3.3. Архитектурно-строительные приемы проектирования зданий работающих с использованием геотермальной энергии

Принимая во внимание сочетание теплотехнических и физико-механических свойств верхнего слоя литосферы как возобновляемого источника геотермальной энергии, можно сформулировать следующие общие приемы проектирования энергоактивных зданий геотермального типа.

1. Массив грунта в основании ли окрестностях здания может быть подключен к системе тепло- и холодоснабжения здания через размещенный в нем теплообменник, выполненный в виде системы труб или иных каналов с жидкостным или воздушным теплоносителем.

2. В массив грунта для улучшения его тепломассообменных свойств может быть вмонтирован массив щебня или галечника с повышенной воздухе- и водопроницаемостью, выполненный в виде единого блока, например, при обратной засыпке котлована либо в виде аналогично заполненной системы траншей.

3. Массив грунта, используемый как аккумулятор и источник возобновляемой энергии, может быть теплоизолирован, по крайней мере, в верхней части в зоне, примыкающей к зданию с внешней стороны или расположенной за его наружным контуром (рис. 44). Теплоизоляция может быть выполнена стационарной или трансформируемой, например, в виде съемных щитов.

4. В целях повышения теплоэнергоемкости массива грунта последний может быть гидроизолирован и после этого искусственно насыщен водой. Такое решение применяют, когда выбранный массив расположен в неводоносных фильтрующих слоях, состоящих из крупнообломочных пород, крупного песка.

5. Для обеспечения возможности повышения энергетического потенциала массива грунта его гидроизолируют и теплоизолируют путем комбинированного использования геотермальной энергии в сочетании с другими видами возобновляемой энергии, преимущественно солнечной, и дополнительно проводят следующие мероприятия:

снабжают массив системой теплообменных каналов, регулируемо сообщенных с энергоактивным зданием, коллекторами солнечной энергии или атмосферой; выбор того или иного варианта комбинированного энергоснабжения должен быть предварительно обоснован технико-экономической оценкой сравнительной эффективности типов систем с учетом конкретных особенностей данного объекта и природно-климатических факторов, после чего принимают решение об использовании в качестве теплоносителя воздуха или воды;

подключают каналы к системе принудительной циркуляции теплоносителя (блок насосов, если теплоноситель – вода, или блок вентиляторов, если теплоноситель – воздух);

для воздушного теплоносителя в сочетании с неводонасыщенным массивом грунта применяют открыто сообщенные с ним конструкции теплообменных каналов (перфорированные трубы или заполненные щебнем траншеи);

для воздушного теплоносителя и водонасыщенного массива грунта принимают меры, предотвращающие заполнение теплообменных каналов водой и нарушение их нормального функционирования (сплошная герметизация стенок каналов и стыковых соединений, если давление теплоносителя в канале меньше давления воды в теплоаккумулирующем массиве, и избирательная перфорация система щелей или открытая снизу полость горизонтального канала, если давление теплоносителя в нем превышает давление извне, по крайней мере, в период активной работы системы);

для жидкостного теплоносителя применяют обратный набор конструктивных мер: в неводонасыщенном или водонасыщенном, но химически агрессивном массиве грунта применяют систему труб, образующих закрытый автономный теплообменный контур, а в водонасыщенном и неагрессивном массиве может быть применена система перфорированных труб или незамкнутых каналов иного типа.

6. Массив грунта может быть конструктивно выполнен в виде насыпи с откосами, обрамляющей часть или все стены здания (рис. 45), при этом:

насыпь может примыкать к наружным стенам на часть или всю высоту, а откос обращен наружу; стена должна быть снабжена повышенной гидроизоляцией в зоне контакта с насыпным грунтом;

насыпь может быть отделена от защищаемой стены воздушной прослойкой посредством промежуточного экрана, воспринимающего давление грунта;

прослойка может быть продолжена в основании насыпи, в виде системы регулируемо сообщенных с ней горизонтальных или наклонных воздушных каналов для сезонной циркуляция воздуха; это делается с целью повышения энтальпии грунта в насыпи и оптимизации энергетического режима защищаемого здание в летний и зимний периоды эксплуатации;

внешний откос насыпи может быть снабжен укрепляющим его и стабилизирующим форму слоем растительности (кустарники или многолетние травы) либо облицован плитными элементами, в том числе допускающими увеличение его наклона до значений, превышающих угол естественного откоса;

на внешнем откосе, обращенном в сторону, интенсивно облучаемую солнцем, могут быть размещены сезонные или стационарные круглогодичного действия устройства для улавливания солнечной энергии и повышения энтальпии массива грунта, выполненные, например, в виде простейших коллекторов типа «горячий ящик» (укрепленная с образованием под ней воздушной прослойки и рециркуляцией нагретого воздуха пленка с улучшенными селективными свойствами одностороннего пропускания лучистой энергии), либо в массив может быть дополнительно вмонтирован трубчатый теплообменник;

насыпь может быть выполнена автономной и обращена откосом к защищаемой стене с конструктивным оформлением откоса по одному из вариантов, изложенных выше, либо облицовка откоса может быть снабжена отражателями, усиливающими солнечную энергоблученность ограждений здания;

пространство между насыпью и зданием, например, верхней кромкой соответствующей наружной стены здания, может быть сезонно (в отопительный период) перекрыто светопрозрачным или непрозрачным элементом (вантовая мембрана, сборно-разборный тент, трансформируемая воздухоопорная оболочка), снижающим тепловые потери здания;

в системе строительного комплекса включающего параллельно распложенные корпуса, например, производственных зданий, насыпь между ними может быть выполнена двухоткосной.

7. При ограниченной территории или иной необходимости экономить внешнюю площадь массив грунта может быть выполнен в виде энергоемкого грунто-заполненного экрана повышенной толщины либо конструктивно введен в ограждение. При этом в качестве заполнителя могут быть использованы песок, галечник щебень, ракушечник или другие местные материалы. Если же в район строительства имеется торф, в том числе низких сортов, или торфосодержащий грунт, то их можно использовать в качестве засыпки.

В связи с этим необходимо отметить, что при определенном сроке эксплуатации сооружения применение торфа непосредственно в конструкциях ограждения как фактора энергетической защиты, увеличивающего термическое сопротивление и снижающего теплопотери здания, становится экономически более выгодным, чем сжигание его в топках с целью теплоснабжения того же здания. Это утверждение в полной мере справедливо также для всех видов бурого и каменного угля а в равной степени и для пустой породы образующей терриконы, а также для шлаков из отвалов которые могут быть использованы без переработки.

Рис. 44. Здание с геотермальным коллектором, дополненным

коллектором солнечной энергии