книги / Энергоэффективные конструкции в подземном строительстве

ди здания), срок окупаемости по сравнению с оптимальным вариантом по стоимости СМР составит менее одного года.

В результате проведенных расчетов сделаны следующие выводы:

1.Оптимальным с точки зрения получения тепловой энергии является фундамент со сваями с наименьшей длиной 6 м и радиусом 0,2 м, что подтверждает результаты проведенного анализа полученных регрессионных зависимостей (3.24) и (3.25). Оптимальным ЭЭФ является свайный фундамент варианта №1.

2.Величина снижения эксплуатационных затрат, получаемая свайным фундаментом, примерно в 25 раз больше, чем для фундаментной плиты.

Проектирование энергоэффективных фундаментов многоэтажного административного здания. В качестве примера взято ад-

министративное здание в одном из центральных районов г. Перми. Здание имеет Г-образную форму в плане с размерами в осях

41,1×48,3 м, переменной этажности (от 8–12 этажей). Общая площадь

здания составляет ≈14 000 м2, строительный объем ≈53 000 м3.

На этапе проектных работ было выполнено вариантное проектирование различных типов фундаментов с учетом инженерно-геологических условий площадки строительства и нагрузок на фундаменты здания.

Инженерно-геологические условия площадки относятся к 1-му типу грунтовых условий г. Перми. По результатам расчета по несущей способности и деформациям для каждого варианта определены основные параметры фундаментов (табл. 3.40).

Рассмотрим расчет количества получаемой тепловой энергии для каждого из вариантов энергоэффективных фундаментов.

Вариант 1. Свайный фундамент из буровых свай-стоек. Длина сваи l = 16 м, глубина заложения острия сваи d = 20 м.

Определим среднюю плотность теплового потока через поверх-

ность 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 = 0,4 м и глубину заложения острия сваи d = 20 м: q = 16,40 Вт/м2.

Исходя и геометрических размеров свай ( r , l ) и количества свай в составе фундамента, определяем суммарную площадь поверхности фундамента S = 6149,38 м2.

Определим общий тепловой поток для всех свай в составе фунда-

мента: Q = qS = 16,40·6149,38 = 100 910 Вт = 100,91 кВт.

Вариант 2. Свайный фундамент из буровых свай, работающих по схеме висячих. Длина сваи l = 10 м, глубина заложения острия сваи d = 14 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 = 0,4 м и глубину заложения острия сваи d = 14 м: q = 25,73 Вт/м2.

Исходя из геометрических размеров свай ( r , l ) и количества свай в составе фундамента, определяем суммарную площадь поверхности фундамента S = 5300,32 м2.

Определим общий тепловой поток для всех свай в составе фунда-

мента: Q = qS = 25,37·5300,32 = 136 370 Вт = 136,37 кВт.

Вариант 3. Сплошная монолитная плита. Площадь S = 1700 м2,

ширина плиты b = 24 м, глубина заложения 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 глубинызаложения d = 20 м: q = 2,23 Вт/м2. Определим общий тепловой поток через поверхность плитного фун-

дамента, контактирующую с грунтом: Q = qS = 2,23·1700 = 3790 Вт = = 3,79 кВт.

122

Вариант 4. «Стена в грунте» по периметру здания и буронабив-

ные сваи. В качестве энергоэффективного фундамента рассматривалась только «стена в грунте». Протяженность «стены в грунте» – 176 м, глубина заложения d – 20 м.

Определим среднюю плотность теплового потока через поверх-

ность «стены в грунте», контактирующую с грунтом, q , Вт/м2. Для 1-го

типа грунтовых условий г. Перми определим q по уравнению (3.28),

подставив глубину заложения d = 20 м: q = 2,27 Вт/м2.

Определяем площадь поверхности «стены в грунте», через которую производится отбор тепловой энергии. С учетом глубины промерзания грунтов 2,0 м искомая площадь S = (20–2)·176 = 3168 м2.

Определим общий тепловой поток для всех свай в составе фунда-

мента: Q = qS = 2,27·3168 = 7190 Вт = 7,19 кВт.

Результаты расчета количества получаемой тепловой энергии сведены в табл. 3.41.

Таблица 3 . 4 1 Результаты расчета вариантов энергоэффективных фундаментов

Рассчитываем стоимость строительства ССМР и величину снижения эксплуатационных затрат ∆Сэк, обусловленную применением ЭЭФ, и срок окупаемости T для всех вариантов фундаментов.

Результаты расчетов для всех вариантов приведены в табл. 3.42. Таким образом, оптимальным ЭЭФ является свайный фундамент варианта № 2. При этом выбор данного варианта обеспечит снижение эксплуатационных затрат на 304 тыс.руб./год (≈20 руб. на 1 м2 площади здания), срок окупаемости по сравнению с оптимальным вариантом по

стоимости СМР составит 2,4 года.

123

*Оптимальный вариант фундаментов по ССМР.

**Оптимальный вариант ЭЭФ по ∆Сэк.

Приведенные примеры расчетов показали:

1.Оптимальным с точки зрения получения тепловой энергии является фундамент со сваями с наименьшей длиной, что подтверждает результаты проведенного анализа полученных регрессионных зависимостей (3.24) и (3.25). Оптимальным ЭЭФ является свайный фундамент варианта № 1.

2.Величина снижения эксплуатационных затрат, получаемая свайным фундаментом, примерно в 30 раз больше, чем для фундаментной плиты, и 15 раз больше, чем для «стены в грунте».

3.5. Выводы по результатам исследования

Проведенные исследования позволили установить тепловой режим грунтового основания на глубину до 20 м для климатических и инже- нерно-геологических условий г. Перми. Температура грунтового массива, начиная с 6 м, не зависит от колебаний температур воздуха и составляет 13 °С с уменьшением до 10 °С на глубине 20 м.

На примерах расчета и сравнения вариантов показано, что наиболее оптимальной конструкцией ЭЭФ для инженерно-геологических и климатических условий г. Перми являются свайные фундаменты. Численное моделирование показало, что эффективность применения различных типов ЭЭФ, при равных инженерно-геологических условиях, зависит от их глубины заложения и геометрических параметров фундаментов.

Полученные регрессионные зависимости позволили разработать методику конструирования, с помощью которой можно запроектировать энергоэффективный вариант фундаментов с учетом инженерно-

124

геологических условий. Практическое применение результатов исследований позволяет повысить эффективность использования существующих конструкций фундаментов.

Вопросы для самоконтроля

1.В чем заключаются отличия натурных и численных экспери-

ментов?

2.Опишите порядок проведения численного эксперимента.

3.Каким образом обеспечивается достоверность полученных данных при выполнении натурных и численных экспериментов?

4.С какой целью выполняется математическое планирование серии экспериментов?

5.На основании каких параметров разрабатывается матрица проведения экспериментов?

6.На основе чего определяются размеры модели при выполнении численного моделирования?

7.Как определяется количество уровней варьирования основных факторов?

8.Назовите известные вам методы определения теплоемкости

грунтов.

9.Назовите известные вам методы определения теплопроводности грунтов.

10.Назовите основные факторы, влияющие на изменение плотности теплового потока через поверхность контакта энергоэффективных конструкций с грунтом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Беляев H.М. Термодинамика. – Киев: Вища школа, 1987. – 344 с.

2.Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли. – М.: Граница, 2006.

3.ГОСТ 12071–2000. Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов. – М., 2000.

4.ГОСТ 12248–96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. – М., 1996.

5.ГОСТ 5180–84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. – М., 1984.

6.ГОСТ 20522–96. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. – М., 1996.

7.ГОСТ 23250–78. Материалы строительные. Метод определения удельной теплоемкости. – М., 1978.

8.Захаров А.В. Применение геотермальной энергии грунта для отопления зданий в климатических и инженерно-геологических условиях Пермского края // Вестник гражданских инженеров. – 2010. – № 2

(23). – С. 85–89.

9.Королев В.А. Термодинамика грунтов: учеб. пособие. – М.:

Изд-во МГУ, 1997. – 168 с.

10.Пономарев А.Б., Захаров А.В. Использование геотермальной энергии для отопления и кондиционирования зданий // Малоэтажное строительство в рамках национального проекта «Доступное и комфортное жилье – гражданам России»: технологии и материалы, проблемы и перспективы развития в Волгоградской области: материалы междунар. науч.-практ. конф., 15–16 дек. 2009 г. / Администрация Вол-

гоград. обл. [и др.]. – Волгоград, 2009. – С. 223–226.

11.Пономарев А.Б., Захаров А.В. Использование геотермальной энергии для отопления и кондиционирования зданий // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. – 2010. – Вып. 17 (36). – С. 119–122.

12.Захаров А.В., Бобров И.А. Использование тепловой энергии земли с применением энергетических фундаментов // Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства: ма-

126

териалы междунар. конф., г. Пермь, 18–19 октября 2011 г. / Рос. акад. архит. и строит. наук [и др.]. – Пермь, 2011. – С. 373–378. – (Академические чтения им. А.А. Бартоломея).

13. 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.- практ. конф., посвящ. 50-летию БашНИИстроя: в 3 т. – Уфа, 2006. –

Т. 2. – С. 119–124.

14.СНиП 2.02.04–88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. – М., 1989.

15.СНиП 23-01–99*. Строительная климатология. – М., 2000.

16.Чеверев В.Г. Природа криогенных свойств грунтов. – М.: На-

учный мир, 2004. – 234 с.

17.Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника: учеб. для хим.- технол. спец. вузов. – М.: Высшая школа, 1986. – 344 с.

18.Шаповал В.Г., Моркляник Б.В. Основания и фундаменты тепловых насосов. – Львов: Сполом, 2009. – 64 с.

19.Asrar G., Kanemasu E.T. Estimating thermal diffusivity near the

soil surface using Laplace transform: Uniform initial conditions // Soil Sci. Soc. Am. J. – 1983. – № 47. – Р. 397–401.

20.Brandl H. Energy foundation and other thermo-active ground structures // Geotechnique 56. – 2006. – Р. 81–122.

21.Engineering Characteristics of Frozen and Thawing Soils. Permafrost Engineering Design and Construction / G.H. Johnston, B. Ladanyi, N.R. Morgenstern, E. Penner; ed. by Johnston, G.H. John Wiley & Sons, 1981.

22.Katzenbach R., Waberseck T. Geothermics as an Element of Developed and Sustainable Energy Supply to Prevent the World Climate Change // Geotechnical Problems of the 21st Century in the Construction of Buildings and Foundations. – Perm, 2007.

Учебное издание

ЗАХАРОВ Александр Викторович, ПОНОМАРЕВ Андрей Будимирович, МАЩЕНКО Александра Витальевна

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ В ПОДЗЕМНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Учебное пособие

Редактор и корректор Н.В. Бабинова

_____________________________________________________________

Подписано в печать 26.11.2012. Формат 70×100/16.

Усл. печ. л. 10,32. Тираж 100 экз. Заказ № 253/2012.

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета.

Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113.

Тел. (342) 219-80-33.