Поверхностный фундамент для одноэтажного здания на многолетнемерзлых грунтах Российский патент 2018 года по МПК E02D3/115 

Предлагаемое устройство относится к строительству одноэтажных 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.

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 создание устройств и способов, ослабляющих тепловое влияние климата на устойчивость зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах.

Известен способ и устройство для круглогодичных охлаждения, замораживания грунта основания фундамента и теплоснабжения сооружения на вечномерзлом грунте в условиях криолитозоны (Патент РФ № 2519012, кл. E02D3/115, 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 наоса или к нескольким тепловым насосам, установленным в различных помещениях сооружения.

Эта конструкция имеет ряд существенных недостатков:

- температура грунта на контакте с термоскважиной становится значительно ниже температуры грунта в естественных условиях, что может привести к морозному растрескиванию грунта и деформации сооружения;

- расположенные в основании сооружения термоскважины не подлежат ремонту, что делает конструкцию в целом неремонтопригодной, а следовательно, и недостаточно надежной;

- конструкция предусматривает полное ее изготовление на стройплощадке, что в условиях сурового климата является нежелательным и нарушает основное требование к конструкциям на Севере – максимальная сборность.

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. E02D3/115, 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 крупно скелетного грунта, не подверженного деформациям при промерзании-оттаивании.

Эта конструкция имеет два существенных недостатка:

- количество низкопотенциального тепла, отбираемого тепловым насосом из грунта основания, оказывается недостаточным для обогрева сооружения. 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;

- конструкция предусматривает наличие крупно скелетного грунта, не подверженного деформациям при промерзании-оттаивании, для создания подсыпки, которого в осваиваемых северных районах крайне мало.

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, без устройства подсыпки.

Указанная задача решается заявляемым устройством, которое представляет собой поверхностный фундамент, устанавливаемый непосредственно на мерзлый грунт 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 дополнительный источник тепла, компенсирующий дефицит низкопотенциального тепла для обогрева здания, интенсивность которого автоматически регулируется в зависимости от теплопотерь здания. Кроме того, в каждом модуле содержится жидкость, замерзающая (оттаивающая) при отрицательной температуре, залитая в его нижний короб и предохраняющая основание от чрезмерного охлаждения и морозного растрескивания грунтов.

Количество тепла, сообщаемого зданию дополнительным источником Q_д.и за отопительный сезон, вычисляется по формуле:

, (1)

где потребное количество тепла для обогрева здания за отопительный сезон; количество низкопотенциального тепла, перекачиваемое из грунта тепловым насосом.

, (2)

где q^н – нормированная интенсивность подачи тепла через пол в отопительный сезон; площадь фундаментного модуля; количество модулей; продолжительность отопительного сезона.

, (3)

где объем жидкости, замерзающей (оттаивающей) при отрицательной температуре и находящейся в нижнем коробе фундаментного блока, определяется по формуле (4); удельная теплота промерзания-оттаивания жидкости, замерзающей (оттаивающей) при отрицательной температуре.

(4)

, (5)

где температура воздуха в здании; T_bf – температура промерзания-оттаивания жидкости замерзающей (оттаивающей) при отрицательной температуре; продолжительность года и отопительного сезона; термическое сопротивление пола сооружения и теплоизоляции в составе поверхностного фундамента; коэффициент теплообмена между воздухом в здании и поверхностью пола.

Номинальная тепловая мощность теплового насоса находится по формуле (6), а мощность дополнительного источника тепла – по формуле (7).

, (6)

(7)

где коэффициент запаса, принимается равным 1.2–1.5.

По параметрам подбираются тепловой насос и дополнительный источник тепла.

На фиг 1 показан разрез фундаментного модуля, на фиг. 2 – сборный чертеж плана поверхностного фундамента из фундаментных модулей.

Фундаментный модуль 1 состоит из нижнего короба 2, внутри которого размещен змеевик охлаждающего контура теплового насоса 3 и залита жидкость, замерзающая (оттаивающая) при отрицательной температуре (водный раствор диэтиленгликоля) 4. Во избежание переохлаждения основания в качестве температуры замерзания–оттаивания жидкости 4 назначается среднегодовая температура грунта на подошве слоя сезонного оттаивания в естественных условиях. Во избежание разрыва короба 2 при замерзании жидкости 4 объем жидкости 4 принимается меньше объема короба 2 на величину ее расширения при замерзании. Нижний короб 2 имеет съемную крышку 5, поверх которой размещен верхний короб 6 со змеевиком греющего контура 7 теплового насоса 12. Змеевик 7 положен на слой теплоизоляции 8, которая размещена на крышке 5 нижнего короба 2. Фундаментный модуль устанавливается непосредственно на мерзлый грунт 9. Фундаментные модули 1, в совокупности образующие поверхностный фундамент, подсоединяются параллельно к теплоизолированному коллектору 10 охлаждающего контура и теплоизолированному коллектору 11 греющего контура теплового насоса 12, при этом в теплоизолированный коллектор 11 вмонтирован дополнительный источник тепла 13.

Работает устройство следующим образом. С началом отопительного сезона тепловой насос 12 и дополнительный источник тепла 13 включаются в работу. При этом происходит обогрев полов здания змеевиком 7 и промораживание жидкости 4 змеевиком 3. При замерзании жидкости 4 температура во всем объеме короба 2 поддерживается постоянной и равной температуре фазового перехода T_bf, которая, в свою очередь, равна температуре грунта в естественных условиях. Поэтому переохлаждения грунта не происходит. Мощность теплового насоса 12 назначена таким образом, чтобы промораживание жидкости 4 длится весь отопительный сезон, следовательно, весь отопительный сезон на подошве поверхностного фундамента поддерживается естественная температура грунта. По окончании отопительного сезона тепловой насос 12 и дополнительный источник тепла 13 отключаются. Под действием тепла от здания происходит оттаивание льда в нижнем коробе 2 фундаментного блока 1, намороженного в отопительный сезон из жидкости 4. При этом температура во всем объеме короба 2 поддерживается также постоянной и равной температуре фазового перехода T_bf жидкости 4, которая, в свою очередь, равна температуре грунта в естественных условиях. Оттаивание длится до начала нового отопительного сезона. Таким образом, в течение года температура грунта на подошве поверхностного фундамента постоянна и равна температуре грунта в естественных условиях. Поэтому в течение года в основание не пропускается ни импульс холода, ни импульс тепла, которые могут вызвать деформации основания.

Далее до конца периода эксплуатации здания годовые циклы промерзания–оттаивания жидкости 4 повторяются.

Предлагаемое устройство относится к строительству одноэтажных зданий на многолетнемерзлых грунтах с искусственным охлаждением грунтов основания здания с помощью теплового насоса и одновременным обогревом здания с помощью теплового насоса и дополнительного источника тепла. Техническим результатом является создание конструкции фундамента, в полной мере обеспечивающей обогрев здания с одновременным сохранением грунтов основания в мёрзлом состоянии вне зависимости от изменения климата и при этом не вызывающей чрезмерного охлаждения многолетнемёрзлых грунтов, которое может привести к их растрескиванию, без устройства подсыпки. Технический результат достигается тем, что поверхностный фундамент для одноэтажного здания на многолетнемерзлых грунтах состоит из совокупности фундаментных модулей полной заводской готовности, которые подключаются к тепловому насосу параллельно с помощью теплоизолированных коллекторов греющего и охлаждающего контуров теплового насоса, при этом теплоизолированный коллектор греющего контура имеет дополнительный источник тепла, компенсирующий недостаток низкопотенциального тепла, перекачиваемого тепловым насосом из грунта для обогрева здания, интенсивность которого автоматически регулируется в зависимости от теплопотерь здания и количества низкопотенциального тепла, перекачиваемого тепловым насосом. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Поверхностный фундамент для одноэтажного здания на многолетнемерзлых грунтах, состоящий из совокупности фундаментных модулей полной заводской готовности, которые подключаются к тепловому насосу параллельно с помощью теплоизолированных коллекторов греющего и охлаждающего контуров теплового насоса, отличающийся тем, что теплоизолированный коллектор греющего контура имеет дополнительный источник тепла, компенсирующий недостаток низкопотенциального тепла, перекачиваемого тепловым насосом из грунта для обогрева здания, интенсивность которого автоматически регулируется в зависимости от теплопотерь здания и количества низкопотенциального тепла, перекачиваемого тепловым насосом.

2. Поверхностный фундамент для одноэтажного здания на многолетнемерзлых грунтах по п. 1, отличающийся тем, что имеет жидкость, замерзающую при отрицательной температуре, залитую в нижний короб фундаментного модуля и предохраняющую основание от чрезмерного охлаждения и морозного растрескивания грунтов.

3. Поверхностный фундамент для одноэтажного здания на многолетнемерзлых грунтах по п. 1, отличающийся тем, что в качестве жидкости, замерзающей при отрицательной температуре, используется водный раствор диэтиленгликоля.