ОЦЕНКА ВЗАИМОВЛИЯНИЯ РАБОТЫ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ СВАЙ
- Авторы: Захаров А.В1, Бакиева И.Д1
- Учреждения:
- Пермский национальный исследовательский политехнический университет
- Выпуск: Том 8, № 4 (2017)
- Страницы: 86-94
- Раздел: Статьи
- URL: https://ered.pstu.ru/index.php/CG/article/view/840
- DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9826/2017.4.09
- Цитировать
Аннотация
Приведены результаты исследования взаимного влияния работы двух энергоэффективных свай в качестве грунтовых теплообменников. Энергоэффективные сваи, в отличие от других видов энергоэффективных фундаментов, работают как отдельные теплообменники в составе единого фундамента, оказывая влияние друг на друга. Данный факт необходимо учитывать при расчете работы свай в составе энергоэффективного свайного фундамента. При проведении исследования оценивались величина снижения плотности теплового потока через поверхность, константа свай с грунтом при их работе в качестве грунтовых теплообменников. Исследование проводилось путем серии численных расчетов. Основными факторами, варьируемыми при их выполнении, принимались диаметр свай и расстояние между ними. Численные расчеты выполнялись в модуле TEMP программного комплекса GeoStudio. Для их проведения была создана численная модель, были определены ее геометрические размеры, начальные и граничные условия, минимально необходимая продолжительной численного моделирования. Начальные и граничные условия моделирования были приняты для климатических условий и температурного режима грунтов г. Перми. Исследования проводились при работе энергоэффективных свай в глинистом грунте. Результаты численного моделирования обрабатывались методами математической статистики. В результате были получены зависимость теплового потока через поверхность, константа свай с грунтом при их работе в качестве грунтовых теплообменников от диаметра свай и расстояние между ними. Графически зависимость представлена в виде номограммы. Анализ полученной зависимости позволил сделать следующие выводы: 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.
Полный текст
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.Об авторах
А. В Захаров
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
И. Д Бакиева
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Список литературы
- Шаповал В.Г., Моркляник Б.В. Температурні поля в ґрунтових основах теплових насосів: монографія. - Дніпропетровськ: Пороги, 2011. - 123 с.
- Пономарев А.Б., Винников Ю.Л. Подземное строительство: учеб. пособие. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. - 261 с.
- Hochleistungsenergiepfähle zur Nutzung der Geothermie im Hochhausbau / R. Katzenbach [et al.] // Proceedings of the 6th Austrian Geotechical Conference, Vienna, 18-19 January 2007. - Vienna, 2007. - P. 511-522.
- Brandl H. Thermo-active ground-source structures for heating and cooling // Procedia Engineering. - 2013. - Vol. 57. - P. 9-18.
- Brandl H., Adam D., Markiewicz R. Ground-sourced energy wells for heating and cooling of buildings // Acta Geotechnica Slovenica. - 2006. - Vol. 3, № 1. - P. 5-27.
- Brandl H. Energy piles and diaphragm walls for heat transfer form and into the ground // Proceeding of the 3h International Geotechnical Seminar on Deep Foundations on Bored and Auger Piles. - Vienna, Austria, 1998. - P. 38-60.
- Katzenbach R., Adam D., Waberseck T. Innovationen bei der Nutzung geothermischer Energie durch erdberührte Bauwerke, wie z.B // Pfahlgründung mittels Energiepfählen. Geothermie-Symposium Bremerhaven Erdwärme - Energieträger der Zukunft. - Bremerhaven, 2002.
- Sanner B., Mands E., Sauer M.K. Larger geothermal heat pump plants in the central region of Germany // Geothermics. - 2003. - № 32. - P. 589-602.
- Бобров И.А., Захаров А.В. Применение тепловой энергии грунтового основания для отопления и кондиционирования зданий // Вестник Перм. гос. техн. ун-та. Строительство и архитектура. - 2011. - № 1. - С. 10-14.
- Захаров А.В., Пономарев А.Б., Мащенко А.В. Энергоэффективные конструкции в подземном строительстве: учеб. пособие для вузов. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. - 127 с.
- Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли: моногр. - М.: Граница, 2006. - 176 с.
- Dupray F., Laloui L., Kazangba A. Numerical analysis of seasonal heat storage in an energy pile foundation // Computers and Geotechnics. - 2014. - Vol. 55. - P. 67-77.
- Захаров А.В., Пономарев А.Б. Мониторинг температурных полей грунтов г. Перми // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2015. - № 4. - С. 103-112. doi: 10.15593/2224-9826/2015.4.08
- Пономарев А.Б., Калошина С.В. Об инженерно-геологических условиях строительства г. Перми // Проблемы механики грунтов и фундаментостроения в сложных грунтовых условиях: тр. междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 50-летию БашНИИстроя: в 3 т. - Уфа, 2006. - Т. 2. - С. 119-124.
- Захаров А.В., Пономарев А.Б. Анализ взаимодействия энергетических фундаментов в геологических и климатических условиях г. Перми // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. - 2011. - Вып. 4. - С. 24-33.
Статистика
Просмотры
Аннотация - 140
Ссылки
- Ссылки не определены.