RU2645035C1 - Surface foundation for single-storey building on permafrost grounds - Google Patents
Surface foundation for single-storey building on permafrost grounds Download PDFInfo
- Publication number
- RU2645035C1 RU2645035C1 RU2017116712A RU2017116712A RU2645035C1 RU 2645035 C1 RU2645035 C1 RU 2645035C1 RU 2017116712 A RU2017116712 A RU 2017116712A RU 2017116712 A RU2017116712 A RU 2017116712A RU 2645035 C1 RU2645035 C1 RU 2645035C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- foundation
- building
- heat pump
- heating
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
- E02D3/11—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil by thermal, electrical or electro-chemical means
- E02D3/115—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil by thermal, electrical or electro-chemical means by freezing
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Agronomy & Crop Science (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Soil Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Paleontology (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое устройство относится к строительству одноэтажных зданий на многолетнемерзлых грунтах с искусственным охлаждением грунтов основания с помощью теплового насоса и одновременным обогревом здания с помощью теплового насоса и дополнительного источника тепла.The proposed device relates to the construction of one-story buildings on permafrost soils with artificial cooling of the soil of the base using a heat pump and simultaneous heating of the building using a heat pump and an additional heat source.
Проблема вызвана тем, что все здания на многолетнемерзлых грунтах имеют естественные системы охлаждения, использующие низкие отрицательные температуры атмосферного воздуха в зимнее время. Это ставит их в зависимость от климата. Наметившееся в настоящее время глобальное потепление климата представляет большую угрозу для устойчивости этих зданий в связи с растеплением основания. По этой причине некоторые здания уже сегодня испытывают деформации, которые в будущем будут только увеличиваться. Все это побудило создание устройств и способов, ослабляющих тепловое влияние климата на устойчивость зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах.The problem is caused by the fact that all buildings on permafrost soils have natural cooling systems using low negative air temperatures in winter. This makes them climate dependent. The global warming that is currently emerging poses a great threat to the sustainability of these buildings due to the thawing of the base. For this reason, some buildings are already experiencing deformations, which will only increase in the future. All this prompted the creation of devices and methods that weaken the thermal effect of climate on the stability of buildings and structures on permafrost soils.
Известен способ и устройство для круглогодичных охлаждения, замораживания грунта основания фундамента и теплоснабжения сооружения на вечномерзлом грунте в условиях криолитозоны (Патент РФ № 2519012, кл. E02D3/115, 2014).A known method and device for year-round cooling, freezing the soil of the base of the foundation and heat supply of the structure on permafrost soil in the permafrost zone (RF Patent No. 2519012, class E02D3 / 115, 2014).
Указанное изобретение включает бурение скважин и круглогодичное охлаждение и замораживание грунта основания фундамента с одновременным и круглогодичным частичным теплоснабжением сооружения за счет теплоты охлаждаемого и замораживаемого грунта основания фундамента и прилегающих к нему слоев грунта, при этом образуют первичный контур с низкотемпературным теплоносителем теплового насоса, рабочее тело теплового насоса имеет температуру кипения ниже на 10-30°С минимальной температуры теплоносителя первичного контура, тепловой насос располагают внутри сооружения и осуществляют теплоснабжение с коэффициентом преобразования больше единицы 1-3, причем теплоноситель первичного контура теплового насоса имеет температуру замерзания ниже минимальной температуры окружающего воздуха места сооружения до -60°С, а температура испарения рабочего тела вторичного контура выше нижнего предела его рабочего диапазона температур до -75°С, при этом термоскважину устанавливают в массиве основания сооружения с несущими сваями по периферии или, будучи разделенной на менее мощные, термоскважины устанавливают по его периферии, выполняя дополнительно несущую функцию сваи, причем теплоноситель разделенных термоскважин подают по теплоизолированным теплопроводам к общему теплообменнику первичного контура теплового наоса или к нескольким тепловым насосам, установленным в различных помещениях сооружения.The specified invention includes the drilling of wells and year-round cooling and freezing of the soil of the foundation foundation with simultaneous and year-round partial heat supply of the structure due to the heat of the cooled and frozen soil of the foundation foundation and adjacent soil layers, thus forming a primary circuit with a low-temperature heat carrier of the heat pump, the working fluid of the heat pump the pump has a boiling point lower by 10-30 ° C of the minimum temperature of the primary coolant, the heat pump they are positioned inside the building and heat supply with a conversion factor greater than unity 1-3, the primary coolant of the heat pump having a freezing temperature below the minimum ambient temperature of the construction site to -60 ° C, and the temperature of the evaporation of the working fluid of the secondary circuit is above the lower limit of its operating range temperatures up to -75 ° С, while the thermal well is installed in the array of the base of the structure with bearing piles on the periphery or, being divided into less powerful ones, a thermos Vazhiny mounted on its periphery by performing further bearing piles function, wherein the coolant separated termoskvazhin insulated heat conductor is fed through a common heat exchanger primary circuit naos or several heat pumps installed in a variety of indoor facilities.
Эта конструкция имеет ряд существенных недостатков:This design has a number of significant disadvantages:
- температура грунта на контакте с термоскважиной становится значительно ниже температуры грунта в естественных условиях, что может привести к морозному растрескиванию грунта и деформации сооружения;- the temperature of the soil in contact with the thermal well becomes much lower than the temperature of the soil in natural conditions, which can lead to frost cracking of the soil and deformation of the structure;
- расположенные в основании сооружения термоскважины не подлежат ремонту, что делает конструкцию в целом неремонтопригодной, а следовательно, и недостаточно надежной;- the thermal wells located at the base of the structure cannot be repaired, which makes the structure as a whole not repairable, and therefore not sufficiently reliable;
- конструкция предусматривает полное ее изготовление на стройплощадке, что в условиях сурового климата является нежелательным и нарушает основное требование к конструкциям на Севере – максимальная сборность.- the design provides for its full production at the construction site, which in the harsh climate is undesirable and violates the basic requirement for structures in the North - maximum assembly.
Наиболее близким техническим решением является устройство ремонтопригодной конструкции поверхностного фундамента, обеспечивающей обогрев сооружения и сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии вне зависимости от изменения климата и при этом не вызывающей чрезмерного охлаждения многолетнемерзлых грунтов, которое может привести к их растрескиванию (Патент РФ № 2583025, кл. E02D3/115, 2016). Поверхностный фундамент состоит из отдельных модулей полной заводской готовности, которые на стройплощадке собираются в единую конструкцию и подсоединяются к тепловому насосу параллельно с помощью теплоизолированных коллекторов греющего и охлаждающего контура теплового насоса. При этом каждый модуль фундамента представляет собой коробчатую железобетонную плиту, состоящую из верхнего и нижнего короба, разделенных теплоизолятором. В верхнем коробе помещается змеевик греющего контура (водяной контур) теплового насоса, в нижнем – охлаждающего (рассольный контур). Такой фундамент одновременно обеспечивает обогрев полов сооружения верхним змеевиком и охлаждение грунтов основания нижним за счет низкопотенциального тепла, отбираемого из грунта тепловым насосом. Фундамент устанавливается на подсыпку из крупно скелетного грунта, не подверженного деформациям при промерзании-оттаивании. The closest technical solution is the installation of a repairable surface foundation design, which ensures heating of the structure and preservation of the foundation soils in a frozen state, regardless of climate change, and without causing excessive cooling of permafrost soils, which can lead to cracking (RF Patent No. 2583025, cl. E02D3 / 115, 2016). The surface foundation consists of separate modules of full factory readiness, which are assembled at a construction site in a single structure and connected to the heat pump in parallel using heat-insulated collectors of the heating and cooling circuit of the heat pump. In addition, each foundation module is a box-shaped reinforced concrete slab consisting of an upper and lower duct, separated by a heat insulator. The heating coil coil (water circuit) of the heat pump is placed in the upper box, and the cooling coil (brine circuit) in the lower box. Such a foundation simultaneously provides heating of the floors of the structure with an upper coil and cooling of the base soil with a lower one due to low-potential heat taken from the soil by a heat pump. The foundation is installed on a bed of coarse skeletal soil that is not subject to deformation during freezing-thawing.
Эта конструкция имеет два существенных недостатка:This design has two significant drawbacks:
- количество низкопотенциального тепла, отбираемого тепловым насосом из грунта основания, оказывается недостаточным для обогрева сооружения. Так, например, как следует из приведенных в прототипе формул, при потребном количестве для обогрева полов одноэтажного здания 50 Вт/м2 и продолжительности отопительного сезона 9 месяцев количество низкопотенциального тепла не превышает 5-10% от потребного; - the amount of low-grade heat taken by the heat pump from the base soil is insufficient to heat the structure. So, for example, as follows from the formulas given in the prototype, when the required amount for floor heating of a single-story building is 50 W / m 2 and the heating season lasts 9 months, the amount of low-grade heat does not exceed 5-10% of the required;
- конструкция предусматривает наличие крупно скелетного грунта, не подверженного деформациям при промерзании-оттаивании, для создания подсыпки, которого в осваиваемых северных районах крайне мало. - the design provides for the presence of coarse skeletal soil that is not susceptible to deformation during freezing-thawing, to create a bed, which is extremely scarce in the developed northern regions.
Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является создание конструкции фундамента, в полной мере обеспечивающей обогрев здания с одновременным сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии вне зависимости от изменения климата и при этом не вызывающей чрезмерного охлаждения многолетнемерзлых грунтов, которое может привести к их растрескиванию, без устройства подсыпки.The problem solved by the proposed device is the creation of the foundation structure, which fully provides heating of the building while preserving the foundation soil in a frozen state regardless of climate change and at the same time not causing excessive cooling of permafrost soils, which can lead to cracking, without adding bedding .
Указанная задача решается заявляемым устройством, которое представляет собой поверхностный фундамент, устанавливаемый непосредственно на мерзлый грунт и состоящий из описанных в прототипе отдельных модулей, которые на стройплощадке собираются в единую конструкцию и подсоединяются к тепловому насосу параллельно с помощью теплоизолированных коллекторов греющего и охлаждающего контуров теплового насоса. При этом к коллектору греющего контура теплового насоса подсоединяется дополнительный источник тепла, компенсирующий дефицит низкопотенциального тепла для обогрева здания, интенсивность которого автоматически регулируется в зависимости от теплопотерь здания. Кроме того, в каждом модуле содержится жидкость, замерзающая (оттаивающая) при отрицательной температуре, залитая в его нижний короб и предохраняющая основание от чрезмерного охлаждения и морозного растрескивания грунтов.This problem is solved by the claimed device, which is a surface foundation, installed directly on frozen ground and consisting of the individual modules described in the prototype, which are assembled on a construction site in a single structure and connected to the heat pump in parallel using heat-insulated collectors of the heating and cooling circuits of the heat pump. At the same time, an additional heat source is connected to the collector of the heating circuit of the heat pump, compensating for the deficiency of low potential heat for heating the building, the intensity of which is automatically adjusted depending on the heat loss of the building. In addition, each module contains a liquid that freezes (thaws) at negative temperature, is poured into its lower box and protects the base from excessive cooling and frost cracking of the soil.
Количество тепла, сообщаемого зданию дополнительным источником Qд.и за отопительный сезон, вычисляется по формуле:The amount of heat communicated to the building by an additional source of Q. and for the heating season is calculated by the formula:
где
где qн – нормированная интенсивность подачи тепла через пол в отопительный сезон;
где
где
Номинальная тепловая мощность теплового насоса находится по формуле (6), а мощность дополнительного источника тепла – по формуле (7).The nominal thermal power of the heat pump is found by the formula (6), and the power of the additional heat source is determined by the formula (7).
где
По параметрам
На фиг 1 показан разрез фундаментного модуля, на фиг. 2 – сборный чертеж плана поверхностного фундамента из фундаментных модулей.FIG. 1 is a sectional view of the foundation module; FIG. 2 is a prefabricated plan drawing of a surface foundation of foundation modules.
Фундаментный модуль 1 состоит из нижнего короба 2, внутри которого размещен змеевик охлаждающего контура теплового насоса 3 и залита жидкость, замерзающая (оттаивающая) при отрицательной температуре (водный раствор диэтиленгликоля) 4. Во избежание переохлаждения основания в качестве температуры замерзания–оттаивания жидкости 4 назначается среднегодовая температура грунта на подошве слоя сезонного оттаивания в естественных условиях. Во избежание разрыва короба 2 при замерзании жидкости 4 объем жидкости 4 принимается меньше объема короба 2 на величину ее расширения при замерзании. Нижний короб 2 имеет съемную крышку 5, поверх которой размещен верхний короб 6 со змеевиком греющего контура 7 теплового насоса 12. Змеевик 7 положен на слой теплоизоляции 8, которая размещена на крышке 5 нижнего короба 2. Фундаментный модуль устанавливается непосредственно на мерзлый грунт 9. Фундаментные модули 1, в совокупности образующие поверхностный фундамент, подсоединяются параллельно к теплоизолированному коллектору 10 охлаждающего контура и теплоизолированному коллектору 11 греющего контура теплового насоса 12, при этом в теплоизолированный коллектор 11 вмонтирован дополнительный источник тепла 13. The
Работает устройство следующим образом. С началом отопительного сезона тепловой насос 12 и дополнительный источник тепла 13 включаются в работу. При этом происходит обогрев полов здания змеевиком 7 и промораживание жидкости 4 змеевиком 3. При замерзании жидкости 4 температура во всем объеме короба 2 поддерживается постоянной и равной температуре фазового перехода Tbf, которая, в свою очередь, равна температуре грунта в естественных условиях. Поэтому переохлаждения грунта не происходит. Мощность теплового насоса 12 назначена таким образом, чтобы промораживание жидкости 4 длится весь отопительный сезон, следовательно, весь отопительный сезон на подошве поверхностного фундамента поддерживается естественная температура грунта. По окончании отопительного сезона тепловой насос 12 и дополнительный источник тепла 13 отключаются. Под действием тепла от здания происходит оттаивание льда в нижнем коробе 2 фундаментного блока 1, намороженного в отопительный сезон из жидкости 4. При этом температура во всем объеме короба 2 поддерживается также постоянной и равной температуре фазового перехода Tbf жидкости 4, которая, в свою очередь, равна температуре грунта в естественных условиях. Оттаивание длится до начала нового отопительного сезона. Таким образом, в течение года температура грунта на подошве поверхностного фундамента постоянна и равна температуре грунта в естественных условиях. Поэтому в течение года в основание не пропускается ни импульс холода, ни импульс тепла, которые могут вызвать деформации основания.The device operates as follows. With the beginning of the heating season, the
Далее до конца периода эксплуатации здания годовые циклы промерзания–оттаивания жидкости 4 повторяются.Further, until the end of the period of operation of the building, the annual freezing – thawing cycles of
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017116712A RU2645035C1 (en) | 2017-05-15 | 2017-05-15 | Surface foundation for single-storey building on permafrost grounds |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017116712A RU2645035C1 (en) | 2017-05-15 | 2017-05-15 | Surface foundation for single-storey building on permafrost grounds |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2645035C1 true RU2645035C1 (en) | 2018-02-15 |
Family
ID=61226930
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017116712A RU2645035C1 (en) | 2017-05-15 | 2017-05-15 | Surface foundation for single-storey building on permafrost grounds |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2645035C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3217791A (en) * | 1964-07-30 | 1965-11-16 | Erwin L Long | Means for maintaining perma-frost foundations |
US3788389A (en) * | 1971-08-25 | 1974-01-29 | Mc Donnell Douglas Corp | Permafrost structural support with heat pipe stabilization |
RU2250302C1 (en) * | 2003-07-24 | 2005-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. акад. М.Ф. Решетнева" | Heated pile |
RU2519012C2 (en) * | 2012-04-28 | 2014-06-10 | Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) | Method and device for year-round cooling, freezing of ground at foundation base and for heat supply of structure on permafrost ground in cryolytic zone |
RU2583025C1 (en) * | 2015-04-20 | 2016-04-27 | Лев Николаевич Хрусталев | Surface foundation structure ensuring preservation of soil base in frozen state with simultaneous heating of structure |
-
2017
- 2017-05-15 RU RU2017116712A patent/RU2645035C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3217791A (en) * | 1964-07-30 | 1965-11-16 | Erwin L Long | Means for maintaining perma-frost foundations |
US3788389A (en) * | 1971-08-25 | 1974-01-29 | Mc Donnell Douglas Corp | Permafrost structural support with heat pipe stabilization |
RU2250302C1 (en) * | 2003-07-24 | 2005-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. акад. М.Ф. Решетнева" | Heated pile |
RU2519012C2 (en) * | 2012-04-28 | 2014-06-10 | Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) | Method and device for year-round cooling, freezing of ground at foundation base and for heat supply of structure on permafrost ground in cryolytic zone |
RU2583025C1 (en) * | 2015-04-20 | 2016-04-27 | Лев Николаевич Хрусталев | Surface foundation structure ensuring preservation of soil base in frozen state with simultaneous heating of structure |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Paksoy et al. | Thermal energy storage (TES) systems for greenhouse technology | |
US4466256A (en) | Ground-installed coldness storage and utilization system | |
RU2519012C2 (en) | Method and device for year-round cooling, freezing of ground at foundation base and for heat supply of structure on permafrost ground in cryolytic zone | |
RU2583025C1 (en) | Surface foundation structure ensuring preservation of soil base in frozen state with simultaneous heating of structure | |
US20130333860A1 (en) | Structural element for transitory storage and deferred use of thermal energy, related structure and methods | |
KR20090099392A (en) | Freezing prevention device of many purposes | |
RU2645035C1 (en) | Surface foundation for single-storey building on permafrost grounds | |
RU2684941C2 (en) | Surface foundation of building providing preservation of foundation soil in frozen condition with simultaneous heating of building | |
US20110192566A1 (en) | Thermal storage system for use in connection with a thermal conductive wall structure | |
RU2621912C2 (en) | Method of cooling underground structures in masses of permafrost rocks and device for its implementation | |
US4456056A (en) | Modified annual cycle energy system | |
RU51636U1 (en) | DEVICE FOR COMPENSATION OF THERMAL INFLUENCE OF THE STRUCTURE FOUNDATION ON THE PERMANENT FROZEN SOIL | |
US4836716A (en) | Method and apparatus for piled foundation improvement through freezing using surface mounted refrigeration units | |
CN105040744B (en) | The attemperator and its construction method of ground under the conditions of a kind of plateau permafrost | |
RU155180U1 (en) | CONSTRUCTION FOR THERMOSTATING SOILS UNDER BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS | |
RU141110U1 (en) | SYSTEM OF TEMPERATURE STABILIZATION OF SOILS OF BASES OF BUILDINGS AND STRUCTURES | |
KR101547875B1 (en) | Cooling-heating system by double pond | |
RU2683059C1 (en) | Method of extraction and use of geothermal heat for cooling soils around subway tunnels | |
Wagner et al. | Artificial ground freezing using solar-powered thermosyphons | |
RU141393U1 (en) | HEAT-INSULATED FOUNDATION | |
US6170278B1 (en) | Thermal storage reservoir for ice rink | |
RU2123648C1 (en) | Method of accumulating cold and device for realization of this method | |
US1576867A (en) | Method of collecting, conserving, and storing natural cold | |
RU2789556C1 (en) | Method for preventing coalescence of thaw halos around wells in permafrost formations | |
SU74095A1 (en) | Refrigeration unit with coolant circulation in a closed circuit |