Устройство для проветривания и предотвращения растепления многолетнемерзлого грунта путем автоматического управления регулирования температуры грунта Российский патент 2024 года по МПК E02D27/35 

Изобретение относится к области строительства, в частности может использоваться при устройстве фундамента многоэтажных зданий или сооружений, обладающего способностью естественного проветривания и предотвращения растепления многолетнемерзлого грунта путем автоматического управления регулирования температуры грунта.

Известна пространственная железобетонная фундаментная платформа на вечномерзлом грунте, принятая в качестве прототипа, Сборная пространственная железобетонная фундаментная платформа на многолетнемерзлом грунте выполнена терморегулируемой, содержит объединенные между собой верхние и нижние плиты, которые соединены железобетонными фермами раскосными или безраскосными или балками, между фермами или балками в поперечном направлении установлены крестовые связи, а между верхними и нижними плитами образовано вентилируемое во всех направлениях продуваемое подполье с терморегулируемой функцией и установленным в нем датчиком температуры воздуха, при этом по периметру фундаментная платформа содержит ограждающие деревянные клееные панели, образующие с указанными железобетонными плитами замкнутое пространство, причем во всех деревянных клееных панелях встроены регулируемые жалюзийные решетки с электроприводом их перемещения, который связан с системой автоматического управления процессом охлаждения вечномерзлого грунта. Регулируемые жалюзийные решетки выполнены двухрядными, соответственно с вертикальным и горизонтальным расположением их ламелей и с возможностью восприятия ветровых потоков и предотвращения снегопереноса. Система автоматического управления процессом охлаждения вечномерзлого грунта содержит установленные на соответствующих ламелях датчик углового положения вертикальной плоскости ламелей и датчик углового положения горизонтальной плоскости ламелей (патент РФ №2784509 С1, дата приоритета 06.06.22, дата публикации 28.11.2022, авторы: Климов А.С.и др., RU, аналог).

Недостатком известного аналога является низкая его эффективность, в виду замкнутости контура Ж/Б и небольших размерами самих регулируемых жалюзи (из клееного дерева) и отсутствия необходимого количества датчиков температуры основания грунта и подполья.

Известен терморегулируемый ограждающий модуль вентилируемого подполья, выполненный сборным из деревянных клееных панелей в виде модуля повышенной индустриализации, конструкция которого содержит лицевую, заднюю и связывающие их по периметру панели с расположенной между ними системой перекрестных ребер, образующих совместно с указанными панелями полости, снабженные воздухонепроницаемыми эластичными полыми элементами с входными каналами, оснащенными однонаправленным клапаном, а в лицевой и задней панелях выполнены вентиляционные отверстия, в которых встроены регулируемые жалюзийные решетки, связанные с электроприводом их перемещения для предотвращения теплопереноса нагретых потоков, при этом электропривод связан с системой автоматического управления процессом охлаждения вечномерзлого грунта, включающей установленный в полости ограждающего модуля датчик температуры воздуха, связанное с датчиком устройство ввода для преобразования аналогового сигнала в цифровой, блок перепрограммируемого постоянно запоминающего устройства (ПИЗУ), связанный с указанным устройством ввода и с устройством вывода для преобразования цифрового сигнала в аналоговый, а устройство вывода связано с электроприводом регулируемых жалюзийных решеток (патент РФ на изобретение №2728004, дата приоритета 03.02.2020, дата публикации 28.07.2020, авторы: Климов А.С, Степанян А.С, RU).

Недостатком прототипа является низкая его эффективность, обусловленная большим объемом теплопереноса нагретых потоков в теплый период года через нерегулируемые встроенные жалюзийные вставки в вентилируемое подполье здания, что приводит к растеплению массива грунта в зоне вечной мерзлоты, и отсутствием автоматического управления процессом охлаждения грунта в зависимости от температуры наружного воздуха

Технической задачей, решаемой предполагаемым изобретением, является повышение эффективности процесса охлаждения многолетнемерзлых грунтов.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в сокращении длительности процесса замораживания вечномерзлого грунта в естественных условиях и предотвращении размораживания грунта, в предотвращении сильного снегопереноса в продуваемое подполье здания.

Поставленная задача достигается тем что, устройство для проветривания и предотвращения растепления многолетнемерзлого грунта путем автоматического управления регулирования температуры грунта состоит из конструкции с подвижными элементами, связанными с приводом и системой автоматического управления, причем конструкция с подвижными элементами представляет собой раму с теплоизоляционными ламелями, а система автоматического управления, представляет собой датчики, связанные с электронным блоком управления, а именно датчиком температуры наружного воздуха, установленном с наружной стороны рамы, датчиком температуры подполья, установленном с внутренней стороны рамы, датчиком температуры массива грунта, установленном в грунте подполья и датчиком скорости воздушного потока, установленного на внешней стороне вентилируемого здания, причем электронный блок управления связан с сервоприводом, приводящим в движение теплоизоляционные ламели.

Поставленная задача также достигается тем, что длина рамы адаптирована к расстоянию между сваями вентилируемого подполья.

Поставленная задача также достигается тем, что толщина теплоизоляционных ламелей не менее 30 мм.

Поставленная задача также достигается тем, что количество теплоизоляционных ламелей более одной и зависит от высоты вентилируемого подполья.

На фиг. 1 схематично показано устройство для проветривания и предотвращения растепления многолетнемерзлого грунта путем автоматического управления регулирования температуры грунта, а) - с открытыми закрылками - анфас; б) - устройство в закрытом положении ламелей - анфас, в) - устройство с открытыми закрылками ламелей-фас, г) устройство с закрытыми закрылками ламелей - фас., д) боковая сторона рамы с креплениями ламелей.

Фиг. 2 - график изменения температуры приземного воздуха.

Фиг. 3 - график изменения температуры в подполье.

Фиг. 4 - общий вид модели грунта и расположение слоев грунтовых элементов в ней.

Фиг. 3 - Начальное температурное распределение в модели на 1 января 1945 г.

Фиг. 6. - Температурное распределение в модели через 25 лет эксплуатации на 1 января 1970.

Фиг. 7 - Температурное распределение в модели через 50 лет эксплуатации на 1 января 1995 г.

Фиг. 8 - Графики распределения температур по глубине.

Устройство для проветривания и предотвращения растепления многолетнемерзлого грунта путем автоматического управления регулирования температуры грунта для подполей зданий на свайном основании состоит из рамы 1 с креплениями на сваи (на рис. не показаны), теплоизоляционными ламелями 2, и крепежом 9 для синхронного открытия/закрытия ламелей, связанным с сервоприводом 3. На наружной стороне рамы 1 установлен датчик температуры наружного воздуха 4, с обратной стороны рамы 1, либо внутри подполья, но не под грунтом установлен датчик температуры подполья 5, в грунт подполья устанавливают датчик температуры массива грунта 6, снаружи вентилируемого здания устанавливают датчик скорости воздушного потока 7 (сам датчик на рис не показан). Все датчики 4, 5, 6, и 7 соединены с электронным блоком управления (ЭБУ) 8

Предлагаемое устройство для подполей зданий на свайном основании устанавливается с помощью креплений 9 между сваями. Длина рамы 1 должна быть адаптирована (кратна) к расстоянию между сваями. Толщина теплоизоляционной ламели 2 должна быть не менее 30 мм. Размер толщины теплоизоляционной ламели 2 определяли опытным путем. Толщина ламели 2 менее 30 мм не соответствует достижению требуемой тепло эффективности конструкции. Теплоизоляционный слой ламели 2 может быть изготовлен из любых материалов, обладающих теплоизоляционными свойствами, например пеноплекса. Количество теплоизоляционных ламелей зависит от высоты подполья.

Устройство для проветривания и предотвращения растепления многолетнемерзлого грунта путем автоматического управления регулирования температуры грунта работает следующим образом: Раму 1 устанавливают между сваями, датчики 4, 5, 6, и 7 устанавливают в соответствующих местах и соединяют с ЭБУ 8, датчики 4, 5, 6 и 7 передают данные температуры и силы ветра, а электронный блок управления 8 обрабатывает совокупность значений и выстраивает логарифмически-оптимальные параметры для эффективной заморозки и поддержания оптимальной температуры массива грунта для предотвращения разморозки, так как при интенсивной заморозке возможен подъем грунта (пучение и аналогичные процессы, которые могут привести к подъему свайного основания). Далее ЭБУ 8 через сервопривод 3 дает команду для открытия, закрытия или частичного открытия теплоизоляционных ламелей 2. Устройство может оснащаться системой усиления воздушного потока, которая позволяет более эффективно поддерживать оптимальную естественную температуру массива грунта. В зимний и осенне-весенний период в открытом положении обеспечивает естественный приток воздушной массы с отрицательными температурами. Предлагаемая конструкция устройства антивандальная, может быть изготовлена из черных, цветных и композитных материалов в различных типоразмерах и цветовой гамме в зависимости от конструкции, шага свайного основания и внешнего облика здания.

Был проведен теплотехнический расчет эффективности предлагаемого устройства.

Расчеты проведены для конструкции устройства для проветривания и предотвращения растепления многолетнемерзлого грунта путем автоматического управления регулирования температуры грунта со следующими параметрами: длина конструкции 3 метра, высота 1,5 м, глубина - 0,35 м., количество ламелей - 4, толщина ламели 35 мм.

Расчеты проведены для периода с 1945 по 1995 года на стандартный период эксплуатации сооружения на многолетнемерзлых грунтах - 50 лет. Период был выбран на основании полноты метеорологических архивных данных.

В качестве исходных данных для теплотехнического расчета использовались следующие параметры:

- климатические условия для задания верхнего граничного условия (ГУ) модели (среднемесячная температура воздуха, скорость ветра, высота снежного покрова);

- физические и тепло физические характеристики грунта (влажность, плотность, температура фазового перехода, теплоемкость и теплопроводность в талом и мерзлом состояниях);

- начальное температурное распределение в грунтовом массиве;

- параметры здания (габариты, конструктивная схема).

На верхнем климатическом ГУ заданы ежедневные замеры температуры воздуха по архивным данным для метеорологической станции Дудинка. Фрагмент графика изменения температур приведен на фиг. 2.

В качестве основания принят однородный супесчаный грунт. Значения физических и тепло физических свойств грунта, необходимых в качестве исходных данных приведены в таблице 1.

Начальные температурные распределения в грунтовом массиве приняты по результату стационарного расчета модели и приведены в таблице 2.

Рассмотрено здание прямоугольной формы габаритами 20×30 м, внутри помещений круглогодично поддерживается температура плюс 20°С, расчетное сопротивление теплопередаче перекрытия над вентилируемым подпольем составляет 2 м² °С/Вт, цоколя - 1 м² °С/Вт.

Для расчета температурного режима подполья при использовании предлагаемого устройства необходимость открытия/закрытия продухов определено из условия:

где Т_с,а,ф - фактическая среднегодовая температура воздуха в вентилируемом подполье; T_c,а - требуемая среднегодовая температура воздуха в вентилируемом подполье для обеспечения проектного значения среднегодовой температуры на верхней границе многолетнемерзлого грунта Т₀.^'

При расчете зданий с проветриваемым подпольем важнейшим показателем является модуль вентилирования. Для обеспечения проектного температурного режима грунтов основания должно выполняться условие:

где М_ф - фактический модуль вентилирования; М - требуемый модуль вентилирования.

где A_v - общая площадь продухов, м²; A_b - площадь здания в плане, м².

где k_c - коэффициент, принимаемый взависимости от расстояния между зданиями а и их высотой h; T_c,a - среднегодовая температура воздуха в вентилируемом подполье, °С; T_in расчетная температура воздуха в помещении, °С; T_out - среднегодовая температура наружного воздуха, °С; R₀ - сопротивление теплопередаче перекрытия над подпольем, м²°С/Вт; C_ν - объемная теплоемкость воздуха, принимаемая равной 1300 Дж/(м³°С); k_a - обобщенный аэродинамический коэффициент, учитывающий давление ветра и гидравлические сопротивления, зависящий от формы сооружения;; v_a средняя годовая скорость ветра, м/с; ξ - параметр, учитывающий влияние расположенных в подполье коммуникаций на его тепловой режим, °С; χ_i - коэффициент потери напора на отдельных участках подполья; χ - безразмерный параметр, зависящий от параметров ограждения цоколя, определяемый по формуле:

где A_z - площадь цоколя, м, R_z - сопротивление теплопередаче цоколя, м² °С/Вт.

Температуры в подполье выражены из формулы (4). В случае не выполнения условия (1) для подполья с предлагаемым устройством, принималось, что ламели закрываются, при этом скорость ветра в подполья снижалась до 0, а температуры пересчитывались исходя их балансового уравнения тепла. Результаты расчета отображены на фрагменте графика на фиг. 3

Теплотехнические расчеты выполнялись в программном комплексе Борей 3D, предназначенном для расчета динамики изменений температурного поля многолетнемерзлых грунтов оснований зданий и сооружений с учетом теплового влияния инженерных сооружений. Программный комплекс реализует математический аппарат моделирования распространения температурных полей в среде с фазовыми переходами и соответствует требованиям СП 25.13330. Процесс распространения тепла в грунте с фазовыми переходами в спектре отрицательных температур описывается дифференциальным уравнением, записанным в энтальпийной форме (6):

где Н=Н(τ,Т) - энтальпия (теплосодержание), отнесенная к единице объема грунта;

τ - время;

Т=Т(τ) - температура грунта;

А=λ(Т) - коэффициент теплопроводности грунта;

- мощность внутренних источников тепла;

Энтальпия является функцией температуры времени и координат. С учетом теплоты фазовых переходов в грунте, энтальпия описывается уравнением (7):

где С=С(Т) - теплоемкость грунта;

Q - теплота фазового перехода;

- температура фазового перехода;

- дельта-функция.

Были реализованы 2 конечно-разностных метода для решения исходного дифференциального уравнения:

- метод явной двухслойной разностной схемы;

- метод с динамическим разбиением области на подобласти с явной и неявной вычислительной схемой. В качестве неявной вычислительной схемы применен метод простой итерации. Для улучшения сходимости неявного метода применяется метод регуляризации и динамический подбор шага по времени.

В качестве расчетной области принят трехмерный грунтовый массив глубиной 50 м, с размером в плане 100×80 м. Шаг сетки принят адаптивным от 0,1×0,1×0,1 до 1,0×1,0×1,0 м.

Общий вид созданной модели и расположение слоев грунтовых элементов в ней представлен на фиг. 4.

На верхнем граничном условии модели заданы климатические данные, в основании сооружения - по результату расчета изменения температуры в подполье. На боковых и нижней грани модели задан тепловой поток равный 0.

Проведено два расчета с одинаковыми начальными параметрами, но разными граничными условиями здания. Расчеты проведены на 50 лет с 1945 по 1995 года. Результаты расчета приведены на фиг. 5, 6, 7, и таблице 3.

На фиг. 5, 6, 7 видно, что при открытых продухах сохранение грунтов в мерзлом состоянии обеспечивается, однако температуры в основании превышают начальное распределение, что может привести к потере устойчивости свайного фундамента. Применение устройства для проветривания и предотвращения растепления многолетнемерзлого грунта путем автоматического управления регулирования температуры грунта позволяет сформировать в основании здания массив мерзлого грунта температурой ниже минус 3°С, что позволит обеспечить надежную эксплуатацию здания даже в условиях глобального потепления, а также показывает их высокую эффективность.

Температурные распределения по глубине в центральной части здания на 1, 25 и 50 года эксплуатации приведены в таблице 3 и на фиг. 8.

Применение устройства для проветривания и предотвращения растепления многолетнемерзлого грунта путем автоматического управления регулирования температуры грунта й позволяет сформировать в основании здания массив мерзлого грунта температурой ниже минус 3°С, что позволит обеспечить надежную эксплуатацию здания даже в условиях глобального потепления, а также показывает их высокую эффективность.

Изобретение относится к области строительства, в частности может использоваться при устройстве фундамента многоэтажных зданий или сооружений, обладающего способностью естественного проветривания и предотвращения растепления многолетнемерзлого грунта путем автоматического управления регулирования температуры грунта. Устройство для проветривания и предотвращения растепления многолетнемерзлого грунта путем автоматического управления регулирования температуры грунта, выполнено в виде конструкции с подвижными элементами, связанными с приводом и системой автоматического управления. Конструкция с подвижными элементами представляет собой раму с теплоизоляционными ламелями, а система автоматического управления, представляет собой датчики, связанные с электронным блоком управления, а именно датчиком температуры наружного воздуха, установленном с наружной стороны рамы, датчиком температуры подполья, установленном с внутренней стороны рамы, датчиком температуры массива грунта, установленном в грунте подполья и датчиком скорости воздушного потока, установленного на внешней стороне вентилируемого здания, причем электронный блок управления связан с сервоприводом, приводящим в движение теплоизоляционные ламели. Технический результат состоит в повышении эффективности процесса охлаждения многолетнемерзлых грунтов, за счет сокращения длительности процесса замораживания вечномерзлого грунта в естественных условиях и предотвращении размораживания грунта, в предотвращении сильного снегопереноса в продуваемое подполье здания. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для проветривания и предотвращения растепления многолетнемерзлого грунта путем автоматического управления регулирования температуры грунта, выполненное в виде конструкции с подвижными элементами, связанными с приводом и системой автоматического управления, отличающаяся тем, что конструкция с подвижными элементами представляет собой раму с теплоизоляционными ламелями, а система автоматического управления, представляет собой датчики, связанные с электронным блоком управления, а именно датчиком температуры наружного воздуха, установленном с наружной стороны рамы, датчиком температуры подполья, установленном с внутренней стороны рамы, датчиком температуры массива грунта, установленном в грунте подполья и датчиком скорости воздушного потока, установленного на внешней стороне вентилируемого здания, причем электронный блок управления связан с сервоприводом, приводящим в движение теплоизоляционные ламели.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что длина рамы адаптирована к расстоянию между сваями вентилируемого подполья.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что толщина теплоизоляционных ламелей не менее 30 мм.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что количество теплоизоляционных ламелей более одной и зависит от высоты вентилируемого подполья.