CC BY
67
АРХИТЕКТУРА И ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО. РЕКОНСТРУКЦИЯ И РЕСТАВРАЦИЯ
УДК 624.139 DOI: 10.22227/1997-0935.2021.5.535-544
Современные методы охлаждения многолетнемерзлых грунтовых оснований многоэтажных жилых зданий
А.А. Плотников, Г.Р. Гурьянов
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
(НИУ МГСУ); г. Москва, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. Несущая способность грунта в мерзлом состоянии значительно выше, чем при положительных температурах. Поэтому использование грунта в мерзлом состоянии в качестве основания здания в районах залегания многолетней мерзлоты вполне оправдано. Однако сохранение мерзлого состояния грунта на застроенной территории является сложной инженерной задачей, несмотря на низкие среднегодовые температуры воздуха (ниже - 4 °С). Материалы и методы. Исследования формирования температурного режима основания проводились численными методами по программе ТЕМР Комплекс разработан в МИСИ - МГСУ (свидетельство о государственной регистрации № 2016618937) для решения нестационарных теплофизических задач энтальпийным методом c учетом фазовых переходов связанной влаги в спектре температур.
Результаты. Для сохранения мерзлого состояния грунтов основания зданий применяются два подхода: естественное сезонное поверхностное и глубинное охлаждение с одной стороны и снижение теплового влияния здания на грунты основания, с другой стороны. В первом случае поверхность под зданием непосредственно охлаждается воздухом в зимнее время года при помощи холодного проветриваемого пространства под зданием, так называемого «вентилируемого подполья» (ВП). Глубинное охлаждение осуществляется при помощи сезонно-охлаждающих < до устройств (СОУ) путем теплообмена воздуха с грунтом через трубы, заполненные теплоносителем и работающие в J с течение зимнего периода. Снижение теплового влияния здания возможно за счет изменения среднегодовой темпе- J н ратуры воздуха в ВП и посредством сезонного утепления стен подполья или поверхности грунтов основания. ^ s
Выводы. Наиболее эффективным способом сохранения грунтовых оснований многоэтажных жилых зданий в мерз- 3 М лом состоянии является метод тепловой изоляции поверхности грунтового основания в сочетании с глубинными S т жидкостными охлаждающими устройствами. С О
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: охлаждение грунтов, вентилируемое подполье, сезонно-охлаждающие устройства, жидкост- g
ные, парожидкостные, глубинное охлаждение грунтов, поверхностное охлаждение грунтов, фундаменты, теплоизо- § S
ляция фундаментов l <
< i
Благодарности. Авторы выражают благодарность анонимному рецензенту за содержательную рецензию и редак- _ 9
тору, помогающему оформить статью. ° —
§ 9
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Плотников А.А., Гурьянов Г.Р. Современные методы охлаждения многолетнемерзлых грун- < 3 товых оснований многоэтажных жилых зданий // Вестник МГСУ. 2021. Т. 16. Вып. 5. С. 535-544. DOI: 10.22227/1997-
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU);
Moscow, Russian Federation
о ^
0935.2021.5.535-544 O
Modern methods of cooling permafrost ground beds of multi-storey
residential buildings
CO CO
z 2
CO
о
Аleksandr А. Plotnikov, Georgy R. Guryanov С 0
о _ о
an
CD CD
. DO ■ в-
ABSTRACT V .
О Т
Introduction. The bearing capacity of soil in the frozen state is much higher than its bearing capacity at positive tempera- j 0
tures. Therefore, it makes sense to use frozen soil as the footing of a building in permafrost regions. However, the pres- g 1
ervation of soil in the frozen state in a built-up area is a challenging engineering problem despite low average annual air <D 6 temperatures (below -4 °C).
Materials and methods. The co-authors employed numerical methods to study the temperature regime of the footing using TEMRA software. This software was developed at MISI - MGSU (State Registration Certificate 2016618937); it solves $ У non-stationary thermophysical problems by the enthalpy method with regard for the phase transitions of the bound moisture e К in the temperature range. m 5 Results. Two approaches are used to preserve building footings in the frozen state: natural seasonal surface cooling and M M deep cooling, on the one hand, and reducing the thermal effect produced by the building on footing soils, on the other hand. 2 2 In the first case, the surface under the building is cooled with air in the winter season using the cold ventilated space under 1 1 the building, the so-called "ventilated basement". Deep cooling is carried out using Seasonal Cooling Devices (SCD) that
©А.А. Плотников, Г.Р. Гурьянов, 2021 535
Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
employs air-soil heat exchange with the help of pipes, filled with the heat transfer agent during the winter period. A change in the average annual air temperature inside the ventilated basement and seasonal insulation of its walls or the ground bed can reduce the thermal effect, produced by the building.
Conclusions. The most effective way to keep ground beds of multi-storey residential buildings frozen is the thermal insulation of the footing surface in combination with deep liquid cooling devices.
KEYWORDS: soil cooling, ventilated basement, seasonal cooling devices (SOC), liquid, vapor-liquid, deep cooling of soils, surface cooling of soils, foundations, thermal insulation of foundations
Acknowledgements. The authors are grateful to the anonymous reviewer for the informative review and the editor who helps to prepare the article.
FOR CITATION: Plotnikov А.А., Guryanov G.R. Modern methods of cooling permafrost ground beds of multi-storey residential buildings. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2021; 16(5):535-544. DOI: 10.22227/19970935.2021.5.535-544 (rus.).
N N О О tV N
1П Hi
Ü <D U 3
> (Л
с и
U <o <ö ф
¡1
<D ф
О ё
---' "t^
о
о У
8 «
z ■ i от * ОТ E
E о
CL °
^ с
ю о
S Ii
о E
со ^
от от
■S
iE 35
О tn
ВВЕДЕНИЕ
Несущая способность грунта в мерзлом состоянии значительно выше, чем при положительных температурах. Поэтому использование грунта в мерзлом состоянии в качестве основания здания в районах залегания многолетнемерзлых грунтов вполне оправдано. Однако сохранение мерзлого состояния грунта на застроенной территории является сложной инженерной задачей. Это связано с уничтожением естественного мохо-торфяного покрытия, устройством фильтрующих подсыпок для засыпки оврагов при планировке застраиваемой территории, прокладкой коллекторов для ливневой канализации и инженерных коммуникаций. Особенно опасны протечки канализации в подземных коллекторах, что ведет к засолению грунтов территории. Все это приводит к увеличению слоя, который летом оттаивает до глубины 2 м, а зимой замерзает. В некоторых случаях при глубоком оттаивании грунта за счет инфильтрации талых вод, зимой мерзлота не восстанавливается, и образуются так называемые талики — незамерзшие участки грунта между слоями сезон-но промерзающего и многолетнемерзлого грунта или внутри слоя многолетней мерзлоты [1, 2].
Поэтому, несмотря на низкие среднегодовые температуры воздуха (ниже -2 °С), необходимо применять инженерные мероприятия по сохранению мерзлого состояния грунтов и дополнительному охлаждению грунтов под зданиями. В массовом строительстве этого можно добиться только за счет использования естественного холода, а именно охлаждения грунтов наружным воздухом.
Методы охлаждения мерзлых грунтовых
оснований
Для сохранения мерзлого состояния грунтов основания зданий применяются два подхода — естественное сезонное поверхностное и глубинное охлаждение с одной стороны и снижение теплового влияния здания на грунты основания с другой стороны.
Естественное сезонное поверхностное
охлаждение
Наибольшее распространение получил метод поверхностного охлаждения, при котором поверх-
ность под зданием непосредственно охлаждается воздухом в зимнее время года при помощи холодного проветриваемого пространства под зданием, так называемого «вентилируемого подполья» (ВП), как показано на рис. 1 [3]. ВП хорошо себя зарекомендовало с инженерной точки зрения и широко применяется в течение последних 70 лет. Охлаждение грунтов происходит за счет того, что под зданиями температура поверхности ниже по сравнению с открытой территорией, так как отсутствует снеговой покров зимой, а летом нет солнечного перегрева.
Разновидностью ВП являются пространственные конструкции, разделяющие ВП на отдельные отсеки в виде аркад, круглых или прямоугольных труб большого диаметра, вентилируемых каналов (рис. 2, 3). В некоторых случаях для поверхностно-
Рис. 1. Вентилируемое подполье Fig. 1. Ventilated basement
Рис. 2. Охлаждение грунтов основания при помощи аркад: 1 — арки; 2 — сваи; 3 — ростверк; 4 — насыпь Fig. 2. Using arcades to cool the foundation soil: 1 — arches; 2 — piles; 3 — grillage; 4 — embankment
го охлаждения грунтов основания при больших нагрузках на цокольное перекрытие применяются вентилируемые подсыпки из каменных насыпей типа курумов и т.д. Известны предложения по использованию вентилируемых каналов как поверхностных фундаментов типа складок (фундаменты-оболочки) и других пространственных конструкций, как показано на рис. 4 [4, 5].
Плита перекрытия над каналом Floorslab . above 'the.
retaining wall Рис. 3. Вентилируемые каналы Fig. 3. Ventilated ducts
Плита перекрытия над каналом Floor slab above the duct
Рис. 4. Вентилируемые фундаменты-оболочки Fig. 4. Floor slab above the duct
Естественное глубинное охлаждение
Глубинное охлаждение осуществляется при помощи сезонно-охлаждающих устройств (СОУ), они представлены на рис. 5, путем теплообмена воздуха с грунтом через трубы, заполненные теплоносителем и работающие в течение зимнего периода. Глубинное охлаждение позволяет охлаждать любую точку основания здания как по глубине, так и в плане, в отличие от поверхностного охлаждения, которое дает возможность охлаждать основания здания только в плане, так как воздействует на грунты основания через планировочную поверхность под зданием.
СОУ делятся на вертикальные и горизонтальные и конструктивно представляют собой трубу, часть которой находится над землей и обдувается воздухом, а другая часть расположена в грунте, который надо охладить.
По теплоносителю СОУ подразделяют на жидкостные и парожидкостные. Они отличаются способом переноса тепла. Если это осуществляется за счет циркуляции жидкости, то их именуют жидкостными конвективными термосифонами, а если за счет фазовых превращений жидкого теплоноси-
теля в пар, то такие термосифоны называют испарительными.
Жидкостные или однофазные назовем СОУ-1. Теплообмен в них происходит за счет циркуляции теплоносителя, в качестве которого применяются жидкости типа керосина. Конструктивно они выполняются в виде металлических труб диаметром 100-150 мм для снижения сопротивления конвекции и повышения площади теплообмена трубы с грунтом. Проблема конструирования жидкостных термосифонов заключается в том, что в верхней части к наружной стенке должна прилегать «теплая» жидкость, нагретая грунтом, а в нижней части, опущенной в грунт, к наружной стенке должна прилегать «холодная» жидкость, охлажденная воздухом. Причем «холодная» и «теплая» жидкости движутся в разных направлениях и не должны смешиваться. Однако двухтрубную систему с естественной циркуляцией сделать нельзя, она просто не будет работать. Выходом из этого положения являются струенаправляющие устройства, разделяющие потоки внутри трубы [6].
Главные достоинства жидкостных термосифонов с замкнутым циркуляционным контуром — высокая надежность при длительном сроке службы и минимальные расходы на эксплуатацию. Так как давление жидкости внутри трубы равно атмосферному, то нет опасности разгерметизации. Но даже в случае попадания керосина в мерзлый грунт он не растворяется [7]. Недостатком СОУ-1 явля-
5,
6Л
Рис. 5. Конструкция СОУ-1 и СОУ-2: 1 — металлическая труба 120 мм; 2 — струенаправляющее устройство; 3 — железобетонная свая; 4 — ростверк; 5 — труба 50 мм; 6 — теплоноситель в жидком виде; 7 — конденсатор; 8 — утеплитель
Fig. 5. Construction of SCD (Seasonal Cooling Devices) 1 and 2: 1 — metal pipe 120 mm; 2 — stream directing device; 3 — reinforced concrete pile; 4 — grillage; 5 — pipe 50 mm; 6 — liquid heat transfer agent; 7 — condenser; 8 — thermal insulation
o сл § S
y -»■ J CD
u -
n 0
»8 o »
oi
§5 t
U s
& N § 2
a 0
>6 t§
It §
e §
» CD
Ф 6 ^ '
. DO
r s 3
s У
с о ф *
WW
2 2 О О
IS) К)
7
8
сч N О О N N
10 10 ¡г ш
и 3 > (Л с «
и «в «о щ
¡1
Ф <и
о ё —■ ^
о
о У
8 «
2 ■ ^ от 13 от Е
Е о
£ ° ^ с
ю о
£ Ц
о Е
СП ^ т- ^
от от
О (О
во £
ется высокий расход металла, большой объем керосина, повышенные затраты на изготовление и, как следствие, высокая стоимость.
Парожидкостные или испарительные СОУ-2 заполняются легкокипящими жидкостями типа фреон. Процесс переноса тепла происходит за счет фазовых переходов жидкости при ее нагревании в грунте и охлаждении в воздухе. Если температура воздуха ниже температуры фазовых переходов жидкости tф, то фреон конденсируется и по стенкам трубы стекает в подземную часть трубы. Нагреваясь в подземной части, фреон переходит в газообразное состояние и поднимается в верхнюю часть трубы. Это позволяет отказаться от струенаправляющих устройств. Температура tф зависит от избыточного давления внутри трубы, и таким образом ее можно регулировать. Циркуляция теплоносителя зависит от разницы температур грунта, tф и воздуха и выбирается из условия:
• tф должна быть ниже температуры грунта;
• tф должна быть выше температуры наружного холодного воздуха.
Однако, чем ниже tф, тем короче период времени работы СОУ-2, так как это определяется температурой наружного воздуха в холодный период года. Повышая температуру фазовых переходов жидкости, можно удлинить период работы термосифона, но за счет меньшей разницы температур tф и грунта эффективность охлаждения снижается. Температура грунта в рабочей зоне сваи обычно колеблется от -1 до -5 °С, в то время как температура в охлаждаемой воздухом части СОУ достигает -50 °С. Обычно tф выбирают от -10 до -15 °С.
Достоинством СОУ-2 является простота конструкции. Недостаток парожидкостных термосифонов — необходимость поддерживать избыточное давление в трубе. В течение эксплуатации возможны утечки фреона и снижение давления, что приводит к повышению tф и выходу СОУ из строя. Другим недостатком служит малый диаметр трубы, что ухудшает условия теплообмена как с грунтом, так и с наружным воздухом. Для длительного охлаждения грунтов оснований капитальных жилых зданий массового строительства больше подходят термосифоны типа СОУ-1 со сроком службы не менее 50 лет при минимальных расходах на эксплуатацию.
Тепловое влияние здания на грунты
основания
Снижение теплового влияния здания на грунты основания возможно за счет:
• тепловой изоляции поверхностей ВП;
• изменения температурного режима ВП.
В последнее время развиваются методы, позволяющие уменьшить тепловое влияние здания на грунты основания при помощи тепловой изоляции поверхности грунтов основания и стенок ВП. В исследовании рассмотрен температурный режим основания жилого дома с теплоизоляцией
на полу с учетом регулируемой вентиляции. По результатам расчетов сделан вывод, что «полностью исключить оттаивание грунта под зданием с помощью теплоизоляции без дополнительного охлаждения практически невозможно» [8, 9]. В работе [10] рассматривается применение теплоизоляции в сочетании с глубинными охлаждающими системами в виде пустотелых термоопор диаметром 1 м и глубиной 20 м, охлаждаемых холодным воздухом. За счет того, что теплоизоляция расположена исключительно в пределах здания, основание по контуру летом интенсивно нагревается. Идея устройства технического этажа жилого дома серии 1-464-ВМ без проветриваемого подполья высказывалась и ранее [11].
Значительно понизить температуру поверхности грунта в холодном подполье возможно за счет снижения среднегодовой температуры воздуха в ВП путем возведения и сезонного утепления поверхности грунтов основания [12-15]. Дальнейшим развитием идеи является устройство съемной теплоизоляции на полу подполья. Зимой теплоизоляция отсутствует, и сопротивление теплопередаче между поверхностью пола и наружным воздухом определяется только сопротивлением теплообмена на поверхности. Дополнительный слой теплоизоляции укладывается, когда температура наружного воздуха становится выше температуры грунта.
Аналогичной ситуации можно достичь, изменив режим вентиляции холодного подполья путем устройства утепленной стенки с изменяемой геометрией, ограждения подполья с регулируемыми продухами (рис. 6). Летом стенки полностью закрыты, а зимой открываются, и остаются щели высотой 20 см в верхней и нижней части, обеспечивающие вентиляцию подполья наружным холодным воздухом.
Устройство постоянной теплоизоляции не дает должного эффекта, так как годовой теплобаланс практически не изменяется. А создание сезонной теплоизоляции требует дополнительных затрат на эксплуатацию здания.
Тепловые покрытия
Значительно изменить условия теплообмена на поверхности грунтов в проветриваемом подполье возможно с помощью полупроводниковой теплоизоляции, называемой «тепловыми покрытиями» (ТП). В зимнее время при потоке тепла снизу вверх теплопроводность покрытий определяется конвекцией воздуха, которая летом значительно снижается. Отношение эффективного термического сопротивления ТП летом Rл и зимой Rз составляет от 3 до 5. Аналогичным эффектом обладает моховой покров.
Тепловые покрытия не требуют затрат при эксплуатации здания. Реальная конструкция ТП, выполненная из досок с высотой ячеек 15 см, при ширине 20 см, показана на рис. 3. Эксперименты,
проведенные в г. Мирный, показали, что термическое сопротивление такой конструкции составляет летом ЯЛ=0,9 м2 °С/Вт, а зимой Яз = 0,3 м2 °С/Вт [6, 7].
Тепловые покрытия представлены на рис. 7.
Постановка задачи
В настоящей работе изучается возможность сохранения грунтов основания жилого здания в мерзлом состоянии без устройства холодного подполья, только за счет эффективной горизонтальной теплоизоляции и вертикальных охлаждающих устройств, расположенных по краям здания. В качестве СОУ могут быть приняты как жидкостные, так и паро-жидкостные термосифоны. В данном исследовании в качестве СОУ применяются «холодные» сваи типа СХЯ. Эти сваи отличаются от обычных свай тем, что внутри них встроены жидкостные теплообменники из металлических труб коаксиальной конструкции с естественной циркуляцией теплоносителя. Установка трубы теплообменника внутри железобетонной сваи увеличивает надежность и долговечность устройства. Первый девятиэтажный жилой дом на холодных сваях был построен в г. Мирный в 1970 г. [16]. В отличие от публикации [17], рассматривается возможность получения близкого к стационарному температурному режиму основания. При этом мощность слоя с положительными температурами должна быть минимальна и не выходить
за пределы щебеночной подготовки, а грунты естественного основания должны постоянно находиться в мерзлом состоянии, близком к стационарному.
В предлагаемой модели грунтовый массив основания вне зоны здания сверху ограничен естественной поверхностью, а снизу — зоной годовых колебаний температуры. Под зданием и в наружной отмостке располагается теплоизоляция.
Тепловой баланс основан на следующих предпосылках. Тепло от здания через цокольное перекрытие отводится в грунты основания, а затем удаляется за счет вертикальных охлаждающих устройств, расположенных по боковым границам основания, а также за счет подстилающих мерзлых грунтов, как показано на рис. 8.
Температурный режим грунтов основания здания зависит, прежде всего, от:
• температуры грунта в зоне нулевых годовых амплитуд [17];
• температуры поверхности пола первого этажа;
• геометрических размеров здания (ширины);
• материала теплоизоляции, термического сопротивления теплоизоляции;
• эффективности охлаждения сезонно-охлаж-дающего устройства.
Предложенные методы охлаждения направлены не на понижение температуры грунтов основания, а на стабилизацию температурного режима грунтов ос-
Рис. 6. Проветриваемое подполье с сезонной теплоизоляцией: 1 — проветриваемое подполье; 2 — перекрытие над подпольем; 3 — ограждение подполья с продухами; 4 — свайные фундаменты; 5 — насыпь из непучинистого грунта; 6 — насыпь из щебня; 7 — водоотводной лоток; 8 — направление движения воздуха в подполье
Fig. 6. Ventilated basement that has seasonal thermal insulation: 1 — ventilated basement; 2 — slab over the basement; 3 — basement fencing with air holes; 4 — pile foundations; 5 — embankment made of non-frost-susceptible soil; 6 — crushed rock embankment; 7 — trench drain; 8 — air direction in the basement
« »
о о о о
У7777777777777777777?7777777777777777?7777777777777777?777777777777777777^
Рис. 7. Реальная конструкция тепловых покрытий и их схема работы Fig. 7. Real design of thermal coatings and their operation diagram
Г n
ф e
I.
1 6 ^ *
. DO " J
W 3 s У s о n я
J,,
2 2 О О
2 2
сч N О О N N
1П 10
к ai
U 3
> (Л
с и
ta «в
¡I
ф Ф
о ё —■
о
о У
ОТ "
от iE
Е О
CL ° с
ю о
S «
о Е
СП ^ т- ^
от от
О (О
нования в течение годового цикла. Предлагается вместо поверхностного охлаждения (вариант 1) применить боковое охлаждение массива грунтов основания при помощи СОУ, в сочетании с эффективной теплоизоляцией на границе здание - основание (вариант 2).
В качестве примера рассмотрим НС свайных фундаментов и фундаментной плиты при двух вариантах охлаждения. Свайные фундаменты здания представлены на рис. 8:
• сваи с поверхностным охлаждением при помощи вентилируемого подполья;
• сваи с боковым охлаждением и эффективной теплоизоляцией на поверхности.
Ц, 1 0
v_ я
Рис. 8. Конструкция СОУ-1 и СОУ-2: 1 — металлическая труба 120 мм; 2 — струенаправляющее устройство; 3 — железобетонная свая; 4 — ростверк; 5 — труба 50 мм; б — теплоноситель в жидком виде; 7 — конденсатор; S — утеплитель
Fig. 8. Construction of SCD (Seasonal Cooling Devices) 1 and 2: 1 — metal pipe 120 mm; 2 — stream directing device; 3 — reinforced concrete pile; 4 — grillage; 5 — pipe 50 mm; б — liquid heat transfer agent; 7 — condenser; S — thermal insulation
Тепловая изоляция поверхности грунтового основания в сочетании с глубинными охлаждающими устройствами
Уменьшения толщины талого слоя под зданием можно достичь путем искусственного охлаждения грунтов основания при помощи горизонтальных труб с холодным теплоносителем (рис. 7). Такое решение в настоящее время широко применяется при строительстве промышленных зданий и сооружений с ограниченными сроками эксплуатации. В последнее время подобные решения распространились и на отдельные большепролетные общественные здания шириной до 100 м (футбольный и ледовый спорткомплекс в г. Якутск) [18-20]. Но такое решение недостаточно надежно для капитальных гражданских зданий с большим сроком эксплуатации и требует дополнительных средств на обслуживание здания.
В статье [21] исследуется возможность сохранения грунтов основания жилого здания в мерзлом состоянии без устройства холодного подполья, только за счет эффективной горизонтальной теплоизоляции
и вертикальных охлаждающих устройств, расположенных по краям здания. В отличие от существующих работ, в статье рассматривается возможность получить близкий к стационарному температурный режим основания. При этом толщина слоя с положительными температурами может располагаться в пределах щебеночной подготовки. В этом случае грунты естественного основания под щебеночной отсыпкой будут постоянно находиться в мерзлом состоянии.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследования формирования температурного режима основания проводились численными методами по программе ТЕМР. Комплекс разработан в МГСУ - МИСИ (свидетельство о государственной регистрации № 2016618937) для решения нестационарных теплофизических задач энтальпийным методом c учетом фазовых переходов связанной влаги в спектре температур.
Численное моделирование
Для проверки предлагаемой модели было выполнено численное моделирование температурного режима грунтового основания здания без холодного подполья (рис. 9, b), с техническим этажом и горизонтальной теплоизоляцией под его полом. Охлаждение грунтов основания осуществлялось вертикальными сезонно-охлаждающими устройствами, расположенными возле наружных стен здания. На рис. 9, a представлено вентилируемое подполье с теплоизоляцией грунта без СОУ.
Поверхность пола технического этажа находится несколько выше планировочной поверхности земли. Под зданием уложена теплоизоляция, выступающая за пределы здания на 1 м. На боковых границах основания рядом с наружными продольными стенами здания установлены вертикальные сезон-но-охлаждающие устройства.
Граничные условия на поверхности грунта вне здания задаются в виде синусоиды с амплитудой ±20 °С. Температура в зоне нулевых годовых амплитуд на нижней границе массива задается как постоянная Т0 = -2 °С. Распределение температуры по глубине принимается по результатам расчета квазистационарного состояния. На боковых поверхностях массива теплообмен отсутствует [22, 23].
Температура на поверхности пола технического этажа определяется температурой воздуха в техническом этаже, которая в зимний период должна быть положительной. Для удобства эксплуатации коммуникаций, расположенных в техническом этаже, эту температуру можно принять зимой не ниже +5 °С. Летняя температура зависит только от температуры наружного воздуха, и ее принимаем как среднюю за лето +15 °С. В результате ход температуры на полу в техническом этаже задается в виде синусоиды со среднегодовой t = +10...±5 °С. Терми-
l 1 2 I I — J/HL j 1 % ! i i I 2 | 7TT-
1-Г7Т7ЧГ jS66666666066606666666666< -ыыыыыыиы- J4TJ4
« ROOT пнпсг < 4 ...4 . 4 4 * Ш л Î — - Ч < 4 • 4 ; Щ \
< 4 ■ «■ 4 '<,'■ л 4 . ' л 1 ' Ч» ■ л : чА 4. A " a \ ' 1 ■"
. 4 : Л * l| - V. 1 и ■ • ■ А А ■ л. < ' Г . • ' .1 * 4 л _ * 4 v ./ ' / À L ■ < Л ' Г <a L
a b
Рис. 9. Типы фундаментов здания: а — сваи с поверхностным охлаждением; b — сваи с боковым охлаждением и эффективной теплоизоляцией; 1 — свая; 2—теплоизоляция; 3 — щебеночная подготовка; 4 — охлаждающие устройства
Fig. 9. Types of building foundations: a — surface cooled piles; b — side cooled piles that have effective thermal insulation; 1 — pile; 2 — thermal insulation; 3 — crushed rock; 4 — cooling device
ческое сопротивление теплообмену на поверхности принято R3 = 0,12 м2 °С/Вт [24, 2].
На границах основания под наружными продольными стенами здания установлены СОУ. При расчете диаметр труб термосифонов типа СХЯ принят 120 мм при высоте надземной части 3 м. Расстояние между СОУ по длине здания составляло b = 1,5 м. Температура наружного воздуха, охлаждающая трубу, принята соответствующая г. Магадан.
Весь массив представлен разнородными горизонтальными слоями грунта. Под зданием находится бетонная плита толщиной 0,6 м с утеплителем и песчано-гравийная насыпь толщиной 1 м. В качестве теплоизоляции были приняты плиты из жесткого экструдированного пенополистирола c коэффициентом теплопроводности l = 0,04 Вт/м °C.
Численные расчеты
Исследования формирования температурного режима основания здания проводились численными методами с использованием программного комплекса ТЕМР. Комплекс разработан в МГСУ на кафедре проектирования зданий и сооружений (свидетельство о государственной регистрации № 2016618937) для решения нестационарных теплофизических задач энтальпийным методом c учетом фазовых переходов связанной влаги в спектре температур.
Трехмерный расчетный массив состоит из элементарных блоков и разделен по глубине на 15 блоков, а в горизонтальной плоскости по ширине на 7 и по длине на 20 блоков. Размеры блоков от 0,75 до 2,0 м с увеличением к периферии.
Учитывая реальные размеры многоэтажных гражданских зданий, рассмотрен температурный режим основания здания шириной L = 12, 15 и 20 м, с термическим сопротивлением теплоизоляции R = 6, 8, 10 м2 °С/Вт и глубиной подземной части термосифона h = 6-8 м (рис. 10).
Температурное поле в основании зданий (координаты J = 1.. .20) шириной 12 м, R = 6 м2 °С/Вт,
h = 6 м на середину сентября 10-го года расчета представлено на рис. 10.
Стабилизация положительных температур в пределах слоя толщиной 1,5 м свидетельствует о возможности строительства зданий не только на свайных фундаментах, вмороженных в грунт, но и на фундаментной плите, если она будет опираться на основание с практически постоянными в течение года характеристиками [25].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Можно отметить, что наиболее интенсивно на глубину оттаивания под зданием влияют геометрические параметры здания, такие как ширина фундаментной плиты, толщина и материал теплоизоляции (термическое сопротивление теплоизоляции).
Изучение температурных полей и значения температур в основании здания на глубине 1,5 м показали, что оптимальные результаты при ширине здания 12 м можно достичь при устройстве теплоизоляции на полу технического этажа толщиной 24 см, что соответствует Rf = 6 м2 °С/Вт и глубине подземной части сезонно-охлаждающего устройства 6 м. Ана-
Рис. 10. Температурное поле в основании зданий шириной 12 м и R = 6 м2 °С/Вт, h = 6 м
Fig. 10. Temperature field at the footing of buildings: width — 12 m; and R = 6 m2 °C/W, h = 6 m
< °>
(D (D
t О
iH
k
G Г
S 2
0 СО n СО
1 s
y 1 J <o
u s
n 0
s 3 o
П)
(Л t —
t CO
o s
n 2 a 0
s 66
V. O) t § ui
С i r D
CD CD
f!
O) DU ■ T
s 3 s У
с о !!
M 2
о о
M M
лиз и последующее сравнение температурных полей в основании здания шириной 12 м продемонстрировал, что под зданием с учетом отмостки зона положительных температур составляет не глубже чем 1,5 ми стабильна по всем геометрическим параметрам здания. Вынос утеплителя за пределы осей здания и дополнительное зимнее охлаждение за счет сезонно-охлаждающих устройств позволили уменьшить глубину оттаивания грунта около здания.
Тепловое влияние здания распространяется на глубину до 8-10 м. Ниже этой отметки находится зона нулевых амплитуд, и температура грунта как под зданием, так и вне его изменяется очень незначительно, в основном под влиянием повышения среднегодовой температуры наружного воздуха, ниже 15 м — не изменяется.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты численного моделирования показали, что ограничить глубину деятельного слоя под зданием и стабилизировать температурный режим
мерзлого основания возможно без вентилируемого подполья. Ключевыми параметрами, влияющими на температурный режим, являются ширина здания, термическое сопротивление теплоизоляции, эффективность охлаждения СОУ
Учитывая повышенные требования к надежности и большой опыт эксплуатации, в качестве СОУ применялись «холодные» сваи типа СХЯ с жидкостными термосифонами, хорошо зарекомендовавшие себя при строительстве в холодных регионах.
Наиболее эффективным способом сохранения грунтовых оснований многоэтажных жилых зданий в мерзлом состоянии служит метод тепловой изоляции поверхности грунтового основания в сочетании с глубинными жидкостными охлаждающими устройствами.
Учитывая тенденцию на повышение среднегодовой температуры наружного воздуха, задача сохранения многолетнемерзлого основания усложняется и требует применения современных решений без использования вентилируемого подполья.
ЛИТЕРАТУРА
N N О О N N
1П un
* ai и з
> (Л
с и
ta «в <ö ф
¡1
ф Ф
о ё —■
о
о У
S с 8 «
z ■ i
ОТ «
от Е
Е о
CL ° ^ с
ю о
S «
о Е с5 °
СП ^ т- ^
от от
S2 гЗ iE 3S
О (О
1. Познаркова С.В., Зепалов Ф.Н. Оценка 20-летней эксплуатации фундамента-оболочки в г. Игарка // Труды IX Международного симпозиума по проблемам инженерного мерзлотоведения. Якутск : Изд-во ИМЗ СО РАН, 2011. 4 с.
2. Примаков С.С., Паздерин Д.С. О расчете теплообмена при проектировании конденсаторной части сезоннодействующего охлаждающего устройства // Нефтяное хозяйство. 2013. № 4. С. 124-125.
3. Горелик Я.Б., Селезнев А.А. Об эффективности оребрения вертикальных двухфазных естественно-конвективных охлаждающих устройств для строительства на мерзлых грунтах // Криосфера Земли. 2016. Т. 20. № 2. С. 78-89.
4. Горелик Я.Б., Горелик Р.Я. Лабораторное исследование работы двухфазного естественно-конвективного охлаждающего устройства с горизонтальной испарительной частью // Криосфера Земли. 2011. Т. 15. № 2. С. 34-43.
5. Гончаров Ю.М. Жилой дом на поверхностном фундаменте-оболочке // Жилищное строительство. 1982. № 11. С. 11-12.
6. Макаров В.И. Управление температурным режимом мерзлых массивов в северном строительстве // Регулирование температуры грунтов основания с помощью сезоннодействующих охлаждающих устройств : сб. науч. тр. Якутск : ИМ СО АН СССР, 1983. С. 3-29.
7. Макаров В.И. Термосифоны в северном строительстве. Новосибирск : Наука, 1985. 169 с.
8. Long E.L. The long thermopile // Proc. Intern. Permafrost Conf. USA, 1965. Pp. 487-491.
9. Цуканов Н.А., БаевМ.А., БабухА.П., ПозГ.М. О некоторых характерных особенностях теплового взаимодействия между массивами вечномерзлых грунтов под отапливаемыми зданиями и снаружи при различных условиях снегоотложения у фундаментов // Вестник ТюмГАСУ. 2015. № 4. С. 52-59.
10. Аникин Г.В., Плотников С.Н., Спасенни-кова К.А. Компьютерное моделирование тепломас-сопереноса в системах горизонтального охлаждения грунтов // Криосфера Земли. 2011. Т. 15. № 1. С. 33-39.
11. Пассек В.В., Набоков А.В., Баев М.А., Мальцева Т.В., Бай В.Ф., Палавошев И.Н. Сочетание применения термоопор и проветриваемого подполья при возведении зданий на вечной мерзлоте // Вестник ТюмГАСУ. 2015. № 4. С. 33-42.
12. Максимов Г.Н., Смирнов В.Д. К вопросу о возведении жилых зданий в районах распространения вечномерзлых грунтов без проветриваемых подполий // Регулирование температуры грунтов основания с помощью сезоннодействующих охлаждающих устройств : сб. науч. тр. Якутск, 1983. С. 77-81.
13. PlotnikovA.A. Assessment of a possibility of partial use the cold ventilated spaces under buildings in the Permafrost zone // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 463. P. 032070. DOI: 10.1088/1757-899x/463/3/032070
14. Мельников В.П., Мельникова А.А., Аникин Г.В., Иванов К.С., Спасенникова К.А. Инженерные решения в строительстве на вечной мерзлоте в плане повышения энергоэффективности сооружений // Криосфера Земли. 2014. Т. 18. № 3. С. 82-90.
15. Perreault P., Shur Y. Seasonal thermal insulation to mitigate climate change impacts on foundations in permafrost regions // Cold Regions Science and Technology. 2016. Vol. 132. Pp. 7-18. DOI: 10.1016/j. coldregions.2016.09.008
16. Осокин Н.И., Сосновский А.В. Теплофизи-ческие свойства мохового покрова и его влияние на термический режим грунтов на архипелаге Шпицберген // X Международная конференция по мерзлотоведению. Салехард, 2012. Т. 3. С. 391-395.
17. Melnikov P., Makarov V., Plotnikov A. The engineering-physical basis of temperature regime regulation of ground massifs in northern construction // Engineering Geology. 1981. Vol. 18. Pp. 165-174. DOI: 10.1016/0013-7952(81)90056-9
18. Gopalakrishnan K., ManikA. A mathematical model for predicting isothermal soil moisture profiles using finite difference method // World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Civil and Environmental Engineering. 2007. Vol. 1. No. 1. Pp. 14-20. DOI: 10.5281/zenodo.1332730
19. Ефимов В.М., Попенко Ф.Е., Рожин И.И., Степанов А.В., Большее К.Н. Формирование температуры грунтов оснований при использовании сезонно-охлаждающих устройств (СОУ) в условиях криолитозоны центральной Якутии // Арктика и Антарктика. 2017. № 4. С. 98-105.
20. Долгих Г.М., Окунев С.Н., Паздерин Д.С., Гилев Н.Г. Исследование ТК с использованием кли-
матических камер и в условиях опытно-промышленного полигона // Материалы международной научно-практической конференции по инженерному мерзлотоведению, посвященной XX-летию ООО НПО «Фундаментстройаркос». Тюмень, 2011. С. 88-94.
21. Пермяков П.П., Варламов С.П., Железняк М.Н. Воздействие вертикального сезонно охлаждающего устройства на тепловлажностный режим грунта // Криосфера Земли. 2017. Т. 21. № 1. С. 66-72. DOI: 10.21782/KZ1560-7496-2017-1(66-72)
22. Plotnikov A.A. Stabilizing the temperature regime of a frozen foundation bed using thermal insulation and cooling mechanisms // Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2020. Vol. 57. No. 4. Pp. 329-335. DOI: 10.1007/s11204-020-09674-z
23. Михайлов П.Ю. Динамика тепломассооб-менных процессов и теплосилового взаимодействия промерзающих грунтов с подземным трубопроводом: автореферат дис. ... канд. физико-математических наук. Тюмень, 2012. 21 с.
24. АмосоваЕ.В., КропачевД.Ю., ПаздеринД.С. Система мониторинга температур протяженных объектов в многолетнемерзлых грунтах // Газовая промышленность. 2011. № 6 (660). С. 42-45.
25. Долгих Г.М. Системы температурной стабилизации грунтов оснований в криолитозоне: актуальные вопросы исследований, расчетов, проектирования, производства, строительства, авторского надзора и мониторинга. Новосибирск : Гео, 2014. 215 с.
< п
IH
kK
G Г
Поступила в редакцию 4 ноября 2020 г.
Принята в доработанном виде 17 мая 2021 г.
Одобрена для публикации 17 мая 2021 г.
Об авторах: Александр Александрович Плотников — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент кафедры проектирования зданий и сооружений; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; РИНЦ ГО: 802309; [email protected];
Георгий Романович Гурьянов — магистр, аспирант кафедры проектирования зданий и сооружений; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; РИНЦ ГО: 1050517; [email protected].
REFERENCES
1. Poznarkova S.V., Zepalov F.N. Assessment of the 20-year operation of the shell foundation in Igarka. Proceedings of the IX International Symposium on the Problems of Engineering Permafrost. Yakutsk, Publishing house of IMZ SB RAS, 2011; 4. (rus.).
2. Primakov S.S., Pazderin D.S. Heat exchange calculation at the design of the condenser of seasonally acting cooler unit. Oil Industry. 2013; 4:124-125. (rus.).
3. Gorelik Ya.B., Seleznev A.A. About efficiency of the condenser finning of the short vertical thermosta-bilizer for building on permafrost. Earth's Cryosphere. 2016; 20(2):78-89. (rus.).
4. Gorelik Ya.B., Gorelik R.Ya. Laboratory study of the operation of a two-phase natural convective cooling device with a horizontal evaporative part. Earth's Cryosphere. 2011; 15(2):34-43. (rus.).
5. Goncharov Yu.M. Residential building on a surface shell foundation. Housing Construction. 1982; 11:11-12. (rus.).
6. Makarov VI. Temperature control of frozen areas in northern construction. Regulation of the temperature of base soils using seasonal cooling devices: collection of scientific papers. Yakutsk, IM SO AN SSSR, 1983; 3-29. (rus.).
0 CO § CO
1 S
У 1
J to
u-
^ I
n °
S> 3 o
zs (
о §
E w § 2
n 0
S 6
r 6 t (
SS )
i!
. В
■ T
s У с о ! !
,,
О О 10 10
tv N o o cn N
in in x ai
U 3 > in C M
ta «s
¡1
<D <u
o £ —■ "t^ o
o <£
S c 8 «
™ . I
w ?
OT iE
E o £ ° Ln O
s H
o E c5 °
CD ^
CO CO
ü w
IÏ
iE 3s
ü (0
7. Makarov V.I. Thermosiphons in northern construction. Novosibirsk, Nauka, 1985; 169. (rus.).
8. Long E.L. The Long thermopile. Proc. Intern. Permafrost Conf. USA, 1965; 487-491.
9. Tsukanov N.A., Baev M.A., Babukh A.P., Poz G.M. Some features of thermal interaction between permafrost soil masses under and outside the heated buildings in different conditions of snow deposition near the foundation. TyumGASUBulletin. 2015; 4:52-59. (rus.).
10. Anikin G.V, Plotnikov S.N., Spasennik-ova K.A. Computer modeling of heat and mass transfer in horizontal soil cooling systems. Earth's Cryosphere. 2011; 15(1):33-39. (rus.).
11. Passek V.V., Nabokov A.V., Baev M.A., Maltseva T.V., Bai V.F., Palavoshev I.N. Combination of thermal-control bearings and ventilated underfloor spaces for building on permafrost. TyumGASU Bulletin. 2015; 4:33-42. (rus.).
12. Maksimov G.N., Smirnov VD. On the question of the construction of residential buildings in areas where permafrost soils are spread without ventilated subfields. Temperature control of base soils with seasonal cooling devices: collection of scientific papers. Yakutsk, 1983; 77-81. (rus.).
13. Plotnikov A.A. Assessment of a possibility of partial use the cold ventilated spaces under buildings in the Permafrost zone. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018; 463:032070. DOI: 10.1088/1757-899x/463/3/032070
14. Melnikov V.P., Melnikova A.A., Anikin G.V, Ivanov K.S., Spasennikova K.A. Engineering solutions for building on permafrost in perspective energy-efficient enhancement. Earth's Cryosphere. 2014; 18(3):82-90. (rus.).
15. Perreault P., Shur Y. Seasonal thermal insulation to mitigate climate change impacts on foundations in permafrost regions. Cold Regions Science and Technology. 2016; 132:7-18. DOI: 10.1016/j.col-dregions.2016.09.008
16. Osokin N.I., Sosnovsky A.V. Thermophysi-cal properties of the moss cover and its influence on the thermal regime of soils in the Spitsbergen archipelago. X International Conference on Permafrost. Salekhard, 2012; 3:391-395. (rus.).
17. Melnikov P., Makarov V., Plotnikov A. The engineering-physical basis of temperature regime regu-
Received November 4, 2020.
Adopted in revised form on May 17, 2021.
Approved for publication on May 17, 2021.
Bionotes: Аleksandr À. Plotnikov — Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Associate Professor of the Department of Design of Buildings and Structures; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ID RISC: 802309; [email protected];
Georgy R. Guryanov — master, postgraduate of the Department of Design of Buildings and Structures; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ID RISC: 1050517; [email protected].
lation of ground massifs in northern construction. Engineering Geology. 1981; 18:165-174. DOI: 10.1016/0013-7952(81)90056-9
18. Gopalakrishnan K., Manik A. A Mathematical model for predicting isothermal soil moisture profiles using finite difference method // World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Civil and Environmental Engineering. 2007; 1(1):14-20. DOI: 10.5281/zenodo.1332730
19. Efimov V.M., Popenko F.E., Rozhin I.I., Ste-panov A.V., Bolshev K.N. Formation of the temperature of the soils of the bases when using seasonal cooling devices (SOC) in the permafrost zone of central Yakutia. Arctic and Antarctica. 2017; 4:98-105. (rus.).
20. Dolgikh G.M., Okunev S.N., Pazderin D.S., Gilev N.G. Investigation of TC using climatic chambers and in the conditions of a pilot industrial test site. Materials of the international scientific and practical conference on engineering permafrost, dedicated to the XX anniversary of LLC NPO "Fundamentstro-yarkos". Tyumen, 2011; 88-94. (rus.).
21. Permyakov P.P., Varlamov S.P., Zhelez-niak M.N. Influence of vertical seasonal cooling device on soil heat and moisture transfer. Earth's Cryosphere. 2017; 21(1):66-72. DOI: 10.21782/KZ1560-7496-2017-1(66-72) (rus.).
22. Plotnikov A.A. Stabilizing the temperature regime of a frozen foundation bed using thermal insulation and cooling mechanisms. Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2020; 57(4):329-335. DOI: 10.1007/s11204-020-09674-z
23. Mikhailov P.Yu. Dynamics of heat and mass transfer processes and heat-power interaction of freezing soils with an underground pipeline: abstract of thesis.... candidate of physical and mathematical sciences. Tyumen, 2012; 21. (rus.).
24. Amosova E.V, Kropachev D.Yu., Pazderin D.S. Temperature monitoring system for extended objects in permafrost soils. Gas Industry. 2011; 6(660):42-45. (rus.).
25. Dolgikh G.M. Systems for temperature stabilization of foundations in the permafrost zone: topical issues of research, calculations, design, production, construction, field supervision and monitoring. Novosibirsk, Geo Publ., 2014; 215. (rus.).
