RU2748086C1 - Method of thermal stabilization of permafrost soils - Google Patents
Method of thermal stabilization of permafrost soils Download PDFInfo
- Publication number
- RU2748086C1 RU2748086C1 RU2020133039A RU2020133039A RU2748086C1 RU 2748086 C1 RU2748086 C1 RU 2748086C1 RU 2020133039 A RU2020133039 A RU 2020133039A RU 2020133039 A RU2020133039 A RU 2020133039A RU 2748086 C1 RU2748086 C1 RU 2748086C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- soil
- heat
- ground
- layer
- depth
- 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
Область техникиTechnology area
Изобретение относится к области строительства, а именно к устройствам для термостабилизации посредством создания с использованием холодильных машин охлажденного приповерхностного слоя, запирающего проникновение тепла вглубь грунта, преобразователей солнечной энергии (фотоэлектрических и тепловых) для питания этих холодильных машин и экранирования грунта от воздействия солнечного излучения и жидких атмосферных осадков (минимизации подвода внешнего тепла).The invention relates to the field of construction, namely to devices for thermal stabilization by creating, using refrigeration machines, a cooled near-surface layer that blocks the penetration of heat into the soil, solar energy converters (photovoltaic and thermal) for powering these refrigerators and shielding the soil from exposure to solar radiation and liquid atmospheric precipitation (minimizing the supply of external heat).
Уровень техникиState of the art
Способы термостабилизации многолетнемерзлых грунтов можно разделить на следующие основные группы:The methods of thermal stabilization of permafrost soils can be divided into the following main groups:
1) пассивные (экранирование солнечного излучения и жидких атмосферных осадков);1) passive (screening of solar radiation and liquid atmospheric precipitation);
2) сезоннодействующие устройства (СОУ - термосифоны, тепловые трубы, воздуховоды для выноса тепла);2) seasonal devices (SOU - thermosyphons, heat pipes, air ducts for heat removal);
3) активные (холодильные машины для отвода тепла).3) active (refrigerating machines for heat removal).
Известен аналог - установка экранов на откосах дорожной насыпи (патент CN 202850037 U, МПК E01F 7/02), где предлагаемые экраны способствуют уменьшению поглощения тепла грунтом за счет отражения и поглощения солнечной радиации и перенаправления в сторону от сооружения потоков жидких атмосферных осадков.A known analogue is the installation of screens on the slopes of the road embankment (patent CN 202850037 U, IPC E01F 7/02), where the proposed screens help to reduce the absorption of heat by the soil by reflecting and absorbing solar radiation and redirecting flows of liquid atmospheric precipitation away from the construction.
Недостатком является то, что остается не скомпенсированным тепловой поток за счет естественной конвекции, который может превышать экранируемую часть. Такие экраны дают максимальный эффект именно в той области (Тибет), для которой они предложены. Для областей с вечномерзлыми грунтами в России характерен менее существенный вклад солнечного излучения в растепление грунтов.The disadvantage is that the heat flux remains uncompensated due to natural convection, which can exceed the shielded part. Such screens give the maximum effect exactly in the area (Tibet) for which they are proposed. For areas with permafrost soils in Russia, a less significant contribution of solar radiation to the thawing of soils is characteristic.
Широко используются для термостабилизации грунтов термосифоны, принцип действия которых основан на замораживании грунта в холодное время года до такого состояния, что в теплое время не произойдет его размораживания. Известен аналог такого устройства - гравитационная тепловая труба (патент RU 2387937 C1, МПК F28D 15/02, опубликовано 27.04.2010). Термосифоны широко используются для термостабилизации грунтов. Принцип действия основан на замораживании грунта в холодное время года до такого состояния, что в теплое время не произойдет его размораживания.Thermosyphons are widely used for thermal stabilization of soils, the principle of which is based on freezing the soil in the cold season to such a state that it will not defrost in the warm season. A known analogue of such a device is a gravitational heat pipe (patent RU 2387937 C1, IPC F28D 15/02, published 04/27/2010). Thermosiphons are widely used for thermal stabilization of soils. The principle of operation is based on freezing the soil in the cold season to such a state that it will not defrost in the warm season.
Недостатки такого способа проявились теперь в связи с потеплением климата в Арктике и субарктике, когда реальные условия эксплуатации стали существенно отличаться от расчетных: в течение более мягких и коротких зим уже не запасается достаточного количества холода для предотвращения оттаивания грунта в течение более длинного и теплого лета. Поскольку эти устройства рассчитаны на использование природного источника холода, их применение в сочетании с холодильными машинами, к которому в критических случаях вынуждены прибегать, является крайне неэффективным, т.к. замораживается грунт на глубине, а грунт на поверхности остается талым. Кроме того, термосифоны создают неравномерное поле температур, что в современных условиях начинает приводить к возникновению оттаявших узких участков между ними, через которые ускоряются фильтрационные процессы, в конечном итоге способствующие потере несущей способности и проседанию грунта.The disadvantages of this method have now manifested themselves in connection with the warming of the climate in the Arctic and subarctic, when the actual operating conditions began to differ significantly from the calculated ones: during milder and shorter winters, there is no longer enough cold stored to prevent thawing of the soil during a longer and warmer summer. Since these devices are designed to use a natural source of cold, their use in combination with refrigeration machines, to which they have to resort in critical cases, is extremely ineffective, because the soil is frozen at a depth, and the soil on the surface remains thawed. In addition, thermosyphons create an uneven temperature field, which in modern conditions begins to lead to the emergence of thawed narrow sections between them, through which filtration processes are accelerated, ultimately contributing to the loss of bearing capacity and soil subsidence.
Известен аналог - устройство для охлаждения грунта, использующее принцип принудительной конвекции (патент RU 2110647 С1, МПК E02D 3/115, E02D 19/14, опубликовано 10.05.1998). Это СОУ, обладающее всеми недостатками термосифонов и при этом требующее внешнего энергоснабжения.Known analogue - a device for cooling the soil, using the principle of forced convection (patent RU 2110647 C1, IPC E02D 3/115, E02D 19/14, published 10.05.1998). This is a SOU that has all the disadvantages of thermosyphons and, at the same time, requires an external power supply.
Известен аналог - установка для замораживания грунта на основе вихревого охладителя (патент RU 2109878 С1, МПК E02D 3/115, опубликовано 27.04.1998). Отличается от предыдущего аналога принципом получения холодного воздуха, поэтому может быть использован и в теплое время года. При этом недостатки, связанные с потребностью во внешнем источнике энергии и избыточным замораживанием толщи грунта остаются.Known analogue - installation for freezing soil based on a vortex cooler (patent RU 2109878 C1, IPC E02D 3/115, published 04/27/1998). It differs from the previous analogue in the principle of obtaining cold air, therefore it can be used in the warm season. At the same time, the disadvantages associated with the need for an external energy source and excessive freezing of the soil layer remain.
Известен основной аналог - Система замораживания грунтов с использованием холодильной машины (патент RU 2435904 С2, МПК E02D 3/115, опубликовано 27.08.2009, Бюл. №34). Холодильные установки могут эффективно предотвращать размораживание грунтов, но их использование экономически оправдано лишь в экстренных случаях, т.к. требуют подвоза энергоустановок и горючего для них. К недостаткам данного конкретного решения можно отнести то, что скважины для грунтовых зондов выполняются вертикальными, что не всегда целесообразно. Вертикальное расположение скважин приводит к замораживанию больших объемов грунта, в то время как, по сути, необходимо лишь отводить тепло от поверхности, откуда оно и поступает в грунт.The main analogue is known - Soil freezing system using a refrigerating machine (patent RU 2435904 C2, IPC
Таким образом, общим недостатком конвективных систем является возможность работы лишь в холодное время года и замораживание толщи грунта, когда на самом деле требуется отвод тепла лишь от приповерхностного слоя, а активных систем - дополнительная потребность во внешнем электроснабжении, при этом, как правило, с недостаточной энергоэффективностью при охлаждении избыточного объема грунта.Thus, a common disadvantage of convective systems is the ability to work only in the cold season and freezing of the soil layer, when in fact, heat only needs to be removed from the surface layer, and active systems - an additional need for external power supply, while, as a rule, with insufficient energy efficiency when cooling excess soil volume.
Предлагаемый авторами способ сочетает в себе экранирование грунта от подвода тепла из окружающей среды, использование солнечной энергии для энергоснабжения холодильной машины (ХМ), с целью большей энергоэффективности - минимизацию потребности в холодопроизводительности за счет создания приповерхностного запирающего слоя вместо замораживания толщи грунта. В отличие от естественных условий, когда увеличение интенсивности солнечного излучения (в том числе на склонах и откосах южной экспозиции) приводит к более интенсивному оттаиванию грунта, при реализации предлагаемого способа, от грунта наоборот отводится больше тепла. Элементы предлагаемого способа могут быть использованы также на участках с уже существующими системами термостабилизации (чаще всего, термосифонами) - уменьшая тепловую нагрузку на грунт и питая ХМ, позволяя использовать сезонные охлаждающие устройства и в теплое время года.The method proposed by the authors combines the shielding of the soil from the supply of heat from the environment, the use of solar energy to supply power to the refrigeration machine (CM), with the aim of greater energy efficiency - minimizing the need for cooling capacity by creating a near-surface blocking layer instead of freezing the soil layer. Unlike natural conditions, when an increase in the intensity of solar radiation (including on the slopes and slopes of the southern exposure) leads to more intensive thawing of the soil, when implementing the proposed method, more heat is removed from the soil, on the contrary. Elements of the proposed method can also be used in areas with existing thermal stabilization systems (most often, thermosyphons) - reducing the thermal load on the ground and feeding the HM, allowing the use of seasonal cooling devices in the warm season.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков аналогов, а именно: недостаточного уменьшения теплового потока в грунт; отсутствия или необходимости использования внешних энергетических ресурсов для теплоотвода в теплое время года; теплоотвода из глубины грунта, в то время как размораживаются в первую очередь верхние слои. При использовании предлагаемого способа улучшение достигается за счет комплексного подхода к решению проблемы, а именно сочетания: экранирования солнечной радиации и атмосферных осадков преобразователями энергии солнечного излучения (ПЭСИ - фотоэлектрическими, термоэлектрическими, тепловыми); интенсификации конвективного теплоотвода в холодное время года за счет уменьшения высоты снежного покрова под ПЭСИ; активного теплоотвода с использованием ХМ; полностью или частично автономного питания ХМ энергией, вырабатываемой ПЭСИ; отвода тепла не из большого объема грунта на глубине, а из приповерхностного слоя, запирающего проникновение тепла (как из окружающей среды, так и от искусственных сооружений) в толщу грунта, причем этот слой может создаваться как за счет грунтовых зондов, так и распыления над поверхностью грунта охлажденного газа или вместо газа - искусственного снега; при наличии в охлаждаемом грунте сезонных охлаждающих устройств, ХМ также может быть использована для их охлаждения в теплое время года. Таким образом, эффект от использования предлагаемого способа достигается за счет уменьшения нежелательного поступления тепла в грунт и интенсификации теплоотвода из него.The objective of the present invention is to eliminate the disadvantages of analogues, namely: insufficient reduction of the heat flow into the ground; the absence or the need to use external energy resources for heat removal in the warm season; heat removal from the depth of the ground, while the upper layers are thawed first. When using the proposed method, improvement is achieved through an integrated approach to solving the problem, namely a combination of: shielding solar radiation and precipitation by solar energy converters (PESI - photoelectric, thermoelectric, thermal); intensification of convective heat removal in the cold season due to a decrease in the height of the snow cover under the PESI; active heat sink using XM; fully or partially autonomous power supply of the XM with the energy generated by the PESI; heat removal not from a large volume of soil at a depth, but from a near-surface layer that blocks the penetration of heat (both from the environment and from artificial structures) into the soil, and this layer can be created both by soil probes and by spraying above the surface cooled gas soil or artificial snow instead of gas; in the presence of seasonal cooling devices in the cooled soil, XM can also be used to cool them in the warm season. Thus, the effect of using the proposed method is achieved by reducing unwanted heat input into the soil and intensifying heat removal from it.
При отсутствии прямой солнечной радиации, когда тепловой поток извне минимален, по предлагаемому способу реализуется пассивный режим, а при ясной погоде реализуется активный режим с положительной обратной связью: с ростом интенсивности солнечного излучения увеличивается производительность ХМ. Такая связь также устраняет проблемы для склонов и откосов южной экспозиции, на которые в естественных условиях увеличивается поток солнечного излучения. Вертикальные поверхности сооружений, при расположении ПЭСИ на них, во многих случаях обеспечат большую пиковую мощность, чем с горизонтальных поверхностей, так как на широтах севернее 60-й параллели солнце поднимается выше 45 градусов над горизонтом в течение очень небольшого времени. Тепловая инерция грунта позволяет в значительной мере сглаживать неравномерность поступления энергии от солнца. Однако, в некоторых случаях, может применяться и аккумулирование электрической, тепловой энергии, жидкого хладагента для обеспечения непрерывной и равномерной работы ХМ. Наличие вблизи поверхности грунта экрана из ПЭСИ уменьшает конвективный теплообмен летом, а также минимизирует снегонакопление под ним, что способствует лучшему промораживанию приповерхностного слоя грунта зимой.In the absence of direct solar radiation, when the heat flow from the outside is minimal, the proposed method implements a passive mode, and in clear weather, an active mode with positive feedback is realized: with an increase in the intensity of solar radiation, the productivity of the HM increases. This connection also eliminates the problems for the slopes and slopes of the southern exposure, which in natural conditions increases the flux of solar radiation. The vertical surfaces of structures, when the PESI are located on them, in many cases will provide a higher peak power than from horizontal surfaces, since at latitudes north of the 60th parallel the sun rises above 45 degrees above the horizon for a very short time. The thermal inertia of the soil makes it possible to significantly smooth out the unevenness of the energy supply from the sun. However, in some cases, the accumulation of electrical, thermal energy, liquid refrigerant can also be used to ensure continuous and uniform operation of the chiller. The presence of a PESI screen near the soil surface reduces convective heat transfer in summer, and also minimizes snow accumulation under it, which contributes to better freezing of the near-surface soil layer in winter.
Поскольку, прежде всего, требуется предотвратить проникновение тепла вглубь грунта, грунтовые зонды, как правило горизонтальные, располагают на глубине не более глубины естественного оттаивания грунта. Уже существующие на местности грунтовые зонды также могут быть использованы, даже если они уходят ниже глубины естественного оттаивания грунта. В некоторых случаях, например, при необходимости сохранения поверхностных ледяных массивов, вместо грунтовых зондов может быть использован охлажденный до температуры не выше 0°C газ не тяжелее воздуха (в том числе воздух) или искусственный снег, инжектируемые в зазор между ПЭСИ и защищаемой поверхностью. ПЭСИ могут располагаться на площади большей, чем термостабилизируемый участок, для обеспечения требуемой мощности.Since, first of all, it is required to prevent the penetration of heat into the soil, ground probes, as a rule, are horizontal, located at a depth of no more than the depth of the natural thawing of the ground. Ground probes already existing on the ground can also be used, even if they go below the natural thawing depth of the ground. In some cases, for example, if it is necessary to preserve surface ice massifs, instead of ground probes, a gas cooled to a temperature of no higher than 0 ° C can be used not heavier than air (including air) or artificial snow injected into the gap between the PESI and the protected surface. PESI can be located on an area larger than the heat-stabilized area to provide the required power.
Перечень фигурList of figures
На фиг. 1 представлена схема тепловых потоков в естественных условиях и при реализации предлагаемого способа.FIG. 1 shows a diagram of heat flows in natural conditions and during the implementation of the proposed method.
На фиг 2 представлены расчетные распределения температуры грунта по глубине в естественных условиях и при реализации предлагаемого способа.Figure 2 shows the calculated distribution of soil temperature in depth in natural conditions and when implementing the proposed method.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
На схеме тепловых потоков при реализации предлагаемого способа фиг. 1 (справа) поток солнечного излучения 1 воздействует на ПЭСИ 2, конвективный тепловой поток 3 из атмосферы (в некоторых случаях к нему добавляется тепловой поток от искусственного сооружения) преобразуется в кондуктивный тепловой поток 4 к грунтовым тепловым зондам 5 и выносится тепловым потоком 6 в холодный контур ХМ 7, приводимой в действие генерируемой от ПЭСИ энергией 8, обеспечивая вынос утилизируемого теплового потока 9, а высота снежного покрова 10 и глубина естественного оттаивания грунта 11 формируют границы размещения ПЭСИ 2 и грунтовых зондов 5. На схеме тепловых потоков без реализации предлагаемого способа фиг. 1 (слева) показаны воздействующие на грунт тепловые потоки от солнечного излучения 1 и конвекции 3 (в некоторых случаях к ним добавляется тепловой поток от искусственного сооружения), формирующие кондуктивный тепловой поток 4 в грунте, который, будучи некомпенсированным, приводит к размораживанию грунта и потере его несущей способности.In the heat flow diagram during the implementation of the proposed method in Fig. 1 (right), the
ПЭСИ устанавливают над поверхностью термостабилизируемого участка грунта на высоте не менее локальной глубины снежного покрова. Возможны варианты как с одно- или двухосевой ориентацией ПЭСИ на солнце (например, по патенту RU 2716361 С1 (МПК F24S 30/00), опубликован 2020-03-11), так и без таковой. Вариант установки выбирают из условия обеспечения максимального экранирование термостабилизируемой площади от прямого солнечного излучения и преобразования его энергии. Целесообразна организация стока атмосферных осадков с поверхности ПЭСИ за пределы термостабилизируемого участка. Таким образом, реализуют меры пассивной защиты термостабилизируемого участка от поступления тепла из атмосферы. ПЭСИ могут быть как только фотоэлектрические (например, по патенту RU 2287207 С1 (МПК H01L 31/048), опубликован 2006-11-10), термоэлектрические или комбинированные термо-фотоэлектрические (например, по патенту RU 128396 U1 (МПК H01L 27/142), опубликован 2013-05-20), так и в сочетании с тепловыми (вакуумными солнечными коллекторами (например, по патенту RU 165800 U1 (МПК F24J 2/05; F24J 2/20; F24J 2/48), опубликован 2016-11-10), в том числе с концентраторами (например, по патенту RU 179500 U1 (МПК F24J 2/05; F24J 2/06; F24J 2/32), опубликован 2018-05-16), плоскими коллекторами (например, по патенту RU 195335 U1 (МПК F24S 10/70), опубликован 2020-01-23)) - в случае использования абсорбционной ХМ (например, по патенту RU 2224189 C2 (МПК F25B 15/04; F25B 15/00; F25B 15/10; F25B 33/00), опубликован 2004-02-20).PESI is installed above the surface of a heat-stabilized soil section at a height not less than the local depth of the snow cover. Variants are possible both with one- or two-axis orientation of the PESI in the sun (for example, according to patent RU 2716361 C1 (IPC
Низкий коэффициент производительности (КОП) абсорбционных ХМ относительно парокомпрессионных (примерно 2,0 против 4,0) компенсируется более высоким КПД теплового преобразования энергии солнечного излучения, чем фотоэлектрического (0,6 против 0,2). В результате получают произведение КОП и КПД в 1,5 раза выше: 1,2 против 0,8 (ориентировочные значения для промышленных образцов). Также стоит отметить, что с ростом температуры окружающей среды КПД фотоэлектрических преобразователей в большинстве случаев падает, а тепловых - возрастает. Однако некоторые фотоэлектрические преобразователи хорошо преобразуют диффузную солнечную радиацию, которая не преобразуется в тепловых, что необходимо учитывать при реализации способа на конкретной местности.The low coefficient of performance (COP) of absorption CMs relative to vapor compression (approximately 2.0 versus 4.0) is compensated for by the higher efficiency of thermal conversion of solar radiation energy than photovoltaic (0.6 versus 0.2). As a result, the product of KOP and efficiency is 1.5 times higher: 1.2 versus 0.8 (indicative values for industrial designs). It is also worth noting that with an increase in the ambient temperature, the efficiency of photovoltaic converters in most cases decreases, and that of thermal converters increases. However, some photovoltaic converters are good at converting diffuse solar radiation, which is not converted into thermal radiation, which must be taken into account when implementing the method in a specific area.
Холодный контур ХМ (независимо от принципа ее действия) располагают в пределах термостабилизируемого участка параллельно поверхности грунта (чаще всего, горизонтально) на глубине, определяемой расчетом, исходя из местных условий и технических требований, как правило, в пределах от 10 до 50 см. Чем меньше глубина залегания грунтовых зондов, тем больший тепловой поток на них приходится и тем большей должна быть холодильная мощность системы. Для уменьшения объема земляных работ поверх грунтовых зондов мелкого залегания может дополнительно укладываться теплоизоляция. Чем глубина залегания грунтовых зондов больше, тем больше и глубина оттаивания грунта. Расположение грунтовых зондов ниже глубины естественного оттаивания нецелесообразно. Использование грунтовых зондов мелкого залегания особенно актуально для скальных подстилающих грунтов. В случае если применение грунтовых зондов даже мелкого залегания невозможно, технически сложно или необходимо сохранить поверхностный ледяной массив, вместо грунтовых зондов может быть использован охлажденный газ не тяжелее воздуха или искусственный снег, инжектируемые в зазор между ПЭСИ и защищаемой поверхностью, создавая надповерхностный запирающий слой. Если на площадке для реализации предлагаемого способа уже предпринимались меры по термостабилизации грунта, для минимизации затрат целесообразно сначала рассмотреть возможности использования уже существующих на местности грунтовых зондов (например, термосифонов) вместо или совместно с созданием приповерхностного запирающего слоя.The cold contour of the chiller (regardless of the principle of its operation) is located within the thermostabilized section parallel to the soil surface (most often horizontally) at a depth determined by the calculation, based on local conditions and technical requirements, as a rule, in the range from 10 to 50 cm. the shallower the depth of the ground probes, the greater the heat flux they account for and the greater the cooling capacity of the system should be. To reduce the amount of earthwork, thermal insulation can be added on top of shallow soil probes. The greater the depth of the soil probes, the greater the depth of soil thawing. The location of soil probes below the depth of natural thawing is impractical. The use of shallow soil probes is especially important for rocky underlying soils. If the use of ground probes even of shallow occurrence is impossible, it is technically difficult, or it is necessary to preserve the surface ice massif, instead of ground probes, cooled gas no heavier than air or artificial snow can be used, injected into the gap between the PESI and the protected surface, creating a super-surface blocking layer. If measures for thermal stabilization of the soil have already been taken at the site for the implementation of the proposed method, in order to minimize costs, it is advisable to first consider the possibility of using soil probes already existing on the ground (for example, thermosiphons) instead of or in conjunction with the creation of a near-surface blocking layer.
Тепло из горячего контура ХМ сбрасывают одним или несколькими из следующих способов: в атмосферу за счет естественной или принудительной конвекции; в грунт или в водоем за пределами термостабилизируемого участка; утилизируют для нужд теплоснабжения; используют во втором каскаде ХМ. Производительность ХМ согласуют с выходной мощностью ПЭСИ. Для обеспечения большей равномерности работы ХМ в некоторых случаях применяют аккумулирование электрической и тепловой энергии; накопление хладагента, чтобы его конденсация происходила в более холодное ночное время для повышения коэффициента производительности ХМ.Heat from the hot circuit of the XM is discharged in one or more of the following ways: into the atmosphere due to natural or forced convection; into the ground or into a body of water outside the thermostabilized area; utilized for the needs of heat supply; used in the second cascade of HM. The performance of the chiller is coordinated with the output power of the PESI. To ensure greater uniformity of the work of the chiller, in some cases, the accumulation of electrical and thermal energy is used; accumulation of refrigerant so that its condensation occurs during colder nights in order to increase the efficiency factor of the XM.
Пример реализацииImplementation example
Грунтовые зонды диаметром 25 мм располагают параллельно поверхности оттаявшего грунта на глубине 20 см с шагом 20 см с использованием кабелеукладчика. Охлаждение теплоносителя на основе раствора пропиленгликоля в воде в грунтовом контуре осуществляют от минус 4°С до минус 10°С с использованием парокомпрессионного теплового насоса (КОП 4,0) со сбросом тепла в атмосферу. Расчетное значение коэффициента теплопередачи для грунтовых зондов составляет 45,7 Вт/(м2К). Питание теплового насоса осуществляют от фотоэлектрических модулей (солнечных батарей) с КПД 15%, расположенных на высоте 50 см над уровнем поверхности грунта, после согласования электрических параметров (преобразования постоянного тока в переменный инвертором). Расчет установившихся температур в грунте в результате применения предлагаемого способа в условиях города Якутска приведен на фиг. 2: 12 - естественные условия, январь; 13 - естественные условия, июль; 14 - предлагаемый способ, январь; 15 - предлагаемый способ, июль. Результаты этого расчета показывают, что использование предлагаемого способа позволяет сохранять грунт в мерзлом состоянии в течение всего года без внешнего энергоснабжения, в том числе видно снижение температуры на малых глубинах зимой из-за минимизации снежного покрова под ПЭСИ. Оценка стоимости данной реализации предлагаемого способа на единицу площади термостабилизируемой поверхности показывает, что она сопоставима с применением термосифонов.Soil probes with a diameter of 25 mm are placed parallel to the surface of the thawed soil at a depth of 20 cm in 20 cm increments using a cable layer. Cooling of the coolant based on a propylene glycol solution in water in the ground loop is carried out from minus 4 ° C to minus 10 ° C using a vapor compression heat pump (KOP 4.0) with heat dumping into the atmosphere. The calculated value of the heat transfer coefficient for soil probes is 45.7 W / (m 2 K). The heat pump is powered from photovoltaic modules (solar panels) with an efficiency of 15%, located at a height of 50 cm above the ground surface level, after coordinating the electrical parameters (converting direct current into alternating current by an inverter). The calculation of the steady-state temperatures in the soil as a result of the application of the proposed method in the conditions of the city of Yakutsk is shown in Fig. 2: 12 - natural conditions, January; 13 - natural conditions, July; 14 - the proposed method, January; 15 - proposed method, July. The results of this calculation show that the use of the proposed method allows the soil to be kept in a frozen state throughout the year without external power supply, including a decrease in temperature at shallow depths in winter due to the minimization of snow cover under the PESI. Estimation of the cost of this implementation of the proposed method per unit area of the thermally stabilized surface shows that it is comparable to the use of thermosyphons.
Если работы по монтажу грунтовых зондов затруднены (например, скальный или крупнообломочный грунт), невозможны или нецелесообразны (например, необходимо сохранить поверхностный лед), запирающий слой может быть создан над поверхностью грунта. Например, для термостабилизации ледника, в отличие от предыдущего примера грунтовые зонды не используют, на выходе из теплового насоса получают охлажденный до температуры минус 10°C воздух, который затем вдувают в зазор между солнечными батареями и поверхностью грунта через проложенные по поверхности грунта воздуховоды. Для ветреных районов, на склонах и в других условиях, связанных с интенсивным переносом воздушных масс, этот способ может оказаться неэффективным. Тогда для создания более эффективного запирающего слоя используют генераторы искусственного снега, распыляющие его вместо охлажденного воздуха в зазоре между поверхностью грунта и солнечными батареями. Таким образом, кроме более интенсивного по сравнению с охлажденным воздухом теплоотвода при плавлении снега, также создается теплоизоляционный слой, уменьшающий конвективный теплоперенос в грунт. При этом снег менее чувствителен к движению воздушных масс, чем охлажденный воздух. Для создания искусственного снега может быть взята как вода из местных водоемов и водотоков, так и атмосферные осадки, собранные с солнечных батарей и других поверхностей сооружений. Обычно собранные осадки требуют меньшей водоподготовки по сравнению с водой из естественных источников, но количество собранных осадков может оказаться недостаточным для производства искусственного снега в количестве, обеспечиваемом энергией, получаемой от солнечных батарей.If installation of ground probes is difficult (for example, rocky or coarse soil), impossible or impractical (for example, it is necessary to preserve surface ice), a blocking layer can be created above the ground surface. For example, for thermal stabilization of the glacier, unlike the previous example, ground probes are not used; at the outlet of the heat pump, air cooled to a temperature of minus 10 ° C is obtained, which is then blown into the gap between the solar panels and the ground surface through air ducts laid along the ground surface. For windy areas, on slopes and in other conditions associated with intensive air mass transfer, this method may be ineffective. Then, to create a more effective barrier layer, artificial snow generators are used, which spray it instead of cooled air in the gap between the ground surface and solar panels. Thus, in addition to more intense heat removal in comparison with cooled air when melting snow, a heat-insulating layer is also created, which reduces convective heat transfer into the ground. At the same time, snow is less sensitive to the movement of air masses than cooled air. To create artificial snow, both water can be taken from local reservoirs and streams, and precipitation collected from solar panels and other surfaces of structures. Collected precipitation usually requires less water treatment than natural water, but the amount of collected precipitation may not be sufficient to produce artificial snow in the amount of solar energy.
В случае если в грунте уже находятся СОУ, ХМ может быть использована для их охлаждения в теплое время года. Например, на конденсационной (надземной) части термосифона располагают змеевиковый теплообменник, позволяющий охлаждать ее в теплое время года, таким образом, продлевая период использования СОУ. При этом в теплое время года целесообразно обеспечить теплоизоляцию надземной части СОУ для уменьшения потерь холодопроизводительности.If there are already SOUs in the soil, the CM can be used to cool them in the warm season. For example, a coil heat exchanger is located on the condensing (aboveground) part of the thermosyphon, which allows it to be cooled in the warm season, thus extending the period of use of the LDS. At the same time, in the warm season, it is advisable to provide thermal insulation of the above-ground part of the SCU to reduce the loss of refrigeration capacity.
Claims (1)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020133039A RU2748086C1 (en) | 2020-10-07 | 2020-10-07 | Method of thermal stabilization of permafrost soils |
CN202180055775.7A CN116635590A (en) | 2020-10-07 | 2021-10-04 | Method for thermally stabilizing permafrost |
PCT/RU2021/050325 WO2022075889A1 (en) | 2020-10-07 | 2021-10-04 | Method for thermally stabilizing permafrost soils |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020133039A RU2748086C1 (en) | 2020-10-07 | 2020-10-07 | Method of thermal stabilization of permafrost soils |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2748086C1 true RU2748086C1 (en) | 2021-05-19 |
Family
ID=75919718
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020133039A RU2748086C1 (en) | 2020-10-07 | 2020-10-07 | Method of thermal stabilization of permafrost soils |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN116635590A (en) |
RU (1) | RU2748086C1 (en) |
WO (1) | WO2022075889A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2779706C1 (en) * | 2022-03-14 | 2022-09-12 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Пермафрост" | Soil thermal stabilization method due to year-round regulation of heat transfer |
Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61134417A (en) * | 1984-11-30 | 1986-06-21 | Showa Alum Corp | Long heat conveying device suitable for soil freezing |
RU2110647C1 (en) * | 1996-09-02 | 1998-05-10 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт транспортного строительства" | Ground cooling device |
RU2435904C2 (en) * | 2008-02-19 | 2011-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ростовский военный институт ракетных войск имени Главного маршала артиллерии М.И. Неделина" Министерство обороны Российской Федерации | System of soils freezing |
CN202850037U (en) * | 2012-10-22 | 2013-04-03 | 中铁西北科学研究院有限公司 | Device used for protecting permafrost region roadbed slop |
CN204125812U (en) * | 2014-10-13 | 2015-01-28 | 胡田飞 | A kind of thawing apparatus of initiatively heating preventing and treating seasonal frozen soil region roadbed frost damage disease |
CN107419719A (en) * | 2017-07-31 | 2017-12-01 | 中铁西北科学研究院有限公司 | A kind of solar wind-energy driving refrigeration safeguards the heat-staple method of frozen soil foundation |
RU2655857C1 (en) * | 2017-07-18 | 2018-05-29 | Илья Рило | Cooling thermosyphon for site thermal stabilization of soils (options) |
CN207685815U (en) * | 2017-11-24 | 2018-08-03 | 北京交通大学 | Compression-type refrigerating system for preventing Permafrost Degeneration |
CN109853557A (en) * | 2019-01-31 | 2019-06-07 | 宁夏大学 | A kind of cooling anchor rod system and its construction method certainly |
RU2716361C1 (en) * | 2019-06-25 | 2020-03-11 | Алексей Владимирович Панченко | Method of orientation of solar energy receiving device on the sun and its conversion into other types of energy |
-
2020
- 2020-10-07 RU RU2020133039A patent/RU2748086C1/en active
-
2021
- 2021-10-04 CN CN202180055775.7A patent/CN116635590A/en active Pending
- 2021-10-04 WO PCT/RU2021/050325 patent/WO2022075889A1/en active Application Filing
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61134417A (en) * | 1984-11-30 | 1986-06-21 | Showa Alum Corp | Long heat conveying device suitable for soil freezing |
RU2110647C1 (en) * | 1996-09-02 | 1998-05-10 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт транспортного строительства" | Ground cooling device |
RU2435904C2 (en) * | 2008-02-19 | 2011-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ростовский военный институт ракетных войск имени Главного маршала артиллерии М.И. Неделина" Министерство обороны Российской Федерации | System of soils freezing |
CN202850037U (en) * | 2012-10-22 | 2013-04-03 | 中铁西北科学研究院有限公司 | Device used for protecting permafrost region roadbed slop |
CN204125812U (en) * | 2014-10-13 | 2015-01-28 | 胡田飞 | A kind of thawing apparatus of initiatively heating preventing and treating seasonal frozen soil region roadbed frost damage disease |
RU2655857C1 (en) * | 2017-07-18 | 2018-05-29 | Илья Рило | Cooling thermosyphon for site thermal stabilization of soils (options) |
CN107419719A (en) * | 2017-07-31 | 2017-12-01 | 中铁西北科学研究院有限公司 | A kind of solar wind-energy driving refrigeration safeguards the heat-staple method of frozen soil foundation |
CN207685815U (en) * | 2017-11-24 | 2018-08-03 | 北京交通大学 | Compression-type refrigerating system for preventing Permafrost Degeneration |
CN109853557A (en) * | 2019-01-31 | 2019-06-07 | 宁夏大学 | A kind of cooling anchor rod system and its construction method certainly |
RU2716361C1 (en) * | 2019-06-25 | 2020-03-11 | Алексей Владимирович Панченко | Method of orientation of solar energy receiving device on the sun and its conversion into other types of energy |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2779706C1 (en) * | 2022-03-14 | 2022-09-12 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Пермафрост" | Soil thermal stabilization method due to year-round regulation of heat transfer |
RU2789556C1 (en) * | 2022-07-28 | 2023-02-06 | Общество с ограниченной отвественностью "Пермафрост" | Method for preventing coalescence of thaw halos around wells in permafrost formations |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN116635590A (en) | 2023-08-22 |
WO2022075889A1 (en) | 2022-04-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107724377A (en) | For preventing and treating the compression-type refrigerating system of Permafrost Degeneration | |
JP2011038764A (en) | Snow melting or cooling system using underground heat/air heat | |
JP2015190754A (en) | Heat exchange efficiency improvement device of air-cooled air conditioning outdoor heat exchanger | |
RU2748086C1 (en) | Method of thermal stabilization of permafrost soils | |
Hu et al. | Design and experimental study of a solar compression refrigeration apparatus (SCRA) for embankment engineering in permafrost regions | |
CN101578487B (en) | System for accumulation and supply of heat energy with modular heating and cooling apparatus | |
Hu et al. | Development of a novel vapor compression refrigeration system (VCRS) for permafrost cooling | |
CN216378977U (en) | Frozen soil roadbed protective structure | |
JP5389565B2 (en) | Geothermal air conditioning system | |
CA2272351A1 (en) | Container for housing heat generating equipment | |
RU2779706C1 (en) | Soil thermal stabilization method due to year-round regulation of heat transfer | |
JP2689400B2 (en) | Solar heat storage type road surface snow melting device | |
RU2628958C2 (en) | Heat supply system | |
RU155180U1 (en) | CONSTRUCTION FOR THERMOSTATING SOILS UNDER BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS | |
RU2621912C2 (en) | Method of cooling underground structures in masses of permafrost rocks and device for its implementation | |
RU2231595C1 (en) | Stabilizer for plastic-frozen ground used with the purpose of performing the whole-year works | |
RU2789556C1 (en) | Method for preventing coalescence of thaw halos around wells in permafrost formations | |
Wagner et al. | Artificial ground freezing using solar-powered thermosyphons | |
JP4702556B2 (en) | Solar heat underground heat storage method and equipment | |
Reda et al. | Experimental investigation of temperature and condensation control of photovoltaic panels | |
KR101570734B1 (en) | Cooling system using latent heat between ice and water | |
Loktionov et al. | Prospective Sites for Solar-Powered Permafrost Stabilization Systems Integration in Russian Railways | |
RU179729U1 (en) | DEVICE FOR REGULATING HEAT TRANSFER | |
RU141110U1 (en) | SYSTEM OF TEMPERATURE STABILIZATION OF SOILS OF BASES OF BUILDINGS AND STRUCTURES | |
Trapani | Using Natural Means to Cool Mines |