УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ И ПРОТИВОЭРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ ОТ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ ЗДАНИЙ Российский патент 1995 года по МПК E02D3/115 E02D27/35 

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации поселков, городов, различных объектов и может быть использовано для защиты грунтов и оснований сооружений на площадях различных размеров и конфигурации от теплового, эрозионного и химического воздействия атмосферных осадков, для внутригодовой стабилизации и понижения температуры протяженных массивов грунта ниже средней годовой температуры воздуха, создания или сохранения вечной мерзлоты в умеренном и полярном климатах без затрат искусственных источников энергии.

Известны жидкостные, парожидкостные и воздушные охладители природных сред и объектов [1]
Общий недостаток парожидкостных (ПЖОУ) и жидкостных охладителей грунтов (ЖОУ) локальность действия и малая экономическая эффективность из-за большой энергоемкости и материалоемкости. Кроме того, эти установки не обладают экологической чистотой. Воздушные охлаждающие установки (ВОУ) экологически чистые, но в предложенных вариантах технически малоэффективны, так как в их конструктивных воплощениях и изобретениях не использованы все механизмы, приводящие к максимальному использованию ресурсов для охлаждения грунтов. Принудительная вентиляция при помощи различных механических устройств не дает сколь-нибудь заметного эффекта по сравнению с ВОУ, что установлено экспериментально. Это связано с особенностями теплообмена между атмосферой и телом с шероховатой поверхностью: при любых скоростях обтекания газом такого тела существует пограничный слой с малоподвижным воздухом, в котором градиенты температуры остаются почти постоянными.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фундамент сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах, который включает подушку из насыпкого материала с размещенными в ней трубами воздуховодными каналами, каждый из которых выполнен по концам с приточным и превышающим по высоте вытяжным стояками, размещенными соответственно вокруг здания и внутреннего с выводом через крышу в атмосферу [2]
Недостаток такого устройства отсутствие круглогодичного цикла охлаждения. В летний период подушка из пористого материала является проводником тепла, так как она не теплоизолирована, в связи с чем эффект охлаждения резко снижается и может быть сведен к нулю. Кроме того, не использованы все факторы для постоянной циркуляции воздуха в одном направлении, в том числе, тепло здания, а контактная площадь труб с грунтами мала.

Цель изобретения повышение эффективности охлаждения грунта в течение всего года, повышение уровня стабильности температурного режима грунтов при циклических колебаниях климата или техногенных воздействиях и исключение теплового, механического и химического воздействия атмосферных осадков на грунты.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для охлаждения и противоэрозионной защиты грунта от атмосферных осадков грунтового основания зданий, включающем воздуховодные каналы, каждый из которых выполнен по концам с приточным и превышающим последний по высоте вытяжным стояками, размещенными соответственно вокруг здания и внутри его с выводом через крышу в атмосферу, каналы объединены под зданием в сплошную открытую снизу и перекрытую сверху теплоизолированным цокольным перекрытием здания камеру, внутри которой горизонтально размещена подвешенная посредством тонких стержней струеразделительная перегородка с центральным отверстием. За пределами здания каналы образованы закрепленным на каркасе из стоек и горизонтальных брусьев покрытием из слоев непрозрачного, преимущественно белого, гладкого или профилированного стеклопластика или пластмассы с образованием между слоями воздушных прослоек и выполнены из открытых снизу секций. Вытяжные стояки прикреплены к стенам здания и сообщены с установленными в здании трубами для естественной вентиляции, верхний конец которых заведен в отверстие, образованное в вытяжных стояках выше верхнего перекрытия здания. Вытяжные стояки оснащены защитными колпаками от попадания осадков, дефлекторами, струйными кольцевыми ветрозахватами для направления струй воздуха вверх и действующими за счет природных ресурсов автоматическими поворотными устройствами для открывания и закрывания вытяжных стояков зимой и летом и на участке, выведенном из здания, окрашены в черный цвет. Приточные стояки оснащены защитными колпаками от попадания осадков, струйными кольцевыми ветрозахватами для направления воздуха вниз и действующими за счет природных ресурсов автоматическими поворотными устройствами для открывания и закрывания приточных стояков зимой и летом и окрашены в белый цвет.

На фиг. 1 изображено устройство для охлаждения и противоэрозионной защиты от атмосферных осадков грунтового основания зданий; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 поворотно-запорный механизм.

Устройство для охлаждения и противоэрозионной защиты от атмосферных осадков грунтового основания зданий включает в себя воздуховодные каналы, размещенные соответственно вокруг здания и внутри его, которые объединены в сплошную открытую снизу и перекрытую сверху теплоизолированным цокольным перекрытием здания камеру, за пределами здания камера перекрыта покрытием-экраном 1 из непрозрачного преимущественно белого, гладкого или профилированного стеклопластика или пластмассы с образованием между слоями воздушных прослоек 2. Покрытие размещено на каркасе 3, к которому для усиления в средней части прикрепляются стойки 4 крепежными элементами 5.

Каналы выполнены из открытых снизу секций. Верх канала каждой секции за пределами здания должен быть выгнутым к середине и иметь желоб 6 для стока по нему жидких атмосферных осадков. На краях секции вдоль длинной оси устраиваются водосливные канальчики с выпуском за габариты камеры для создания непрерывного потока воды за пределами защищаемой от осадков площадки. В средней части боковых поверхностей секции устраиваются элементы 8 для их соединения и плотного прилегания друг к другу.

Вдоль коротких осей секций на одном из краев устраивают по 2 всасывающих прямоугольных канала в виде вертикальной части экрана, в верху которых внутри на горизонтальном стержне 9 находится крышка-клапан 10, располагающаяся вертикально зимой, что допускает всасывание воздуха, а летом отверстие всасывающего канала перекрывается горизонтально этой крышкой-клапаном. Это выполняется вручную или при помощи автоматического поворотного устройства, прикрепляемого к узкой стенке всасывающего канала. Над нижней частью засасывающего прямоугольного канала с помощью крепления 11 надстраивают круглую трубу 12 из белого материала с прорезями для кольцевого напорного сужающегося к внутренней стенке ветрозахвата 13, направляющего струи воздуха вниз. Над трубой 12 на тонких стойках 14 подвешивают крышку 15 для защиты от попадания атмосферных осадков. Та часть всасывающей трубы, на которой имеются напорные ветрозахваты с трубами вниз, должна всегда находиться выше снежной поверхности.

Воздуховыводящая часть из многослойного сплошного горизонтального экрана в виде прямоугольного отверстия располагается под центром здания 19 со свайным основанием 25, а затем идет под цокольным перекрытием с теплоизоляционным слоем 20.

На воздуховыводящие прямоугольные трубы в обязательном порядке надставляют круглые трубы 16 из материала черного цвета с прорезями для установки кольцевых ветрозахватов 17, направляющих при помощи сужающих трубок поток воздуха вверх под ветровым напором. Круглые воздуховыводящие трубы оканчиваются дефлекторами 18.

Для достижения циркулирующим воздухом центра площадки и отъема им грунтового тепла под зданием в подполье устраивается перемычка 21 из любого воздухонепроницаемого материала, которая удерживается подвесками 27, прикрепленными к цокольному перекрытию.

Из подполья воздух выходит по экрану в виде плоских труб высотой до потолка последнего этажа (количество которых определяется расчетом) и дополнительно нагревается от стен здания. Вертикальная часть экранных труб вдоль стен здания крепится болтами-стяжками 28 и опирается на сваи 24.1 и 24.2.

Из помещений здания по системе естественной вытяжной вентиляции 22 в верхнюю часть экрана-воздухоотвода поступает через отверстие под потолком верхнего этажа 23 теплый воздух, создавая дополнительную тягу к уже имеющимся механизмам. Над общим отверстием вытяжного канала из экрана и естественной вентиляции здания устанавливается черная труба 16, оканчивающаяся дефлектором 18. Это дает еще одну тягу для воздуха через экран и подполье под зданием. Благодаря такому многофакторному механизму зимой обеспечивается непрерывная направленная циркуляция воздуха с температурой, равной на входе температуре приземной атмосферы.

Летом как входной, так и выходной каналы для воздуха перекрываются перегородками 10, благодаря действию автоматического поворотного устройства. Расчеты и опыты показывают, что под такой системой теплообмена и теплозащиты среднегодовая температура грунтов оснований оказывается на 3-5^оС ниже средней годовой температуры воздуха, а сезонное простаивание сокращается до 0,3-0,5 м.

Так как такой эффект достигается, в частности, благодаря исключению вентиляции воздуха под экраном летом, то приводим описание автоматического поворотного устройства, работающего за счет природных ресурсов.

Автоматическое поворотное устройство состоит из гидрофобного материала с уширением в верхней части 29, заполненного водой 30, запасы которой в теплый период пополняются из атмосферы. В цилиндрике расчетной длины располагается поршень 31 с небольшими отверстиями 32 сбоку для притока воды под него. Под поршнем снизу находится ограничитель в виде утолщения стенки 33, не позволяющий стягивающим пружинам 34 осаждать его ниже заданного уровня. Поршень 31 связан через шарнир с негнущимся вертикальным стержнем 35, который в свою очередь связан с подвижным вверх и вправо (влево) горизонтальным негнущимся стержнем 36, имеющим ограничители 37. Горизонтальный подвижный стержень 36 жестко связан со стягивающими пружинами 34, которые другим концом жестко закреплены с рамкой 38. В верхней части рамки имеются отверстия 39 для свободного хода вверх-вниз и вправо-влево стержня 37.

Стержень 35 через шарнирное устройство связан с рычагом 42, жестко насаженным на болт 41, который длинным плечом также шарнирно завязан с болтом 32, встроенным наглухо в крышку-клапан 9.

Болт 32 выходит наружу из всасывающего канала или воздуховыводящего канала через отверстие 43, по которому он передвигается в течение года. Все поворотное устройство крепится к вытяжному или входному каналам болтами 40.

В летний период положение всех работающих частей поворотного устройства обозначено сплошной линией, в зимний прерывистой.

Устройство работает следующим образом.

После замерзания воды 30 в цилиндре 29 лед расширяется, и занимает больший объем, благодаря отсутствию связи со стенками цилиндра. Благодаря гидрофобности материала цилиндра 29, поршень 31 перемещается в верхнее положение, а вслед за ним через систему стержня 35 и рычага 42, и болт 32, крышка-клапан 10 занимает вертикальное положение, позволяя воздуху свободно поступать под экран 1. Летом лед растаивает, вследствие чего пружины 34 возвращают поршень 31 и всю систему поворотного устройства в летнее состояние, когда крышка-клапан занимает горизонтальное положение и закрывает отверстие всасывающего и воздуховыводящего каналов. Испарившаяся вода к концу лета снова заполняет весь цилиндр и цикл снова повторяется. Избыток воды, скопившиеся выше поршня, при замерзании выталкивается из цилиндра и падает вниз. Предлагаемые технические решения могут обеспечить устойчивую во времени эксплуатацию зданий и сооружений в умеренной и полярной климатической зонах, там, где они запроектированы по первому принципу в области вечной мерзлоты, или при их помощи можно создавать искусственную вечную мерзлоту и переводить функционирование природных и техногенных ландшафтов из режима протаивания грунтов в режим появления многолетных устойчивых вечномерзлых грунтов. В связи с наблюдающимся и возможным потеплением климата изобретение может найти самое широкое применение.

Экономический эффект в этом случае будет исчисляться многими миллионами конвертируемой валюты, так как изобретение чисто экологически, сравнительно технологично для изготовления, не требует затрат искусственных источников энергии при эксплуатации, хотя действие предлагаемых устройств может измеряться десятками лет без ремонта, благодаря применению стойких к разрушению материалов.

Сущность изобретения: устройство содержит воздуховодные каналы с приточным и вытяжным стояками по концам. Приточные стояки размещены вокруг здания, окрашены в белый цвет и оснащены защитными колпаками от попадания осадков, ветрозахватами и устройствами для их открывания и закрывания. Вытяжные стояки размещены внутри здания с выводом их через крышу в атмосферу, прикреплены к стенам здания, сообщены с установленными в здании трубами для естественной вентиляции и оснащены защитными колпаками от попадания осадков, дефлекторами, ветрозахватами и устройствами для их открывания и закрывания. Участок вытяжных стояков, выведенный в атмосферу, окрашен в черный цвет. Воздуховодные каналы объединены под зданием в сплошную камеру. Камера открыта снизу и перекрыта сверху теплоизолированным цокольным перекрытием здания. Внутри камеры подвешена горизонтальная струеразделительная перегородка. За пределами здания каналы выполнены из слоев непрозрачного стеклопластика или пластмассы, закрепленных на каркасе. Между слоями образованы воздушные прослойки. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ И ПРОТИВОЭРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ ОТ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ ЗДАНИЙ, включающее воздуховодные каналы, каждый из которых выполнен по концам с приточным и превышающим последний по высоте вытяжным стояками, размещенными соответственно вокруг здания и внутри него с выводом через крышу в атмосферу, отличающееся тем, что каналы объединены под зданием в сплошную открытую снизу и перекрытую сверху теплоизолированным цокольным перекрытием здания камеру, внутри которой горизонтально размещена подвешенная посредством тонких стержней струеразделительная перегородка с центральным отверстием, и за пределами здания каналы образованы закрепленным на каркасе из стоек и горизонтальных брусьев покрытием из слоев непрозрачного, преимущественно белого, гладкого или профилированного стеклопластика или пластмассы с образованием между слоями воздушных прослоек и выполнены из открытых снизу секций, а вытяжные стояки прикреплены к стенам здания и сообщены с установленными в здании трубами для естественной вентиляции, верхний конец которых заведен в отверстие, образованное в вытяжных стояках выше верхнего перекрытия здания, при этом вытяжные стояки оснащены защитными колпаками от попадания осадков, дефлекторами, струйными кольцевыми ветрозахватами для направления струй воздуха вверх и действующими за счет природных ресурсов автоматическими поворотными устройствами для открывания и закрывания вытяжных стояков соответственно зимой и летом и на участке, выведенном из здания, окрашены в черной цвет, а приточные стояки оснащены защитными колпаками от попадания осадков, струйными кольцевыми ветрозахватами для направления струй воздуха вниз и действующими за счет природных ресурсов автоматическими поворотными устройствами для открывания и закрывания приточных стояков зимой и летом и окрашены в белый цвет.