RU2684941C2 - Surface foundation of building providing preservation of foundation soil in frozen condition with simultaneous heating of building - Google Patents
Surface foundation of building providing preservation of foundation soil in frozen condition with simultaneous heating of building Download PDFInfo
- Publication number
- RU2684941C2 RU2684941C2 RU2017104704A RU2017104704A RU2684941C2 RU 2684941 C2 RU2684941 C2 RU 2684941C2 RU 2017104704 A RU2017104704 A RU 2017104704A RU 2017104704 A RU2017104704 A RU 2017104704A RU 2684941 C2 RU2684941 C2 RU 2684941C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- building
- foundation
- soil
- heat pump
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
- E02D3/11—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil by thermal, electrical or electro-chemical means
- E02D3/115—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil by thermal, electrical or electro-chemical means by freezing
Abstract
Description
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.The invention relates to the construction of buildings on permafrost soils with artificial cooling of the base soils using a heat pump and simultaneous heating of the building with a heat pump and an additional heat source.
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.The problem is caused by the fact that all buildings on permafrost soils have natural cooling systems that use low free air temperatures in winter. This makes them dependent on climate. The currently emerging global warming is a big threat to the sustainability of these buildings due to the warmer ground. For this reason, some buildings are already experiencing deformations that will only increase in the future. All this prompted the creation of devices and methods that weaken the thermal influence of climate on the stability of buildings and structures on permafrost.
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).There is a method and device for year-round cooling, freezing the soil of the base of the foundation and heat supply structures on permafrost soil in the conditions of permafrost (RF patent №2519012, class 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.The invention includes drilling and year-round cooling and freezing of the foundation foundation soil with simultaneous and year-round partial heat supply of the structure due to the heat of the cooled and frozen foundation base foundation and adjacent layers of soil, thus forming a primary circuit with a low-temperature heat carrier heat pump, the working heat body The pump has a boiling point below 10-30 ° C of the minimum coolant temperature of the primary circuit, the heat pump is they are installed inside the building and provide heat with a conversion factor of more than 1-3, and the primary coolant heat pump has a freezing temperature below the minimum ambient temperature of the building site to -60 ° C, and the evaporation temperature of the working fluid of the secondary circuit is above the lower limit of its working range temperatures up to -75 ° C, while the thermal well is installed in the base massif of the structure with bearing piles along the periphery or, being divided into less powerful, thermos Vazhiny mounted on its periphery by performing further bearing piles function, wherein the coolant separated termoskvazhin fed through insulated heat conductor to the total heat exchanger of the heat pump primary circuit or several heat pumps installed in a variety of indoor facilities.
Эта конструкция имеет ряд существенных недостатков:This design has several significant drawbacks:
- температура грунта на контакте с термоскважиной становится значительно ниже температуры грунта в естественных условиях, что может привести к морозному растрескиванию грунта и деформации сооружения;- the temperature of the soil on contact with the thermal well becomes significantly lower than the temperature of the soil in natural conditions, which can lead to frost cracking of the soil and deformation of the structure;
- расположенные в основании сооружения термоскважины не подлежат ремонту, что делает конструкцию в целом неремонтопригодной, а следовательно, и недостаточно надежной;- the thermowell structures located at the base are not repairable, which makes the structure as a whole unrepairable, and therefore not reliable enough;
- конструкция предусматривает полное ее изготовление на стройплощадке, что в условиях сурового климата является нежелательным и нарушает основное требование к конструкциям на Севере - максимальная сборность.- the design provides for its full production at the construction site, which is undesirable in harsh climate conditions and violates the main requirement for structures in the North - maximum assembly.
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.The closest technical solution is a repairable design of the surface foundation that provides heating of the structure and preservation of the foundation soil in a frozen state regardless of climate change and without causing excessive cooling of permafrost soils, which can lead to their cracking (RF Patent No. 2583025, cl. E02D 3/115, 2016). The surface foundation consists of separate modules of full factory readiness, which at the construction site are assembled into a single structure and are connected to the heat pump in parallel using heat-insulated collectors of the heating and cooling circuit of the heat pump. In addition, each foundation module is a box-shaped reinforced concrete slab, consisting of the upper and lower ducts, separated by a heat insulator. In the upper box is placed the coil of the heating circuit (water circuit) of the heat pump, in the bottom - cooling (brine circuit). Such a foundation at the same time provides for the heating of the floor structures by the upper coil and the cooling of the bottom soils of the base due to low-grade heat extracted by the heat pump. The foundation is installed on the bedding of coarse-skeleton soil, not subject to deformation during freezing and thawing.
Эта конструкция имеет существенный недостаток.This design has a significant drawback.
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.The amount of low-grade heat extracted by the heat pump from the foundation soil is not sufficient to heat the building. For example, as follows from the formulas given in the prototype, with the required quantity for heating the floors of a single-story building 50 W / m 2 and the heating season duration of 9 months, the amount of low-grade heat does not exceed 5-10% of the required one. This amount is further reduced with increasing duration of the heating season, i.e. moving north.
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.The problem solved by the proposed device is to create a foundation structure that fully provides heating of the building while preserving the foundation soil in a frozen state regardless of climate change and without causing excessive cooling of the permafrost soils, which can lead to their cracking.
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.This problem is solved by the inventive device, which is a surface foundation that is installed on a bed of large-skeletal soil and consists of the individual modules described in the prototype, which are assembled into a single structure on the construction site and connected to the heat pump in parallel using heat-insulated collectors of the heating and cooling circuits of the heat pump . At the same time, an external heat source is connected to the collector of the heating circuit of the heat pump, compensating for the shortage of low-grade heat for heating the building, the intensity of which is automatically controlled depending on the heat loss of the building and the amount of low-grade heat taken from the ground by the heat pump.
Количество тепла, сообщаемого зданию внешним источником Qв.и за отопительный сезон, вычисляется по формуле:The amount of heat reported to the building by an external source Q Q. and for the heating season is calculated by the formula:
где Q1 - потребное количество тепла для обогрева здания в отопительный сезон; Q0 - количество низкопотенциального тепла, отбираемого из грунта тепловым насосом.where Q 1 - the required amount of heat to heat the building during the heating season; Q 0 - the amount of low-grade heat withdrawn from the ground by a heat pump.
где qн - нормированная интенсивность подачи тепла через пол в отопительный сезон; Sм - площадь фундаментного модуля; n - количество модулей; tw - продолжительность отопительного сезона.where q n - normalized intensity of heat through the floor in the heating season; S m - the area of the base module; n is the number of modules; t w - the duration of the heating season.
где hd - толщина крупноскелетной подсыпки; Lv,d - удельная теплота промерзания-оттаивания подсыпки.where h d is the thickness of the large-skeleton bedding; L v, d - specific heat of freezing-thawing of bedding.
где λth,d - коэффициент теплопроводности грунта подсыпки в талом состоянии; Tin - температура воздуха в здании; ty - продолжительность года; Rflo, Rins - термическое сопротивление пола сооружения и теплоизоляции в составе поверхностного фундамента; αin - коэффициент теплообмена между воздухом в здании и поверхностью пола.where λ th, d is the thermal conductivity coefficient of the bedding soil in the thawed state; T in - air temperature in the building; t y - the duration of the year; R flo , R ins - thermal resistance of the floor of the building and heat insulation as part of the surface foundation; α in - heat transfer coefficient between the air in the building and the floor surface.
На фиг 1 показан сборный чертеж плана поверхностного фундамента из фундаментных модулей.Fig 1 shows a composite drawing plan of the surface of the foundation of the foundation modules.
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.The
Работает устройство следующим образом.The device works as follows.
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.The surface foundation of the
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017104704A RU2684941C2 (en) | 2017-02-14 | 2017-02-14 | Surface foundation of building providing preservation of foundation soil in frozen condition with simultaneous heating of building |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017104704A RU2684941C2 (en) | 2017-02-14 | 2017-02-14 | Surface foundation of building providing preservation of foundation soil in frozen condition with simultaneous heating of building |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2017104704A RU2017104704A (en) | 2018-08-14 |
RU2017104704A3 RU2017104704A3 (en) | 2018-08-14 |
RU2684941C2 true RU2684941C2 (en) | 2019-04-16 |
Family
ID=63177164
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017104704A RU2684941C2 (en) | 2017-02-14 | 2017-02-14 | Surface foundation of building providing preservation of foundation soil in frozen condition with simultaneous heating of building |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2684941C2 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
RU2519012C2 (en) * | 2012-04-28 | 2014-06-10 | Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) | 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 |
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 |
-
2017
- 2017-02-14 RU RU2017104704A patent/RU2684941C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
RU2519012C2 (en) * | 2012-04-28 | 2014-06-10 | Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) | 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 |
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 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2017104704A (en) | 2018-08-14 |
RU2017104704A3 (en) | 2018-08-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Gonzalez et al. | Interactions between the physical soil environment and a horizontal ground coupled heat pump, for a domestic site in the UK | |
Paksoy et al. | Thermal energy storage (TES) systems for greenhouse technology | |
CN103205932B (en) | Pile-column bridge anti-freezing system | |
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 | |
WO2015035468A1 (en) | Soil temperature regulation system | |
RU2583025C1 (en) | Surface foundation structure ensuring preservation of soil base in frozen state with simultaneous heating of structure | |
RU2684941C2 (en) | Surface foundation of building providing preservation of foundation soil in frozen condition with simultaneous heating of building | |
RU2645035C1 (en) | Surface foundation for single-storey building on permafrost grounds | |
US20110192566A1 (en) | Thermal storage system for use in connection with a thermal conductive wall structure | |
Garber-Slaght et al. | Can ground source heat pumps perform well in Alaska? | |
RU51636U1 (en) | DEVICE FOR COMPENSATION OF THERMAL INFLUENCE OF THE STRUCTURE FOUNDATION ON THE PERMANENT FROZEN SOIL | |
Kozlovtsev et al. | Natural cold milk cooling system | |
RU141110U1 (en) | SYSTEM OF TEMPERATURE STABILIZATION OF SOILS OF BASES OF BUILDINGS AND STRUCTURES | |
RU2015105556A (en) | A method of cooling underground structures in an array of permafrost rocks and a device for its implementation | |
Garber-Slaght et al. | Ground source heat pump efficiency in cold climates | |
Plotnikov et al. | Methods of cooling the foundations of buildings constructed according to the principle of maintaining the soil in a permafrost state (town of Mirnyi) | |
RU2683059C1 (en) | Method of extraction and use of geothermal heat for cooling soils around subway tunnels | |
Yasinskii et al. | Effect of regional climate variations and economic activity on changes in the hydrological regime of watersheds and small-river runoff | |
CN105040744B (en) | The attemperator and its construction method of ground under the conditions of a kind of plateau permafrost | |
WO2019000098A1 (en) | One phase liquid filled thermosyphon with forced circulation | |
RU2789556C1 (en) | Method for preventing coalescence of thaw halos around wells in permafrost formations | |
RU147722U1 (en) | INSTALLATION FOR STAND-ALONE HEATING | |
RU2818341C1 (en) | Method of construction and installation of piles in permafrost zones using heat stabilization couplings | |
RU160273U1 (en) | PERMANENT FREEZE BUILDING | |
RU2806888C1 (en) | Method for construction and operation of surface storage facility for solid toxic waste in permafrost zone |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190215 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20200210 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210215 |