Борей 3D – Полигон СОУ (результаты)

Полигон СОУ (результаты)

Ниже приведены результаты сопоставления расчетных и фактически измеренных температур по СОУ с двумя типами (классам) оребрения:

Стальное дисковое оребрение, отличающееся шагами между ребер (10-15 мм), длинной ребра (100-120 мм) и толщинами ребра 1-2 мм.
Алюминиевое накатанное оребрение, отличающееся шагами между ребер (1,5-3,3 мм), длинной ребра (67 мм) и толщинами ребра 0,5 мм.

Одними из представителей СОУ с подобными типами оребрения являются:

Стальное дисковое оребрение — ТСГ.В.38-12 производства ПАО «Фундаментпроект»;
Алюминиевое накатанное оребрение — СОГ-28/10-12 производства ООО НПХ «Наука».

Стальное дисковое оребрение (ТСГ.В.38-12, ПАО «Фундаментпроект»)

Расчетные температурные поля получаемые в результате воздействия СОУ №6 (ТСГ.В.38-12) с адаптированными теплотехническими характеристиками

Расчетные термоизоплеты получаемые в результате воздействия СОУ №6 (ТСГ.В.38-12) с адаптированными теплотехническими характеристиками

Расчетные и фактические графики температур по термометрическим скважинам СОУ №6 (ТСГ.В.38-12)

(Серая линия – фактические измерения. Синяя линия – расчетные данные)

Сопоставление измеренных и расчетных температур грунтов при воздействии СОУ №6 (ТСГ.В.38-12) с адаптированными теплотехническими характеристиками (приведены значения на соответствующих глубинах (метров))

на расстоянии 60 см от СОУ

на расстоянии 120 см от СОУ

на расстоянии 240 см от СОУ

В связи с тем, что имеющиеся метеостанции на полигоне показывали различные скорости ветра (в среднем от 1,2 до 2,0 м/с), а также несколько СОУ одного типа показывают различные эффективности, привязка значения теплопередачи испарителя СОУ к скорости ветра выполнена в диапазоне значений. Коэффициент теплопередачи с 1 м2 и 1 м погонного испарителя СОУ для адаптированных характеристики приведен на рисунках ниже.

Расчетная и адаптированная характеристика коэффициента теплопередачи с 1 м² испарителя ТСГ.В.38-12

Расчетная и адаптированная характеристика коэффициента теплопередачи с 1 м погонного испарителя ТСГ.В.38-12

Алюминиевое накатанное оребрение (СОГ-28/10-12, ООО НПХ «Наука»)

Расчетные температурные поля получаемые в результате воздействия СОУ №8 (СОГ-28/10-12) с адаптированными теплотехническими характеристиками

Расчетные термоизоплеты получаемые в результате воздействия СОУ №8 (СОГ-28/10-12) с адаптированными теплотехническими характеристиками

Расчетные и фактические графики температур по термометрическим скважинам СОУ №8 (СОГ-28/10-12)

(Серая линия – фактические измерения. Синяя линия – расчетные данные)

Сопоставление измеренных и расчетных температур грунтов на расстоянии 60 см от СОУ при воздействии СОУ №8 (СОГ-28/10-12) с адаптированными теплотехническими характеристиками (приведены значения на соответствующих глубинах (метров))

на расстоянии 60 см от СОУ

на расстоянии 120 см от СОУ

на расстоянии 240 см от СОУ

Расчетная и адаптированная характеристика коэффициента теплопередачи с 1 м² испарителя СОГ-28/10-12

Расчетная и адаптированная характеристика коэффициента теплопередачи с 1 м погонного испарителя СОГ-28/10-12

СОУ иностранного производства

СОУ китайских и американского производителей заметно отличаются от конструкций российского производства.

СОУ производства Arctic Foundations Inc. имеет достаточно интересную конструкцию оребрения, выполненную в виде шипа созданную путём рассечения спиральной ленты.

К сожалению, длина СОУ производства Arctic Foundations Inc. была уменьшена до транспортных габаритов морских судов и составляло 9 м (длина испарителя 6,9 м). Т.к. анализ подавляющего большинства СОУ ввёлся по температурным замерам ниже 5 м глубиной (причины этого мы уже обсуждали), то характеристики СОУ производства Arctic Foundations Inc. невозможно достоверно сравнить с характеристиками других СОУ на полигоне.

Фотография СОУ марки AFI 70 SF (производитель Arctic Foundations Inc.)

Arctic Foundation Inc.

Jiangsu Sunpower Technology Co

DALIAN SUN LEADER

SILIAN ZHONGKE

Главным отличием СОУ китайского и американского производства являются более большой диаметр испарителя, составляющий 89 мм. Анализ данных полигона показывает, что такие СОУ имеют большую тепловую мощность и большую теплопроизводительность на единицу длины испарителя.

Выполненный анализ также свидетельствует о том, что применение СОУ большего диаметра (89 мм) может быть экономически оправдано. Дело в том, что сметные расценки, существующие в РФ, определяют стоимость бурения скважины для установки СОУ практически одинаковыми для СОУ как диаметром испарителя 33,7 мм, так и диаметром 89 мм. Необходимо отметить, что стоимость бурения скважины для установки СОУ может быть сопоставима со стоимостью самого СОУ или даже превышать его (при бурении на твёрдой мёртвых грунтах). Таким образом несмотря на то, что СОУ с диаметром испарителя 89 мм стоят дороже чем, с СОУ с диаметром испарителя 33,7 мм, суммарная стоимость закупки, доставки и погружения СОУ разного диаметра может быть сопоставима. При этом СОУ с диаметром испарителя 89 мм имеют значительно больше тепловые характеристики.

Ниже приводится результаты сопоставлений расчётов и фактических измерений температур грунта, для СОУ с диаметром испарителя 89 мм, китайского производителя.

СОУ диаметра 89 мм (DALIAN SUN LEADER)

Расчетные температурные поля получаемые в результате воздействия СОУ №26 (DALIAN SUN LEADER) с адаптированными теплотехническими характеристиками

Расчетные термоизоплеты получаемые в результате воздействия СОУ №26 (DALIAN SUN LEADER) с адаптированными теплотехническими характеристиками

Расчетные и фактические графики температур по термометрическим скважинам СОУ №26 (DALIAN SUN LEADER)

(Серая линия – фактические измерения. Синяя линия – расчетные данные)

Сопоставление измеренных и расчетных температур грунтов на расстоянии 60 см от СОУ при воздействии СОУ №26 (DALIAN SUN LEADER) с адаптированными теплотехническими характеристиками (приведены значения на соответствующих глубинах (метров))

на расстоянии 60 см от СОУ

на расстоянии 120 см от СОУ

на расстоянии 240 см от СОУ

Расчетная и адаптированная характеристика коэффициента теплопередачи с 1 м² испарителя DALIAN SUN LEADER

Расчетная и адаптированная характеристика коэффициента теплопередачи с 1 м погонного испарителя DALIAN SUN LEADER

Выводы

Основная сложность выполнения анализа работы СОУ состоит в том, что СОУ погружены в различное время и различные грунтовые и температурные условия. В связи с этим невозможно судить об эффективности того или иного СОУ по фактически измеренным температурам в термометрических скважинах. Это в свою очередь требует применения значительно более сложного математического аппарата для анализа работы СОУ.
Начальные температурные условия различных участков площадки полигона сильно различаются (от сливающегося типа мерзлоты до заглубленной кровли мерзлоты с глубиной залегания более 10 м). Такое различие грунтовых условий обусловлено тем, что площадка полигона находиться на склоне и имеет значительное движение грунтовых надмерзлотных вод обусловленное дождевым стоком. В период продолжительных дождей наблюдается появления ручья по центру площадки полигона.
Посуточными измерениями температурного поля выявлены значительные температурные волны, связанные с работой СОУ при дневных и внутри суточных колебаниях температурного поля. Температурные волны имеют затухающий характер и на скважинах, расположенных на 240 см не превышают 0,1 ⁰С. В связи с этим исследование работы каждого отдельного СОУ сопряжены с необходимостью выполнения измерений на нескольких термометрических скважинах и периодичностью выполнения измерений не более 1 суток. Наличие измеренных температурных волн и их неполное совпадение с расчетными тепловыми волнами делает невозможным выполнение адаптации моделей по отдельным датам. Для выполнения адаптации моделей использовался весь посуточный диапазон измерений, адаптацией моделей по отдельным точкам не удалось добиться приемлемых результатов.
Необходимо отметить, что ошибки, связанные с определением теплофизических свойств грунтов, начального температурного состояния грунтового массива, положения термометрических скважин и положения датчиков термометрических кос являются определяющими при выполнении моделирования и определении фактических тепловых характеристик СОУ. При расчете СОУ, расположенных в талых грунтах, наиболее чувствительным к точности расчета является определение влажности грунтов и как следствие теплоты фазового перехода при замерзании грунта.
В результате уточнения исходных данных, по сравнению с материалами обработки данных полигона, выполненными в 2016 году, удалось значительно сократить неточностей математических моделей работы СОУ в грунтовом массиве Точность моделей СОУ с адаптированными характеристиками находиться в пределах 0,08-0,19 ⁰С (при усреднении абсолютной разности значений расчетных и измеренных температур за расчетный период на глубинах ниже 5 метров). Наибольшее влияние на сокращение неточностей математических оказали применение программного обеспечения с более точным учетом свойств кривой незамерзшей воды и дополнительные измерения расстояний от СОУ до термометрических скважин.
Засыпка пазух скважины во время погружения СОУ осуществлялась мерзлым грунтом и цементно-песчаной смесью, а не грунтовым раствором. Данное обстоятельство может привести к недостаточному контакту испарителя СОУ с грунтами и недостаточному теплосъёму у ряда СОУ. С одной стороны данный фактор негативно воздействует на теплофизические характеристики СОУ, с другой стороны адаптация математических моделей позволяет получить теплотехнических характеристик СОУ с реальными значениями, которые могут иметь место на любой строительной площадке.
Термометрические наблюдения в фоновой скважине №1 ведутся с момента создания полигона. Измерения на фоновой термометрической скважине №1 свидетельствуют об отсутствии температурного влияния на нее рядом стоящих СОУ, т.е. за это время тепловые волны исходящие от СОУ не преодолевают расстояния 12 метров в плане.
Исходя из данных ранжирования и разброса полученных теплообменных характеристик можно сделать следующие выводы:
- Представленные образцы российских производителей работоспособны и имеют сопоставимые технические характеристики. Разброс теплообменных характеристик может быть обусловлен особенностями погружения (засыпки пазух скважин мерзлым грунтом и цементно-песчаной смесью), а также заносом снегом части конденсаторов ряда СОУ;
- Среди представленных образцов имеется тенденция к увеличению тепловых характеристик СОУ при увеличении шага между ребрами и диаметра испарителя СОУ;
- Лучшие теплообменные характеристики показали СОУ с диаметром испарителя 89 мм.
Все СОУ исследованные на полигоне, имеют тепловые характеристики ниже, чем теоретически возможные. Полученные коэффициенты характеризуют работу СОУ для региона Якутия. Регион республики Саха (Якутия) характеризуется низкими среднемесячными скоростями ветра (около 1 м/с), жарким летом и холодной зимой. Климатические характеристики Якутии значительно отличаются от других регионов (Уренгоя или Ямала). Полученные на Полигоне СОУ коэффициенты характеризуют работу СОУ для региона Якутия. Тем не менее, мы рекомендуем применять следующие коэффициенты эффективности конденсатора:
- - для СОУ с алюминиевым накатанным оребрением ε к =0,4 д.е.
  - для СОУ со стальным дисковым оребрением ε к =0,7 д.е.