Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Создана экспериментальная установка, состоящая из участка грунта 5х5 м, охлаждаемого парокомпрессионным тепловым насосом, питаемым от солнечных батарей через частотный преобразователь, тепло от этого участка отводится в экспериментальную теплицу (6x3 м); также создан участок 5х5 м с изменяемым тепловым сопротивлением поверхности грунта (максимальное за счет теплоизоляции летом и минимальное при ее поднятии над землей и экранировании от снегонакопления зимой). Экспериментальная установка оснащена большим количеством датчиков температуры, тепловых потоков, автоматической метеостанцией. Что позволило получить данные для дальнейшей оптимизации системы. В частности, необходимо увеличить пиковую мощность контура сброса тепла для максимального использования тепловой мощности теплового насоса. Экспериментально показано существенное влияние экранирования от инсоляции на суммарный тепловой поток в грунт. Несмотря на то, что эффект очевиден, в практике геотехнических расчетов граничные условия на поверхностью задаются только конвективным потоком от воздуха, который может быть в 4 раза меньше суммарного. Этот результат крайне важен для планирования создаваемой сети фонового мониторинга многолетнемерзлых грунтов и геотехнического мониторинга. Урожай огурцов и помидоров был выше в 1,62 и 1,46 раз соответственно в экспериментальной теплице (обогревается бросовым теплом и освещается фитолампами с использованием запасенной в аккумуляторах избыточной электроэнергии, генерируемой экспериментальной установки), чем в контрольной. Причем существуют значительные резервы по дальнейшему повышению урожайности и длительности сезона плодоношения. Для отдаленных населенных пунктов, куда возможно только авиадоставка свежих овощей, систем термостабилизации может окупиться всего за один год при утилизации тепла и избытков электроэнергии для местного овощеводства. С использованием ГИС-технологий оценена область применимости предлагаемой технологии для различных уровней эффективности системы в зависимости от ее конфигурации (тип преобразователя солнечного излучения, холодильной машины) с учетом климатических и геокриологических условий. Определена экономическая целесообразность реализации различных конфигураций системы. Создана карта России, позволяющая по данным о сумме положительных градусо-суток и инсоляции определить применимость предлагаемой технологии для конкретной местности и минимальную достаточную конфигурацию системы для этого (мощности солнечных батарей и тепловых насосов с учетом их эффективности). Показано, что при равенстве площадей защищаемой поверхности и массива солнечных батарей технология применима на 99% территории страны. а для АЗ РФ существует возможность кратного снижения ее стоимости за счет снижения установленной мощности применяемого оборудования. Расчетным путем показаны возможности применения предлагаемой технологии для продления сроков эксплуатации автозимников, сохранения подземных сооружений - ледников/мерзлотников, предотвращения слиния ореолов протаивания между нефтегазодобывающими скважинами, предотвращения эрозии береговых обрывов. Для оценки возможности использования экспериментальных участок для изучения процессов морозного пучения, а также разработки способа его определения в полевых условиях были определены физические, теплофизические и специфические свойства, включающие площадь удельной поверхности, потенциал или давление всасывания, выполнены лабораторные определения степени пучинистости грунтов. Физические свойства грунтов определены по ГОСТ 5180-2015. Коэффициент теплопроводности определен опытным путем на специальной установке, включающей образец грунта, датчик теплового потока, датчики температуры, установленной в климатическую камеру, обеспечивающую заданные интервал температур на противоположных торцах образца грунта. Теплоемкость грунта определена расчетным методом. Площадь удельной поверхности определена расчетным способом по результатам определения гранулометрического состава грунтов. Давление или потенциал всасывания определено криоскопическим методом, основанным на термодинамической зависимости между давлением всасывания Pw и понижением температуры замерзания ∆T поровой влаги в грунте на основании уравнения Клапейрона — Клаузиуса. Получены зависимости давления всасывания от объемной влажности грунтов. Для определения коэффициента теплопроводности собрана установка, состоящая из двух климатических камер, соединенных через вставку с проемом, в котором размещается ячейка с образцом грунта и измерительным оборудованием – датчиком плотности теплового потока и датчики температуры. По результатам численного моделирования процессов теплопереноса и промерзания подобран оптимальный размер ячейки (диаметр и высота образца – не менее 150 мм). Коэффициенты теплопроводности для суглинка с участка №1 составили 1,48 Вт/м·°С и 1,84 Вт/м·°С в талом и мерзлом состоянии, для суглинка с участка №2 - 1,62 Вт/м·°С и 1,87 Вт/м·°С соответственно. Следует отметить, что коэффициенты теплопроводности хвостовых отложений не превысили 1,10 Вт/м·°С и 1,34 Вт/м·°С в талом и мерзлом состоянии соответственно, что объясняется их минералогическим составом (кварц, серпентин, пироп, оливин, тальк, глинистые (каолинит, хлорит) и других минералы). Для организации мониторинга за процессами промерзания и морозного пучения на опытном участке №2 разработана проектная документация, описывающие основные инженерные решения по созданию опытной установки, а также по ее оснащению датчиками температуры, датчиками влажности и устройствами для определения деформаций пучения. По результатам моделирования процесса промерзания на открытой площадке выполнена калибровка численной модели по фактическим температурам в течение последних 3 лет и результатам замеров глубины промерзания, что позволило получить оптимальную схему размещения измерительной аппаратуры и зондов. В ходе выполнения исследований собрана и усовершенствована экспериментальная установка для обеспечения мониторинга температурного режима и деформаций грунтов при промерзании-оттаивании в полевых условиях. Усовершенствование системы выполнено за счет разработки новых термометрических зондов, зондов для измерения влажности, которые в режиме реального времени выполняют измерения. Повышена надежность сохранения и передачи экспериментальных данных в полевых условиях за счет построения дублирующих систем и обработки исключений в программном коде. Приобретена необходимая контрольно-измерительная аппаратура, включающая датчики температуры, теплового потока, перемещений.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Создана вторая очередь экспериментальной установки, представляющая собой модель автозимника. Задача по продлению сроков эксплуатации автозимников в условиях потепления климата является крайне актуальной как для северных регионов вообще, так и для Архангельской области в частности. Для замораживания основания зимника использованы сезонные-охлаждающие устройства, период действия которых будет расширен в весеннее время за счет отбора и принудительного охлаждения циркулирующего в них хладагента с использованием электроэнергии, получаемой от двухсторонних солнечных батарей и специальной холодильной машины. В результате испытаний системы термостабилизации установлено, что плотность теплового потока от охлаждаемого торфа к СОУ достигала 900 Вт/м2 (на поверхности испарительной части). СОУ были заправлены избыточным количеством фреона, соответствующим полному заполнению наклонной части, что позволяло выравнивать таким образом процесс охлаждения в течение суток. При этом температура холодного контура ТН держалась на уровне –18,8°С. Стоимость предлагаемого автозимника будет составлять около 1 млн долл./км, что в любом случае дешевле традиционных автодорог, сопоставимо с мобильными дорожными плитами и с затратами на строительство и содержание автозимника специального назначения в течение 15—20 лет без учета разницы в сроках эксплуатации. При равенстве площади дороги и солнечных батарей имеется значительный запас холодопроизводительности для термостабилизации грунтов, достигающий максимума в апреле-июне, что обеспечит значительное продление сроков эксплуатации автозимников и принципиально дает возможность сделать их круглогодичными. Кроме того, тепло (до 130 Вт/м2 в холодное время года), отводимое холодильными машинами, и особенно излишки энергии, получаемой от солнечных батарей (до 40 Вт/м2 ), могут быть направлены на энергоснабжение поселков и пунктов обогрева, генерируя существенный дополнительный доход с учетом того, что стоимость энергии в таких отдаленных районах в 10—30 раз выше, чем в центральных районах страны. Заложенные в расчеты данные по производству электроэнергии солнечными батареями и холодопроизводительности теплового насоса, как и системы в целом, подтверждены экспериментально. Излишки энергии также могут быть использованы для работы электрических паромов на переправах, что также существенно сократит экологические риски для нерестовых рек. Таким образом, кроме продления сроков эксплуатации зимников применение предлагаемой технологии позволит создать транспортно-энергетические коридоры, повышающие устойчивость изолированных поселений и улучшающие качество жизни в них. Усовершенствованы методы оптимизации автономных гибридных ВИЭ-энергосистем, как с приоритетной (системы мониторинга), так и следующей за выработкой энергии нагрузкой (тепловые насосы), учитывающие реальные погодные данные с высоким временным разрешением в отличие от принятого подхода, использующего средние многолетние климатические данные. Выполнены количественные оценки эффекта применения частотного регулирования привода компрессора инверторного теплового насоса по сравнению с использованием его в режиме старт-стоп с аккумуляторами. Адаптивные (нагрузка следует за доступной от солнечных батарей мощностью) установки с тепловым насосом показали большую эффективность, чем классические аналоги с аккумуляторами. Так, адаптивные системы снизили стоимость охлаждения на 44%, сохранив качество промерзания грунта. При этом замена одного теплового насоса высокой мощности на много маленьких маломощных увеличила продолжительность работы системы на 30–35%, так как установка начинала генерировать энергию при меньшем освещении. Устройство работает в более широком диапазоне освещенности, что улучшает качество промерзания грунта. В экспериментальной теплице, отапливаемой теплом, отводимым из грунта, получен урожай огурцов в 2,22 раза превышающий урожай, полученный в контрольной теплице. Разработана физическая модель промерзающего-оттаивающего глинистого грунта для изучения механизма морозного пучения, обусловленного миграцией влаги к фронту промерзания, в экспериментальной установке, размещаемой в климатической камере. Граничные условия подобраны путем численного моделирования и верифицированы по результатам опытных экспериментов с характерными глинистыми грунтами. Уточнена функциональная зависимость деформаций морозного пучения грунтов от интенсивности миграции влаги, определяемой как изменением влажности во времени в промерзающем слое грунта. Полученная зависимость позволит разработать научно-обоснованные подходы для создания термо- гидро -механической модели пучинистого грунта. Усовершенствована система наблюдений за температурой, миграцией влаги к фронту промерзания, послойными деформациями грунта при промерзании и оттаивании в полевых условиях. Получены результаты наблюдений на опытном участке, которые позволили создать условия для физического моделирования с соблюдением тождественности процессов миграции влаги и деформаций морозного пучения и осадки при оттаивании.