книги / Энергоэффективные конструкции в подземном строительстве

Граничные условия нижней границы задавались постоянной во времени величиной плотности теплового потока, вычисленной по фор-

муле (2.4): q = −λ ∂t = −0,59 0,1823 = −0,1075 Вт/м2.

∂n

Граничные условия для поверхности задавались путем приложения к ней климатических характеристик г. Перми за 2008–2009 годы. Климатические характеристики района приняты:

– максимальная и минимальная суточные температуры, минимальная и максимальная влажность в течение суток по архивным данным

сайта http://meteo.infospace.ru;

– среднесуточное количество осадков по архивным данным сайта

http://thermo.karelia.ru.

Полученные данные распространялись (циклически повторялись) на весь период расчетов.

3.2.3. Оценка адекватности численной модели

Оценка адекватности модели проведена путем сравнения смоделированного теплового режима грунтового основания с данными мониторинга приведенными в подразд. 3.1.3.

Произведено сравнение среднемесячных температур грунта в интервале глубин 0–19 м. На рис. 3.20–3.23 представлены графики среднемесячных температур по данным проведенного мониторинга и трех годовых цикловчисленного моделирования для января, апреля, июля иоктября.

Рис. 3.20. График среднемесячных температур января

81

Рис. 3.21. График среднемесячных температур апреля

Рис. 3.22. График среднемесячных температур июля

Рис. 3.23. График среднемесячных температур октября

82

Результаты сравнения получаемых температур грунта при численном моделировании с данными мониторинга изменения температурных полей грунтового основания, представленные на рис. 3.21–3.24 позволили сделать следующие выводы:

–отклонения получаемых температур грунтов при численном моделировании (третий годовой цикл) от данных мониторинга не превышает в среднем 20 %;

–годовые колебания температур в грунтовом массиве при численном моделировании близки между собой, расхождения температур между 2-м и 3-м годовыми циклами не превышает 1,1 °С, или 8 %.

Причиной значительных отклонений температур на глубине до 3 м является влияние располагающегося на поверхности грунта технологического пристроя.

3.2.4. Решение тестовых задач

Решение тестовых задач проведено для определения требуемых геометрических размеров и временных параметров моделей. Тестовые задачи решались для трех основных типов конструкций ЭЭФ, контактирующих с грунтом:

–одиночной сваи диаметром 1,2 м, длиной 20,0 м;

–заглубленного плитного фундамента шириной 24 м, расположенного на глубине 20 м;

–«стены в грунте» глубиной 20 м.

Геометрические параметры фундаментов приняты из практики строительства в г. Перми.

Задачи решались для сваи в осисимметричной, а для фундаментной плиты и «стены в грунте» в плоской постановке. Напластования грунтов, их физические и теплофизические характеристики приняты по данным подразд. 3.1.1 и 3.1.2. Начальные условия (температуры), граничные условия поверхности и основания грунтового массива приняты по данным подразд. 3.2.2.

Дополнительно установлены граничные условия поверхности конструкций, расположенной ниже уровня промерзания грунта, в виде постоянной во времени температуры +1 °С. Тем самым моделировался максимальный отбор тепловой энергии через поверхность контакта конструкций ЭЭФ с грунтом. Температура поверхности конструкций принята минимальная, исходя из условия недопущения замерзания вокруг них грунта. Отбор тепловой энергии через поверхность контакта конструкций с грунтом моделируется только во время отопительного периода – 229 дней.

83

Временные параметры моделирования (количество годовых циклов) принимались исходя из условия установления «нового» температурного режима грунтового массива с учетом отбираемой тепловой энергии, но не менее трех лет.

Расчетные схемы для рассматриваемых моделей приведены на рис. 3.24–3.26.

Рис. 3.24. Расчетная схема модели для одиночной сваи

Для определения минимальных временных параметров проведения численного эксперимента для различных типов ЭЭФ выполнены расчеты в GeoStudio/Temp и получены величины плотности теплового потока через поверхность контакта грунта с фундаментами.

На рис. 3.27–3.29 приведены значения средней плотности теплового потока за отопительный период для различных расчетных схем

(см. рис. 3.25–3.27).

Анализ данных на рис. 3.27 для одиночной сваи показал, что величины плотности теплового потока для 2-го и 3-го годовых циклов близки, максимальное расхождение составляет 7,5 %. Следовательно, к 3-му

84

Рис. 3.25. Расчетная схема модели для заглубленного плитного фундамента

годовому циклу устанавливается новый температурный режим грунтового основания с учетом работы (отбора тепла) сваи. Соответственно, временные параметры численной модели (продолжительность 3 календарных года) достаточны для получения достоверных значений плотности теплового потока через поверхность контакта энергоэффективной сваи с грунтом.

Анализ данных на рис. 3.28 для заглубленного плитного фундамента показал, что величины плотности теплового потока для 6-го и 7-го годовых циклов близки, максимальное расхождение составляет 8,5 %. Следовательно, к 7-му годовому циклу устанавливается новый температурный режим грунтового основания с учетом работы (отбора тепла) фундаментной плитой. Соответственно, временные параметры численной модели (продолжительность – 7 календарных лет) достаточны для получения достоверных значений плотности теплового потока через поверхность контакта плитного фундамента с грунтом.

85

Рис. 3.26. Расчетная схема модели для фундамента «стена в грунте»

Рис. 3.27. Изменение средней плотности тепловогопотока завремя отопительного периода через поверхностьконтактагрунтасосваей длиной 20 м

86

Рис. 3.28. Изменение средней плотности теплового потока за время отопительного периода через поверхность контакта грунта

с фундаментной плитой шириной 50 м

Рис. 3.29. Изменение средней плотности теплового потока за время отопительного периода через поверхность контакта грунта

со «стеной в грунте» глубиной 20 м

Анализ данных на рис. 3.29 для фундамента «стена в грунте» показал, что величины плотности теплового потока для 4-го и 5-го годовых циклов близки, максимальное расхождение составляет 7,5 %. Следовательно, к 5-му годовому циклу устанавливается новый температурный режим грунтового основания с учетом работы (отбора тепла) «стеной в грунте». Соответственно, временные параметры численной модели (продолжительность 5 календарных лет) достаточны для получения достоверных значений плотности теплового потока через поверхность контакта «стены в грунте» с грунтом.

87

Распределение температурных полей в грунтовом массиве на последний день работы для различных типов ЭЭФ приведено на рис. 3.30–3.32.

Рис. 3.30. Распределение температурных полей в грунтовом массиве на последний день работы (3-й годовой цикл) одиночной энергоэффективной сваи

Для оценки зоны влияния работы энергоэффективной сваи построены графики распределения температур на последний день отопительного периода (3-й годовой цикл) на глубине 5 м и по глубине под острием сваи (рис. 3.33 и 3.34).

На основе анализа графиков на рис. 3.33 и 3.34 можно выделить активную и общую зоны влияния работы одиночной энергоэффективной сваи при отборе тепла. При этом активная зона учитывает изменение температуры от работы сваи свыше 1,0 °С, размер активной зоны в плане от оси сваи составил 8,5 м, по глубине от острия сваи – 4,0 м.

88

Рис. 3.31. Распределение температурных полей в грунтовом массиве на последний день (7-й годовой цикл) численного расчета

для заглубленной фундаментной плиты

Размер общей зоны влияния, с учетом изменения температур менее чем на 1,0 °С, в плане от оси сваи составляет ≈26 м, по глубине от острия сваи ≈16 м, что не превышает предварительно выбранных размеров численной модели.

Полученные на основе численного моделирования размеры активной и общей зоны влияния представлены на рис. 3.35.

Для оценки зоны влияния работы плитного энергоэффективного фундамента построены графики распределения температур на последний день отопительного периода (7-й годовой цикл) на глубине 20 м и по глубине под основанием плиты (рис. 3.36 и 3.37).

На основе анализа графиков на рис. 3.38 и 3.39 можно выделить активную и общую зоны влияния работы плитного ЭЭФ при отборе тепла. Размер активной зоны в плане от края плиты составил 9,0 м, по глубине от основания плиты – 15,0 м.

89

Рис. 3.32. Распределение температурных полей в грунтовом массиве на последний день численного расчета (5-й годовой цикл)

для фундамента по схеме «стены в грунте»

Рис. 3.33. Изменение температуры на глубине5,0 мотповерхностидля одиночной энергоэффективной сваи напоследний деньотопительного периода

90