественно охлажденного грунта (первый год эксплуатации). Расчеты и графику выполняют с помощью компьютерной программы Excel, график представляют как на фиг.3.Calculations are carried out from the beginning of the heating season, assuming completely naturally chilled soil (first year of operation). Calculations and graphics are performed using the computer program Excel, the graph is presented as in figure 3.
Покрытие тепловой нагрузки в первый год эксплуатации при диаметре внешней трубы теплообменника (обсадной трубы) d0=0,5 м происходит: при глубине скважины h≈150 м, охлаждении теплоносителя в обсадной трубе до температуры -16°С и диаметре охлажденного грунта ≈6 м; при глубине скважины h≈100 м, соответственно, -26°С и 8 м. На второй и каждые последующие годы эксплуатации отопительный период будет начинаться при все более толстом охлажденном слое грунта, т.е. при все увеличивающемся термическом сопротивлении R. На фиг.3 показано изменение диаметра замороженного грунта и минимальной температуры скважины в течение 10 лет эксплуатации.Coverage of the heat load in the first year of operation with the diameter of the outer pipe of the heat exchanger (casing) d 0 = 0.5 m occurs: at a well depth of h≈150 m, the coolant in the casing is cooled to a temperature of -16 ° C and the diameter of the cooled soil is ≈6 m; at a well depth of h≈100 m, respectively, -26 ° C and 8 m. For the second and every subsequent years of operation, the heating period will begin with an increasingly thicker cooled soil layer, i.e. with increasing thermal resistance R. Figure 3 shows the change in the diameter of the frozen soil and the minimum temperature of the well during 10 years of operation.
Как следует из фиг.3, на 10-й год эти показатели увеличатся до ≈21 м и -25°С (скважина 150 м) и ≈21 м и -37°С (100 м). В дальнейшем эта закономерность имеет слабо выраженный экспоненциальный характер. Там же показаны средние за год значения коэффициентов преобразования идеального обратного цикла Карно теплового насоса, из которой видно, что с понижением температуры охлаждения (замораживания) и с уменьшением глубины термоскважины коэффициенты преобразования уменьшаются. Для реального цикла с коэффициентом термодинамического совершенства ν=0,2-0,5 коэффициент преобразования остается больше единицы.As follows from figure 3, in the 10th year, these indicators will increase to ≈21 m and -25 ° C (well 150 m) and ≈21 m and -37 ° C (100 m). In the future, this pattern has a weakly expressed exponential character. It also shows the average annual values of the conversion coefficients of the ideal reverse Carnot heat pump cycle, which shows that with a decrease in the cooling temperature (freezing) and a decrease in the depth of the thermal well, the conversion coefficients decrease. For a real cycle with a coefficient of thermodynamic perfection ν = 0.2-0.5, the conversion coefficient remains greater than unity.
По полученным значениям температур проводят выбор низкотемпературного теплоносителя, рабочего тела и цикла теплового насоса. Далее производится бурение скважины, установка без зазора обсадной трубы, монтаж комплектующих термоскважины, трубопроводов, работы внутри сооружения: подключение теплового насоса, приводной мощности от сети или от системы с ветроэлектрогенератором, тепловых приборов и систем автоматики в соответствии со строительными нормами и правилами.Based on the obtained temperature values, a low-temperature coolant, a working fluid and a heat pump cycle are selected. Next, a well is drilled, a casing is installed without clearance, installation of thermal borehole components, pipelines, work inside the structure: connecting a heat pump, driving power from a network or from a system with a wind generator, thermal devices and automation systems in accordance with building codes.
Устройство может иметь самостоятельный первичный замкнутый контур с регулируемым жидкостным насосом и теплообменником, соединенный через патрубки труб с испарителем теплового насоса. Такая схема применима при недостаточной мощности насоса первичного контура теплового насоса.The device may have an independent primary closed circuit with an adjustable liquid pump and a heat exchanger connected through pipe pipes to the heat pump evaporator. This scheme is applicable if the heat pump primary circuit pump is insufficient.
Устройство содержит низкотемпературный теплоноситель первичного контура теплового насоса с температурой замерзания ниже минимальной температуры окружающего воздуха места сооружения, например FreeziumTM, имеющий температуру замерзания до -60°С [http://temper-t.narod.ru/Freeziumpdf.pdf], а температура испарения рабочего тела вторичного контура, например Фреона R23, выше нижнего предела его рабочего диапазона температур (-75°С) [Интернет. ["Геофрост-Трейд" © 2009-2011]. Потенциал истощения озонового слоя ODR=0 [http://www.freon-group.ru/freon_r23/]. Такие температуры не приведут к замораживанию теплоносителя и рабочего тела теплового насоса при монтаже аварийной остановки оборудования, но номинальные температуры выбираются по результатам расчетов (фиг.3).The device contains a low-temperature coolant of the primary circuit of the heat pump with a freezing temperature below the minimum ambient temperature of the construction site, for example, FreeziumTM having a freezing temperature of -60 ° C [http://temper-t.narod.ru/Freeziumpdf.pdf], and the temperature the evaporation of the working fluid of the secondary circuit, for example Freon R23, above the lower limit of its working temperature range (-75 ° C) [Internet. ["Geofrost-Trade" © 2009-2011]. Ozone Depletion Potential ODR = 0 [http://www.freon-group.ru/freon_r23/]. Such temperatures will not lead to freezing of the heat carrier and the working fluid of the heat pump during installation of an emergency stop of the equipment, but the nominal temperatures are selected according to the calculation results (Fig. 3).
Устройство замораживает любой грунт криолитозоны, например островную мерзлоту, талики, т.к. при достаточной, десятки метров, глубине скважины термосвая удерживается грунтом без дополнительных фиксирующих приспособлений, а замораживание вблизи обсадной трубы происходит достаточно быстро (несколько часов) после включения теплового насоса.The device freezes any soil in the permafrost zone, for example, permafrost, taliks, as at a sufficient depth of the well, tens of meters, the thermoway is held in place by the soil without additional fixing devices, and freezing near the casing takes place quite quickly (several hours) after the heat pump is turned on.
Термоскважина устройства располагается, в зависимости от размеров и конфигурации сооружения, в центре основания сооружения с несущими сваями по периферии или, будучи разделенной на менее мощные, термоскважины устанавливаются по его периферии, выполняя дополнительно несущую функцию сваи.The thermal well of the device is located, depending on the size and configuration of the structure, in the center of the base of the structure with bearing piles on the periphery or, being divided into less powerful, thermal wells are installed on its periphery, performing an additional bearing function of the pile.
Устройство использует приводную мощность для теплового насоса и регулируемого жидкостного насоса от электросети или от ветроэлектрогенератора, обеспечивая постоянную или прерывистую приводную мощность.The device uses drive power for a heat pump and an adjustable fluid pump from the mains or from a wind generator, providing constant or intermittent drive power.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012117487/03A RU2519012C2 (en) | 2012-04-28 | 2012-04-28 | Method and device for year-round cooling, freezing of ground at foundation base and for heat supply of structure on permafrost ground in cryolytic zone |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012117487/03A RU2519012C2 (en) | 2012-04-28 | 2012-04-28 | Method and device for year-round cooling, freezing of ground at foundation base and for heat supply of structure on permafrost ground in cryolytic zone |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012117487A RU2012117487A (en) | 2013-11-10 |
RU2519012C2 true RU2519012C2 (en) | 2014-06-10 |
Family
ID=49516551
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012117487/03A RU2519012C2 (en) | 2012-04-28 | 2012-04-28 | Method and device for year-round cooling, freezing of ground at foundation base and for heat supply of structure on permafrost ground in cryolytic zone |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2519012C2 (en) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2583025C1 (en) * | 2015-04-20 | 2016-04-27 | Лев Николаевич Хрусталев | Surface foundation structure ensuring preservation of soil base in frozen state with simultaneous heating of structure |
RU2593286C1 (en) * | 2015-07-08 | 2016-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное объединение "Фундаментстройаркос" | Thermal siphon |
RU170482U1 (en) * | 2016-08-05 | 2017-04-26 | Анатолий Дмитриевич Лобанов | TWO PHASE THERMOSIPHONE |
RU2645035C1 (en) * | 2017-05-15 | 2018-02-15 | Лев Николаевич Хрусталев | Surface foundation for single-storey building on permafrost grounds |
RU2669644C1 (en) * | 2017-10-10 | 2018-10-12 | Общество с ограниченной ответственностью "Новый ресурс" | Cryogenic generator with electromagnetic activation |
RU2681161C1 (en) * | 2018-06-05 | 2019-03-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" | Device for stabilizing permafrost soil of piled foundation with casings |
RU2684941C2 (en) * | 2017-02-14 | 2019-04-16 | Лев Николаевич Хрусталев | Surface foundation of building providing preservation of foundation soil in frozen condition with simultaneous heating of building |
RU2761790C1 (en) * | 2021-04-12 | 2021-12-13 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» | Method for combined year-round temperature stabilization of soil |
RU2813579C1 (en) * | 2023-06-29 | 2024-02-13 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method for generating alternative energy for aerodrome operation in north conditions and unit for its implementation |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115059061B (en) * | 2022-07-04 | 2024-02-23 | 中交第一公路勘察设计研究院有限公司 | Frozen soil area partition control Wen Zhuangji, pile group system, design method and construction method |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU160110A1 (en) * | ||||
US3788389A (en) * | 1971-08-25 | 1974-01-29 | Mc Donnell Douglas Corp | Permafrost structural support with heat pipe stabilization |
RU2250302C1 (en) * | 2003-07-24 | 2005-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. акад. М.Ф. Решетнева" | Heated pile |
RU51636U1 (en) * | 2005-09-09 | 2006-02-27 | Оао "Инсолар-Инвест" | DEVICE FOR COMPENSATION OF THERMAL INFLUENCE OF THE STRUCTURE FOUNDATION ON THE PERMANENT FROZEN SOIL |
RU2318098C1 (en) * | 2006-04-10 | 2008-02-27 | Открытое Акционерное Общество "Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт по проектированию энергетических систем и электрических сетей" "Энергосетьпроект" | Seasonal freezing retarding method |
RU84883U1 (en) * | 2009-04-03 | 2009-07-20 | Александр Юрьевич Лебедев | CONSTRUCTION OF BUILDING OR STRUCTURE ON PERMANENTLY FROZEN SOIL |
-
2012
- 2012-04-28 RU RU2012117487/03A patent/RU2519012C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU160110A1 (en) * | ||||
US3788389A (en) * | 1971-08-25 | 1974-01-29 | Mc Donnell Douglas Corp | Permafrost structural support with heat pipe stabilization |
RU2250302C1 (en) * | 2003-07-24 | 2005-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. акад. М.Ф. Решетнева" | Heated pile |
RU51636U1 (en) * | 2005-09-09 | 2006-02-27 | Оао "Инсолар-Инвест" | DEVICE FOR COMPENSATION OF THERMAL INFLUENCE OF THE STRUCTURE FOUNDATION ON THE PERMANENT FROZEN SOIL |
RU2318098C1 (en) * | 2006-04-10 | 2008-02-27 | Открытое Акционерное Общество "Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт по проектированию энергетических систем и электрических сетей" "Энергосетьпроект" | Seasonal freezing retarding method |
RU84883U1 (en) * | 2009-04-03 | 2009-07-20 | Александр Юрьевич Лебедев | CONSTRUCTION OF BUILDING OR STRUCTURE ON PERMANENTLY FROZEN SOIL |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2583025C1 (en) * | 2015-04-20 | 2016-04-27 | Лев Николаевич Хрусталев | Surface foundation structure ensuring preservation of soil base in frozen state with simultaneous heating of structure |
RU2593286C1 (en) * | 2015-07-08 | 2016-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное объединение "Фундаментстройаркос" | Thermal siphon |
RU170482U1 (en) * | 2016-08-05 | 2017-04-26 | Анатолий Дмитриевич Лобанов | TWO PHASE THERMOSIPHONE |
RU2684941C2 (en) * | 2017-02-14 | 2019-04-16 | Лев Николаевич Хрусталев | Surface foundation of building providing preservation of foundation soil in frozen condition with simultaneous heating of building |
RU2645035C1 (en) * | 2017-05-15 | 2018-02-15 | Лев Николаевич Хрусталев | Surface foundation for single-storey building on permafrost grounds |
RU2669644C1 (en) * | 2017-10-10 | 2018-10-12 | Общество с ограниченной ответственностью "Новый ресурс" | Cryogenic generator with electromagnetic activation |
RU2681161C1 (en) * | 2018-06-05 | 2019-03-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" | Device for stabilizing permafrost soil of piled foundation with casings |
RU2761790C1 (en) * | 2021-04-12 | 2021-12-13 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» | Method for combined year-round temperature stabilization of soil |
RU2813579C1 (en) * | 2023-06-29 | 2024-02-13 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method for generating alternative energy for aerodrome operation in north conditions and unit for its implementation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012117487A (en) | 2013-11-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2519012C2 (en) | Method and device for year-round cooling, freezing of ground at foundation base and for heat supply of structure on permafrost ground in cryolytic zone | |
Elminshawy et al. | Experimental investigation on the performance of earth-air pipe heat exchanger for different soil compaction levels | |
Ozyurt et al. | Experimental study of vertical ground-source heat pump performance evaluation for cold climate in Turkey | |
Florides et al. | Ground heat exchangers—A review of systems, models and applications | |
US20100305918A1 (en) | Ground-Coupled Heat Exchange for Heating and Air Conditioning Applications | |
Wang et al. | Experimental and numerical investigation on heat transfer characteristics of ammonia thermosyhpons at shallow geothermal temperature | |
Zarrella et al. | Analysis of operating modes of a ground source heat pump with short helical heat exchangers | |
Man et al. | In situ operation performance test of ground coupled heat pump system for cooling and heating provision in temperate zone | |
Kizilkan et al. | Borehole thermal energy storage system for heating applications: Thermodynamic performance assessment | |
Baser et al. | Development of a full-scale soil-borehole thermal energy storage system | |
Vasiliev et al. | Thermosyphons with innovative technologies | |
CA2584770A1 (en) | Coaxial borehole energy exchange system for storing and extracting underground cold | |
Deng et al. | Waste heat recovery, utilization and evaluation of coalfield fire applying heat pipe combined thermoelectric generator in Xinjiang, China | |
Boughanmi et al. | Evaluation of soil thermal potential under Tunisian climate using a new conic basket geothermal heat exchanger: Energy and exergy analysis | |
Zueter et al. | Numerical study on the cooling characteristics of hybrid thermosyphons: Case study of the Giant Mine, Canada | |
Moch et al. | Geothermal helical heat exchangers: comparison and use of two-dimensional axisymmetric models | |
Momin | Experimental investigation of geothermal air conditioning | |
Moch et al. | Geothermal helical heat exchangers: coupling with a reversible heat pump in western Europe | |
Fong et al. | On the performance of ground coupled seasonal thermal energy storage for heating and cooling: A Canadian context | |
Lund et al. | Analysis of deep-heat energy wells for heat pump systems | |
Nguyen et al. | Influence of an internal heat exchanger on the operation of a CO2 direct expansion ground source heat pump | |
Yarmak Jr et al. | Thermosyphon design for a changing arctic | |
Hacene et al. | Application of a sustainable energy system for house energy needs in Tlemcen (North Africa) | |
Anand et al. | Super-long gravity heat pipe for geothermal energy exploitation-A comprehensive review | |
Perko et al. | Calculation and design of the heat pumps |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140429 |