CN102995627B - 一种地热能采集桩基 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地热能采集桩基，由管桩、导热液体、分流板、盖板、底板、导热管、集热器等部分组成，桩底采用钢筋混凝土完全封闭，顶部设置钢筋混凝土盖板，在盖板上设置多个孔洞，在管桩内部空腔内设置分流板，在分流板靠近底部的位置设置多个孔洞，管桩空腔内注满导热液体，导热管穿过盖板上的孔洞深入到管桩空腔内的导热液体中，导热管与集热器连接，并与管桩空腔一起形成一个循环通道。本发明还公开了该桩的施工方法，包括在地基中施工管桩、开挖桩芯土、制作底板、安装分流板、安装盖板、安装导热管、注入传热液体等技术步骤。本发明施工简便，不影响管桩本身的受力，检修和维护方便，应用范围广，造价低，是一种经济高效的节能减排桩型。
Description
技术领域
本发明属于土木建筑工程技术领域，特别涉及一种地热能采集桩基及施工方法。
背景技术
地热资源是一种清洁能源，且分布广、造价低、使用方便，具有广阔的开发和应用前景。地源热泵技术，是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人工的冷热源，可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热，向建筑物供暖；夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷，是一种有效地利用能源的方式。但是，地源热泵埋设需要占用较大的土地面积，且初期埋设成本高，因此其经济性较差。
在本发明之前，中国专利(专利申请号：200610016545.7)公开了“低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩”，通过在预制钢筋混凝土方桩中埋设各形状的管状换热器装置进行承载、挡土支护、地基加固的同时，可以进行浅层低温地热能转换，起到桩基和地源热泵预成孔直接埋设管状换热器的双重作用。在采用焊接法接桩或法兰法接桩的预制钢筋混凝土方桩中的钢筋笼内沿，绑扎U型管状换热器或螺旋型盘管换热器或其它形状的管状换热器，随方桩沉桩至土(岩)层中。预制钢筋混凝土方桩内的各类管状换热器与地表管路连接，换热器管路内充填交换流体，通过管状换热器系统中的交换流体与钢筋笼、桩身混凝土、桩周土-水系统进行热交换，形成封闭式地源热泵的地下低温地热能交换器。这种能量桩虽然不增加用地面积，但具有以下缺点：(1)U形管绑扎在钢筋笼上，并埋设在混凝土中，与桩身一起受力变形，容易造成管道的变形和损坏；(2)U形管埋设在混凝土中，不能回收、不能重复使用，也不能进行检修，在使用过程中出现问题无法补救；(3)预制桩需要接桩，U形管的接头难以处理，容易造成热源的损失；(4)U形管道埋在混凝土中，使桩在受力时在U形管周围产生应力集中，不利于桩身的受力，容易产生局部破坏，桩的承载力降低。此外，中国专利(专利申请号：200410082851.1)还公开了“一种地下能源采集桩”，在混凝土管桩内设置有一U型管，混凝土管桩的上端设有混凝土填芯盖，U型管的上端穿出混凝土填芯盖外，并通过紧固件予以固定。可直接利用混凝土管桩进行地源热泵系统中的闭环系统管路的安装。该能量桩虽然将导热管与混凝土分离，但这种能量桩仍具有以下缺点：管桩与U型管之间是相互分离的，两者相隔有一定的距离，不利于热量的传递，地热需要通过管桩混凝土传到管腔中间的材料、在传递到U形管，传递路径复杂，热量损失多，利用效率不高。
发明内容
本发明的目的就在于克服传统能量桩的缺陷，充分利用管桩的内部空间，开发一种施工便捷、经济性好、使用方便的地热能采集桩基及施工方法。
一种地热能采集桩基，由大直径现浇或预制管桩、导热液体、分流板、钢筋混凝土盖板、底板、导热管、集热器等部分组成，其特征在于：现浇管桩桩底采用钢筋混凝土完全封闭；现浇管桩顶部设置钢筋混凝土盖板；在盖板上设置多个孔洞，分别作为进水口和出水口；在现浇管桩内部空腔内设置分流板，分流板宽度与管桩内径宽度相等，分流板沿桩长通长布置，且位于桩中线上，将管桩空腔一分为二；在分流板靠近底部的位置设置多个孔洞，作为导热液体循环的通道；管桩空腔内注满导热液体；导热管穿过钢筋混凝土盖板上的孔洞深入到管桩空腔内的导热液体中；导热管与集热器连接，并与管桩空腔一起形成一个循环通道。
所述的管桩为大直径现浇管桩或者预制管桩。
所述的分流板上、下、左、右边缘通过密封胶与混凝土接触处密封。
所述的钢筋混凝土盖板为活动式，可拆卸，钢筋混凝土盖板直径与管桩内直径相等。
所述钢筋混凝土盖板上的孔洞直径大小与导热管外直径相等，数量与导热管数量相等。其中一半孔洞连接进水管、一半孔洞连接出水管。
所述的分流板底部设置的孔洞面积之和大于钢筋混凝土盖板上孔洞面积之和的一半。
所述的导热管在钢筋混凝土盖板顶部上方的位置设置活动接头，可用于拆卸。
本发明一种地热能采集桩基的施工方法，包括以下技术步骤：
(1)在桩位施工钢筋混凝土管桩，并进行混凝土养护。必须使桩体混凝土养护达到一定强度才能进入下一步骤以保证施工安全。
(2)预制钢筋混凝土盖板，并按要求预留孔洞。
(3)施工场地降水。当施工场地地下水位高程高于管桩桩底高程时，在储藏井施工场地周围设置一圈井点降水，否则，直接进入步骤(4)。
(4)开挖桩芯土。可采用人工方式开挖，也可采用高压水冲洗桩芯土形成泥浆后，用泥浆泵抽除桩芯土。桩芯土开挖深度应在桩底标高以下30～50cm。
(5)凿除部分桩底混凝土，使桩端露出20～30cm的钢筋头，作为连接钢筋，然后下放底板钢筋，并与桩端连接钢筋连接。
(6)浇筑混凝土底板进行封底，进行底板混凝土养护，待达到一定强度方可停止降水。
(7)在管腔内安装分流板。分流板两侧边缘与管桩内壁接触紧密并采用密封胶密封，分流板底面与底板接触紧密并采用密封胶密封。
(8)安装钢筋混凝土盖板。在管桩顶部内壁对称打入两根销钉，用于卡住钢筋混凝土盖板底部的位置；在分流板顶面涂上密封胶，并将预制好的钢筋混凝土盖板放置在分流板顶部，钢筋混凝土盖板与分流板顶面紧密贴合；在钢筋混凝土盖板周边与桩内壁接触处涂上密封胶。
(9)安装导热管。导热管的一端穿过钢筋混凝土盖板上的孔洞进入管桩空腔，另一端与集热器连接。导热管深入空腔内的一端，被分流板分隔成两半，其中一半作为进水口，另一半作为出水口。
(10)分别拆开一根进水口导热管和一根出水口导热管上的活动接头，从进水口导热管注入导热液体，直到导热液体充满整个空腔，有液体从出水口导热管流出后停止注入。
(11)接上两根导热管的活动接头，开启地热泵，导热液体在导热管和管桩腔体内形成循环回路。
(12)地热通过管桩桩身混凝土传递到导热液体后，通过导热液体在导热管回路中的循环将热量不断输送到集热器，集热器收集热量后不断输送给用户，从而实现了能量的传输。
(13)在管桩上继续建筑上部结构，上部结构荷载传递到管桩，使管桩起到桩基承载作用。
(14)在不需要采用地热功能时，还可将钢筋混凝土盖板上的导热管拆除，将需要储存的其他液体能源保存到管桩空腔中。
本发明的优点和效果在于：
(1)管桩内径大，形成的内部空腔大，将盖板设置成活动的，在官腔内部需要检修时，可拿掉盖板，直接进入到空腔检查，简单方便。
(2)管桩侧面积大，受到地热的面积大，空腔内液体体积大，有利于吸手更多的地基热量。
(3)管桩主要依靠外侧摩阻力和端阻力来提供承载力，将管桩桩芯土掏空并设置底板，并没有减少外侧摩阻力和桩端阻力，因此管桩承载力没有损耗，能较好的承担上部结构的荷载。
(4)在桩体空腔没不需要U形或W形传热导管，直接将地热通过液体传递给集热器，与传统的能量桩相比，减少了将地热能量先传递给导管、再由导管的液体传递给集热器这一步骤，能量传输效率更高。
(5)在不需要地热的季节，管桩内部的空腔还可以作为地下储藏液体的储藏井，如可以储藏石油等能源。
总之，本发明施工简便，不影响管桩本身的受力和使用，方便检修和维护，应用范围广，造价低，是一种经济高效的节能减排桩型。
本发明的优点和效果还将在具体实施方式中进一步描述。
附图说明：
图1——本发明平面示意图。
图2——本发明图1中A-A位置剖面示意图。
图3——本发明图1中B-B位置剖面示意图。
图3——本发明导热流体运动方向示意图。
图中：1为管桩；2为底板；3为盖板；4为分流板；5为导热管；6为传热流体；7为地热泵；8为集热器；9为活动接头；10为销钉；11为进水孔；12为出水孔；13为密封胶；14为分流板导流孔。
具体实施方式
如图1～图3所示，一种地热能采集桩基，由管桩(1)、传热液体(6)、分流板(4)、盖板(3)、底板(2)、导热管(5)、集热器(8)等部分组成，管桩(1)桩底采用钢筋混凝土完全封闭，形成底板(2)；管桩顶部设置钢筋混凝土盖板(3)；在盖板(3)上设置多个孔洞，分别作为进水孔(11)和出水孔(12)；在管桩(1)内部空腔内设置分流板(4)，分流板(4)宽度与管桩(1)内径宽度相等，分流板(4)沿桩长通长布置，且位于桩中线上，将管桩空腔一分为二；在分流板(4)靠近底部的位置设置多个分流板导流孔(14)，作为导热液体循环的通道；管桩空腔内注满导热液体(6)；导热管(5)穿过盖板(3)上的孔洞深入到管桩空腔内的导热液体(6)中；导热管(5)与集热器(8)连接，并与管桩空腔一起形成一个循环通道。
管能量桩施工时，先平整场地，若软土层直接裸露于地表，则需对软土层(5)表面进行处理，可在上面铺设30～50cm的垫层，以方便施工机械进场。将管桩桩机移到桩位，开启卷扬机，使机架上抬，管桩桩模在机架自重的作用下压入地基一定深度。若在自重作用下压入的深度仍小于设计深度，则开启振动锤，使桩模同时在自重和振动力的作用下下沉，直到达到设计深度停止。若沉管过程中遇到硬土夹层，可采用沉模造浆器造浆润滑桩管，减小侧壁阻力，使桩模顺利穿透硬夹层。一般管桩桩模需打穿软土层，达到性质较好的持力层。待桩模沉入到设计深度，移开振动头，通过内外套管之间的环形腔体下放钢筋笼，钢筋笼下端直接下放到桩底，然后再将振动头连接在桩模顶部。灌注混凝土，振动拔管形成管桩(1)。为了保证成桩质量，现场搅拌混凝土坍落度宜为8cm～12cm，如采用商品混凝土，非泵送时塌落度宜为8cm～12cm，泵送时坍落度宜为16cm～20cm。进行混凝土养护。必须使桩体混凝土养护达到一定强度才能进入下一步骤以保证施工安全。在混凝土养护过程中，可以按照设计要求预制盖板(3)，在盖板(3)上预留所需的孔洞。预制盖板(3)的工作也可以提前进行。
一般桩长小于10m时可养护两周后开挖桩芯，桩长大于10m时养护四周后开挖桩芯。开挖桩芯土前进行施工场地降水，以防止地下水渗入桩芯。当底层桩芯土本身渗透性较低，可以起到防水的效果时，可保留1～1.5m桩芯土不开挖，不需进行降水。当施工场地地下水位高程低于管桩桩底高程时，可不降水直接开挖桩芯土。桩芯土可采用人工方式开挖，也可采用高压水冲洗桩芯土形成泥浆后，用泥浆泵抽除桩芯土。全部开挖桩芯土时，桩芯土开挖深度应达到桩底标高以下30～50cm，主要是为了保证底板(2)有一定的厚度。全部开挖桩芯土时，凿除部分桩底混凝土，使桩端露出20～30cm的钢筋头，作为连接钢筋。部分开挖桩芯土时，用冲击电钻等工具在桩壁打孔，露出管桩(1)内部的钢筋笼。下放底板(2)的钢筋，并与桩端连接钢筋连接，比较理想的连接方法就是将钢筋笼端部的连接钢筋向桩芯内部弯曲近水平，然后用扎丝将钢筋笼和底板钢筋通过连接钢筋绑扎在一起，这样做的目的是有利于底板(2)受力，或者与桩壁外露的钢筋笼连接。然后浇筑混凝土底板(2)进行封底。底板(2)浇筑和养护过程中，若采用了井点降水，则要继续降水直到养护结束，以防止底板(2)混凝土达到强度前地下水作用在底板(2)底部造成其开裂。下一步，在管腔内安装分流板(4)。分流板(4)两侧边缘与管桩(1)内壁接触紧密并采用密封胶(13)密封，分流板(4)底面与底板(2)接触紧密并采用密封胶(13)密封。然后安装已预制好的盖板(3)，在管桩(1)顶部内壁对称打入两根销钉(10)，销钉(10)的位置高度与分流板(4)顶面齐平，销钉(10)伸出桩壁一定长度，用于卡住盖板(3)底部的位置；在分流板(4)顶面涂上密封胶(13)，并将预制好的盖板(3)放置在分流板(4)顶部，盖板(3)底面与分流板(4)顶面紧密贴合，盖板(3)边缘正好被销钉(10)卡住；在盖板(3)周边与桩内壁接触处涂上密封胶(13)。安装导热管(5)，导热管(5)的一端穿过盖板(3)上的孔洞进入管桩空腔，另一端与集热器(8)连接。导热管(5)深入空腔内的一端，被分流板(4)分隔成两半，其中一半作为进水孔(11)，另一半作为出水孔(12)。之后分别拆开一根进水孔处的导热管(5)和一根出水孔处导热管(5)上的活动接头(9)，从进水孔(12)的导热管(5)注入导热液体(6)，直到导热液体(6)充满整个管桩(1)内部空腔，有导热液体(6)从出水孔(12)的导热管(5)流出后停止注入。接上两根导热管(5)的活动接头(9)，开启地热泵(7)，导热液体(6)在导热管(5)和管桩(1)内部腔体内形成循环回路。地热通过管桩(1)桩身混凝土传递到导热液体(6)后，通过导热液体(6)在导热管(5)回路中的循环将热量不断输送到集热器(8)，集热器(8)收集热量后不断输送给用户，从而实现了能量的传输。在管桩(1)上继续建筑上部结构，上部结构荷载传递到管桩(1)，使管桩(1)起到桩基承载作用。
本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。
Claims (1)
1.一种地热能采集桩基，包括管桩、导热液体、分流板、钢筋混凝土盖板、底板、导热管、集热器，管桩桩底采用钢筋混凝土完全封闭；管桩顶部设置钢筋混凝土盖板；在钢筋混凝土盖板上设置多个孔洞，分别作为进水口和出水口；在管桩内部空腔内设置分流板，分流板宽度与管桩内径宽度相等，分流板沿桩长通长布置，且位于管桩中线上，将管桩空腔一分为二；在分流板靠近底部的位置设置多个孔洞，作为导热液体循环的通道；管桩空腔内注满导热液体；导热管穿过钢筋混凝土盖板上的孔洞深入到管桩空腔内的导热液体中；导热管与集热器连接，并与管桩空腔一起形成一个循环通道；其特征在于：该地热能采集桩基的施工方法，包括以下技术步骤：
(1)在桩位施工现浇管桩并进行混凝土养护，或者在桩位打入预制管桩；
(2)预制钢筋混凝土盖板，并按要求预留孔洞；
(3)开挖桩芯土，桩芯土开挖深度在桩底标高以下30～50cm；
(4)浇筑混凝土底板进行封底，进行底板混凝土养护；
(5)在管腔内安装分流板，分流板边缘与管桩内壁接触紧密并采用密封胶密封，分流板底面与底板接触紧密并采用密封胶密封；
(6)安装钢筋混凝土盖板，在管桩顶部内壁对称打入两根销钉，用于卡住钢筋混凝土盖板底部的位置；在分流板顶面涂上密封胶，并将预制好的钢筋混凝土盖板放置在分流板顶部，钢筋混凝土盖板与分流板顶面紧密贴合；在钢筋混凝土盖板周边与桩内壁接触处涂上密封胶；
(7)安装导热管，导热管的一端穿过钢筋混凝土盖板上的孔洞进入管桩空腔，另一端与集热器连接，导热管深入空腔内的一端，被分流板分隔成两半，其中一半作为进水口，另一半作为出水口；
(8)分别拆开一根进水口导热管和一根出水口导热管上的活动接头，从进水口导热管注入导热液体，直到导热液体充满整个空腔，有液体从出水口导热管流出后停止注入；
(9)接上两根导热管的活动接头，开启地热泵，导热液体在导热管和管桩腔体内形成循环回路；地热通过管桩桩身混凝土传递到导热液体后，通过导热液体在导热管回路中的循环将热量不断输送到集热器，集热器收集热量后不断输送给用户，从而实现了能量的传输。
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