Использование тепловых насосов в качестве систем термостабилизации грунта в криолитозоне

Необходимость применения инновационных способов и устройств для управления температурным режимом и поддержания отрицательных температур в мерзлых грунтах и замораживания талых грунтов оснований обусловлена существенным ростом строительства отечественных объектов промышленной, транспортной, газовой и нефтяной отраслей в пределах криолитозоны, где сосредоточены основные разведанные запасы природного газа и нефти, алмазов, золота, редких и цветных металлов. Область распространения многолетнемерзлых пород является наиболее перспективным ресурсным регионом страны, без освоения природных богатств которого невозможно представить устойчивое развитие России.

Возведение зданий и сооружений в условиях распространения вечномерзлых грунтов, в частности устройство оснований и фундаментов, имеет ряд существенных особенностей, без учета которых в надземных конструкциях неизбежно возникают недопустимые деформации, происходят повреждения сооружений и продолжается рост аварийности всех видов зданий и сооружений [1, 2].

Применяемые при строительстве объектов промышленного и топливно-энергетического комплексов технические решения с использованием свайного фундамента обеспечивают необходимую прочность сооружений и обладают достаточной надежностью при строительстве и эксплуатации объектов. Однако свайное основание имеет и свои недостатки: высокая трудоемкость возведения, недостаточное использование в полной мере прочностных характеристик материала свай (несущая способность свай по грунту намного меньше несущей способности по материалу), дороговизна строительно-монтажных работ по устройству свайного поля, а следовательно, и низкая экономическая эффективность фундамента в целом. Как крупный недостаток следует отметить и невозможность надежной защиты конструкции сваи от грунтовой коррозии, что особенно актуально для засоленных грунтов побережья северных морей (месторождения полуострова Ямал, резервуарный парк в районе поселка Варандей и др.) и аридных районов Центральной Якутии и Прибайкалья.

Установка основных производственных зданий на фундаменты мелкого заложения – альтернативный сваям вариант – практически не производится из-за сложностей с обеспечением необходимых прочностных и деформационных характеристик основания, так как прочный и практически несжимаемый вечномерзлый грунт залегает зачастую на сравнительно большой глубине. Кроме того, выполнение малозаглубленных фундаментов практически не применяется из-за сложности производства земляных работ в условиях Севера. По опыту строительных организаций можно сказать, что строителям проще (быстрее, доступнее) производить погружение свай, нежели заниматься сложными в северных условиях процессами по разработке котлована, возведению качественной подсыпки, работами по обеспечению инженерной защиты территории, требования по которой значительной выше, чем при свайном основании.

Таким образом, целью опытно-конструкторских работ по разработке и внедрению более эффективных конструкций фундаментов и способов устройства оснований, отвечающих всем требованиям надежной эксплуатации, технологичности и экономичности, должно стать устранение недоработок и недостатков фундаментов мелкого заложения и разработка технических решений поверхностных фундаментных конструкций, не предъявляющих столь высокие требования к основанию, подсыпке, инженерной защите территории, не требующие в больших объемах трудновыполнимых земляных работ и других обстоятельств, не позволяющих сейчас рассматривать бессвайные основания как альтернативные варианты.

Эффективным способом поддержания или усиления мерзлого состояния грунта в основаниях сооружений является использование низких температур наружного воздуха с помощью парожидкостных термосифонов, называемых термостабилизаторами. Термостабилизаторы грунта позволяют сократить сроки возведения зданий и сооружений в условиях «вялой» (высокотемпературной) мерзлоты и возводить здания без вентилируемого подполья на несливающейся и высокотемпературной мерзлоте.

Несмотря на описанные выше достоинства, сезоннодействующие саморегулирующиеся установки обладают и весьма существенным недостатком: при наличии постоянно действующего источника растепления, они из-за своей сезонности в работе и недостаточной производительности, не всегда способны длительно поддерживать требуемую отрицательную температуру грунта на протяжении всего года. По этим причинам в условиях возможного глобального потепления климата термостабилизаторы не смогут обеспечить безопасный и лолговечный заданный по проекту температурный режим основания и устойчивость сооружения в целом [1, 3].

Рисунок 1.

Схема работы теплового насоса.

1 – горячий теплообменник; 2 – расширитель; 3 – холодный теплообменник; 4 – компрессор.

Наибольший эффект с точки зрения эксплуатационной надежности, обеспечения безопасности и снижения стоимости сооружений могут дать управляемые (регулируемые) системы оснований и фундаментов, которые позволяют на всех этапах строительства и эксплуатации управлять термонапряженно-деформированным состоянием грунтовых оснований и устойчивостью конструктивных элементов фундаментов.

Если рассматривать эффективности, долговечности и безопасность парожидкостных термостабилизаторов грунта, то для возможности их функционирования в теплый период времени в транспортный участок устанавливают дополнительный теплоотводящий (охлаждающий) элемент. Включение в состав транспортных участков термостабилизаторов дополнительных теплоотводящих элементов позволяет обеспечить функционирование термостабилизаторов в период года с положительными температурами атмосферного воздуха за счет циркуляции в них промежуточного хладагента, охлаждаемого дополнительной холодильной машиной. Тем самым обеспечивается непрерывный (круглогодичный) режим работы.

Яркий пример применения горизонтальных термостабилизаторов грунта в комбинации с холодильным агрегатом – возведение оснований и фундаментов вертикальных стальных резервуаров (РВС) Варандейского терминала [4].

Основной проблемой, препятствующей широкому использованию комбинированных термостабилизаторов грунта и стандартных морозильных агрегатов в строительстве, является их высокая стоимость. Одним из путей устранения этого недостатка, может явиться использование теплонасосной техники вместо обычных холодильных установок.

Термодинамически тепловой насос (ТН) аналогичен холодильной машине. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель – теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту.

Процесс в тепловом насосе осуществляется следующим образом:

рабочая жидкость (например, фреон) закипает в испарителе при невысокой тем-пературе ( - 10 °С) за счет тепла грунта;
образовавшийся пар сжимается компрессором до необходимой температуры;
пар поступает в теплообменник и нагревает рабочее вещество отопительной си-стемы, а сам при этом остывает;
давление понижается и охлажденный хладагент возвращается в испаритель;
далее цикл процесса повторяется (рисунок 1).

Рисунок 2.

Схема теплового насоса с грунтовым парожидкостным теплообменником. 1 – подающая линия системы отопления; 2 – отводящая – линия системы отопления.

Рисунок 3.

Пример использования теплового насоса с грунтовым парожидкостным теплообменником. 1 – парожидкостной грунтовый контур; 2 – тепловой насос.

Рисунок 4.

Теплотехнический расчет эксплуатации сезоннодействующей системы.

Рисунок 5.

Теплотехнический расчет эксплуатации круглогодичной системы с тепловым насосом.

В опубликованной литературе предложение по использованию ТН на территории криолитозоны для одновременного охлаждения грунтов в основании здания и снабжения его внутренних помещений теплом, по-видимому, впервые было высказано Стенбик-Нильсоном и Л.Свитом [5]. В 80-х годах прошлого столетья попытки реализовать данное предложение были предприняты в Норвегии и Канаде. Использование тепловых насосов при строительстве в криолитозоне в отечественной практике было предложено одним из первых профессором Перльштейном Г.З. с коллегами [6, 7].

Однако классическая схема теплового насоса имеет серьезный недостаток, т.к. в качестве грунтового теплообменника как правило используются полиэтиленовые трубы, заполненные антифризом (гликолевым раствором). В случае утечки антифриза в грунт произойдет растепление, устранение которого будет крайне затруднено и трудозатратно. Также для прокачки антифриза по трубам используется насосное оборудование, что повышает энергопотребление системы и снижает надежность функционирования. Для надежной эксплуатации такой системы придется использовать плитный фундамент, поверх которого будет устраиваться теплообменный контур.

С целью устранить все вышеописанные недостатки в ООО «НПО «Север» разработана комбинированная система термостабилизации грунта с использованием теплового насоса с грунтовым парожидкостным теплообменником. В качестве грунтового теплообменника используются тепловые трубы (испарители термостабилизаторов грунта). В верхней части тепловых труб установлены теплоотводящие элементы, которые являются испарителем компрессора (рисунок 2). При использовании гравитационных тепловых труб отпадает необходимость применения насосного оборудования, что как минимум на 10 % снижает энергопотребление. В качестве хладагента используются фреоны, аммиак или двуокись углерода, которые никак не повлияют на оттаивание грунтового основания в случае утечки. Объем заправки хладагентов на порядок ниже объема антифриза в жидкостном грунтовом теплообменнике. А использование современных технических решений позволит конструировать различные комбинации из вертикальных и горизонтальных (слабонаклонных) тепловых труб (рисунок 3).

На предлагаемую систему получено решение на выдачу патента (заявка № 2014150935 от 16.12.2014г.).

В качестве примера успешного применения теплового насоса с парожидкостным грунтовым теплообменником приведен численный теплотехнический расчет работы сезоннодействующей (рисунок 64а) и круглогодичной (рисунок 4б) систем термостабилизации грунта здания шириной 14 м с фундаментом мелкого заложения. Расчет выполнен с использованием программы Tundra2D, разработанной на кафедре геокриологии МГУ. Температура внутри здания постоянна и равна +20^оС, коэффициент теплообмена с учетом термического сопротивления пола a = 0.5 Вт/(м²×К). Расчетная область представляет половину здания, так как его продольная ось является плоскостью симметрии, тепловой поток через которую равен нулю (граничное условие II рода). Боковые и нижняя границы в расчетной области заданы граничными условиями (ГУ) II рода с нулевым теплопотоком. Описание работы сезоннодействующей системы производится путем присвоения внутренним блокам ГУ III рода с приведением среднемесячных температур воздуха на поверхности и коэффициента теплообмена, определяемого с учетом теплоотдачи с единицы поверхности испарителя 21 Вт/(м²·°С) при скорости 3,0 м/с из расчета свободного обдува конденсаторного блока. Описание работы круглогодичной системы производится путем присвоения внутренним блокам ГУ II рода с значением теплового потока, равным 40 Вт/м².

По результатам расчета видно, что при применении сезоннодействующих систем под сооружением будут возникать знакопеременные температуры грунтов (растепление на конец теплого периода и промораживание на конец холодного). Это может привести к деформации сооружения в период эксплуатации. Для получения положительного результата требуется увеличить толщину слоя теплоизоляции или уменьшить шаг раскладки термостабилизаторов. При использовании круглогодичной системы грунт постоянно поддерживается в мерзлом состоянии.

При строительстве в криолитозоне применяются как сезоннодействующие системы термостабилизации грунта, так и круглогодичные. Если рассматривать теплонасосное охлаждение оснований в контексте глобального потепления климата, то его использование представляется очень удачным техническим решением. С его помощью можно предотвратить колоссальный социально-экономический ущерб от потери устойчивости сооружений, возведенных на вечномерзлых грунтах, и при этом не только полностью компенсировать капитальные расходы на приобретение ТН-оборудования, но и заметно понизить стоимость затрат на снабжение теплом населения и хозяйственных объектов. Для высотных сооружений данная технология позволит использовать подземное пространство для паркинга или технического этажа.