ДВА СПОСОБА РАЗМЕЩЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТУРА ПРИ УСТРОЙСТВЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ

Энергетические буронабивные сваи состоят из несущей части сваи в сочетании с системами теплового насоса и замкнутым тепловым контуром. Их цель – не только обеспечить устойчивость здания, но и работать в качестве источника энергии для обеспечения здания теплом. Как правило, для энергетических свай существует два типа размещения теплового контура в теле сваи: спиралевидное и U-образное, каждый из которых применяется исходя из расчета энергетической. Для правильной работы энергетической сваи должны быть учтены все факторы, способные оказать влияние на ее функционирование.

Ключевые слова: энергоэффективность, энергетические буронабивные сваи, энергетический фундамент, тепловой контур.

В связи с постоянно растущим всемирным спросом на энергию, развитие энергосберегающих и энергоэффективных технологий становится все более актуальным. Внедрение современных технологий на строительную площадку позволяет значительно повысить энергоэффективность строительного производства. Одним из таких усовершенствованных технологических решений является применение буронабивных энергосвай, которые обеспечивают здания и сооружения теплом за счет преобразования геотермальной энергии.

Широкое применение энергоэффективных конструкций фундаментов «двойного» назначения активно внедряется в зарубежной практике строительства. Под словом «двойное назначение» здесь подразумевается способность сваи помимо выполнения своей прямой функции – передачи полезной нагрузки от здания или сооружения на грунтовое основание – аккумулировать и использовать низкопотенциальную геотермальную энергию грунта для отопления зданий и сооружений в холодный период их эксплуатации за счет размещения в теле сваи контура с теплоносителем.

Энергоэффективные фундаменты применяются во многих европейский странах, Канаде, США, Австралии, в некоторых странах с тропическим климатом. Фундаменты могут быть выполнены как из сборного железобетона (в этом случае, тепловой контур размещается в свае в заводских условиях и монтаж первичного контура заключается только в объединении теплообменников в единый контур после монтажа конструкций), так и быть в монолитном исполнении (при монолитном исполнении фундамента тепловой контур крепится к арматурному каркасу до его установки в опалубку и только после набора прочности бетона объединяется в единый контур). 

Большого внимания заслуживает монолитное исполнение энергетических фундаментов ввиду того, что его устройство связано с возможностью его приспособления под индивидуальные условия их размещения. Особенно это важно в условиях стесненной застройки, когда площадь, выделенная под строительство здания, не позволяет разместить на ней требуемое количество произведенных в заводских условиях свай, готовых обеспечить требуемое количество тепловой энергии.

Характерной особенностью устройства таких свай является то, что предварительно осуществляется бурение до заданной проектом глубины. Бурение производится буровым шнеком, диаметр которого соответствует диаметру будущей сваи. В зависимости от грунтовых условий для удержания стенок скважины от обрушения после извлечения шнека используются обсадные трубы или глинистый раствор, которые препятствуют осыпанию породы и наполнению скважины грунтовыми водами. В устойчивых грунтах стенки скважин не нуждаются в их поддержании.

После приемки скважины в установленном порядке в нее погружают арматурный каркас, на котором уже закреплены трубы теплового контура. Далее производится бетонирование скважины методом вертикально перемещающейся трубы. По мере заполнения скважины бетонной смесью параллельно производится извлечение обсадной трубы, которой посредством системы домкратов сообщаются возвратно-поступательные движения, за счет чего бетонная смесь дополнительно уплотняется. В случае предварительного заполнения скважины глинистым раствором, при бетонировании он вытесняется бетонной смесью. После завершения бетонирования скважины производят формовку головы сваи таким образом, чтобы трубы теплового контура, идущие в скважину и выходящие из нее, имели возможность быть объединенными в единый коллектор [1]. Тепловой контур принципиально имеет два вида расположения его на арматурном каркасе фундаментной сваи: спиралевидный коллектор и U-образный коллектор (рис. 1).

Рисунок 1. Расположение петель геотермального контура в свае

Для спиралевидных коллекторов используются пластиковые трубы с внутренним диаметром от 16 до 26 мм. Спираль коллектора формируется из колец одинакового диаметра, равного диаметру арматурного каркаса, на котором она закрепляется с помощью монтажных крепежей. Шаг петель контура принимается из условий типа грунта и требуемого на выходе количества геотермальной энергии.

Спиралевидную навивку теплового контура целесообразно применять для свай неглубокого заложения и большого диаметра, тем самым можно обеспечить максимальную площадь соприкосновения со стенками сваи, являющимися теплопроводным мостиком между грунтом и теплоносителем. 

Для вертикальных U-образных коллекторов так же используются пластиковые трубы небольшого диаметра. Коллектор состоит из одной или нескольких U-образных петель, объединенных на выходе из сваи в единый тепловой контур. Петли закрепляются на арматурном каркасе перед опусканием его в скважину с помощью фиксаторов.

В отличие от спиралевидной намотки теплового контура на арматурный каркас сваи, данный вид размещения коллектора больше подходит для применения его в сваях глубокого заложения и небольшого диаметра, с целью получения энергии от глубоко залегающих слоев грунта, имеющих более высокую температуру [2].

Применение того или иного способа размещения теплового контура внутри сваи на этапе ее проектирования зависит от многих факторов. Одним из основных факторов является правильный расчет требуемых характеристик системы отопления. Не менее важным является также проведение геологических изысканий для определения геотехнических, геотермальных, гидрогеологических, минералогических и геохимических свойств грунта [3].

Чем большей информацией располагает проектировщик, тем более эффективно может быть запроектирован энергетический фундамент, обеспечивающий максимальную производительность отопительной системы. Диаметры свай и расстояния между ними зависят в том числе и от количества свай, бюджета проекта и глубины свай, если она ограничена геологией участка строительства.

Геотермальные энергетические сваи могут работать эффективно при условии их правильного проектирования и устройства согласно проекту. Зачастую на практике производительность таких систем снижается из-за таких проблем, как: ошибки при выборе расположения геотермального контура, дефекты применяемых материалов, некачественное устройство системы. Устройство энергетических фундаментов является относительно новым направлением в строительстве в нашей стране. До сих пор не существует нормативных документов для регулирования данного вопроса, и это важная задача, поскольку от этого зависит повышение энергоэффективности строительного производства в целом.

Выводы:

1. На сегодняшний день применение энергоэффективных буронабивных энергосвай в строительстве находит все более широкое применение.

2. Принципиально различают два способа размещения геотермального контура в теле сваи: спиралевидное и U-образное.

3. Выбор способа размещения теплового контура внутри тела энергосваи зависит от таких факторов, как: расчет требуемых параметров отопительной системы, геологических особенностей участка строительства и требуемого количества единиц свай.

Список литературы:

1. Типовая технологическая карта. Устройство фундаментов из буронабивных свай в условиях существующей застройки и реконструкции.
2. Геотермальная энергия. Техническая информация [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.academy-uponor.ru . - Академия Uponor. – (Дата обращения: 26.02.2018).
3. Civil seminar report: Geothermal piles [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.plusdigit.com/2015/01/25/geothermal-piles/. – (Дата обращения: 28.03.2018).