Поверхностный фундамент здания, обеспечивающий сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии с одновременным обогревом здания Российский патент 2019 года по МПК E02D3/115 

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.

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.

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).

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.

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. 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.

Эта конструкция имеет существенный недостаток.

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.

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.

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.

Количество тепла, сообщаемого зданию внешним источником Q_в.и за отопительный сезон, вычисляется по формуле:

где Q₁ - потребное количество тепла для обогрева здания в отопительный сезон; Q₀ - количество низкопотенциального тепла, отбираемого из грунта тепловым насосом.

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

где h_d - толщина крупноскелетной подсыпки; L_v,d - удельная теплота промерзания-оттаивания подсыпки.

где λ_th,d - коэффициент теплопроводности грунта подсыпки в талом состоянии; T_in - температура воздуха в здании; t_y - продолжительность года; R_flo, R_ins - термическое сопротивление пола сооружения и теплоизоляции в составе поверхностного фундамента; α_in - коэффициент теплообмена между воздухом в здании и поверхностью пола.

На фиг 1 показан сборный чертеж плана поверхностного фундамента из фундаментных модулей.

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.

Работает устройство следующим образом.

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.

Изобретение относится к строительству 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. Поверхностный фундамент здания, обеспечивающий сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии с одновременным обогревом здания, состоит из совокупности фундаментных модулей полной заводской готовности, которые подключаются к тепловому насосу параллельно с помощью теплоизолированных коллекторов греющего и охлаждающего контуров теплового насоса. Теплоизолированный коллектор греющего контура имеет внешний источник тепла, компенсирующий недостаток низкопотенциального тепла, отбираемого тепловым насосом из грунта, для обогрева здания, интенсивность которого автоматически регулируется в зависимости от теплопотерь здания и количества низкопотенциального тепла, отбираемого из грунта тепловым насосом. Технический результат - создать конструкцию фундамента, обеспечивающую обогрев зданий с одновременным сохранением 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. 1 ил.

Поверхностный фундамент здания, обеспечивающий сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии с одновременным обогревом здания, 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 внешний источник тепла, компенсирующий недостаток низкопотенциального тепла, отбираемого тепловым насосом из грунта, для обогрева здания, интенсивность которого автоматически регулируется в зависимости от теплопотерь здания и количества низкопотенциального тепла, отбираемого из грунта тепловым насосом.