В связи с опасностью потери части генетического фонда растений в результате природных катастроф и техногенных разрушений среды произрастания растений во многих странах создают хранилища семян растений с определенным температурным и влажностным режимом. Продолжительность сохранения семян зависит от температуры и влажности их [1]. В существующих в мире хранилищах необходимые для длительного хранения семян относительно низкие отрицательные температуры создаются с помощью холодильных установок или с дополнительным использованием естественного холода наружного воздуха и многолетнемерзлых грунтов. Недостатками хранилищ, оборудованных холодильными охлаждающими установками, являются значительные затраты на производство холода и зависимость функционирования хранилищ от надежной работы этих установок.
В подземном пространстве криолитозоны возводят сооружения различного назначения [2, 3]. Свойства мерзлых грунтов как физико-химической системы подробно изложены в монографии [4]. Климатические условия и мерзлое состояние грунтов криолитозоны в наибольшей степени удовлетворяют эксплуатационным требованиям криохранилищ семян растений.
Цель исследования: разработка системы управления температурным режимом подземных сооружений в криолитозоне.
Криохранилище в г. Якутске создано переоборудованием подземной лаборатории Института мерзлотоведения СО РАН, построенной в 1940 г. в толще мерзлых грунтов. Особенностью криохранилища является система его охлаждения.
Температура мерзлых грунтов на глубине расположения рабочих помещений криохранилища после многолетней эксплуатации подземной лаборатории понизилась и составляла минус 2,4 °С. В процессе переоборудования подземной лаборатории в криохранилище в результате свободного попадания холодного воздуха в открытые выработки температура окружающих грунтов еще больше понизилась. Однако это локальное охлаждение грунтов было временным. Для поддержания температуры в рабочих помещениях криохранилища в интервале минус 6–10 °С, рекомендованном Институтом биологических проблем криолитозоны СО РАН, необходимо было разработать эффективную и надежную систему круглогодичного охлаждения. За основу разрабатываемой системы была принята известная широко применяемая охлаждающая установка конвективного действия, в которой движение холодного воздуха происходит под действием естественной тяги. Вопросами охлаждения массива грунтов сезоннодействующими охлаждающими установками занимались многие исследователи [5–7]. Впервые в мире температурный режим в созданном в г. Якутске криохранилище поддерживается использованием только естественных источников холода – наружного воздуха и многолетнемерзлых грунтов.
Низкая влажность семян при длительном хранении достигается предварительным высушиванием и хранением их в герметичных емкостях.
Устройство криохранилища. Криохранилище расположено в толще многолетнемерзлых грунтов и состоит (рис. 1) из рабочих помещений для размещения на стеллажах образцов семян в герметичных упаковках, двух вертикальных стволов для спуска-подъема людей 1 и груза 3 и двух охлаждающих установок. Рабочие помещения, состоящие из одного основного 2 и трех боковых 4 помещений, представляют собой горизонтальные выработки прямоугольного поперечного сечения высотой 2,2 м и шириной 2,2–2,4 м. Общая площадь рабочих помещений составляет 80 м2. Кровля и боковые стороны рабочих помещений закреплены деревянным брусом из лиственницы со сторонами 20х20 см, а подошва залита слоем бетона толщиной 20 см. Лиственничное крепление горных выработок в массиве многолетнемерзлых грунтов длительное время сохраняет свои механические свойства. Так, в известной шахте Шергина в г. Якутске за 175 лет и подземной лаборатории ИМЗ СО РАН за 72 года крепления из лиственницы остались практически без изменения. Кроме того, деревянное крепление обладает относительно высоким термическим сопротивлением, необходимым для таких сооружений как подземные криохранилища. Вертикальные стволы закреплены металлическими уголками и швеллерами и обшиты стальным листом. Оба ствола оборудованы лестницами. Грузовой ствол оснащен лебедкой. За обшивкой стволов проложены каналы для нисходящего и восходящего потоков воздуха охлаждающих установок и кабели осветительной сети.
Рис. 1. Рабочие помещения криохранилища: 1 – вертикальный ствол, 2 – основное рабочее помещение, 3 – вертикальный грузовой ствол, 4 – боковые рабочие помещения
Охлаждающая система. В настоящее время разработаны различные замораживающие и охлаждающие системы принудительного и конвективного действия.
Охлаждающая система криохранилища в г. Якутске (рис. 2) состоит из двух воздушных установок конвективного действия ОУ-1 и ОУ-2. Установка ОУ-1, предназначенная для зимнего охлаждения рабочих помещений и аккумулирования холода в окружающих многолетнемерзлых грунтах, состоит из вертикальных каналов для нисходящего 1 и восходящего 2 потоков воздуха, расположенных в вертикальных стволах 5, двух охлаждающих каналов 3, проложенных за боковой крепью основного рабочего помещения 6 и коллекторов 4, соединяющих вертикальные каналы для нисходящего и восходящего потоков воздуха с охлаждающими каналами. Верхние концы вертикальных каналов расположены на разных уровнях – нисходящего потока воздуха несколько выше максимальной высоты снежного покрова, восходящего потока на высоте 5 м от поверхности земли. Кроме того, надземная часть канала для восходящего потока воздуха покрыта слоем теплоизоляции. Такое расположение верхних концов вертикальных каналов и теплоизоляция надземной части канала для восходящего потока воздуха создают естественную тягу высокого напора [8].
Рис. 2. Схема воздушных охлаждающих установок криохранилища: 1 – каналы для нисходящего потока воздуха; 2 – каналы для восходящего потока воздуха; 3 – охлаждающие каналы; 4 – коллекторы; 5 – вертикальные стволы; 6 – основное рабочее помещение; 7 – боковые рабочие помещения; 8 – граница сезонного оттаивания; цифры без штрихов относятся к ОУ-1, со штрихами к ОУ-2
Охлаждающая установка ОУ-2 для летнего охлаждения рабочих помещений криохранилища состоит также из вертикальных каналов для нисходящего и восходящего потоков воздуха 1′ и 2′, коллекторов 4′ и охлаждающих каналов 3′, представляющих собой систему из 11 труб диаметром 219 мм, расположенных параллельно друг другу на расстоянии 1,5 м в основании слоя сезонного оттаивания. Охлаждение ими наиболее нагретой за лето верхней части массива многолетнемерзлых грунтов кровли сооружения обеспечивает интенсивный теплообмен между потоком холодного воздуха в охлаждающих каналах и окружающими грунтами. При этом рабочие помещения криохранилища должны быть расположены на глубине, которой первая температурная волна от охлаждающих каналов ОУ-2 достигает через определенное время. Продолжительность этого времени зависит от длительности работы охлаждающей установки, теплофизических свойств грунтов кровли сооружения и принятой верхней границы температуры в рабочих помещениях криохранилища.
В слое годовых теплооборотов температурные колебания согласно второму закону Фурье происходят со сдвигом фаз, пропорциональным глубине и определяемым зависимостью [9]
(1)
где С – среднее значение объемной теплоемкости грунтов кровли рабочих помещений криохранилища; Т – период колебаний температуры (8760 ч); λ – среднее значение коэффициента теплопроводности грунтов кровли рабочих помещений; z – разность глубин расположения середины высоты рабочих помещений и заглубленных в основание слоя сезонного оттаивания охлаждающих каналов ОУ-2.
На рис. 3 приведена типичная кривая температуры наружного воздуха в климатических условиях области распространения многолетнемерзлых грунтов на примере г. Якутска [10]. На графике показаны периоды работы воздушных охлаждающих установок τ1, промежуток времени Δτ от момента прекращения работы охлаждающих установок до момента повышения температуры грунтов на уровне расположения рабочих камер до значения максимальной допускаемой температуры в них и продолжительность охлаждения рабочих помещений в теплое время года τ2. Величина сдвига фаз температурных колебаний в грунтах кровли рабочих помещений криохранилища должна быть равна
δ = τ1 + Δτ. (2)
Рис. 3. Кривая среднемесячных температур наружного воздуха в г. Якутске
Из равенств (1) и (2) находим выражение оптимальной глубины заложения рабочих помещений
(3)
Начальная температурная волна от охлаждающих каналов ОУ-2 должна пройти расстояние z за промежуток времени δ. Если величина δ больше или равна продолжительности периода τ2, то холодные температурные волны будут поступать к рабочим помещениям в течение всего этого времени.
Для определения оптимального значения z в условиях г. Якутска исходим из следующих данных. Циркуляция холодного воздуха в охлаждающих установках конвективного действия происходит, как установлено предварительными экспериментами, примерно с середины октября до середины марта, т.е. продолжительность охлаждения ОУ-2 мерзлых грунтов кровли рабочих помещений составляет τ1 = 3624 ч. Температура грунтов у середины высоты рабочего помещения близка к температуре наружного воздуха. Первая температурная волна от охлаждающих каналов ОУ-2 должна достигнуть уровня середины высоты рабочего помещения, когда температура наружного воздуха повысится до принятой величины максимальной температуры воздуха в рабочих помещениях, равной около минус 6 °С. В условиях г. Якутска при расчетных параметрах: τ1 = 3624 ч; Δτ = 540 ч; Т = 8760 ч; С = 2016 кДж/м3 °С и λ = 2,3Вт/ °С оптимальное значение разности глубин расположения рабочих помещений и охлаждающих каналов ОУ-2, рассчитанное по формуле (3), составило z = 10,1 м. Фактическое значение этой разности при глубинах расположения подошвы рабочих помещений h = 11,0 и охлаждающих каналов ОУ-2 ξ = 1,5 м и высоте рабочих помещений вчерне hk = 2,5 м составляет 
м, т.е. меньше расчетного значения на 1,9 м. Поэтому охлаждение окружающих рабочие помещения мерзлых грунтов начинается несколько раньше повышения температуры мерзлых грунтов у стенки рабочих камер до минус 6 °С.
При испытании криохранилища в течение 5,5 лет охлаждающие установки функционировали без нарушения нормального режима.
Результаты исследования и их обсуждение
Температура мерзлых грунтов на глубине расположения рабочих помещений после длительной эксплуатации подземной лаборатории понизилась до минус 2,4 °С. В период реконструкции подземной лаборатории в криохранилище грунты вокруг подземных выработок были сильно охлаждены (рис. 4), о чем свидетельствуют кривые температур, замеренных в марте 2013 г. в кровле (рис. 4, а), подошве (рис. 4, б) и боковой стене (рис. 4, в) основного рабочего помещения. В последующие годы в результате исключения свободного попадания холодного воздуха в выработки температура грунтов вокруг них повысилась и стабилизировалась.
Непосредственно у стенки рабочего помещения температура грунтов стала равной минус 5,5–6,0 °С.
В летнее время 2013 г. в результате аварийного разлива воды из летнего водопровода теплая вода по грузовому стволу попала в рабочие помещения криохранилища. В низких местах подошвы рабочих помещений толщина слоя воды достигала 10 см. Эти внешние воздействия оказали влияние на тепловое состояние окружающих грунтов. Как видно из приведенных на рис. 4 кривых температуры, замеренных в марте месяце, наибольшее повышение температуры грунтов произошло в подошве рабочих помещений (рис. 4, б), несколько меньшее в боковой стене (рис. 4, в) и почти не произошло повышения температуры грунтов кровли (рис. 4, а).
Из графиков температуры грунтов вокруг рабочего помещения криохранилища на рис. 4 видна также эффективность работы охлаждающих установок. Установившиеся температуры грунтов у стенок рабочего помещения криохранилища (минус 5,5–6,0 °С) значительно ниже установившейся температуры грунтов у стенок подземной лаборатории (минус 2,4 °С).
На рис. 5 показана кривая температуры воздуха в основном рабочем помещении за время эксплуатации криохранилища. Среднее ее значение составляет около минус 8 °С, которое на 5,6 °С ниже установившейся температуры грунта на стенке подземной лаборатории до переоборудования ее в криохранилище. На короткие периоды времени температура воздуха поднималась в основном до минус 4,5 °С и опускалась до минус 17 °С. Такие пики температурных кривых могут быть предотвращены устройством теплоизоляции вокруг емкостей с семенами.
Рис. 5. Температура воздуха в рабочих помещениях криохранилища за период эксплуатации
Как видно из приведенного графика, установился квазистационарный температурный режим криохранилища, практически удовлетворяющий предварительно рекомендованному режиму.
Рис. 4. Температура грунтов вокруг основного рабочего помещения: а – в кровле; б – в подошве; в – в стенке
Заключение
Построено и испытано криохранилище семян растений, температурный режим которого поддерживается, впервые в мире, за счет естественных ресурсов холода и без применения нагнетательных механизмов. Предложен способ определения оптимальной глубины заложения криохранилища, основанный на закономерности сдвига фаз температурных колебаний в мерзлых грунтах. Обоснованы способ и устройство для охлаждения криохранилища в теплое время года с помощью аккумулированного холода в зимнее время в грунтах кровли сооружения. Длительные испытания подземного криохранилища, расположенного в толще многолетнемерзлых грунтов, показали:
– возможность использования в криолитозоне разработанного способа круглогодичного охлаждения подземных сооружений;
– эффективность и надежность конструктивного выполнения воздушных охлаждающих установок конвективного действия;
– возможность увеличения мощности охлаждающих установок.