Теплотехнические расчеты охлаждающих установок (СОУ)

ООО "Центр Арктических Изысканий" завершил работы по разработке проектную документацию (ПД) и рабочую документацию для установки систем СОУ для  объекта: «Школа на 50 учащихся в с. Натора Ленского района Республики Саха (Якутия)» . 

Заказчик:
Муниципальным казённым учреждением «Комитет имущественных отношений» муниципального района «Ленский район» Республики Саха (Якутия) 

Проект выполнен в соответствии с нормативной документацией, действующей на территории РФ:
- СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений»;
- СП 25.13330.2020 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»;
- ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация»;
- СП 131.13330.2018 «Строительная климатология»;
- СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия»;
- СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции»;
- ГОСТ Р 21.1101-2013 «Система проектной документации для строительства. Основные требования к проектной и рабочей документации».

1. Краткая климатическая характеристика района строительства
1.1. Географические и климатические условия
Ленский район расположен на юго-западе Республики Саха (Якутия). Граничит на севере с Мирнинским, на востоке – с Олекминским и Сунтарским районами, на юге и западе – с Иркутской областью. Расстояние от центра района до столицы республики: наземным путем – 1075 км, расстояние до ближайшей железнодорожной станции (ст. Лена) - 951 км. (Приложение А).
Основной особенностью климата рассматриваемой территории является резкая его континентальность, проявляющаяся в больших перепадах температур воздуха. Для рассматриваемой территории характерна продолжительная зима, которая длится до 7 месяцев (октябрь-первая половина апреля). Температура воздуха может падать в отдельные дни от минус 50 до минус 60 ºС.
Значения средней месячной температуры воздуха приведены в таблице 1.1. Средняя месячная скорость ветра приведены в таблице 1.2. Средняя месячная толщина снежного покрова приведена в таблице 1.3.
  Таблица 1.1 - Средняя месячная температура воздуха, °С

  Таблица 1.2 - Средняя месячная скорость ветра, м/с.

  Таблица 1.3 - Средняя месячная толщина снежного покрова.

1.2. Характеристика инженерно-геологических условий
Территория Юго-Западной Якутии находится в зоне распространения многолетней мерзлоты. На этой территории мерзлота распространена неравномерно и имеет различную мощность. Большая часть Ленского улуса находится в зоне прерывистого распространения мерзлоты мощностью 50-200 м, а центральная часть Ленского улуса в зоне массивно-островного распространения мерзлоты мощностью 25-80 м. Лишь в районе впадения р. Витим в р. Лену наблюдается островное распространение мерзлоты мощностью от 10 до 50 м. Острова многолетнемерзлых грунтов встречаются здесь, в основном, в понижениях, где обычно залегают водоупорные грунты, что вызывает заболачивание этих участков.
В результате изысканий площадке присвоена II (средней сложности) категория сложности инженерно-геокриологических условий.
В результате геотехнического мониторинга строительства в сентябре 2024 г. выявлено значительное изменение температур грунтов основания до глубины 9 м. Повышение температур грунтов вероятно связано с планировкой территории и буровыми работами.

2. Конструктивные решения
Здание двухэтажное, Г-образной формы, размеры по осям 60,20х38,40 м. Высота от пола до потолка 3 м.
Класс ответственности здания – II (нормальный).
Срок службы здания – не менее 50 лет.
Тип фундамента – сборные железобетонные сваи, устанавливаемые в предварительно пробуренные скважины, заполненные цементно-песчаным раствором. Ростверки монолитные железобетонные. Отметка верха свай варьируется от -0,900 до -2,650. Расчетная нагрузка на сваи не превышает 75 тс.
Многолетнемерзлые грунты основания здания принято использовать по принципу I в соответствии с СП 25.13330.2020, то есть с обеспечением их мерзлого состояния в процессе строительства и эксплуатации. Для этих целей предусмотрено открытое вентилируемое подполье. Высота подполья от 1,0 до 3,1 м.

3. Прогнозные теплотехнические расчеты основания
При проектировании в районах распространения многолетнемерзлых грунтов необходимо проводить прогнозные теплотехнические расчеты с целью определения изменения мерзлотно-грунтовых условий, влияющих на несущую способность и деформационную устойчивость оснований в процессе эксплуатации зданий и сооружений. В рамках данной работы проведено два этапа теплотехнического расчета (Приложение Г):
1 – с учетом влияния проветриваемого подполья;
2 – с учетом влияния проветриваемого подполья, а также вертикальных сезонно-действующих охлаждающих устройств.
При проведении расчетов учитывался тренд на глобальное изменение климата.
Согласно результатам первого этапа расчетов, проветриваемое подполье позволяет избежать возникновения чаши оттаивания под всем сооружением, однако температуры грунтов к началу эксплуатации выше расчетных температур, превышение которых недопустимо для выполнения условия по первому предельному состоянию грунтов.
Для понижения температуры грунтов, решено применить термостабилизацию вертикальными сезонно-действующими устройствами.
Согласно результатам второго этапа расчетов, проветриваемое подполье с вертикальными сезонно-действующими охлаждающими устройствами позволяет избежать возникновения чаши оттаивания под всей площадью сооружения и удерживать температуры грунтов основания ниже расчетных превышение которых недопустимо для выполнения условия по первому предельному состоянию грунтов.
Тем самым подтверждено, что для обеспечения необходимого температурного режима грунтов основания здания целесообразно использовать сезонно-действующие охлаждающие устройства со следующими характеристиками:
Вертикальные сезонно-действующие охлаждающие устройства:
Диаметр испарителя 38 мм; толщина стенки испарителя 3,5 мм; длина конденсатора 1,0 м; площадь поверхности конденсатора 3,5 м²; диаметр ребра 76 мм; число ребер 472; теплоноситель Углекислота R-744; длина испарителя 12,5 м.
Схема расположения охлаждающих установок приведена в графической части на Листе 1.

  Теплотехнические расчеты основания
Теплотехнический расчет в рамках данной работы выполнен 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.
Процесс распространения тепла в грунте с фазовыми переходами в спектре отрицательных температур описывается дифференциальным уравнением, записанным в энтальпийной форме (Г.1):
                                         ,                                        (Г.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 (Г.2):
                                     ,                    (Г.2)
  где C=C(T) – теплоемкость грунта;
Q – теплота фазового перехода;
Tbf – температура фазового перехода;
δ(T-Tbf) – дельта-функция.
В программе реализованы два 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.
  Исходные данные
Исходные данные для выполнения теплотехнического расчета принимались по действующим нормативным документам, изыскательским и проектным данным, предоставленным Заказчиком, а также по результатам натурных замеров температуры грунтов.
В качестве исходных данных использовались следующие параметры:
- климатические условия для задания верхнего граничного условия (ГУ) модели (среднемесячная температура воздуха, скорость ветра, высота снежного покрова);
- физические и теплофизические характеристики грунтов (влажность, плотность, температура фазового перехода, теплоемкость и теплопроводность в талом и мерзлом состояниях);
- начальное температурное распределение в грунтовом массиве;
- параметры сооружений (площадь, температурный режим, сопротивление теплопередаче полов, наличие охлаждающих установок др.).
На верхнем климатическом ГУ на начальный момент времени приняты значения среднемесячных температур приземного воздуха, соответствующие данным СП 131.13330.2020. Среднемесячные значения температур воздуха приняты по ближайшей метеорологической станции, расположенной в г. Ленск.
В процессе расчета значения среднемесячных температур приземного воздуха постепенно увеличивались в соответствии с трендом будущих изменений климата на территории России с помощью ансамбля глобальных климатических моделей CMIP6 по сценарию SSP1-2.6.
Средние температуры приземного воздуха по месяцам по данным СП 131.13330.2020 и прогнозные приведены в таблице Г.1.
  Таблица Г.1 – Температуры приземного воздуха для г. Ленск

  Среднемесячные значения скорости ветра и высоты снежного покрова приняты по архивным данным постоянными с начального момента моделирования и приведены в таблице Г.2.
  Таблица Г.2 – Скорость ветра и высота снежного покрова для г. Ленск

  Значения необходимых в качестве исходных данных характеристик грунтов и материалов приведены в таблице 7.3.
  Таблица Г.3 – Физические и теплофизические свойства грунтов и материалов

  Начальное температурное распределение в грунтовом массиве принято по результатам термометрических замеров, проведенных в рамках геотехнического мониторинга.
Создание модели и её приведение в стационарный режим
В качестве расчетной области принят трехмерный грунтовый массив глубиной 100 м и размерами в плане 280,0х280,0 м. Шаг сетки принят адаптивным от 0,2х0,2х0,1 до 5,0х5,0х2,0 м.
Общий вид созданной модели и расположение слоев грунтовых элементов в ней представлены на рисунке Г.1.
  Рисунок Г.1 – Общий вид модели для проведения расчета
  Прогнозный расчет выполнялся на период 52 года до 2077 года, при этом начало эксплуатации с октября 2027 года. Интервал выдачи результатов - 1 месяц.
Исходя из результатов расчета модуля вентилирования определены граничные условия под зданием с момента ввода в эксплуатацию. Граничные условия модели приведены в таблице Г.4.
Расчетом учтено, что сезонно-действующие охлаждающие устройства начнут работать с сентября сезона 2025 г.
  Таблица Г.4 – Граничные условия модели

  Перед началом поверочных расчетов модель калибровалась – приводилась в стационарное температурное состояние, когда без влияния дополнительных факторов ГУ климата обеспечивает неизменяемость температурного состояния модели во времени.
  Согласно результатам второго этапа расчетов, проветриваемое подполье с вертикальными сезонно-действующими охлаждающими устройствами позволяет избежать возникновения чаши оттаивания под всей площадью сооружения и удерживать температуры грунтов основания ниже расчетных превышение которых недопустимо для выполнения условия по первому предельному состоянию грунтов.
Вывод:
 для обеспечения необходимого температурного режима грунтов основания здания целесообразно использовать вертикальные сезонно-действующие охлаждающие устройства со следующими характеристиками:
Диаметр испарителя 38 мм; толщина стенки испарителя 3,5 мм; длина конденсатора 1,0 м; площадь поверхности конденсатора 3,5 м²; диаметр ребра 76 мм; число ребер 472; теплоноситель Углекислота R-744; длина испарителя 12,5 м.