Патент на изобретение №2813501

ООО "Центр Арктических Изысканий" получил Патент на изобретение "Устройство для проветривания и предотвращения растепления многолетнемерзлого грунта путем автоматического управления регулирования температуры грунта".

Климатическая ламель.
Полезная модель 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 процессом охлаждения грунта.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью , является повышение эффективности процесса охлаждения многолетнемерзлых грунтов.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в сокращении длительности процесса замораживания вечномерзлого грунта в естественных условиях и в предотвращении сильного снегопереноса в продуваемое подполье здания за счет повышения эффективности устройства для автоматического управления элементами платформы в связи с возможностью формирования более точных управляющих сигналов, обеспечивающих оптимальные условия процесса охлаждения .

Для этого провели оценку эффективности использования автоматических климатических ламелей с помощью теплотехнических расчетов.

Целью работы является оценка эффективности использования автоматических климатических ламелей на продухах вентилируемых подполий для зданий и сооружений, запроектированных по принципу I строительства на многолетнемерзлых грунтах.
В рамках работы выполнены теплотехнические расчеты основания здания со стандартными продухами и автоматическими климатическими ламелями в вентилируемом подполье.
При выполнении расчетов использована следующая техническая документация:
- СП 25.13330.2020 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»;
- СП 131.13330.2018 «Строительная климатология»;
- РСН 67-87 «Инженерные изыскания для строительства. Составление прогноза изменений температурного режима вечномерзлых грунтов численными методами».
1. Исходные данные для выполнения теплотехнического расчета
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 теплофизические 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 рисунке 1.1.
В качестве основания принят однородный супесчаный грунт. Значения физических и теплофизических свойств грунта, необходимых в качестве исходных данных приведены в таблице 1.1.
 Таблица 1.1 – Физические и теплофизические свойства грунтов и материалов

 Начальные температурные распределения в грунтовом массиве приняты по результату стационарного расчета модели и приведены в таблице 1.2.
 Таблица 1.2 – Распределение температур по глубине на 01.01.1945 г

Рассмотрено здание прямоугольной формы габаритами 20х30 м, внутри помещений круглогодично поддерживается температура плюс 20℃, расчетное сопротивление теплопередаче перекрытия над вентилируемым подпольем составляет 2 м²℃/Вт, цоколя – 1 м²℃/Вт.
Для задания граничного условия здания выполнены расчеты и приведены в разделе 2.
2. Расчет параметров вентилируемого подполья
Для расчета температурного режима подполья при использовании автоматических климатических ламелей необходимость открытия/закрытия продухов определено из условия:
Т_с,а,ф ≤ Т_с,а                                                                          (2.1)
где Т_с,а,ф – фактическая среднегодовая температура воздуха в вентилируемом подполье; Т_с,а – требуемая среднегодовая температура воздуха в вентилируемом подполье для обеспечения проектного значения среднегодовой температуры на верхней границе многолетнемерзлого грунта T₀^’.
При расчете зданий с проветриваемым подпольем важнейшим показателем является модуль вентилирования. Для обеспечения проектного температурного режима грунтов основания должно выполняться условие:
М_ф ≥ М,                                                       (2.2)
где М_ф – фактический модуль вентилирования; М – требуемый модуль вентилирования.
М_ф = A_v / A_b,                                                 (2.3)
где A_v – общая площадь продухов, м²; A_b – площадь здания в плане, м².
                        (2.4)


где k_c – коэффициент, принимаемый в зависимости от расстояния между зданиями а и их высотой h; Т_с,а – среднегодовая температура воздуха в вентилируемом подполье, ℃; T_in – расчетная температура воздуха в помещении, ℃; T_out – среднегодовая температура наружного воздуха, ℃; R₀ – сопротивление теплопередаче перекрытия над подпольем, м²℃/Вт; C_v – объемная теплоемкость воздуха, принимаемая равной 1300 Дж/(м³℃); k_a – обобщенный аэродинамический коэффициент, учитывающий давление ветра и гидравлические сопротивления, зависящий от формы сооружения; V_a – средняя годовая скорость ветра, м/с; x – параметр, учитывающий влияние расположенных в подполье коммуникаций на его тепловой режим, ℃; c_i  – коэффициент потери напора на отдельных участках подполья; c – безразмерный параметр, зависящий от параметров ограждения цоколя, определяемый по формуле:
                                       (2.5)

где A_z – площадь цоколя, м², R_z – сопротивление теплопередаче цоколя, м²℃/Вт.
Температуры в подполье выражены из формулы (2.4). В случае не выполнения условия (2.1) для подполья с автоматизированными ламели принималось, что они закрываются, при этом скорость ветра в подполья снижалась до 0, а температуры пересчитывались исходя их балансового уравнения тепла.
3. Методика теплотехнического расчета
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. Сертификат соответствия приведен в приложении А.
Процесс распространения тепла в грунте с фазовыми переходами в спектре отрицательных температур описывается дифференциальным уравнением, записанным в энтальпийной форме (3.1):
  ,                                     (3.1)
  где H=H(τ,T) - энтальпия (теплосодержание), отнесенная к единице объема грунта;
τ – время;
T=T(τ) – температура грунта;
λ=λ(T) – коэффициент теплопроводности грунта;
f=f(τ) – мощность внутренних источников тепла;
Энтальпия является функцией температуры времени и координат. С учетом теплоты фазовых переходов в грунте, энтальпия описывается уравнением (3.2):
  ,                          (3.2)
  где C=C(T) – теплоемкость грунта;
Q – теплота фазового перехода;
T_bf – температура фазового перехода;
δ(T-T_bf) – дельта-функция.
В программе 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.
  4. Создание модели
В качестве расчетной области принят трехмерный грунтовый массив глубиной 50 м, с размером в плане 100х80 м. Шаг сетки принят адаптивным от 0,1х0,1х0,1 до 1,0х1,0х1,0 м.
Общий вид созданной модели и расположение слоев грунтовых элементов в ней представлен на рисунке 4.1.
  Рисунок 4.1 – Общий вид модели
  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.

  5. Результаты расчета
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 рисунках 5.1-5.3 и таблице 5.1.
  Рисунок 5.1 – Начальное температурное распределение в модели на 1 января 1945 г.
  Рисунок 5.2 – Температурное распределение в модели через 25 лет эксплуатации на 1 января 1970 г.
  Рисунок 5.3 – Температурное распределение в модели через 50 лет эксплуатации на 1 января 1995 г.
  По рисункам 5.1-5.3 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 автоматических климатических ламелей позволяет сформировать в основании здания массив мерзлого грунта температурой ниже минус 3℃, 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 5.1 и на рисунке 5.4.
 
  Таблица 4.1 – Распределения температур по глубине

  Рисунок 5.4 – Графики распределения температур по глубине