книги / Энергоэффективные конструкции в подземном строительстве

УДК 624.15 З-38

Рецензенты:

канд. техн. наук, доцент В.Г. Офрихтер (ООО «Технострой»);

канд. техн. наук, профессор А.Н. Юзефович (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Захаров, А.В.

З-38 Энергоэффективные конструкции в подземном строительстве / А.В. Захаров, А.Б. Пономарев, А.В. Мащенко. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 128 с.

ISBN 978-5-398-00939-2

Изложены общие сведения о методах использования тепловой энергии грунта и о энергоэффективных конструкциях зданий и сооружений. Рассмотрены принципы работы энергоэффективных конструкций и технология их устройства, описаны методы расчета и проектирования. Приведен пример исследований взаимодействия энергоэффективных конструкций фундаментов сгрунтовым массивом в региональных условияхг. Перми.

Предназначено для обучающихся по направлению подготовки 270800.68 «Строительство», магистерской программе «Подземное и городское строительство». Соответствует содержанию дисциплины «Энергоэффективные конструкции в подземном строительстве».

УДК 624.15

3.1.3.Мониторинг распределения температурных полей в грунтовом массиве и температуры

3.3.5.Сравнение результатов численного эксперимента с данными реализованных проектов

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в зарубежной практике строительства нашли широкое применение энергоэффективные конструкции фундаментов «двойного» назначения. Кроме выполнения основной функции – передачи полезной нагрузки на грунтовое основание, они позволяют использовать за счет развитой контактной поверхности фундаментов геотермальную энергию окружающего грунтового массива для отопления зданий в период их эксплуатации, тем самым повышают эффективность их использования.

Энергоэффективные фундаменты успешно применяют во многих странах: Канаде, США, Австралии, большинстве европейских стран, в некоторых странах с тропическим климатом.

Потребность в тепловой энергии в настоящее время покрывается большей частью за счет угля, нефти и газа. Наличие этих ископаемых энергоносителей ограничено, они относятся к невозобновляемым. Поэтому их стоимость постоянно возрастает. В этой связи мировыми тенденциями развития теплоэнергетики в настоящее время являются: снижение потребления энергии и использование возобновляемых (иногда их называют альтернативными) источников энергии.

Впромышленно развитых странах контролирование процессов снижения потребления энергии и использования ее возобновляемых источников осуществляется на законодательном уровне.

Вэтой связи представляет интерес использование в качестве отопительного прибора (или кондиционера), изобретенного в 1852 году лордом Кельвином, грунтового теплового насоса. Этот прибор при своей работе потребляет, в основном, накопленную грунтовой толщей энергию солнечного тепла и лишь малую часть электрической энергии. Также отметим, что энергия солнечного тепла относится к возобновляемым источникам энергии.

Тепловые насосы (по сути, «холодильники наоборот») получили наиболее широкое распространение в развитых (как правило, бедных природными энергетическими ресурсами) странах (Австрия, Великобритания, Швеция, Япония и др.). Об их эффективности свидетельствует тот факт, что в Швеции все желающие поставить тепловой насос для отопления получают от государства специальную субсидию, а в Японии этими приборами оборудовано около 90 % домохозяйств.

5

В качестве источника тепловой энергии тепловые насосы могут использовать тепло воздуха, воды или грунтового массива.

Наиболее широкое применение в зарубежной практике нашли энергоэффективные конструкции зданий и сооружений (фундаменты, стены и т.д.), позволяющие извлекать тепловую низкопотенциальную энергию грунта.

При составлении данного пособия использованы материалы исследований В.Г. Шаповала и Б.В. Моркляника [18], А.В. Захарова, А.Б. Пономарева и И.С. Боброва [10–12].

Глава 1 ОБЩИЕ ДАННЫЕ ОБ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ

КОНСТРУКЦИЯХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

1.1. Перспектива использования различных возобновляемых источников тепловой энергии

В суммарном энергопотреблении развитых стран (США, Германия, Япония и др.) доля расходуемой на обогрев и кондиционирование для жилых домов тепловой энергии составляет приблизительно 86 % от общей потребности в энергии. При этом только лишь на отопление расходуется приблизительно 75 % от общей потребности энергии(рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структура потребления энергии домохозяйствами в развитых странах: 1 − тепло для обогрева помещений (75 %); 2 − горячая вода для бытовых нужд (11 %); 3 − бытовые электрические приборы, в том числе кондиционеры (12 %); 4 − освещение (2 %)

В настоящее время эта потребность покрывается большей частью за счет газа и нефти. Так как наличие этих ископаемых энергоносителей ограничено и они относятся к невозобновляемым, то их стоимость постоянно возрастает. В этой связи развитие теплоэнергетики в настоящее время идет по двум основным направлениям:

1)снижение потребления энергии;

2)использование возобновляемых (иногда их называют альтернативными) источников энергии.

7

В промышленно развитых странах процесс снижения потребления энергии происходит на законодательном уровне. Например, в Германии начиная с 1977 года законодательство уже определяло граничные параметры отопительных приборов и ограждающих конструкций зданий и сооружений в разнообразных предписаниях по теплозащите и рациональному использованию тепловой энергии. В конечном итоге, на государственном уровне было принято обязательное для исполнения всеми субъектами хозяйственной деятельности «Положение об обеспечении энергосберегающей тепловой защиты и применения энергосберегающих приборов и оборудования в зданиях (EnEV)». Суть этого положения

заключается в том, что законодательно был создан единый свод правил, ограничивающий годовой расход первичной энергии на отопление и горячее водоснабжение (ГВС) – в зависимости от типа здания – от 80 до 140 кВт·ч на 1 м2 обогреваемой полезной площади в год. Это положение было принято к исполнению с 01.02.2002 и действует в настоящее время.

Проанализируем эффективность использования для нужд отопления основных регенеративных источников энергии, которые сейчас получили наибольшее распространение.

Основными возобновляемыми (т.е. регенеративными) источниками энергии являются:

−лучистая энергия Солнца;

−энергия ветра;

−энергия движущейся воды;

−тепловая подземная энергия, обусловленная нагревом верхней части земной коры энергией Солнца;

− тепловая подземная энергия, обусловленная происходящими в нижней части земной коры и мантии физико-химическими процессами;

− энергия сгорания растений.

Значительная часть вышеприведенных возобновляемых источников либо зависима от погодных явлений (солнечные дни, наличие и скорость ветра), либо ограничена географическими особенностями территорий (наличие рек, растительности).

Следовательно, можно сделать вывод о том, что наиболее универсальным возобновляемым источником является тепловая подземная энергия.

8

В настоящее время известны следующие способы извлечения тепловой энергии из верхней части земной коры, в том числе с использованием грунтовых тепловых насосов:

1.Прямой обогрев зданий (как правило, промышленных и складских помещений) без использования тепловых насосов за счет подземного тепла и циркуляции теплоносителя.

2.Прямое кондиционирование зданий без использования тепловых насосов за счет подземного холода и циркуляции теплоносителя.

3.Окончательный нагрев воды для бытовых целей с использованием теплового насоса.

4.Переход на более высокий температурный уровень с использованием теплового насоса (т.е. предварительный подогрев воды).

5.Использование тепловых насосов для нужд отопления.

6.Использование тепловых насосов для нужд кондиционирования.

7.Использование тепловых насосов в реверсном режиме (т.е. для нужд отопления и кондиционирования одновременно).

8.Использование для прямого отопления теплых стоков, речной

иморской воды без применения тепловых насосов.

9.Использование для прямого охлаждения речной и морской воды без применения тепловых насосов.

В зависимости от схемы действия отопительной системы, вида основания и температуры грунтовой воды вышеперечисленные методы можно разделить на следующие группы:

– извлечение геотермальной энергии из грунтовой толщи непосредственно, без использования тепловых насосов (этот вариант отопления обычно используют в странах с высокой вулканической активностью, например, в Исландии);

– сезонное накопление тепловой энергии с тем, чтобы ее использовать в холодное время года;

– накопление в основании холода с тем, чтобы использовать накопленную таким образом энергию для нужд кондиционирования;

– реверсный нагрев и охлаждение основания (в этом случае накопленная летом тепловая энергия используется для нужд отопления здания зимой, а охлажденное за счет отбора тепловой энергии зимой для нужд отопления основание используется для нужд кондиционирования летом).

9

Принципы работы теплового насоса подробно описаны в подразд. 1.2. Общие положения и существующие технологии, позволяющие реализовать приведенные методы извлечения тепловой энергии грунта, рассмотрены в подразд. 1.3 и 1.4.

1.2. Принципы функционирования теплового насоса

Для понимания основного принципа функционирования теплового насоса воспользуемся аналогией. Поставим условное соответствие между теплом и водой. Точно так же, как вода не течет вверх, тепло всегда перетекает только от горячего тела (источника тепла) к холодному телу (приемнику тепла). Для того чтобы использовать энергию воды, мы должны поднять ее на некоторый уровень (для этой цели сооружают плотины). Аналогичным образом для того, чтобы использовать для отопления и получения для бытовых нужд горячей воды низкопотенциальное тепло из окружающей среды, т.е. из грунта, или грунтовых вод, необходимо это тепло «перекачать» или «поднять» на более высокий уровень. Для этой «перекачки» используется физиче-

ское явление фазовых переходов жидкости в газообразное состояние

и, наоборот, газа в жидкость. В качестве рабочего тела, позволяющего осуществлять такие фазовые переходы, используют специальные жидкости, которые называют хладагентами. Их основной отличительной чертой от остальных жидкостей является относительно низкая температура кипения и переход в жидкое состояние при относительно низких значениях давления.

Таким образом, «сердцем» теплового насоса является циркуляционный контур, заполненный хладагентом и включающий в себя конденсатор и компрессор.

Принцип действия и конструкции теплового насоса полностью идентичен контуру хладагента холодильников. Эти устройства испытаны временем и практикой использования и очень надежны. Поэтому тепловые насосы по надежности также сопоставимы с холодильными установками.

Однако необходимо отметить, что назначения теплового насоса и холодильника диаметрально противоположны: внутри холодильника тепло отбирается у охлаждаемых продуктов и рассеивается в окружающей среде (т.е. помещении, в котором находится холодильник), а тепловой насос отбирает тепло из окружающей среды (т.е. воды или земли,

10