Full Text

В последние годы проблема энергосбережения становится для Российской Федерации стратегическим направлением развития. Одним из путей повышения энергоэффективности зданий является использование возобновляемых источников энергии: ветра, воды, солнца и грунта [1-3]. В зарубежной практике нашли широкое применение энергоэффективные конструкции фундаментов «двойного» назначения [3-7]. В России же подобные конструкции пока не получили широкого применения. Энергоэффективность фундаментов «двойного» назначения объясняется тем, что, кроме основной функции фундаментов - передачи полезной нагрузки на грунтовое основание, за счет своей развитой контактной поверхности они позволяют использовать геотермальную энергию окружающего грунтового массива. При помощи теплового насоса полученная энергия передается в системы отопления и кондиционирования зданий в период их эксплуатации [8-11]. В качестве энергоэффективных конструкций применяются свайный, плитный фундаменты, «стена в грунте»; известны примеры выполнения отделки стен метрополитена с функцией грунтового теплообменника [2, 10]. Отличительной особенностью энергоэффективной сваи является то, что каждая свая в составе свайного фундамента выступает в качестве отдельного грунтового теплообменника, в то время как остальные виды энергоэффективных конструкций работают как единый грунтовый теплообменник [12]. Таким образом, при расчете энергоэффективных свай, в отличие от других видов энергоэффективных конструкций, возникает необходимость учитывать их взаимное влияние. Для качественной оценки взаимного влияния работы энергоэффективных свай в составе фундамента проведено исследование путем решения серии численных задач. Его целью являлось нахождение зависимости величины падения плотности теплового потока через поверхность контакта сваи с грунтом Δq (в %) при работе двух энергоэффективных свай от их диаметра d и расстояния между ними S. При планировании были приняты следующие границы основных факторов: - диаметр сваи d = 0,3-1,2 м; - расстояние между сваями S = 1-11 м. Для исследования были применены многофактораные планы. Предполагалось, что искомая зависимость имеет вид полного квадратичного уравнения регрессии: При двух факторах уравнение регрессии принимает вид Приняты три уровня варьирования основных факторов. Всего решено 11 численных задач. Для проведения численного эксперимента использовался программный комплекс GeoStudio, предназначенный для геотехнических задач и моделирования работы фундаментов и грунтовых конструкций. Численные эксперименты проводились в модуле TEMP/W программного комплекса GeoStudio. До выполнения серии расчетов в программном комплексе была создана численная модель работы энергоэффективной сваи, были определены начальные и граничные условия, временные параметры, теплофизические характеристики грунтов модели. В качестве начальных условий задавалась температура грунтового массива (начальная температура принята 6 °С согласно проводимым исследованиям в г. Перми [13]). Граничные условия принимались [13] следующие: - температура боковых границ модели равна 6 °С (начальной температуре массива); - температура поверхности сваи в виде функции с переменной температурой: +1 °С - моделировался отбор тепловой энергии сваей; +10 °С - моделировался сброс тепловой энергии в грунт сваей. Геометрические параметры расчетной модели: - контур региона грунта 50´50 м; - диаметр свай d = 1,2 м. Модель строилась для сваи с максимальным рассматриваемым в исследовании диаметром. Вид расчетной модели приведен на рис. 1. Были определены временные параметры численной модели: - продолжительность работы свай по отбору тепла в год - 220 дней (продолжительность отопительного периода для г. Перми); - общая продолжительность моделирования - 10 лет. В Пермском крае продолжительность отопительного периода принята 220 дней, следовательно, в течение этого времени моделируется отбор тепловой энергии грунта. В следующие 145 дней грунтовый массив восстанавливает температурный баланс. Для моделирования задача делилась на отдельные промежутки времени. Временные интервалы численной модели приведены на рис. 2. Рис. 1. Вид расчетной модели Fig. 1. Calculation model Рис. 2. Временные интервалы численной модели Fig. 2. Time intervals of the numerical model В качестве грунта модели принята глина со следующими характеристиками [14, 15]: - объемная теплоемкость грунта в талом состоянии Cтал = 2400 кДж/(м3∙°С); - объемная теплоемкость грунта в мерзлом состоянии Cмерзл = 1639,40 кДж/(м3∙°С); - теплопроводность талого грунта λтал = 1,21 Вт/(м∙°С); - теплопроводность талого грунта λмерзл = 1,90В т/(м∙°С); - объемная влажность грунта ω = 0,34 д.е. = 34 %. Указанные выше параметры численной модели были определены путем решения ряда тестовых задач для оценки достаточности назначенных временных и геометрических параметров. Созданная численная модель использовалась для проведения серии численных экспериментов. При этом при работе двух свай ширина численной модели увеличивалась не менее чем на расстояние между сваями. С учетом подобранных геометрических и временных параметров численной модели проводилась серия численных экспериментов по оценке взаимовлияния работы двух энергоэффективных свай на основании ранее составленной матрицы планирования. В качестве примера на рис. 3 приведена расчетная схема задачи для свай диаметром 1,2 м и расстоянием между ними 6 м. Рис. 3. Расчетная схема модели для свай диаметром 1,2 м и расстоянием между ними 6 м Fig. 3. The design scheme of the model for piles with a diameter of 1.2 m and a distance between them is 6 m Пример визуализации работы двух энергоэффективных свай по отбору тепла из грунтового массива на последний (10-й) год моделирования для свай диаметром 1,2 м и с расстоянием между ними 6 м приведен на рис. 4. Цветом показаны области с одинаковой температурой, а стрелками - направление теплового потока. Обработка результатов была проведена методами математической статистики. Получено уравнение регрессии зависимости величины падения плотности теплового потока от диаметра свай и расстояния между ними: На основе полученного уравнения регрессии построена номограмма зависимости величины падения плотности теплового потока от диаметра свай и расстояния между ними (рис. 5). Рис. 4. Визуализация работы двух энергоэффективных свай диаметром 1,2 м и с расстоянием между ними 6 м по отбору тепла. Fig. 4. Visualization of the work of two energy piles with a diameter of 1.2 m and a distance between them of 6 m for heat collection Рис. 5. Номограмма зависимости величины падения плотности теплового потока от диаметра свай и расстояния между ними Fig. 5. A nomogram of the dependence of the drop in the density of the heat flux on the diameter of the piles and the distance between them Анализ результатов проведенного исследования показал следующее: - при работе двух энергоэффективных свай величина плотности теплового потока через поверхность контакта сваи с грунтом зависит от их диаметра и расстояния между ними; - величина падения плотности теплового потока уменьшается при увеличении расстояния между сваями; - величина падения плотности теплового потока увеличивается при малых расстояниях между сваями - с уменьшением диаметра свай, при больших - с его увеличением.

About the authors

A. V Zakharov

Perm National Research Polytechnic University

I. D Bakieva

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 155

Refbacks

• There are currently no refbacks.