Отчет о научно-исследовательской работе по теме: Разработка технологии круглогодичного управляемого искусственного промораживания грунтов с использованием возобновляемых источников энергии

Построены 3 экспериментальных установки: 1). с горизонтальными солнечными батареями (7,5 кВт), поднятыми над термостабилизируемой площадью, с отводом тепла из грунта тепловым насосом и дождевой воды, собранной с поверхности солнечных батарей в теплицу (3х6 м); 2).с сезонно перемещаемой теплоизоляцией (летом лежит на грунте, зимой формирует козырек над ним, препятствующий снегонакоплению); 3). с вертикальными двухсторонними солнечными батареями и слабо наклонными сезонными охлаждающими устройствами, объединенными в единый контур с тепловым насосом. Компрессоры тепловых насосов (до 8,6 кВт тепла и 6,0 кВт холода) работают с переменной частотой (по условиям смазки, от 38 до 70 Гц) для следования за выработкой от солнечных батарей и минимизации потребности в накопителе. В теплицах (экспериментальной и контрольной) было организовано выращивание помидоров и огурцов. В результате испытаний системы термостабилизации установлено, что плотность теплового потока от охлаждаемого торфа к сезонноохлаждающим устройствам (СОУ) достигала 900 Вт/м2 (на поверхности испарительной части). СОУ были заправлены избыточным количеством фреона, соответствующим полному заполнению наклонной части, что позволило выравнить процесс охлаждения в течение суток. При этом температура холодного контура теплового насоса держалась на уровне минус 18,8°С. Таких высоких результатов во многом удалось достичь благодаря организации интенсивного теплосброса в ручей: после выхода установки на номинальный режим работы температура подачи в ручей составляла порядка 25°С, а возврата — 13°С. Урожай в экспериментальной теплице был в 2,2 раза для огурцов и в 1,6 для помидоров выше, чем в контрольной. Впервые получены данные по тепловым потокам на поверхности сезонных охлаждающих устройств с фреоном и антифризом в холодном контуре теплового насоса при сохранении всех прочих равных условий. Показано 3-кратное преимущество использования фреона R-32 по интенсивности теплообмена. Выполнен анализ накопленных экспериментальных данных и на основе них проведена верификация использованных расчетных моделей. Корректировки расчетных моделей генерации энергии солнечными батареями, преобразования электрической энергии в тепловую в горячем и холодном контурах не потребовалось, уточнены значения некоторых коэффициентов. Экспериментально показано существенное влияние экранирования от инсоляции на суммарный тепловой поток в грунт. Несмотря на то, что эффект очевиден, в практике геотехнических расчетов граничные условия на поверхностью задаются только конвективным потоком от воздуха, который может быть в 4 раза меньше суммарного. Этот результат крайне важен для планирования создаваемой сети фонового мониторинга многолетнемерзлых грунтов и геотехнического мониторинга. Выполнены количественные оценки эффекта применения частотного регулирования привода компрессора инверторного теплового насоса по сравнению с использованием его в режиме старт-стоп с аккумуляторами. Адаптивные установки с тепловым насосом показали большую эффективность, чем классические аналоги с аккумуляторами. Так, адаптивные системы снизили стоимость охлаждения на 44%, сохранив качество промерзания грунта. При этом замена одного теплового насоса высокой мощности на много маленьких маломощных увеличила продолжительность работы системы на 30–35%, так как установка начинала генерировать энергию при меньшем освещении. Устройство работает в более широком диапазоне освещенности, что улучшает качество промерзания грунта. Усовершенствован алгоритм регулирования мощности компрессора теплового насоса при высоких температурах в контуре сброса тепла, более чем на порядок сокращено количество остановов компрессора по этой причине. С использованием ГИС-технологий оценена область применимости предлагаемой технологии для различных уровней эффективности системы в зависимости от ее конфигурации (тип преобразователя солнечного излучения, холодильной машины) с учетом климатических и геокриологических условий. Определена экономическая целесообразность реализации различных конфигураций системы. Создана карта России, позволяющая по данным о сумме положительных градусо-суток и инсоляции определить применимость предлагаемой технологии для конкретной местности и минимальную достаточную конфигурацию системы для этого (мощности солнечных батарей и тепловых насосов с учетом их эффективности). Показано, что при равенстве площадей защищаемой поверхности и массива солнечных батарей технология применима на 99% территории страны. а для АЗ РФ существует возможность кратного снижения ее стоимости за счет снижения установленной мощности применяемого оборудования. Выполнено 3D-моделирование теплового состояния грунтов при применении предлагаемых технологий для различных объектов: ускоренного предпостроечного промораживания свайного основания, строительства на поверхностном фундаменте с полами по грунту, продления сроков эксплуатации автозимников, предотвращения слияния ореолов протаивания между нефтегазодобывающими скважинами, сохранения мерзлотников и береговых обрывов - везде показан значительный технический и возможный экономический эффект. Разработаны системные подходы для кратного снижения стоимости рассматриваемой в данном проекте системы термостабилизации грунтов. Экономически целесообразная применимость предлагаемых технологий показана по всей зоне распространения ММГ для самых разных задач. Несмотря на высокие капитальные затраты около 20 тыс. руб./м2 (при этом они сопоставимы с СОУ), достигается низкая совокупная стоимость владения возможностью окупаемости в течение 1-3 лет за счет реализации бросовой энергии. Рекомендации по применению разработанных в данном проекте технологий следующие: необходимо проводить оценку критических для сохранения ММГ горизонтов и сроков поступления тепла с учетом изменений климата, определить основной источник разрушающего действия (для наземных объектов - это поступление тепла от солнечного излучения и конвекции с теплопроводностью от поверхности, для береговых часто - волновая эрозия); оценить целесообразность применения принудительной термостабилизации по сравнению с пассивной, в т.ч. с использованием предложенного и испытанного нами способа с сезонно перемещаемой теплоизоляцией; при необходимости использования принудительной термостабилизации (в т.ч. в сочетании с пассивной) выбрать горизонт расположения грунтовых зондов, исходя из стоящих задач (для большинства задач - это приповерхностная область на глубине 20-40 см, для ускоренного предпостроечного промораживания - это пяты свай даже при вышележащих таликах), и теплоноситель в них (предельные отводимые зондом тепловые потоки измерены на уровне 300 Вт/м2 для антифриза, 900 Вт/м2 для фреона); далее необходимо выбрать основной возобновляемый источник энергии (для наземных объектов это будет солнце, для береговых - ветер) и определить, куда можно сбывать излишки электроэнергии (они всегда пригодятся для систем мониторинга); определить оптимальный способ сброса тепла (наиболее эффективен сброс тепла в проточные водоемы, при средней температуре воздуха в самый жаркий месяц не выше 12 С - в воздух) не только с технической, но и с экономической точки зрения (всегда можно использовать его для горячего водоснабжения, но наибольшая выгода достигается при обогреве теплиц). При проектировании зданий различного общественного назначения, объектов дорожной, нефте- и газораспределительной инфраструктуры для обеспечения надежности эксплуатации объектов необходима достоверная оценка пучинистых свойств грунтов. Одним из факторов, обуславливающих пучение является миграция влаги. Для прогноза потенциальной миграции поровой влаги в грунтах получена функциональная зависимость давления всасывания (Pw) от объемной влажности (Θ) глинистых грунтов озерно-ледникового и ледникового происхождения, которая описывается показательной функцией с основанием 10 и показателем степени, равным (B - AxΘ), где A, B – коэффициенты, зависящие от генетического типа грунтов. По результатам исследований введен новый классификационный показатель, характеризующий пучинистость грунтов - приведенный индекс миграции (Iw), определяемый по величине перераспределения влаги в закрытой системе в условиях продолжительной остановки фронта промерзания. Приведенный индекс миграции, представляющий собой относительную скорость перераспределения влаги во времени, совместно с потенциалом всасывания (Pw) может быть использован для расчета деформаций пучения и численного моделирования напряженно-деформированного состояния промерзающих пучинистых грунтов. Зависимость приведенного индекса миграции (Iw) от скорости промерзания (u) определяется степенной функцией Iw = A×uB, где A, B – коэффициенты, зависящие от разновидности глинистого грунта. Для определения изменения приведенного индекса миграции влаги в ходе промерзания может быть использована корреляционная экспоненциальная зависимость удельного электрического сопротивления от влажности, которая была получена по результатам испытаний образцов глинистых грунтов по двухэлектродной схеме в специально разработанной лабораторной установке, обеспечивающей измерения электрического сопротивления по высоте образца при его промерзании в режиме реального времени. В ходе исследований собрана и усовершенствована экспериментальная установка для обеспечения мониторинга температурного режима и деформаций грунтов при промерзании-оттаивании в полевых условиях. Усовершенствование системы выполнено за счет разработки новых термометрических зондов, зондов для определения влажности, которые в режиме реального времени выполняют измерения. Повышена надежность сохранения и передачи экспериментальных данных в полевых условиях за счет построения дублирующих систем и обработки исключений в программном коде. Проведены наблюдения за процессами промерзания и оттаивания пучинистых грунтов на экспериментальном участке. Получены графики интенсивности миграции влаги в естественных условиях промерзания. По результатам полевых наблюдений выполнена верификация способа определения приведенного индекса миграции влаги (Iw) в лабораторных условиях с учетом влияния процессов влагонакопления и перераспределения влаги в естественных условиях при промерзании по закрытой схеме. Разработан научно-обоснованный подход к созданию численной термо- гидро- механической модели промерзающего-оттаивающего глинистого грунта, в основу которого положено решение теплофизической задачи с учетом скрытой теплоты фазовых превращений, перераспределение влаги от градиента температур в промерзающем слое и скорости промерзания, а также зависимость деформаций морозного пучения от интенсивности миграции влаги по приведенному индексу миграции. Создан макет экспериментальной лабораторной установки, оснащенный датчиками температуры, линейных деформаций и усилий, с возможностью размещения моделей фундаментов (свайный или мелкого заложения), позволяющий спрогнозировать развитие совместных деформаций фундаментов и грунтового основания в процессе промерзания-оттаивания пучинистых грунтов. Для обоснования инженерных решений при разработке экспериментальной лабораторной установки использованы результаты численного моделирования процессов промерзания-оттаивания глинистых грунтов с известными теплофизическими свойствами, при этом граничные условия, накладываемые на численную модель, обеспечили соблюдение тождественности процессов промерзания в лабораторных и полевых условиях. Верификация результатов численного моделирования выполнена по результатам наблюдений за процессами промерзания в полевых условиях. Разработанная физическая модель “фундамент-основание” в лабораторных условиях позволяет выполнить прогноз развития деформаций морозного пучения, а также касательных сил морозного пучения (на примере модельных свай) в зависимости от приведенного индекса миграции и скорости промерзания грунтов.