Особенности проектирования теплового экрана для холодильных камер

При проектировании, строительстве и эксплуатации полов в зданиях с отрицательными температурами внутреннего воздуха, возводимых на пучинистых грунтах (здания холодильников, низкотемпературные холодильные камеры в других зданиях и сооружениях) необходимо учитывать промерзание грунта, который является основанием фундамента и пола под камерой.

Постоянно поддерживаемая в помещениях холодильника отрицательная температура оказывает влияние на температурный режим грунта под сооружением, в результате он промерзает намного глубже, чем на открытой площадке застройки. Промерзание пучинистого грунта (пылеватые супеси, суглинки, пылеватые пластичные глины) ниже фундаментов при близком стоянии грунтовых вод, может вызвать деформацию и даже разрушение несущих конструкций зданий холодильников. Наибольшей опасности повреждения от сил морозного пучения грунта подвержены одноэтажные здания, сооружаемые, как правило, без подвалов и имеющие малонагруженные фундаменты. Конструкции одноэтажных зданий могут получать повреждения даже при промерзании грунта, не доходящем до подошвы фундаментов, за счет так называемых касательных сил пучения. Повреждение строительных конструкций, а также аварийные случаи разрушения зданий холодильников силами морозного пучения наблюдаются в разные сроки эксплуатации зданий – с первых лет ввода и через несколько десятков лет. Морозное пучение грунтов снижает сроки службы зданий холодильников, ухудшает условия эксплуатации и приводит к большим затратам на ремонт зданий и исправление деформированных конструкций. В настоящее время большое количество холодильников предприятий мясной и молочной промышленности имеет деформированные полы и другие строительные конструкции. При строительстве одноэтажных холодильников, проектируемых без подвалов, трудно избежать непосредственного влияния отрицательных температур на грунты основания. Поэтому в большинстве случаев осуществляют мероприятия для предотвращения промерзания пучения грунта основания. Выполнение теплоизоляционного слоя полов холодильника на грунте, с таким расчетом, чтобы нулевая изотерма проходила в толще изоляции и не опускалась в грунт в процессе эксплуатации, практически не осуществимо, так как требуется теплоизоляционный слой большой толщины, а теплоизоляционные свойства слоя должны оставаться стабильны в течении всего периода эксплуатации. При устройстве полов в условиях промерзающего пучинистого грунта рекомендуется [1, п.7.4, 7.5]:

• понижение уровня грунтовых вод ниже глубины промерзания основания не менее чем на 0,8 м;
• выполнение по основанию теплоизоляционного слоя толщиной по расчету из неорганических влагостойких материалов средней плотностью не более 1,2 т/м³ ;
• замену пучинистого грунта при засыпке котлованов в зоне промерзания основания практически непучинистым грунтом;
• в поверхность основания из нескального грунта перед укладкой по нему бетонного подстилающего слоя должно быть предусмотрено вдавливание щебня или гравия на глубину не менее 40 мм.

Для обеспечения устойчивости строительных конструкций холодильной камеры эти меры оказываются недостаточными. Чтобы избежать пучения грунта, его температура не должна опускаться ниже +2° С [2, п.9.2.2].

Для обеспечения положительной температуры грунта применяют обогрев:

• электрический, который обеспечивается путем установки горизонтальных или вертикальных обогревателей;
• воздушный (вентилируемое подполье);
• жидкостный, который обеспечивается незамерзающей жидкостью, циркулирующей по встроенным в пол трубам.

Наиболее надежным и экономичным (минимальные эксплуатационные и капитальные расходы) признан электрический способ обогрева. Данный способ обогрева можно условно разделить на два вида:

1. Обогрев посредством установки в конструкцию пола вертикальных электрических обогревателей;
2. Обогрев грунта с помощью установки в бетонную плиту основания пола горизонтальных электрических обогревателей.

Первый вид обогрева подходит только для камер, имеющих небольшую площадь или для камер, в которых уже установлена система обогрева с горизонтальными электрическими обогревателями, с частично неработающими участками обогрева. Ввод вертикальных капсул с электрическими нагревательными стержнями в конструкцию пола с неработающими участками горизонтального обогрева позволяет восстановить работоспособность ранее установленной системы. Необходимо отметить, что данный способ обогрева полов требует тщательного расчета нестационарного трехмерного поля температур в конструкции пола и тепловой изоляции, с учетом площади пола холодильной камеры. Таким образом, первый вид электрического обогрева не получил широкого распространения.

Второй вид обогрева, ввиду простоты его реализации, получил широкое распространение во всем мире.

В СССР при устройстве обогрева грунта под холодильными камерами в качестве электронагревателей использовали стержни из круглой (арматурной) стали диаметром от 6 до 12 мм. Стержни горизонтально укладывались в бетонную плиту толщиной 100 мм (бетонная плита является защитой от коррозии и служит проводником тепла, выравнивающим тепловой поток) без электрической изоляции. Нагреватели размещали по возможности равномерно, параллельно друг другу с шагом 500-800 мм, но не более 1 м. В местах, где колонны прорезают теплоизоляцию, нагреватели приближали с двух сторон к грани колонн на 50 мм, т.к. при меньшем расстоянии между стержнями и колоннами возникает опасность металлического соприкосновения нагревателей со стальной арматурой колонн. Колонны в месте приближения стержней электрически изолировали двумя слоями рубероида на битуме. Сближение стержней у колонн компенсировало поток холода, уходящий из камеры в грунт через сечение колонны. Нагреватели подключали через понижающий трансформатор к сети переменного тока с частотой 50Гц и напряжением 24-36В. Вся площадь, подлежащая обогреву, разделялась на отдельные участки, имеющие собственный понижающий трансформатор и отдельное управление его работой. В одном участке объединялись помещения с близкими значениями температуры воздуха. Каждый участок обогрева имел не менее двух датчиков, контролирующих температуру грунта. Датчики температуры устанавливались в специальных колодцах, которые располагались ближе к середине здания и в помещениях с наиболее низкой температурой. Кроме стационарных датчиков температуры в колодцах предусматривалась возможность контроля температуры переносным прибором. В настоящее время, в связи с широким распространением гибких нагревательных кабелей задача обогрева грунта под холодильными камерами существенно упростилась. Попробуем подробнее осветить некоторые вопросы проектирования системы обогрева грунта под холодильными камерами при помощи нагревательных кабелей.

При определении необходимой мощности обогрева в настоящее время не существует единого метода решения этой задачи. Большинство фирм производителей кабельных систем обогрева рекомендует устанавливать мощность системы обогрева в пределах 15-30 Вт/м² .

Попытаемся проверить эти цифры с помощью тепловых расчетов разными способами. В качестве холодильной камеры возьмем конкретную холодильную камеру для замораживания пельменей и мясных полуфабрикатов с температурой -30о С и общей площадью 97,28 м² (рис. 1).

Рис.1. Схема камеры для замораживания пельменей

Разрез пола камеры показан на рис. 2.

Рис. 2. Разрез пола холодильной камеры

Как видно из рисунка нагревательные кабели устанавливаются в толще нижней бетонной плиты, находящейся под слоем тепловой изоляции.

1. Способ расчета теплового потока из холодильной камеры в грунт (ООО «ССТ»).

Суммарный тепловой поток из холодильной камеры в грунт:

N = S * ΔT/R (Вт),

где:
S – площадь обогрева, м² ;
R – термическое сопротивление пола камеры и теплоизоляции, м² *°С/ Вт;
ΔT – разность температур между температурой в камере и требуемой температурой грунта, °С.

Полное термическое сопротивление:

R = 1/α + δ_б /λ_б + δ_из/λ_из (м² * °С/Вт),

где: 
α – коэффициент теплопередачи от воздуха камеры к бетонному полу, согласно СНиП II-3-79 его рекомендуется принимать равным 8,7 Вт/м² °С;
δ_б – толщина бетона над теплоизоляцией, м;
λ_б – коэффициент теплопроводности железобетона, (Вт/м°С);
δ_из – толщина теплоизоляции, м;
λ_из – коэффициент теплопроводности теплоизоляции, (Вт/м°С).
Удельный тепловой поток из холодильной камеры в грунт

N_уд. = ΔT/R (Вт/м²)

Результаты расчетов для нашей холодильной камеры сведены в таблицу 1.

Таблица 1

2. Способ расчета теплопотерь пола в холодильной камере (DEVI A/S, Vejle, Дания). Теплопотери пола в холодильной камере:

Q_п.= S * λ * ΔT (Вт),

где
S (м²) – площадь обогрева,
λ (Вт/м*°C) – коэффициент теплопроводности конструкции пола,
ΔT (С˚) – разность температур.

  Удельные теплопотери пола:

Q_уд.= λ * ΔT (Вт /м²)

Результаты расчетов сведены в таблицу 2.

Таблица 2

3. Способ расчета теплопотерь пола в холодильной камере (применялся еще в СССР, подробно изложен в справочнике [4]).

Количество тепла обогреваемой плиты:

Q₀ = Q_к + Q_гр * S (Вт),

где 
Q_к (Вт/м² ) – количество тепла от 1м² обогреваемой плиты в камеру;
Q_гр (Вт/м²) – количество тепла от 1 м² обогреваемой плиты в грунт;
S (м²) – площадь поверхности обогрева.

Q_к = (T_ср - T_к )/R_к,

где
T_ср (°С) – средняя расчетная температура обогреваемой плиты;
T_к (°С) – температура воздуха в камере;
R_к (м² * °С /Вт) – сопротивление теплопередачи от обогреваемой плиты в камеру.

Q_гр = (T_ср - T_гр)/R_гр,

где
T_ср (°С) – средняя расчетная температура обогреваемой плиты;
T_гр(°С) – расчетная температура грунта;
R_гр (м² * °С /Вт) – сопротивление теплопередачи от обогреваемой плиты в грунт.

Q_уд = Q_к + Q_гр (Вт/м²),

где
Q_к (Вт /м² ) – количество тепла от 1 м² обогреваемой плиты в камеру;
Q_гр (Вт /м²) – количество тепла от 1 м² обогреваемой плиты в грунт. Результаты расчетов сведены в таблицу 3.

Таблица 3

Таким образом, видно, что результаты расчетов для нашей холодильной камеры отличаются:

1. Удельный теплопоток, рассчитанный способом ООО «ССТ» с учетом коэффициента запаса равен 5,52 Вт/м2 (4,6 Вт/м² * 1,2),
2. Удельный теплопоток, рассчитанный способом компании «DEVI» с учетом коэффициента запаса равен 6,89 Вт/м² (4,92 Вт/м² * 1,4), 
3. Удельный теплопоток, рассчитанный способом, описанный в справочнике [4] с учетом коэффициента запаса равен 12,30 Вт/м² (6,15 Вт/м² * 2). 

Необходимо отметить, что приведенные тепловые расчеты являются оценочными и не учитывают все факторы, возникающие при строительстве и эксплуатации холодильной камеры. Особо сильно на конечный результат влияют конкретные технические характеристики тепловой изоляции, укладываемой под полом холодильной камеры.

Следует также учитывать характеристики применяемого нагревательного кабеля (линейная мощность кабеля, длина нагревательной секции, механическая прочность) и способ его монтажа. Все это позволяет сделать вывод, что типовая удельная мощность обогрева на уровне 15-20 Вт/м² является достаточной для подобных систем. Дальнейшее увеличение удельной мощности нецелесообразно.

Остановимся подробнее на выборе необходимой нагревательной секции, способе ее монтажа и аппаратуре регулирования. В качестве примера рассмотрим ту же холодильную камеру, изображенную на рис. 1.

Для определения необходимой мощности обогрева воспользуемся формулой:

P _{нагр. cекц.}= S * Q_уд.,

где
S (м²) – фактическая обогреваемая площадь, на которую укладывается секция;
Q_уд. (Вт/м²) – фактическая удельная мощность обогрева.

Для нашей холодильной камеры:

P_{нагр. cекц.} = 97,28 * 15 = 1459,2 (Вт).

Выберем необходимые нагревательные секции. Для наших целей хорошо подходят бронированные секции на основе кабеля НБМК 5ТСОЭ2-150-04 в количестве 2 шт. Суммарная рабочая мощность выбранных секций составляет 1500 Вт, длина - 300 м.

Остается подсчитать шаг укладки секций и начертить их расположение. Шаг укладки подсчитываем по формуле:

Шаг укладки (см) = (100 * S) / L,

где
S – фактическая обогреваемая площадь, на которую укладывается секция, м²,
L – длина секций, м.

В нашем случае получаем:

Шаг укладки (см) = 97,28 * 100 / 300 = 32,43 (см).

Необходимо отметить, что полученный результат является приблизительным, поскольку приведенная формула не учитывает длины изгибов кабеля на поворотах змейки. Чем больше обогреваемая площадь (чем больше изгибов), тем больше погрешность нашего результата. Поэтому для точного размещения кабеля лучше всего воспользоваться одной из "чертежных" программ, например, AutoCAD.

Кроме того, шаг укладки зависит от способа крепления нагревательных секций к обогреваемой поверхности. Для фиксации нагревательных секций наибольшее распространение получила монтажная лента из оцинкованной жести с лепестками для крепления нагревательного кабеля, расположенными через 2,5 см (рис. 3).

Рис. 3. Внешний вид монтажной ленты

Следовательно, шаг укладки будет кратен 2,5 см и для наших секций ТСОЭ2 с линейной мощностью 5 Вт/м будет составлять 25 … 35 см в зависимости от площади и конфигурации конкретной холодильной камеры.

Превышение шага укладки нашего греющего кабеля свыше 35 см приводит к уменьшению удельной мощности обогрева, а главное, к неравномерности обогрева.

Подобный эффект можно наблюдать и на системах обогрева "Теплый пол".

Так на рис. 4 показана система с равномерным обогревом и правильно рассчитанным шагом укладки.

Рис. 4

На рис. 5 представлен случай неравномерного обогрева.

Рис. 5

Можно видеть как участки с увеличенными расстояниями между нитками, так и участок, где нитки кабеля сближены, что приводит к локальному перегреву.

Приведенные термограммы получены при исследовании уложенных нагревательных секций ТЕПЛОЛЮКС (20ТЛОЭ2) в бетонную стяжку высотой ≈3 см в двух минских квартирах.

Итак, округляем расчетный шаг до 32,5 см и вычерчиваем расположение наших секций. Полученный результат – рис. 6.

Рис. 6. Схема укладки кабельных нагревательных секций

Нагревательные секции укладываются равномерно, без пересечений с постоянным фиксированным шагом укладки в пределах всей обогреваемой площади, вдоль меньшей стены холодильной камеры. Для предотвращения продольного перемещения нагревательного кабеля вследствие нагревания в процессе его эксплуатации следует укладывать его в одном направлении на длину не более 6 м [5, п.7.6].

Важно отметить, что нагревательные секции необходимо укладывать не только под низкотемпературной холодильной камерой, но и под примыкающими к ней помещениями [3, п.6.6].

Кроме того, уложенные нагревательные секции возможно продублировать, поскольку ремонт системы обогрева в данном случае невозможен. Для этого осуществляется параллельная укладка двух кабельных систем: одна из них является основной (рабочей), а вторая – резервной. К выходу подключения нагревательных секций основной системы дополнительно подключают устройство аварийной сигнализации (звонок, лампа и т.п.). В случае каких-либо отказов основной системы температура в зоне установки падает, и включаются нагревательные секции резервной системы. Одновременно с этим включается сигнализация, предупреждающая о необходимости диагностики основной системы.

Управление нагревательными секциями осуществляется при помощи датчиков температуры, вмонтированных в конструкцию обогреваемой бетонной плиты между витками нагревательного кабеля (рис. 2 и 6) и терморегуляторов РТ-300 или РТ-400, входящих в состав шкафа управления (рис.7).

Рис. 7. Общий вид шкафа управления

Таким образом, обогрев грунта осуществляется в автоматическом режиме: электронные терморегуляторы РТ300 (РТ-400) автоматически поддерживают температуру грунта в пределах +2…+50°С путем включения или выключения нагревательных секций. Система контроля обогревом грунта должна обеспечивать :

• безопасность персонала, обслуживающего холодильник и производящего ремонт или плановую проверку оборудования; 
• поддерживать температуру грунта под холодильной камерой в пределах +2...+5°С;
• защиту электрооборудования от аварийных режимов работы; 
• контроль параметров работы системы обогрева грунта. 

При проектировании электрических сетей электрообогрева используется система заземления проводников типа TN-S, напряжение сети нагревательных секций - 220В. Питающая сеть может быть на напряжение 380В или 220В. Дополнительной мерой безопасности в отношении поражения электрическим током является установка в распределительных сетях к нагревательным секциям защитных выключателей реагирующих на дифференциальный ток, со встроенной защитой от сверхтоков (устанавливаются внутри шкафа управления системой обогрева). Кроме того, шкаф управления содержит защитное реле и индикацию в случае аварийного режима работы. Большие системы обогрева (камеры с большой площадью) целесообразно разделить на части, где количество одинаковых нагревательных секций кратно трем для равномерной нагрузки на трехфазную сеть.

Нагревательные секции 5ТСОЭ2 по конструкции и применяемым материалам идентичны секциям 25ТСОЭ2 (в обоих случаях используется кабель НБМК). Отличие только в материале нагревательной жилы (линейная мощность секций 5ТСОЭ2 - 5 Вт/м, секций 25ТСОЭ2 - 25 Вт/м) и длинах секций. Поэтому, устойчивость к тепловым нагрузкам у секций для холодильных камер многократно выше. Кроме того, секции 5ТСОЭ2 за счет применения повива проволочной брони обладают повышенной механической прочностью, что особенно важно для холодильных камер, где существует возможность подвижки и смещения грунтов, возможны большие продавливающие усилия (более 2000 Н) на нагревательную секцию.

Таким образом, по стойкости к механическим нагрузкам секции 5ТСОЭ2 вполне соответствуют классу М2 по стандарту МЭК 60800, т.е. способны выдерживать раздавливающее усилие 1500 Н и удар с энергией не менее 7 Дж и предназначены для монтажа на объектах с высоким риском механического повреждения. Перечисленные факторы дают неоспоримое лидерство бронированным нагревательным секциям, поскольку у большинства производителей кабельных электрических систем подобные продукты отсутствуют в линейке выпускаемой продукции.

Многолетняя практика использования бронированных нагревательных секций в республике Беларусь показала надежность и долговечность секций 5ТСОЭ2 в сочетании с методом би(три)филярной укладки кабеля (нагревательные секции укладываются по две(три) параллельно (рис. 6). Подобная укладка нагревательных секций позволяет вообще отказаться от использования резервного контура, поскольку все секции равномерно уложены по всей обогреваемой площади (одна внутри другой – рис. 6) и при выходе из строя одной секции обогрев осуществляется другой секцией.

Такие системы успешно работают в ОАО «Волковыский мясокомбинат», РУСПП «Смолевичская бройлерная птицефабрика», ОАО «Слонимский мясокомбинат», ОАО «Ошмянский мясокомбинат», ОАО «Гродненский мясокомбинат» и многих других.

В 2009 г. в республике Беларусь был выпущен «Технический кодекс установившейся практики. Здания холодильников. Строительные нормы проектирования.» [3], где в п.9.25 отмечено, что электрообогрев грунта под холодильными камерами и охлаждаемыми помещениями с отрицательными температурами рекомендуется выполнять нагревательными кабелями ООО «ССТ».

Автор выражает благодарность Павликовой Нине Ивановне - преподавателю кафедры электротехнологий БГАТУ (Белорусский Государственный Аграрно-Технический Университет) г. Минск, за помощь при написании этой статьи и в продвижении секций 5ТСОЭ2 в республике Беларусь.