CC BY
31
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
УПРАВЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫМИ РЕЖИМАМИ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ПРОЧНОСТИ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ФУНДАМЕНТНЫХ ОСНОВАНИЙ дОРОГ И ЗдАНИЙ
А.Н. ШУЛЬЦ, проф. каф. физики МГУЛ, д-р техн. наук
Многие проблемы лесопромышленного комплекса (ЛПК) можно решить утилизацией низкопотенциальных тепловых ресурсов (НТР). Большинство (НТР) можно представить как совокупность двух категорий - естественной среды и ноосферы. По Вернадскому, под ноосферой подразумевается часть среды, преобразованной человеком. Рассмотрим динамику глобальных климатических процессов и их влияние на распределение ТР естественной среды.
В работах В.В. Клименко [1] показано, что глобальное потепление - это твердо установленный научный факт. В основе Конвенции о глобальном изменении климата и Киотского протокола лежит положение о том, что человек потребляет все возрастающие объемы органического топлива, существенным образом увеличивая количество выбрасываемых парниковых газов. Рост концентрации двуокиси углерода, продукта преимущественно антропогенного происхождения, существенно влияет на глобальный тепловой баланс.
Вместе с тем, заметное потепление происходит также в результате эволюции естественных факторов, неподвластных воле человека. Наиболее интенсивно потепление будет развиваться в течение ближайших 50 лет, за это время средняя температура повысится примерно на 0,7°С, то есть приблизительно так же, как и за все ХХ столетие. По оценкам, пик глобального потепления будет зафиксирован на уровне около 1,5°С выше современного, но произойдет это примерно через 100 лет. Это объясняется термической инерцией глобальной климатической системы. Примерно такой же результат был бы получен, если бы сейчас внезапно прекратился рост всех антропогенных выбросов - и в этом случае температура все равно продолжала бы расти.
caf-physics@mgul.ac.ru
Важно подчеркнуть, что потепление чрезвычайно неравномерно распределено как в пространственном, так и в сезонных отношениях. Заметное потепление фактически зафиксировано на территории всего пяти государств: Канады, России, Казахстана, Монголии и Китая. Зона наиболее интенсивного потепления - это вся Россия к востоку от Москвы (по данным В.В. Клименко).
В последние годы XXI столетия отмечались аномально высокие летние температуры в мегаполисах Европы, США и Японии. В этот период наблюдается резкий рост энергопотребления. Правительства многих стран вынуждены принимать меры по ограничению энергопотребления населением в этот период. Наиболее существенное следствие роста среднегодовых температур - это отступание границы вечной мерзлоты. Оценки показывают, что в течение ближайших 50 лет нулевая изотерма среднегодовой температуры, соответствующая положению южной границы распространения вечной мерзлоты, сместится на 400-600 км в северо-восточном направлении, в регионы интенсивной разработки нефтегазовых месторождений.
Собственно, разрушение мерзлоты в зависимости от локальных условий может занять еще несколько десятилетий, в течение которых должны быть приняты соответствующие адаптационные меры.
В основном потепление сосредоточено в холодное время года - зимой и ранней весной. В эпицентрах потепления средиземные аномалии (отклонения от нормы) в 7-8 раз превышают среднеглобальные, то есть зимы в Московской области реально потеплели на 4°С за последние 100 лет и на 2°С - за последние 40 лет.
Каковы важнейшие последствия глобального потепления для России?
148
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Произойдет сдвиг природных зон: границ тундры, лесотундры и тайги в северных направлениях. Произойдет повышение продуктивности лесов, значительное продление вегетационного периода, расширение зоны устойчивого земледелия, значительное сокращение отопительного сезона.
Мониторинг тепловых ресурсов (ТР) естественной среды
Согласно данным Л.Л. Васильева (ИТМО АН БССР), [2] тепловой поток, воспринимаемый испарительной частью тепловых труб (ТТ), расположенных вертикально в грунте вплоть до глубины 15-20 м, равен 10-15 Вт на каждый метр глубины. Теплопотери XQп в окружающую среду в осеннезимний период в средней полосе Европы составляют 100-200 Вт/м2. Таким образом, имея испаритель длиной 15-20 м, можно извлечь из глубинного сухого грунта до 200 Вт и полностью скомпенсировать указанные выше теплопотери. Если грунт насыщен теплыми грунтовыми водами, то тепловой поток из земли одной ТТ можно увеличить в 2-3 раза.
Тепловой поток солнечной радиации Q^ для средних широт Европы колеблется в пределах 0,5—1,5 кВт.м2, в южных широтах России - от 1-го до 2-х кВт/м2. Известно также, что суточные температурные колебания распространяются в грунте на глубину менее 1 м, а сезонные - на глубину около 10 м.
Тепловыделение биомассы оказывается достаточным для обогрева теплиц в зимний период вплоть до -15°С.
Для решения вопроса утилизации естественных низкопотенциальных тепловых ресурсов (ТР) является необходимым знание об охлаждающем импульсе атмосферного воздуха 9 [град х сутки]. Для большинства регионов России этот параметр имеет достаточно высокое значение ( рис. 1).
Данное обстоятельство позволяет заключить, что климатические условия России весьма благоприятны для утилизации охлаждающего импульса атмосферы.
Удельная плотность энергии солнечного излучения оценивается для южных широт
1-1,5 кВт/м2. Значительный тепловой ресурс содержат геотермальные источники.
Известна проблема теплового загрязнения водоемов АЭС. Теплосброс в муниципальных сточных коллекторах характеризуется значительным потенциалом. Его можно оценить по разности температур АТ между входящей на подогрев в теплообменики распределительных узлов холодной воды и температурой сточных коллекторных вод. По разным оценкам она составляет в среднем АТ 7-12°С в зависимости от сезона.
Мониторинг тепловых ресурсов ноосферы
Рост энергопотребления сопровождается увеличением числа и суммарной мощности низкопотенциальных тепловых источников ноосферы. Природа, качество и удельная мощность ТР ноосферы непрерывно изменяются.
Из работ Л.Л. Васильева [2] известно, что тепловыделения от животных при их при стойловом содержании достаточно для отопления помещений, в которых они содержатся. При проветривании этих помещений значительную часть тепла можно вернуть с помощью пленочных теплообменных аппаратов.
0x103
3.5
3.0
2.5
2.0
1,5
1,0
Салехард
* Надым
I
Березово
1 Сургут .Тобольск
• Москва #Хельсинки
-I----Obichiro
• Stokcolm
Q
0
Рис. 1. Зависимость суммарного охлаждающего импульса атмосферы 9 от географического расположения объекта и от среднегодовой температуры Q, (°С/сутки) • : - о - данные автора [3]
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012
149
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
max min
Рис. 2. Результаты контрольных геофизических исследований по карьеру Видный
Рис. 3. Результаты геофизических работ по выявлению ослабленных зон в массиве грунтов тела и основания левобережной подходной насыпи и устоя комбинированного моста через р. Норильская [7]
150
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Аналогичным образом можно организовать возврат тепла при проветривании жилых помещений городских зданий, коттеджей и т.д.
Рост благосостояния общества в первую очередь сопровождается (помимо роста энергопотребления) возрастанием транспортных услуг. Стремительный рост числа автомобилей за последние годы в Москве становится серьезной экологической проблемой. Хорошо известно, что к.п.д. современных двигателей внутреннего сгорания не превышает 38 %. Следовательно, 62 % тепловой мощности автомобильного транспорта можно считать ТР ноосферы.
Решение проблем использования тепловых ресурсов естественной среды и ноосферы для нужд народного хозяйства
Утилизировать рассмотренные выше ТР можно с помощью испарительно-конденсационных теплообменников (ИКТ). Среди них известны тепловые трубы (ТТ), в которых замкнутая циркуляция теплоносителя обеспечивается капиллярными и массовыми силами. К настоящему времени разработаны теоретически и доказаны экспериментально новые подходы к проектированию ИКТ с новыми теплофизическими свойствами и потребительскими качествами, например ИКТ с холодильным эффектом (Г.Ф. Смирнов, А.Н. Шульц [4]). В таких устройствах для управления тепломассопереносом используются различные физические явления: электрокапиллярный эффект (М.К. Болога [5]), эксергетические ресурсы парового потока (А.Н. Шульц [4]), автоколебания в парожидкостном тракте (Г.Ф. Смирнов). Сочетание таких ИКТ с тепловыми аккумуляторами (В.В. Галактионов [6]) позволяет значительно расширить область применения таких устройств в ЛПК и народном хозяйстве страны.
С их помощью можно обеспечить замораживание грунта за счет естественного охлаждающего импульса атмосферного воздуха. В этой связи наиболее перспективны области их использования:
1) упрочнение вечномерзлых оснований дорог, фундаментных устоев мостов и зданий;
2) упрочнение массива земляных защитных дамб;
3) создание подземных аккумуляторов холода, используемых в летнее время для продуктовых складов-холодильников,
4) сброс тепла при тепловом загрязнении водоемов атомных электростанций (АЭС).
Актуальна также проблема загрязнения атмосферы продуктами антропогенного происхождения, в их числе, например, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Утилизация тепла выхлопных газов ДВС транспорта могла бы обеспечить работу автомобильных холодильных машин-кондиционеров и частично снять остроту данной проблемы.
Пример использования ИКТ для упрочнения грунта
В качестве примера использования ИКТ рассмотрим опыт их использования для упрочнения фундаментных устоев шестипролетного моста через реку Норильская [7]. Введен он в эксплуатацию в 1965 г. Перемещения левобережной опоры моста происходили с момента сдачи его в эксплуатацию, что создавало аварийную ситуацию. Для решения проблемы применялись ИКТ и термометрические скважины в основании левобережной подходной насыпи.
Геофизические исследования методом томографического сейсмоакустического просвечивания показали, что грунты в основании насыпи находятся в консолидированном мерзлом состоянии, на что указывают повышенные значения прочности. На других участках, примыкающих к фундаментным устоям моста, грунты находятся в талом состоянии и имеют пониженные значения прочности. Перемещения опоры моста были вызваны низкими значениями несущей способности грунта в ее основании. Динамика процессов хорошо проявляется и на прочностных характеристиках насыпи. Однако вблизи железнодорожного полотна наблюдается крошение ледяного массива вследствие возникновения вибраций при прохождении железнодорожных составов. Пористость насыпного грунта возрастает до 40 %, и его прочность резко падает.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012
151
