книги / Энергоэффективные конструкции в подземном строительстве

1.5.Энергоэффективные конструкции зданий и сооружений

Внастоящее время одним из наиболее динамично развивающихся способов «извлечения» низкопотенциального тепла грунта является применение энергоэффективных конструкций зданий и сооружений (фундаменты, «стены в грунте», подпорные стены и т.д.).

По сравнению с другими технологиями для получения энергии из альтернативных источников, в том числе и тепла грунта, энергоэффективные конструкции зданий и сооружений имеют значительные преимущества.

Кроме функции извлечения из грунта экологически чистой и возобновляемой энергии, используемой для отопления и кондиционирования зданий, энергоэффективные конструкции выполняют роль конструкционных элементов здания и сооружения.

Как правило, любая технология для получения энергии воды, солнца, грунта требует значительных первоначальных капиталовложений. Энергоэффективные конструкции зданий и сооружений позволяют снизить капиталовложения, поскольку они необходимы для обеспечения конструктивной безопасности зданий и сооружений: фундаменты – для передачи нагрузок на грунтовые основания, «стены в грунте» – для создания подземного пространства зданий, подпорные стены – для обеспечения устойчивости откосов или склонов и т.д. Одновременно с этим они выполняют функцию теплообменника с грунтовым массивом.

Кроме прочих преимуществ энергоэффективных конструкций, сам бетон является хорошим теплообменником (обладает высокой теплопроводностью и теплоемкостью), способствующим процессу теплообмена грунт–теплоноситель.

Явное преимущество энергоэффективных конструкций перед системами, установленными в обычные буровые скважины, и грунтовыми коллекторами заключается в том, что они не требуют дополнительной площади земли и требуют минимум инфраструктуры для теплового насоса и всевозможных соединений – в пределах пятна под застройку, что очень важно при строительстве на территории города.

При проектировании энергоэффективных конструкций необходимо учитывать процессы, происходящие в них при колебании температуры. Геотехническое проектирование требует рассмотрения сложной взаимосвязи между температурными изменениями и вызванными усилиями и напряжениями в конструкциях, которые могут повлиять на их работу.

21

При устройстве энергоэффективных конструкций важно использовать трубы с высокой сопротивляемостью к возможным нагрузкам и деформациям, а также позволяющие выполнять изгибы малых радиусов. Например, при устройстве энергоэффективных свай укладка трубопроводов производится по длине армокаркаса в петли. Фиксация трубопроводов к армокаркасам производится проволочными фиксаторами или соединителями кабелей (рис. 1.11, 1.12).

Рис. 1.11. Монтаж трубопроводов на армокаркас

Рис. 1.12. Укладка трубопроводов энергоэффективных свай

Технология устройства энергоэффективных свай состоит из следующих этапов:

1. Укладка трубопроводов на внутреннюю сторону армокаркасов буронабивных свай. При укладке трубопроводов энергоэффективных свай используется способ укладки в две вертикальные петли (рис. 1.13, а) и две U-образные петли (рис. 1.13, б). При укладке двух вертикальных петель трубы крепятся к армокаркасам буронабивных свай по высоте в виде двух непрерывных петель. Этот вид укладки максимально упрощает монтаж. В верхней части сваи производится подключение

22

одного подающего и одного обратного трубопровода к отводам распределителей.

При укладке двух U-образных петель трубы укладываются в две U-образные петли по высоте армокаркаса буронабивных свай. В верхней части свай производится стык уложенных петель с использованием технологии соединения надвижными гильзами. Этот вид укладки упрощает удаление из системы воздуха. Подключение полученных подающего и обратного трубопроводов к отводам распределителей также производится в верхней части свай.

аб

Рис. 1.13. Укладка энергоэффективных свай в две вертикальные петли (а), в две U-образные петли (б)

2. Установка на смонтированные трубопроводы в верхней части армокаркасов защитных труб, их фиксация и подрезка (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Соединение трубопроводов в защитной трубе

3.Маркировка трубопроводов в соответствии со сборочной схемой.

4.Установка контрольного оборудования с манометром (рис. 1.15).

23

Рис. 1.15. Установка контрольного оборудования

5.Создание контрольного давления 6 бар.

6.Погружение армокаркаса с теплообменниками в скважину

(рис. 1.16).

Рис. 1.16. Установка армокаркаса в скважину

7.Заполнение скважины бетоном.

8.Проведение повторного контроля потерь давления после бето-

нирования.

Рис. 1.17. Соединение концов труб теплообменников

вединую систему

9.Соединение между собой концов труб теплообменников, выходящих на поверхность земли, в единую систему (рис. 1.17).

24

1.6. Примеры энергоэффективных конструкций зданий и сооружений

Колледж в г. Оксфорд. Фундамент здания выполнен из энергоэффективных свай (рис. 1.18):

–15 свай, диаметр 750 мм, длина 12,5 м;

–14 свай, диаметр 600 мм, длина 7,5 м;

–61 свая, диаметр 450 мм, длина 5 м.

Рис. 1.18. Энергоэффективный фундамент колледжа в г. Оксфорд

Количество энергии, получаемое за год для отопления, – 74,725 кВт/ч; количество энергии, получаемое за год для кондиционирования, – 55,183 кВт/ч.

Метрополитен в Германии. В качестве энергоэффективных конструкций использованы стены метрополитена, выполненные по схеме «стена в грунте». Стены выполнены из свай диаметром 120 см, длиной 20 м.

25

Получаемая тепловая энергия использована для систем отопления рядом стоящих зданий (рис. 1.19). Мощность системы отопления –

100 кВт.

Рис. 1.19. Система отопления здания за счет метрополитена (Германия)

Галерея Брегенца. Запроектирована система кондиционирования мощностью 100 кВт. В качестве грунтовых теплообменников использованы энергоэффективные конструкции, выполненные по технологии «стена в грунте» (рис. 1.20).

Рис. 1.20. Система кондиционирования галереи Брегенца

26

Небоскреб в г. Франкфурт-на-Майне. Первичный контур системы отопления и кондиционирования здания выполнен из энергоэффективных свай длиной до 35 м, диаметром от 90 до 150 см (рис. 1.21).

Мощность системы отопления – 300 кВт, мощность системы кондиционирования – 160 кВт.

Рис. 1.21. Небоскреб в г. Франкфурт-на-Майне

Здание Северо-Германского банка. Система отопления и конди-

ционировании здания с помощью свайно-плитного энергоэффективного фундамента выполнена из 122 свай диаметром 90 см, длиной 20 м (рис. 1.22).

Мощность системы охлаждения – 350 кВт, мощность системы отопления – 150 кВт.

27

Рис. 1.22. Здание Северо-Германского банка; монтаж системы теплообменников

Офисное здание PAGO (Германия). Запроектирована система кондиционирования и отопления здания мощностью 520 кВт. В качестве грунтовых теплообменников применены 570 энергоэффективных призматических свайзаводского изготовления сечением 40×40 см (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Офисное здание PAGO (Германия)

28

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите основные виды возобновляемых (альтернативных) источников энергии.

2.Почему наиболее универсальным источником возобновляемой энергии является низкопотенциальная энергия грунта?

3.Назовите главные преимущества основных видов систем, использующих низкопотенциальную энергию грунта?

4.Какие внешние факторы оказывают влияние на температурный режим грунта?

5.В чем заключается принцип действия теплового насоса?

6.Каким образом оценивается эффективность работы теплового

насоса?

7.В чем отличие открытых и закрытых систем использования низкопотенциальной энергии грунта?

8.К каким типам систем, использующих низкопотенциальную энергию грунта, относятся энергоэффективные конструкции?

9.Приведите примеры энергоэффективных подземных конструкций зданий и сооружений.

10.Какие основные функции выполняют энергоэффективные конструкции зданий и сооружений?

Глава 2 МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Основываясь на зарубежном опыте проектирования сложных энергоэффективных конструкций зданий и сооружений, можно говорить о том, что они базируются на применении численных методов расчета с применением ЭВМ и экспериментальных, натурных работах, выполненных для каждого проекта.

Можно провести аналогию с проектированием свайных фундаментов. Фундаменты здания рассчитываются, как правило, аналитическими методами, согласно положениям действующих нормативных документов, а в отдельных случаях при сложных инженерно-геологических условиях или сложных конструктивных решениях самого здания, с применением сертифицированного программного обеспечения, реализующего численные методы расчета.

При этом строительство свайных фундаментов обязательно сопровождается натурными испытаниями, которые также закреплены в нормах. Фактически допустимую нагрузку на сваи принимают по результатам натурных исследований. Это обусловливается, с одной стороны, сложностью сбора адекватных исходных данных для проектирования, с другой стороны– несовершенством существующих методов расчета.

Наиболее значительным является вопрос сбора данных для проектирования фундаментов, иначе говоря, проведение инженерногеологических изысканий.

Не всегда возможно получить адекватные характеристики грунтов лабораторными методами, например для водонасыщенных песков, текучих глинистых грунтов, грунтов, изменяющих свои характеристики под воздействием воды и воздуха и т.д. Именно поэтому в настоящее время изменения в нормативных требованиях к инженерно-геологичес- ким изысканиям направлены в сторону проведения полевых испытаний грунтов штамповыми методами, статистическим зондированием, прессиометрическим методом и т.д. Этим же обусловлено требование проведения лабораторных испытаний грунтов, имитирующих работу грунта в условиях естественного сложения.

30