Защита грунта под холодильными камерами и искусственными ледовыми катками от промерзания

 

При проектировании, строительстве и эксплуатации низкотемпературных холодильных камер (ХК) необходимо учитывать одну специфическую особенность (в отличие от обычных складских терминалов) — промерзание грунта. Постоянные отрицательные температуры в холодильных камерах и на искусственных ледовых катках могут привести к вспучиванию полов, возникновению трещин, повреждению фундаментов, появлению перепадов уровней пола (до 200 мм и более). Нормальное размещение продукции на складских стеллажах и ее транспортировка в помещениях с подобными повреждениями становятся невозможными. При введении объекта в эксплуатацию вероятность возникновения таких повреждений мала, но со временем, без систем защиты грунта от промерзания, ситуация будет ухудшаться. Эффект вспучивания объясняется тем, что вода, замерзая, превращается в лёд, который занимает больший объём. Вспучивание грунта («frost heave») знакомо специалистам, проектирующим холодильные камеры и катки. При значительном вспучивании грунта возможны повреждения фундамента и, как следствие, перекос всей многотонной конструкции здания камеры. Поэтому следует строго выполнять рекомендации СП 29.13330.2011 «Полы» в части устройства полов в условиях промерзаемого пучинистого грунта:

  • понижение уровня грунтовых вод ниже глубины промерзания основания не менее чем на 0,8 м;
  • выполнение по основанию теплоизоляционного слоя расчётной толщины из неорганических влагостойких материалов со средней плотностью не более 1,2 т/куб.м;
  • замена пучинистого грунта при засыпке котлованов в зоне промерзания основания практически непучинистым грунтом.

Но, как показала практика эксплуатации холодильных терминалов, эти меры оказываются недостаточными для обеспечения устойчивости здания. Для того, чтобы избежать пучения грунта, необходимо поддерживать его температуру не ниже +2...+3°С. В зависимости от площади камеры применяется либо электрический обогрев, либо воздушный (делается вентилируемое подполье), либо обогрев незамерзающей жидкостью, циркулирующей по встроенным в пол трубам. Наибольшее применение находит кабельная электрическая система обогрева (КЭСО), для которой эксплуатационные расходы минимальны, а высокая надёжность работы нагревательного кабеля в бетоне повышается за счёт установки дублирующей системы. Предусматривается автоматическое включение резервных нагревательных секций при отказе основных.

Монтаж КЭСО компании DEVI несложен: маломощный нагревательный кабель с погонной мощностью 10 Вт/м устанавливается к конструкции пола «змейкой» под слоем теплоизоляции и крепится при помощи специальной монтажной ленты DEVIfast™ или притягивается пластиковыми стяжными хомутами к стальной армирующей решётке. Система управляется электронным терморегулятором DEVIreg™ 330 с рабочим диапазоном температуры −10...+10 °С. Терморезистивный датчик позволяет поддерживать температуру грунта с точностью 0,4 °С. Кроме того, важным является отдельный электрообогрев опорных колонн, которые являются мостиками холода, через которые холод из камеры активно уходит в грунт. Для обогрева опорных колонн достаточна удельная мощность прогрева 100...150 Вт/м2. Нагревательный кабель DEVIflex™ 18T крепится непосредственно к колонне на участке от уровня фундамента до высоты 1...1,5 м от пола в камере, оштукатуривается либо проклеивается алюминиевым скотчем и покрывается теплоизоляцией.

Расчёт параметров КЭСО сводится к определению величины теплового потока от нагревательного кабеля, которая требуется для поддержания температуры грунта у основания фундамента на уровне +2...+5 °С.

Параметры, необходимые для упрощённого расчёта требуемой мощности обогрева грунта:

  • температура холодильной камеры, её площадь,
  • толщина и теплопроводность материала теплоизоляции пола.

Формула для оценки величины необходимого удельного потока тепла КЭСО:

Q = λ • (Tосн — Tкам) / H, где

Q — расчётный необходимый удельный поток тепла в грунт, Вт/м2; λ — коэффициент теплопроводности теплоизоляции, Вт/(м•К); Тосн — температура основания камеры, °С; Ткам — температура воздуха внутри камеры, °С; Н — толщина теплоизоляции, м.

Мощность КЭСО должна превышать теплопотери с коэффициентом запаса 1,4, поскольку возможны дополнительные потери, связанные с качеством монтажа, материала, повышенной влажностью, а также с возможным пониженным напряжением сети.

Пример: Коэффициент теплопроводности λ (0 °С) = 0,043 Вт/(м•К) (пенополистирол), Tосн — Tкам = 40 °С, Н = 0,15 м. Толщина теплоизоляции Н обычно лежит в пределах 100...200 мм и выбирается, исходя из гидрогеологических условий, температуры в камере Tкам и регламентируемой полезной нагрузки на пол (обычно 2500 кг/м2). Удельная установленная мощность составит 1,4 • 0,043 • 40 / 0,15 = 16 Вт/м2. Здесь, в соответствии со сложившейся практикой устройства КЭСО грунта, рассчитанное по формуле оценочное значение необходимого удельного потока тепла увеличено на коэффициент запаса 40%. Умножение на коэффициент запаса обязательно, так как необходимо учесть, помимо перечисленных выше физико-технических, многие дополнительные факторы (особенности климатической зоны, характер грунта, площадь, высоту и теплоизоляцию холодильной камеры, а также температуру в зонах, прилегающих к камере). Обычно расчётный удельный тепловой поток составляет 10...30 Вт/м2.

Дистрибьюторы компании DEVI (member of Danfoss Group, Дания) успешно применяют в КЭСО грунта ХК надёжные одножильные (DEVIbasic™ 10S) и двухжильные резистивные нагревательные кабели DEVIflex™ 10T с малой теплоотдачей (10 Вт/м). Одножильные кабели дешевле двухжильных, однако менее удобны для укладки, чем двухжильные, так как имеют не один, а два установленных кабеля питания («холодные концы»). В результате задача проектирования схемы укладки кабеля усложняется, так как оба кабеля питания должны стартовать из одной распределительной коробки. Тем не менее, для удешевления стоимости КЭСО чаще выбирают одножильный кабель. В этом варианте можно выбрать одну из двух разновидностей одножильного нагревательного кабеля DEVI: готовые заводские нагревательные секции DEVIbasic™ 10S с установленными «холодными концами» или такой же по структуре кабель DEVIbasic™, поставляемый на больших бобинах. Во втором варианте кабель DEVIbasic™ поставляется «в нарезку» с длиной нагревательных секций, соответствующей расчётной величине. Подобрать необходимые артикулы отрезного кабеля DEVIbasic™ для конкретной холодильной камеры или ледового катка вам помогут специалисты компании DEVI.

Максимальное расстояние между соседними линиями кабеля, при котором не происходит проникновение холода через «мостики холода» и промерзание грунта в зонах между витками нагревательного кабеля, обычно составляет 35...40 см при толщине теплоизоляции не менее 200 мм. Не следует превышать это максимальное значение шага укладки кабеля с погонной мощностью 10 Вт/м!

Холодильные установки, предназначенные для создания ровного, искусственного льда катков и ледовых арен, работающие достаточно продолжительное время, также создают проблемы, обусловленные пучением грунта. Однако, здесь имеются особенности, связанные с достаточно большой площадью с постоянно поддерживаемой отрицательной температурой. Установившееся распределение температуры по площади и по глубине во многом определяется окружающими каток помещениями (обогреваемые раздевалки, трибуны и пр.). Обычно самая низкая температура грунта наблюдается в центральной части катка. При этом точный расчёт температурного поля позволяет оптимизировать структуру КЭСО: к примеру, в некоторых случаях достаточно обогреть лишь центральную часть катка или спроектировать КЭСО с неравномерным подогревом грунта в соответствии с точно выполненным расчётом. Тщательный расчёт нестационарного трёхмерного поля температур в конструкции пола, а также аккуратный выбор толщины тепловой изоляции для каждой конккретной местности с учетом минимальных температур в зимнее время позволяет минимизировать затраты на устройство кабельной системы обогрева грунта под катком. При этом в зависимости от времени года мощность нагревателей должна меняться, чтобы снизить энергетические потери. В России поставленная задача оптимизации была решена ещё в конце 1980-х годов в лаборатории тепловых режимов Центрального научно-исследовательского института машиностроения — головной организации космической промышленности, где был создан пакет прикладных программ, который в настоящее время используется многими предприятиями для расчета трехмерных нестационарных полей теплоизолированных конструкций, кстати, в том числе и для решения таких задач, как подогрев грунта в тепличных хозяйствах.

В заключение отметим высокую надёжность КЭСО, основанных на применении нагревательных кабелей и терморегуляторов компании DEVI, о чём свидетельствует 23-летний опыт эксплуатации этих систем в холодильных терминалах на территории России и 76-летний опыт работы компании на мировом рынке. Современное производство нагревательных кабелей DEVI и обязательный жёсткий выходной контроль позволяют в некоторых случаях отказаться от монтажа дублирующей системы КЭСО, устанавливаемой для возрастания надёжности всей системы обогрева в целом. Производственное оборудование компании сертифицировано Международной Организацией по Стандартизации на соответствие стандарту ISO 9001.