книги / Энергоэффективные конструкции в подземном строительстве

Рис. 3.45. Номограмма зависимости плотности теплового потока ( q ) через поверхность контакта плитного фундамента с грунтом от ширины ( b ) и глубины заложения ( d ). 1-й тип инженерно-геологических условий

111

112

Рис. 3.46. Номограмма зависимости плотности теплового потока ( q ) через поверхность контакта плитного фундамента с грунтом от ширины ( b ) и глубины заложения ( d ). 2-й тип инженерно-геологических условий

Рис. 3.47. Номограмма зависимости плотности теплового потока ( q ) через поверхность контакта «стены в грунте» с грунтом от глубины заложения ( d ) для 1-го и 2-го типа инженерно-геологических условий

113

Анализ уравнений регрессии (3.21)–(3.26) и номограмм показал, что:

–плотность теплового потока ( q ) через поверхность контакта сваи

сгрунтом зависит от ее радиуса ( r ) и глубины заложения острия сваи ( d ). При этом плотность теплового потока уменьшается с увеличением радиуса и длины сваи;

–плотность теплового потока ( q ) через поверхность контакта

плитного фундамента с грунтом зависит от его ширины ( b ) и глубины заложения ( d ). При этом плотность теплового потока уменьшается с увеличением ширины и глубины расположения фундамента;

– плотность теплового потока ( q ) через поверхность контакта «стены с грунтом» с грунтом зависит от глубины заложения ( d ). При этом плотность теплового потока уменьшается с увеличением величины заглубления «стены в грунте»;

– величина плотности теплового потока для 2-го типа инженерногеологических условий выше, чем для 1-го типа, для одиночной сваи на ≈10 %, для плитного фундамента и фундамента по схеме «стена в грунте» на ≈6%, что обусловлено более высокой теплопроводностью песчаных грунтов.

3.3.5.Сравнение результатов численного эксперимента

сданными реализованных проектов в зарубежных странах

Несмотря на имеющиеся в России примеры использования тепловой (низкопотенциальной) энергии грунта, примеров получения тепловой энергии с помощью энергоэффективных фундаментов нет. В реализованных объектах первичный контур выполнен в виде либо глубинных, либо приповерхностных теплообменников, устраиваемых вне площади застройки зданий.

В связи с этим сравнение результатов численного эксперимента произведено с данными реализованных проектовв зарубежных странах.

Н. Brandl (Вена, Австрия) приводит следующие величины тепловой энергии, получаемой от различных типов энергоэффективных фундаментов для европейских стран [20]:

–сваи диаметром 0,3–0,5 м: 40–60 Вт с 1 м погонной длины (200– 800 Вт/м2);

–сваи диаметром ≥ 0,6 м: до 35 Вт/м²;

114

–«стена в грунте»: до 30 Вт/м²;

–плитный фундамент: 10–30 Вт/м².

Обобщая результаты выполненного нами численного моделирования, можно получить следующие величины тепловой энергии:

–сваи диаметром 0,4–0,5 м: 20–50 Вт/м2;

–сваи диаметром ≥ 0,6 м: 10–40 Вт/м²;

–«стена в грунте»: до 8 Вт/м²;

–плитный фундамент: 2–6 Вт/м².

Сравнительный анализ наших и зарубежных исследований показал:

–наиболее сопоставимые величины получаемого тепла (теплового потока) получены для свай диаметром более 0,6 м;

–в европейских станах энергоэффективные сваи малого диаметра выполняют длиной 50 м и более, при этом с увеличением длины сваи увеличивается эффективность работы сваи как теплообменника за счет теплового потока от ядра земли ниже нейтрального слоя. Нами при численном моделировании границы варьирования длины свай приняты, исходя из практики строительства в г. Перми, до 20 м. Исходя из этого для свай диаметром 0,4–0,5 м полученные величины на порядок ниже;

–полученные значения тепловой энергии для плитных фундаментов и «стены в грунте» меньше приведенных Н. Brandl [20] примерно

в4 раза, что обусловливается более низкими температурами грунта и климатическими условиями г. Перми.

3.4. Методика проектирования энергоэффективных фундаментов

3.4.1. Область применения полученных зависимостей для расчета энергоэффективных фундаментов

Разработанные зависимости плотности теплового потока через поверхность контакта фундаментов с грунтом (3.24)–(3.29) получены для инженерно-геологических и климатических условий г. Перми.

Зависимости получены для двух основных типов грунтовых условий г. Перми: уравнения (3.24), (3.26) и (3.28) – для 1-го типа, характерного для левобережной части города; уравнения (3.25), (3.27) и (3.29) – для 2-го типа, характерного для правобережной части.

Зависимости получены для трех основных типов фундаментов: одиночной сваи [(3.24) и (3.25)], заглубленного плитного фундамента

[(3.26) и (3.27)] и фундамента «стена в грунте» [(3.28) и (3.29)].

115

Для удобства применения разработанных зависимостей построены номограммы (см. рис. 3.43–3.47).

Область применения зависимостей для каждого из типов фундаментов определяется следующими геометрическими параметрами

иглубиной заложения фундаментов:

–для одиночной сваи: радиус ( r ) – 0,2–0,6 м, глубина заложения

( d ) – 4–20 м;

–для заглубленного плитного фундамента: ширина ( b ) – 6–24 м, глубина заложения ( d ) – 4–20 м;

–для фундамента «стена в грунте»: глубина заложения ( d ) – 4–20 м.

3.4.2.Укрупненный алгоритм проектирования энергоэффективных фундаментов

Энергоэффективные фундаменты (ЭЭФ) выполняют двойную роль: во-первых, являются несущими элементами, так как воспринимают нагрузку и передают ее на основание, во-вторых, выступают в качестве теплообменников с грунтовым основанием.

Предложенная методика позволяет повысить эффективность применения различных типов фундаментов за счет включения в техникоэкономическое обоснование того или иного варианта фундаментов эксплуатационных затрат на отопление зданий. В соответствии с этим разработан следующий алгоритм проектирования ЭЭФ:

1.Выполняется вариантное проектирование различных типов фундаментов с учетом инженерно-геологических условий строительства, осуществляется подбор геометрических размеров и глубины заложения фундаментов. Выполняются расчеты фундаментов по группам предельных состояний, согласно действующим СНиП и СП.

2.Определяется стоимость строительства принятых вариантов фундаментов по укрупненным расценкам.

3.Для выбранных вариантов фундаментов по разработанным номограммам в зависимости от инженерно-геологических условий, геометрических параметров и глубины заложения определяется величина извлекаемой тепловой энергии за отопительный период в результате взаимодействия ЭЭФ с грунтовым массивом.

4.Определяется величина снижения эксплуатационных затрат за отопительный период, обусловленная применением ЭЭФ.

5. Выбирается оптимальный вариант устройства фундаментов с учетом требований конструкционной безопасности и энергетической эффективности.

116

При проектировании фундаментов («посадке» здания) учитываются зоны влияния работы энергоэффективных фундаментов.

3.4.3. Примеры проектирования энергоэффективных фундаментов

В качестве примеров применения предложенной методики при проектировании энергоэффективных фундаментов приведены расчеты для малоэтажного жилого здания (коттеджа) и административного многоэтажного здания.

Проектирование ЭЭФ малоэтажного здания. В качестве примера выбрантиповой проект индивидуального 2-этажного жилого дома.

Здание сложной в плане формы с размерами в осях 14,8×13,5 м с подземным гаражом. Общая площадь здания (с подземным этажом) составляет 360 м2, строительный объем 1500 м3. Общий вид и план 1-го этажа жилого дома приведены на рис. 3.48 и 3.49.

Рис. 3.48. Общий вид жилого двухэтажного дома

Инженерно-геологические условия приняты согласно 1-му типу грунтовых условий г. Перми.

Рассмотрены два варианта фундаментов: свайный, из буронабивных свай с монолитным ростверком и плитный фундамент.

При расчете свайного фундамента варьировались длина и радиус свай. Длина свай принята 6, 7, 8 и 9 м, радиус – 0,2 и 0,25 м. В соответствии с грунтовыми условиями несущая способность одиночной сваи составила 209,06–457,61 кН. Требуемое количество свай в за-

117

висимости от принятого варианта изменялось от 33 до 73 шт. Отметка низа ростверка –4,000 (за 0,000 условно принят уровень планировки). Результаты расчета сведены в табл. 3.37.

Рис. 3.49. План 1-го этажа жилого 2-этажного дома

Таблица 3 . 3 7 Результаты расчета свайного фундамента

118

Окончание табл. 3 . 3 7

Рассмотрим расчет количества получаемой тепловой энергии для 1-го варианта свайного фундамента.

Длина сваи l = 6, отметка низа ростверка –4,000, тогда глубина заложения острия сваи d = 6 + 4 = 10 м.

Определим среднюю плотность теплового потока через поверхность свай, контактирующую с грунтом q , Вт/м2. Для 1-го типа грунтовых условий г. Перми определим q по уравнению (3.24), подставив известные радиус r = 0,2 м и глубину заложения острия сваи d = 10 м: q = 46,85 Вт/м2.

Исходя из геометрических размеров свай ( r , l ) и количества свай в составе фундамента определяем суммарную площадь поверхности фундамента S = 550,13 м2.

Определим общий тепловой поток для всех свай в составе фунда-

мента: Q = qS = 46,85·550,13 = 25620 Вт = 25,62 кВт.

Результаты расчета для всех вариантов свайного фундамента сведены в табл. 3.38.

Таблица 3 . 3 8 Результаты расчета величины теплового потока для свайных ЭЭФ

В качестве плитного фундамента запроектирована монолитная железобетонная плита толщиной 400 мм, площадью S = 220 м2. Ширина плиты b = 14,5 м, глубина заложения (отметка подошвы) d = 4 м.

Определим среднюю плотность теплового потока через поверхность плитного фундамента, контактирующую с грунтом, по (3.26) для

1-го типа геологических условий и известных b и d : q = 4,06 Вт/м2. Определим общий тепловой поток через поверхность плитного фунда-

мента, контактирующуюсгрунтом: Q = qS = 40,6·220 = 890 Вт= 0,89 кВт. Рассчитываем стоимость строительства ССМР и величину снижения эксплуатационных затрат ∆Сэк, обусловленную применением ЭЭФ, для

всех вариантов фундаментов.

Определяем превышение ∆ССМР относительно оптимального варианта фундаментов, определенного по ССМР для всех вариантов фундаментов. Рассчитываем срок окупаемости T с учетом ∆Сэк по формуле

Результаты расчетов для всех вариантов приведены в табл. 3.39. Таблица 3 . 3 9

Выбор оптимального варианта фундаментов

*Оптимальный вариант фундаментов по ССМР.

**Оптимальный вариант ЭЭФ по ∆Сэк.

Таким образом, оптимальным ЭЭФ является свайный фундамент варианта №1. При этом выбор данного варианта обеспечит снижение эксплуатационных затрат на 57 тыс. руб./год (≈160 руб. на 1 м2 площа-

120