Эффективность использования теплового насоса при строительстве зданий на участках с заглубленной кровлей льдистых многолетнемерзлых пород

Горбунова Алина Александровна ORCID: 0000-0002-2939-7609 аспирант кафедры геокриологии; геологический факультет; Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские горы, 1 Gorbunova Alina Postgraduate student of the Department of Geocryology; Faculty of Geology; Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow, Leninskie gory str., 1 Gorbunova.alina2000@yandex.ru Гунар Алексей Юрьевич ORCID: 0000-0003-2878-0849 кандидат технических наук доцент кафедры геокриологии; Геологический факультет; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские горы, 1 Gunar Alexey PhD in Technical Science Associate Professor of the Department of Geocryology; Faculty of Geology; Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow, Leninskie gory str., 1 gunar_91@mail.ru Озерицкий Константин Владимирович ORCID: 0000-0003-1970-6735 аспирант; факультет гражданского строительства; Школа инженерии им. Шулиха, Университет Калгари (Канада) AB T2N 1N4, Канада, провинция Альберта, г. Калгари, ул. Колледж-Плейс, 622 Ozeritskiy Konstantin Vladimirovich PhD Student; Department of Civil Engineering; University of Calgary (Canada) AB T2N 1N4, Canada, Alberta, Calgary, 622 College Place Street ozeritskiy.k@gmail.com

Балихин Ермолай Игоревич аспирант кафедры геокриологии; Геологический факультет; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские горы, 1 Balihin Ermolai Postgraduate student of the Department of Geocryology; Faculty of Geology; Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow, Leninskie gory str., 1 ermolaybalihin@mail.ru

Статья выполнена при поддержке гранта Департамента внешних связей ЯНАО, предусматривающего проведение научных исследований в области мерзлотоведения на территории Ямало-Ненецкого автономного округа. Договор № 601-19-01/11 от 01.07.2024 «Апробация использования тепловых насосов для целей термостабилизации грунтов оснований зданий и сооружений».

Введение

Потепление климата оказывает существенное воздействие на существующие здания и сооружения в криолитозоне. Так, для зданий севера Европейской части 60 – 80-х годов. постройки по I принципу строительства на ММГ снижение несущей способности свайного основания достигает 25% ^[1]. Районы Салехарда, Надыма и Нового Уренгоя характеризуются снижением на 15 – 25 % несущей способности по грунту ^[2]. Для территории Воркуты при стабильном повышении температуры воздуха с трендом 0,04 °С/год, тренд изменения средней температуры ММГ до глубины 10 м составляет от 0,02 до 0,04 °С/год с минус 1,5 °С до минус 0,5 и плюс 0,5 °С соответственно, что приведет к снижению несущей способности более чем на 50% ^[3]. В работе ^[4] отмечается, что снижение несущей способности грунтов оснований зданий и сооружений в муниципальных образованиях Арктической зоны Российской Федерации прогнозируется в диапазоне от 2 до 100% к 2050 году и если текущие климатические тенденции продолжат сохраняться, опасные последствия деградации многолетнемерзлых грунтов станут неизбежными.

Снижение несущей способности и увеличение количества осадок зданий, за счет оттаивания ММГ, требует разработки и внедрения системы мониторинга состояния оснований практически на всех объектах инфраструктуры на ММГ. Однако мониторинг и своевременное решение возникающих проблем не является оптимальным способом эксплуатации сооружений. В настоящее время перед нами стоит задача разработки и реализации решений, которые обеспечат стабильную работу объектов в криолитозоне в условиях глобального потепления климата. Одним из таких решений является применение при строительстве на многолетнемерзлых грунтах тепловых насосов ^{[5, 6]}.

Тепловой насос (ТН) — это устройство, позволяющее аккумулировать тепло низкопотенциальных источников и с помощью затраченной работы передавать его нагревательной системе с более высокой температурой ^{[7, 8, 9]}. В контексте изменения климата активное охлаждение грунтов становится перспективным решением для оснований зданий и сооружений. Технологии наземного теплового насоса, применяемые в регионах с умеренным климатом в качестве источника возобновляемой энергии, необходимо адаптировать и для условий криолитозоны с целью поддержания стабильно низкой температуры грунта. Система, функционирующая на основе теплового насоса, извлекает тепло из грунта с помощью геотермальных контуров и теплоносителя. Тепло, теряемое через основание здания, может быть утилизировано, а температура грунта снижена до необходимого значения.

Опыт применения тепловых насосов к криолитозоне

На практике концепция применения ТН в северном строительстве была впервые реализована выдающимся норвежским инженером Бьерном Инстанесом ^[10]. В 1986 г. в населенных пунктах Свергрув и Лонгьербин, которые расположены на острове Шпицберген в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых грунтов, он оборудовал теплонасосными охлаждающими установками основания двух складских помещений (площадью по 900 м²) и одного магазина. С их помощью грунты оснований в течение всего года поддерживаются при постоянной температуре около минус 10 °С.

В 1988 году экспериментальные исследования в этом же направлении проводились в канадских поселках Росс Ривер и Олд Кроу на территории Юкона ^[11]. Системы охлаждения двух гаражей площадью по 350 м² состояли из полистирольной изоляции, труб испарителя и гравелистой подушки, опирающейся на мерзлые грунты. В качестве хладагента использовалась водная смесь метил-гидрата с температурой кипения в испарителе -10 ⁰С. В обоих случаях применялись плитные фундаменты, которые в течение 2-х лет наблюдений надежно обеспечивали устойчивость зданий. На электроприводе компрессора использовалась дешевая энергия местной гидроэлектростанции, что обеспечило заметную экономию.

В работах ^{[12, 13]} предложена методика круглогодичного замораживания грунтов путем подачи охлаждаемого холодильной машиной теплоносителя к термоэлементам, размещенным внутри свай. Термоэлементы сохраняют грунты основания в мерзлом состоянии за счет тепловой энергии, вырабатываемой технологическими источниками, расположенными на фундаменте (дизель-генераторы, электродвигатели и т.д). В работе отмечена возможность размещения термоэлементов внутри свай на разной глубине, что приводит к более эффективному охлаждению грунтов основания.

Крупный проект по применению тепловых насосов проводился в Лонгйире, крупнейшем населенном пункте на Шпицбергене. Основание площадью 3400 м² непрерывно охлаждается в течение всего срока эксплуатации здания. Создана и верифицирована трехмерная модель, имитирующая температурный режим грунта под охлаждающей плитой. Оценка годовых эксплуатационных расходов составляет от 16 000 до 54 000 норвежских крон (от 142,3 до 480,4 тыс. рублей) в зависимости от эффективности теплового насоса и температуры охлаждения. Хорошо функционирующая система мониторинга является неотъемлемым компонентом данной технологии, позволяя предотвратить незамеченные отключения электроэнергии, которые могут привести к повышению температуры грунта на 4 °C в течение одного года. В работе отмечается эффективность применения тепловых насосов в районах с многолетнемерзлыми грунтами и грунт остается замороженным даже при отключении системы охлаждения зимой в течение трех месяцев подряд. Это означает, что система может быть отключена в течение определенного периода времени в темное время года и питаться от солнечной энергии в теплый сезон. Таким образом, результаты указывают на возможность разработки автономной системы охлаждения, которая может быть интегрирована с возобновляемым источником энергии, таким как солнечная энергия, для питания системы ^[14].

В России применение тепловых насосов при строительстве на многолетнемерзлых грунтах не так распространено, как за рубежом, однако работа в этом направлении ведется и имеются как теоретические и расчетные работы ^[15], так и полевые эксперименты ^[16]. Большое количество изобретений по конструкциям и способам использования тепловых насосов в строительстве на мерзлых грунтах пока дожидаются своего часа для использования на практике. Одним из таких изобретений является поверхностный фундамент со встроенными контурами теплового насоса, применение и эффективность которого подробно рассматривается в данной работе.

Актуальность выполненной работы

Наиболее распространенный способ возведения зданий на многолетнемерзлых грунтах, разработанный и внедренный в строительную практику в СССР – использование проветриваемого подполья под сооружением. При этом проветриваемое подполье может использоваться как на участках с мерзлотой сливающегося типа, так и на участках с заглубленной кровлей – в первом случае подполье выхолаживает грунты основания, что повышает их несущую способность, а во втором регулирует количество поступающего в массив тепла, предотвращая промерзание и протаивание грунтов под зданием. Сейчас широко используются методы термостабилизации с использованием сезонно-охлаждающих установок – они могут быть размещены как под зданиями, так и по контуру сооружения. В меньшей степени используются технологии управления геокриологическими параметрами, такие как расчистка снега вокруг здания или использование теплоизоляции для уменьшения сезонного протаивания вокруг зданий. Однако все перечисленные выше способы строительства имеют один общий недостаток – все они зависимы от климата. С увеличением среднегодовой температуры воздуха, каждый из перечисленных способов теряет свою эффективность. Если тренд на потепление в ближайшие годы не будет сломлен, то уже через 2 ‒ 3 десятка лет, в южных районах распространения многолетнемерзлых пород эти методы будут неэффективны и потребуют дополнительных экономических вложений.

Существует мнение, что применение морозильных установок для подержания мерзлого состояния грунтового массива на протяжении 50 ‒ 80 лет эксплуатации сооружения является изначально чрезмерно затратным решением. Однако сочетание теплового насоса и современных теплоизоляционных материалов может существенно снизить экономические расходы. Теплоизоляционные плиты снижают тепловой поток от сооружения в грунтовый массив, а использование теплового насоса, позволяет выкаченную тепловую энергию конвертировать в дополнительный источник тепла в обогревателях или системах водоснабжения. В России получен патент и разрабатывается плитный малозаглубленный фундамент для легких зданий, содержащий в себе холодный и теплый контур теплового насоса ^[17]. Холодный контур плиты охлаждает грунты основания, а тепло отведенное из основания идет на обогрев пола здания. Переток тепла из теплого контура в холодный минимизируется за счет использования слоя теплоизоляции (рис. 1).

Рисунок 1 - Фрагмент модуля поверхностного фундамента: 1 – верхняя часть железобетонной плиты; 2– змеевик греющего контура теплового насоса; 3 – теплоизолятор; 4 – нижняя часть железобетонной плиты; 5 – змеевик охлаждающего контура теплового насоса ^[17]

При строительстве же тяжелых зданий, предложенная технология не позволит обеспечить достаточную несущую способность грунтов основания. Решением этой проблемы является масштабирование – необходимо разместить охлаждающий контур достаточно глубоко в грунтовом массиве.

Использование теплового насоса при строительстве зданий на участках с заглубленной кровлей льдистых многолетнемерзлых пород рассмотрим на примере одного из жилых домов города Салехард Ямало-Ненецкого автономного округа. В качестве фундаментов сооружения используются железобетонные сваи сечением 30×30 см и длиной 11,0 м. Нагрузки, передаваемые на одну сваю, составляют до 94,45 тс. Температура внутри здания плюс 20 °С. Продолжительность отопительного периода составляет от = 8 мес = 5760 ч. Температура подстилающих многолетнемерзлых грунтов – t₀ = -0,3 °С. Здание имеет фундамент в виде железобетонной плиты со встроенными греющими и охлаждающими контурами теплового насоса (ТН) в виде системы змеевиков из полиэтиленовых труб, расположенных с шагом s = 0,18 м. Наружный диаметр труб d_out = 0,06 м, внутренний d_in=0,054 м.

Краткое описание района исследований

Район расположен в северо-западной части Западно-Сибирской низменности и представляет собой сравнительно высоко приподнятую над уровнем моря равнину Обско-Полуйского водораздела.

Территория, на которой расположены окрестности г. Салехарда и прилежащих населённых пунктов, относится к субарктическому климатическому поясу. Средняя температура воздуха в течение года в Салехард равна -6,2 °С. Самым холодным месяцем года является январь со среднемесячной температурой воздуха -24,2 °С, а самым тёплым – июль, когда воздух прогревается в среднем до 15 °С. Средняя высота снежного покрова достигает 57 см (максимум в апреле).

Таблица 1 - Климатические характеристики района исследований

Площадка строительства расположена на III озерно-аллювиальной террасе. Геологический разрез площадки представлен сверху вниз:

- до глубины 2,3 м - насыпными грунтами песками пылеватыми со строительным мусором;

- до глубины 3,7 м - озерно-аллювиальными песками пылеватыми;

- до глубины 9,9 м - озерно-аллювиальными глинами и суглинками;

- ниже 9,9 м - озерно-аллювиальными песками пылеватыми и мелкими.

Все грунты незасоленные, не содержат крупнообломочных включений и органических веществ.

Площадка сложена многолетнемерзлыми грунтами (ММГ) сливающегося и несливающегося типов с глубиной погружения кровли мерзлых грунтов от 3,4 до 13,1 м. Среднегодовая температура грунтов на глубине 10 м составляет от плюс 0,2 °С до минус 0,3 °С. Глубина сезонного промерзания-оттаивания (СМС - СТС) грунтов составляет 1,5 - 2,2 м. Многолетнемерзлые грунты представлены песками пылеватыми и мелкими льдистыми массивной криотекстуры, суглинками слоистой криотекстуры и глинами слоисто-сетчатой криотекстуры. Талые грунты площадки представлены песчаными грунтами - песками пылеватыми средней плотности и средней степени водонасыщения, суглинками мягкопластичными и глинами тугопластичными. Физические и теплофизические характеристики грунтов представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Физические и теплофизические характеристики грунтов

Математическое моделирование температурного поля

Постановка задачи

При назначении расчетной области мы руководствовались опытом постановки подобных задач, согласно которому размеры области должны превышать размеры теплоисточника не менее, чем в 2,5 раза. Исходя из этого, в качестве расчетной области принят трехмерный грунтовый массив глубиной 70 м, с размерами в плане 350,0×250,0 м. Шаг сетки принят адаптивным от 0,1×0,1×0,1 до 1,0×1,0×1,0 м. Общий вид расчётной области представлен на рисунке 2. Задаваемые верхние граничные условия представлены в таблице 3

Рисунок 2 - Общий вид расчетной области

Таблица 3 - Верхние граничные условия по результатам калибровки

Условные обозначения: T_e – температура воздуха; α_e – коэффициент теплообмена.

Учет изменения температуры воздуха

Расчеты выполнены с учетом глобального изменения климатаиз температурных наблюдений путем сопоставления метеорологических рядов до 1970 г. с рядами после 1970 г. и их экстраполяции на будущее. Методика такого анализа среднегодовой температуры воздуха была разработана на кафедре геокриологии МГУ в 2000 г и названа авторами методикой авторетроспективного анализа ^[18]. Прогнозная формула (1), состоит из суммы периодических составляющих, моделирующих естественный ход температуры воздуха, одной линейной составляющей (тренда), моделирующей антропогенные изменения температуры воздуха после рубежного года. Для города Салехард прогнозная формула выглядит следующим образом:

(1)

где t – время в календарных годах; Т_ср (-6,21) – средняя многолетняя температура на базовом интервале, ⁰С; A_j – амплитуды гармоник, ⁰С; ϕ_j – фазы гармоник, рад; y_j – периоды, лет, N – количество гармоник; g – антропогенный тренд; t_p (1979) – рубежный год.

Результаты расчетов

По результатам работы выполнена оценка температуры грунта на глубине заложения свайного фундамента (11 м) через 50 лет эксплуатации здания в зависимости от расстояния охлаждающего контура от тепловыделяющей границы и времени работы теплового насоса. Результаты математического моделирования представлены на рисунке 3. Результаты расчета температурного поля при расположении охлаждающего контура на 5 м от тепловыделяющей границы при разном времени работы ТН, представлены на рисунках 3 ‒ 6. Для сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии время работы ТН должно превышать 2 месяца не зависимо от расстояния заложения охлаждающего контура от тепловыделяющей границы и более 3 месяцев при расстоянии от тепловыделяющей границы менее 3,3 метров. Для определения оптимального варианта расстояния от тепловыделяющей границы и времени работы ТН выполнена оценка значений несущей способности по грунту в соответствии с СП 25.13330.2020 «СНиП 2.02.04-88 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» ^[19]. Результаты расчета показали, что несущая способность по грунту обеспечивается на все время эксплуатации здания при времени работы ТН более 3-х месяцев и 3 месяца при расстоянии от тепловыделяющей границы 4 и более метров.

Рисунок 3 - Результаты расчета температуры грунта на глубине 11 м, через 50 лет эксплуатации здания в зависимости от расстояния охлаждающего контура от тепловыделяющей границы и времени работы ТН

Таблица 4 - Результаты расчета несущей способности по грунту, кН

Помимо сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии и обеспечения стабильной работы зданий и сооружений в криолитозоне, тепловые насосы обеспечивают значительную экономическую выгоду и способствуют снижению выбросов углекислого газа и других загрязняющих веществ, что важно в контексте глобальных изменений климата и стремления к устойчивому развитию. Кроме того, постановлением Правительства от 11 марта 2023 года №373 проекты, при реализации которых используется технология электрических тепловых насосов, могут претендовать на льготное финансирование через специальные облигации или займы, что также сможет существенно снизить первоначальные затраты на установку и применение ТН.

Рисунок 3 - Температурное поле через 50 лет эксплуатации при расположении охлаждающего контура на 5 м от тепловыделяющей границы и времени работы 12 месяцев

Рисунок 4 - Температурное поле через 50 лет эксплуатации при расположении охлаждающего контура на 5 м от тепловыделяющей границы и времени работы 4 летних месяца

Рисунок 5 - Температурное поле через 50 лет эксплуатации при расположении охлаждающего контура на 5 м от тепловыделяющей границы и времени работы 8 зимних месяцев

Рисунок 6 - Температурное поле через 50 лет эксплуатации при расположении охлаждающего контура на 5 м от тепловыделяющей границы и времени работы 2 месяца

Вывод

Выбор того или иного технического решения на этапе проработки проекта должен основываться на технико-экономическом сравнении вариантов, однако зависимость от климата стандартных проектных решений создает некоторую неопределенность в оценке надежности сооружений на всем сроке их эксплуатации. Решением этой проблемы является закладывание в проект методов активной термостабилизации грунтов. Для участков высоких насыпей охлаждающий контур позволяет создать буферную зону циклично промерзающих и оттаивающих грунтов, которая полностью исключает тепловой поток от здания к заглубленной кровле многолетнемерзлых пород. Для участков с мерзлотой сливающегося типа тепловые насосы могут рассматриваться как резервирующее устройство – в случае, если заложенные в проекте климатические параметры выйдут за допустимые пределы, включение заложенной на этапе проекта охлаждающей установки исключит оттаивание основания. Экономическая целесообразность предложенного решения обуславливается снижением эксплуатационных затрат и практически полным исключением проблем, связанных с оттаиванием мерзлого основания.