О теплофизических свойствах грунтов

При эксплуатации систем тепло-хладоснабжения, использующих теплоаккумуляционные свойства грунта поверхностных слоев Земли, необходимо учитывать, что грунтовый массив, находящийся в пределах зоны теплового влияния системы теплосбора, вследствие сезонного изменения параметров наружного климата, а также под воздействием эксплуатационных нагрузок, как правило, подвергается многократному замораживанию и оттаиванию. При этом происходит изменение агрегатного состояния влаги, заключенной в порах грунта, которая, в общем случае, может находиться в жидкой, твердой и газообразной фазах одновременно. Грунтовый массив системы теплосбора, включая влагу, независимо от состояния, в котором он находится (в мерзлом или талом), представляет собой сложную трехфазную полидисперсную гетерогенную структуру, скелет которой образован огромным количеством твердых частиц разнообразной формы и величины и может быть как жестким, так и подвижным.

Моделирование процессов тепломассопереноса, участвующих в формировании теплового режима многокомпонентной системы, требует учета и математического описания разнообразных механизмов их осуществления: теплопроводности в отдельной частице, теплопередачи от одной частицы к другой при их контакте, молекулярной теплопроводности в среде, заполняющей промежутки между частицами, конвекции пара и влаги, содержащихся в поровом пространстве и многих других. При моделировании теплового режима систем необходимо также учитывать химико-минералогическую природу грунтового скелета, его механическую структуру, количественные соотношения между фазами среды, заполняющей промежутки между твердыми частицами скелета, и их взаимное расположение в поровом пространстве, а также многие другие физико-химические параметры грунтового массива.

Разработанный ОАО «ИНСОЛАР - ИНВЕСТ» метод математического моделирования основан на сопоставлении двух задач: о нестационарном тепловом режиме системы теплосбора при ее эксплуатации и о естественном тепловом режиме грунтового массива систему теплосбора.

Использование данного метода при построении математических моделей теплового режима систем сбора низкопотенциального тепла грунта позволяет не только обойти трудности, связанные с аппроксимацией внешних воздействий на систему, но и использовать в качестве решения базовой задачи достоверные, экспериментально полученные данные о естественном тепловом режиме грунта. Это является преимуществом данного метода в сравнении с традиционным подходом к моделированию тепловых процессов, поскольку позволяет частично учесть в модели весь комплекс факторов (таких как наличие грунтовых вод, их скоростной и тепловой режимы, структуру и расположение слоев грунта, "тепловой фон" Земли, атмосферные осадки, фазовые превращения влаги в поровом пространстве и многих других), влияющих на формирование теплового режима системы теплосбора.

На основе описанного метода разработан комплекс компьютерных программ, моделирующих пространственный нестационарный тепловой режим систем сбора низкопотенциального тепла грунта в процессе многолетней эксплуатации.

Проведенные с помощью этого комплекса численные эксперименты показали, что потребление тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает в близи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта, которое в почвенно-климатических условиях большей части территории России не успевает компенсироваться в летний период года, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. В течение следующего отопительного сезона происходит дальнейшее снижение температуры грунта, так далее...

Однако, начиная с пятого года эксплуатации, многолетнее потребление тепловой энергии из грунтового массива системы теплосбора сопровождается периодическими изменениями его температуры.

В связи с этим, при проектировании систем теплохладоснабжения, использующих тепло грунта, представляется необходимым учет падения температур грунтового массива, вызванного многолетней эксплуатацией системы теплосбора, и использование в качестве расчетных параметров, температур грунтового массива, ожидаемых на 5-ый год эксплуатации.

Правильность геокриологического прогноза и оценки количественной интенсивности теплового и механического взаимодействия массивов пород с различного рода сооружениями во многом определяются качеством вводимой информации о теплофизических свойствах пород, о фазовом составе влаги в них, величине температуры замерзания (оттаивания).

Коэффициент теплопроводности λ (Вт/(м °К)) характеризует способность материала (породы) проводить тепло, а объемная Ср (Дж/(м °К)) или удельная (весовая) теплоемкость С (Дж/кг °К)) и коэффициент температуропроводности а (м2/с) - тепловую инерцию и инерцию изменения температурного поля соответственно.

В термодинамическом плане мерзлые породы есть многофазные и многокомпонентные системы. К основным компонентам пород относятся: органоминеральный скелет, поровый раствор и поровый газ. Вода может находиться в жидкой, твердой и газообразной фазах. Поскольку теплоемкость есть величина аддитивная, то теплоемкость породы складывается из теплоемкостей ее составляющих. Таким образом, теплоемкость грунта есть сумма теплоемкостей минералов, из которых сложен скелет грунта, органической составляющей, воды (для влажных грунтов) или водного раствора солей (для засоленных грунтов), льда (для мерзлых грунтов) и газовых включений грунта.

Теплопроводность грунтов, определяется соотношением твердой, жидкой и газообразной составляющих, их химико-минеральным составом, структурными и текстурными особенностями (дисперсностью, пористостью, слоистостью и др.), влажностью, агрегатным состоянием воды и температурой.

Многочисленные экспериментальные исследования, выполненные на дисперсных грунтах нарушенного и естественного сложения, показали уменьшение теплопроводности пород с увеличением их дисперсности в следующей последовательности: крупнообломочные; песчаные; супесчаные; лессовые; суглинистые; глинистые. Возрастание дисперсности сопровождается ростом гидрофильное и ультрапористости, определяющих фазовый состав мерзлых пород, причем процентное содержание незамерзшей воды увеличивается в последовательности, аналогичной приведенному ряду по дисперсности.

Минеральный состав дисперсных пород в целом оказывает влияние на их теплопроводность, хотя и проявляется это лишь через факторы строения породы.

Существенное влияние на теплопроводные свойства горных пород оказывает их плотность, а также любое нарушение сплошности. Коэффициент теплопроводности выше у более плотных, менее пористых пород, так как уплотнение породы сопровождается увеличением доли более теплопроводного скелета, а также улучшением качества контактов между частицами. Эта закономерность подтверждена экспериментальными данными для дисперсных пород различного состава, причем она справедлива в широком диапазоне температур, включая и область интенсивных фазовых переходов.

Теплопроводность резко возрастает по мере увеличения влажности грунта, поскольку теплопроводность воды значительно выше теплопроводности вытесняемого водой воздуха.

Большей части осадочных и метаморфических пород присуща анизотропия по теплопроводности.

Величина теплопроводности зависит от температуры. Особенно сильно зависит от температуры теплопроводность мерзлых грунтов. Для влажных дисперсных пород влияние температуры определяется не только температурными зависимостями теплопроводности отдельных компонентов, но их количественным соотношением, связанным с изменением фазового состава влаги в породах, а также условиями передачи тепла на контактах компонентов породы. Образование льдо-цементационных связей при фазовых переходах в значительной степени увеличивает величину коэффициента теплопроводности пород. Как правило, теплопроводность мерзлых пород выше, чем талых.

Для предварительного анализа возможно использование расчетных значений теплофизических характеристик, рекомендуемых СНиП 2.02.04-88.

В случаях, когда затруднительно найти аналоги используя имеющиеся в литературе данные по теплофизическим свойствам талых и мерзлых грунтов, следует проводить опытное определение свойств.

Приложение 5.