CN101182711A - 浅层地热能转换锚杆 - Google Patents

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Abstract

一种浅层地热能转换锚杆，它通过在锚杆中埋设U型盘管状换热器装置进行抗拔、挡土支护的同时，可以进行浅层地热转换，起到锚杆和地源热泵水平埋设换热器的双重作用。它在锚杆中拉杆(钢筋、钢管、钢丝束、钢绞线等)或注浆管绑扎并固定U型盘管，按正常施工顺序，成孔、安放拉杆盘管换热器绑扎体及灌注锚固体、自由段套管中添加导热回填材料。锚身中的U型盘管与地表管路连接，管路内充填交换流体，通过U型盘管系统中的交换流体与锚固段、自由段砾料、浅部土层进行热交换，形成地源热泵水平埋管的地热交换循环系统。

Description

浅层地热能转换锚杆
所属技术领域：
本发明涉及一种利用锚杆的锚身埋设管状换热器装置进行低温地热能转换的锚杆，该装置是既具有锚杆的挡土支护特性又具备低温地热能循环换热能力的多功能锚杆。
背景技术：
目前，公知的锚杆通常由锚头、锚头垫座、支护结构、钻孔、防护套管、拉杆(钢筋、钢管、钢丝束、钢绞线等)、锚固体、锚底板(有时无)等组成。锚杆又根据主动滑动面，分为自由段和锚固段。锚杆技术遍及土木建筑领域的许多方面，如边坡、基坑的挡土支护以及高耸结构或悬索建筑的抗拉抗拔基础等。但尚无利用浅层地热的功用，这忽视了锚杆的入土换热功能。
目前浅层地热能利用主要是指地源热泵技术，该技术又可细分成水源热泵和土壤源热泵两大类。而在地下水缺少或环保要求高的场地，土壤源热泵更加普遍。土壤源热泵的地下换热器埋设设计(丁勇，李百战，卢军，孙纯武，刘宪英，地源热泵系统地下换热器设计讨论，工程建设与设计，2005年第12期：10-14.)又主要分成垂直埋管和水平埋管，水平埋管包括单沟单管、双管、多管和多层埋管等种类；垂直埋管方法主要是钻孔直接埋设管，其费用很高，一般可占总投资的一半以上，远大于相同条件下的电动热泵等的初投资(姜宝成，王永镖，李炳熙，地源热泵的技术经济性评价，哈尔滨工业大学学报，2003年2月第35卷第2期，195-202)，这给该技术的发展造成困难。另外，国内外有人提出过U型桩埋管换热器的概念，国内有钻孔埋管的改进型即钻孔中的填料改为水泥浆(赵军，李新国等，地源热泵在实际工程中的应用与研究，建筑施工技术(天津建筑科技)，2003，No.5：14-16)；预制管桩中空埋管(CN2752324Y，一种地下能源采集桩)；实心桩中预埋管(朱照华，付祥钊，长江三角洲住宅采暖降温节能系统-桩埋管地源热泵系统，住宅科技，1995.5，41-42)。国外也有人提过桩埋换热器的概念，也都是基于高强度聚乙烯U型管的灌注实心截面桩(Laloui Lyesse，Moreni Matteo，Vulliet Laurent，Behavior of a bi-functional pile，foundation and heat exchanger，Canadian Geotechnical Journal，v 40，n 2，April，2003，p 388-402.)。
可见地下换热器设计垂直埋管研究较多，水平埋管还是局限于挖沟埋管等简单形式。这些基于开挖埋设管状换热器的缺点是：开挖费用高，为了获得稳定恒温层有时需要开挖较深，需要开挖的场地面积较大，需要现场将管状换热器铺设等工序，影响施工效率。
发明内容
为了克服现有的锚杆仅考虑抗拔、支护作用而忽略其利用浅层地热的功用，并改变封闭式土壤源热泵水平埋管技术初始开挖高成本、开挖面积深度较大及其各类管状换热器施工复杂的现实，本技术可以提供一种浅层地热能转换土体锚杆，该锚杆不仅能抗拔、挡土支护，而且能方便地进行浅层地热的循环转换。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明采用的锚杆的设计、生产、施工、验收均按国家现行有关规范执行，在进行锚杆设计、生产、施工时只要求在插放拉杆(钢筋、钢管、钢丝束、钢绞线等)过程中，无论土层情况如何自由段都必须采用套管或填导热回填材料，锚头要预先留有管桩换热器进出口。
钻孔完成后，将拉杆和注浆管绑扎高强度聚乙烯、PVC或PPR的U型管，按一定间隔设置隔离件，之后插放到钻孔中。U型管随拉杆、注浆管下到预成孔中，自由段设置套管，随后向孔中锚固段注浆，自由段套管中添加导热回填材料。根据基坑锚杆墙的设计连接其它锚杆中的U型管形成15°-35°下倾的近地源热泵水平多层埋管，垂直抗拔锚杆则形成地源热泵垂直埋管。根据地源热泵的运行机理，这些U型管被安置在锚杆体中，管中充填热交换流体，该流体通常采用水、盐水或各种防冻剂溶液，形成封闭型循环系统，安装地表交换管路、水泵和满足实际要求的不同功率的各型号地源热泵机组。通过U型管内的交换介质与锚固体或导热回填材料和浅层土水系统的恒温层进行循环热交换，交换流体通过地源热泵机组达到能量转化的目的，起到中央空调的作用，若辅助以中央热水器等装置则可提供中央热水系统所需热量。
本发明的有益效果是，可以在发挥锚杆传统的挡土支护、抗拔的同时，方便地进行浅部地热转换。在锚杆体中的U型管可以起到传统地源热泵水平埋管的同样功效，但节省了开挖的相关费用。而循环换热产生的温度荷载效应在水泥浆的工作范围内，对锚杆的传统力学能力无影响。
该锚杆中的U型管是略下倾，其换热特性介于垂直或水平埋管之间，类似于水平埋管，完全可以达到水平埋置换热器的所有指标。另外，该技术还可以随锚杆设计设置水平埋管的层数。管状换热器在锚杆体内，不影响其正常施工效率和结构，仅仅在锚头增加U型管的出入口。
其次由于在锚杆自由段套管内的管状换热器周围需要充填各类回填材料，可以增强锚杆的整体力学性能并保护拉杆。最后由于回填材料可以人工控制，可以根据不同的地区、不同的地质情况配置最优传导系数的回填材料，以增大热交换效率。
该项技术首先是土壤源热泵水平埋管的一种，具有土壤源热泵技术的先天优势。其可以消除水源热泵技术中的地下水污染问题，也可以避免系统运行中的地下水资源使用费。其次针对土壤源源热泵水平埋管技术开挖、埋设换热管等工序复杂的施工缺点，以及整个埋置换热器的高成本造成土壤源热泵水平埋管技术初始投资过大的问题，本锚杆技术可避免开挖及铺设换热管成本，仅此一项可节约成本近一半且避免开挖带来的施工问题。可见这些技术措施将减低整个地源热泵水平埋管的综合造价，地源热泵本身具有环保节能功用，而我国人工便宜，锚杆市场巨大，若配合本技术的推广使用，每年将带来数以亿计的经济效益和环境效益，又可以为国家节约大量的石油煤炭等不可再生的战略资源。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的钢铰线拉杆锚杆内置U型管图。
图2是图1中A-A剖面图。
图3是图1中B-B剖面图
图4是钢拉杆锚杆内置U型管图。
图5是图4中A-A剖面图。
图6是图4中A-A剖面图。
图中1.钢拉杆，2.浅层地热能转换锚杆，3.锚固段钻孔，4.自由段，5.U型管状换热管，6.隔离件，7.扩张件，8.注浆管，9.堵浆器，10.套管，11.导热回填材料，12.支护结构，13.浅部土层，14.交换流体，15.锚头，16.交换流体流入，17.交换流体返回，18.钢铰线
具体实施方式：
在图1所示实施例中，有钢拉杆(1)的浅层地热能转换锚杆(2)，其钢拉杆(1)长度约等于锚杆长度，由锚固段(3)和自由段(4)相加得到。锚杆直径和倾角有多种规定。在整根锚杆的制作过程中，在制作钢拉杆(1)时绑扎并固定高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的U型管(5)，U型管(5)长度等同于钢拉杆(1)长，隔一定间隔设置隔离件(6)和扩张件(7)。并随钢拉杆(1)和注浆管(8)下置到钻孔中，在堵浆器(9)上自由段(4)设置套管(10)，成锚后，U型管(5)埋在锚杆(2)中，并填导热回填材料(11)充填自由段(4)套管(10)中。成锚后U型管状换热器(5)随浅层地热能转换锚杆(2)插入支护结构(12)和浅部土层(13)中，U型换热管中充填了交换流体(14)，通过锚头(15)交换流体流入(16)和交换流体返回(17)，使U型管状换热器(5)中的管内交换流体(14)与锚固段(3)水泥浆、自由段导热回填材料(11)、支护结构(12)、浅部土层(13)进行热交换。
图2所展示的是图1所示的A-A剖面图。图3所展示的是图1所示的B-B剖面图。
在图4所示的另一个实施例中，有钢铰线(18)的浅层地热能转换锚杆(2)，其钢铰线(18)长度与锚身长度相同。在制作钢铰线(18)和注浆管(7)时绑扎并固定高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的U型管(5)，U型管(5)长度等同于钢铰线(18)长，隔一定间隔设置隔离件(6)和扩张件(7)。并随钢铰线(18)和注浆管(8)下置到钻孔中，在堵浆器(9)上自由段(4)设置套管(10)，成锚后，U型管(5)埋在锚杆(2)中，并填导热回填材料(11)充填自由段(4)套管(10)中。成锚后U型管状换热器(5)随浅层地热能转换锚杆(2)插入支护结构(12)和浅部土层(13)中，U型换热管中充填了交换流体(14)，通过锚头(15)交换流体流入(16)和交换流体返回(17)，使U型管状换热器(5)中的管内交换流体(14)与锚固段(3)、自由段导热回填材料(11)、支护结构(12)、浅部土层(13)进行热交换。
图5所展示的是图2所示的A-A剖面图。图6所展示的是图2所示的B-B剖面图。

Claims (8)

1.一种浅层地热能转换锚杆，在锚身拉杆(钢筋、钢管、钢丝束、钢绞线等)或注浆管绑扎固定U盘管，其特征是：锚身中的U型盘管一端在锚杆锚固段中，另一端向上伸出锚杆外，与其它锚身中的U型盘管和地表管路连接，所说的U盘管为圆形管材。
2.根据权利要求1所述的浅层地热能转换锚杆，其特征在于通过人力或机械将拉杆和U盘管绑扎体送入预成钻孔中。
3.根据权利要求1所述的浅层地热能转换锚杆，其特征在于锚头需要预先留有U盘管出口孔。
4.根据权利要求1所述的浅层地热能转换锚杆，其特征在于U盘管出口向上伸出锚杆外，形成U盘管系统的进口、出口。
5.根据权利要求1所述的浅层地热能转换锚杆，其特征在于锚杆体中的隔离件需要可以隔离U型管的隔离件(6)。
6.根据权利要求1所述的浅层地热能转换锚杆，其特征在于需要加密隔离件(6)和扩张件(7)。
7.根据权利要求1所述的浅层地热能转换锚杆，其特征在于自由段(4)的套管中充填导热回填材料或水泥浆。
8.根据权利要求1所述的浅层地热能转换锚杆，其特征在于U盘管为圆形管材的直径应远小于锚杆直径。
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