CN105951745A - 一种预制地热能量管桩 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑节能技术领域，涉及一种预制地热能量管桩，下部钢筋网架和上部钢筋网架构成的支架通过固定钢筋焊接在端头板上；下部钢筋网架和上部钢筋网架的分界处置有钢板托，PE热交换管和注液管均通过支架固定并穿过承台与水平集分水管连接，PE热交换管和注液管与水平集分水管的接口处分别设置流量计和压力计，预制管桩的管芯内注有管芯导热液，钢板托至预制管桩桩顶标高的管芯灌有微膨胀混凝土，微膨胀混凝土与上部钢筋网架浇筑在一起，钢托板的底部预留三个钻孔分别作为PE热交换管进口、PE热交换管出口和注液管进口，三个钻孔处均安装有护管；其结构简单，使用方便，成本低，换热效率高，安全可靠，环境友好。

Description

一种预制地热能量管桩

技术领域：

本发明属于建筑节能技术领域，涉及一种新型结构的预制地热能量管桩。

背景技术：

近年来，能量桩作为新型节能技术之一，将传统的地源热泵系统的地埋管浇筑在桩基混凝土中，使能量桩兼具结构构件和换热器双重功能，节省了高额的钻孔费用和地下空间资源，同时充分利用浅层地热资源为建筑制冷、供热和提供生活热水。目前，利用桩体混凝土作为能量的传递材料，热传递与交换效率较高，可比传统的空调系统节能30％～50％。尽管现有能量桩技术取得了一定的经济效益，但是仍存在一些问题尚未得到解决，其结构和施工工艺亟待优化。目前常用能量桩的桩型中，钢筋混凝土灌注桩不仅现场施工工艺繁杂、工期长、成本高，而且热交换管与混凝土弹性模量有较大差异，桩基服役过程中，热交换管孔洞处易产生应力集中，影响桩基受力；预应力管桩虽然工期、成本较钢筋混凝土灌注桩低，但是由于桩身预埋热交换管，在运输过程中或压桩过程中容易产生裂缝。因此，在传统能量桩形式的基础上，开发一种对桩基受力影响小、传热效率高、工期短、造价低的新型预制地热能量桩具有重要意义。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种新型结构的预制管桩能量桩，预制闭口管桩压桩结束后能方便、快速的将热交换管插入管桩孔芯内，地下浅层热能通过桩体混凝土传递给管芯导热液，导热液进一步与热交换管进行能量交换，实现夏季制冷、冬季供暖的功能，能明显简化施工工序，缩短工期，提高换热效率，降低工程造价。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括预制管桩、桩端、防渗材料、接头防渗管、满焊接头、PE热交换管、注液管、水平集分水管、流量计、钢板托、下部钢筋网架、上部钢筋网架、承台、微膨胀混凝土、PE热交换管进口、注液管进口、护管、管芯导热液、压力计、PE热交换管出口、固定钢筋和端头板；预制管桩底部的桩端为闭口结构或安装有闭口桩尖，预制管桩的内壁上喷涂有防渗材料，避免预制管桩管芯内的导热液对桩身材料及内部钢筋的侵蚀；预制管桩的管桩接头处内壁粘贴有长度为200mm的接头防渗管，避免预制管桩管芯内导热液泄漏对地下环境的污染或对周围土体力学性能及桩有效换热面积的影响；预制管桩的接缝处安装有满焊接头，满焊接头采用碎铁片密封找平并满焊；下部钢筋网架和上部钢筋网架组合构成支架，支架表面涂抹防腐层并通过固定钢筋焊接在端头板上；下部钢筋网架和上部钢筋网架的分界处置有圆形结构的钢板托，钢板托距离预制管桩桩顶标高2m；下部钢筋网架由直径6mm、间距200mm的箍筋和四根直径10mm的纵筋绑扎构成，用于按有效换热距离绑扎和固定PE热交换管，避免PE热交换管的支管距离太近产生热干扰；上部钢筋网架由直径8mm、间距150mm的箍筋和六根直径20mm的纵筋绑扎构成，用于固定PE热交换管；上部钢筋网架伸出预制管桩顶端插入承台的部分作为插筋，插筋锚固长度根据预应力混凝土管桩《10G409国家建筑标准设计图集》的要求设置，预制管桩与承台通过插筋连接；PE热交换管和注液管均通过支架固定，并分别穿过承台与地面的水平集分水管连接，PE热交换管和注液管与水平集分水管的接口处分别设置流量计和压力计，PE热交换管用于贯通热交换液，管芯导热液通过注液管注入预制管桩的管芯内，将预制管桩桩体传来的浅层地热能与PE热交换管之间进行热传递；钢板托至预制管桩桩顶标高范围的管芯灌有C35的微膨胀混凝土，微膨胀混凝土与上部钢筋网架浇筑在一起，改善预制管桩的上部承载性能，同时密封管芯导热液；钢托板的底部涂抹防腐层且预留三个钻孔分别作为PE热交换管进口、PE热交换管出口和注液管进口，三个钻孔处均安装有护管，用于保护PE热交换管和注液管免受钢板托和上部微膨胀混凝土的挤压和损害，护管采用密封胶灌缝。

本发明所述预制管桩是在现有的预制管桩技术上，利用高压喷涂技术在预制管桩内壁喷涂防渗材料制成，按照桩身材料包括预制钢筋混凝土管桩和钢管桩，其中预制混凝土管桩内壁喷涂有两层深渗透结晶型防水材料(DPS)；钢管桩的内、外壁喷涂重防腐环氧粉末涂料。

本发明所述管芯导热液选用水或价格便宜的导热油类。

本发明所述预制地热能量管桩的具体施工过程包括以下五个步骤：

(1)管桩预制：在现有预制管桩技术的基础上添加防渗工艺，利用高压喷涂技术在管桩内壁喷涂DPS或重防腐环氧粉末涂料制备得到预制管桩，同时做好预制管桩桩壁的防渗、防腐工作；

(2)现场压桩：将场地整理平整后，采用全站仪定位桩基轴线，静压桩机进行压桩，压桩过程中在管桩接头处距离上、下管桩各100mm高度的范围内清理预制管桩的内壁后粘贴一根接头防渗管，管桩接缝处用碎铁片密封找平并满焊；

(3)换热系统安装：现场压桩结束后，将预制管桩的桩头处理至设计标高，现场绑扎支架、PE热交换管和注液管，并将支架、PE热交换管和注液管一起插入预制管桩的管芯内，并通过固定钢筋焊接在端头板上进行固定，在PE热交换管插入管芯之前检查PE热交换管的密封性，在热交换管内通入0.9MPa的空气压力进行试压，观察压力表保持30min，以压力不降为合格；

(4)管芯导热液灌注：将管芯导热液泵入管芯内，根据注液管口的流量计和压力计控制管芯导热液灌入量，并按公式m＝Δe×ΔT×100预留m％管芯导热液体积膨胀空间，其中Δe指热交换过程中不同温度差下的管芯导热液膨胀系数差；ΔT指本能量管桩进行热交换时管芯导热液的温度差；

(5)桩顶填芯：在钢板托至预制管桩桩顶标高范围内的管芯内以50方每小时的速度浇筑微膨胀混凝土，保证混凝土浇筑质量；桩顶填芯过程中对PE热交换管进口、PE热交换管出口和注液管进口进行保护，避难施工碎屑或混凝土进入管内将其堵塞，填芯过程中要保证PE热交换管的空气压力在15min内不降，完成新型地热能量管桩的施工。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是预制管桩桩身混凝土与热交换管分离，并通过管芯导热液传递热量，换热面积大，桩身受力变形时避免了集中应力的产生；二是PE换热管按有效换热距离绑扎、固定在支架上，减小了支管间的热干扰，提高了换热效率高；三是施工工序简单，且热交换管能在压桩结束后快速插入管桩孔芯内，明显缩短工期；四是管芯导热液选用便于就地取材的水或价格便宜的导热油类，用注液管灌注导热液方便、易控，降低工程造价；其结构简单，使用方便，成本低，换热效率高，安全可靠，环境友好。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明所述钢板托的钻孔布置示意图。

图3为本发明所述管桩接头处结构示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例所述预制地热能量管桩的主体结构包括预制管桩1、桩端2、防渗材料3、接头防渗管4、满焊接头5、PE热交换管6、注液管7、水平集分水管8、流量计9、钢板托10、下部钢筋网架11、上部钢筋网架12、承台13、微膨胀混凝土14、PE热交换管进口15、注液管进口16、护管17、管芯导热液18、压力计19、PE热交换管出口20、固定钢筋21和端头板22；预制管桩1底部的桩端2为闭口结构或安装有闭口桩尖，预制管桩1的内壁上喷涂有防渗材料3，避免预制管桩1管芯内的导热液对桩身材料及内部钢筋的侵蚀；预制管桩1的管桩接头处内壁粘贴有长度为200mm的接头防渗管4，避免预制管桩1管芯内导热液泄漏对地下环境的污染或对周围土体力学性能及桩有效换热面积的影响；预制管桩1的接缝处安装有满焊接头5，满焊接头5采用碎铁片密封找平并满焊；下部钢筋网架11和上部钢筋网架12组合构成支架，支架表面涂抹防腐层并通过固定钢筋21焊接在端头板22上；下部钢筋网架11和上部钢筋网架12的分界处置有圆形结构的钢板托10，钢板托10距离预制管桩1桩顶标高2m；下部钢筋网架11由直径6mm、间距200mm的箍筋和四根直径10mm的纵筋绑扎构成，用于按有效换热距离绑扎和固定PE热交换管6，避免PE热交换管的支管(支管是指2到3根PE热交换管插入管芯时，如果距离太近会产生热阻效应，可不用在图中标出)距离太近产生热干扰；上部钢筋网架12由直径8mm、间距150mm的箍筋和六根直径20mm的纵筋绑扎构成，用于固定PE热交换管6；上部钢筋网架12伸出预制管桩1顶端插入承台13的部分作为插筋，插筋锚固长度根据预应力混凝土管桩《10G409国家建筑标准设计图集》的要求设置，预制管桩1与承台13通过插筋连接；PE热交换管6和注液管7均通过支架固定，并分别穿过承台13与地面的水平集分水管8连接，PE热交换管6和注液管7与水平集分水管8的接口处分别设置流量计9和压力计19，PE热交换管6用于贯通热交换液，管芯导热液18通过注液管7注入预制管桩1的管芯内，将预制管桩1桩体传来的浅层地热能与PE热交换管6之间进行热传递；钢板托10至预制管桩1桩顶标高范围的管芯灌有C35的微膨胀混凝土14，微膨胀混凝土14与上部钢筋网架12浇筑在一起，改善预制管桩1的上部承载性能，同时密封管芯导热液18；钢托板10的底部涂抹防腐层且预留三个钻孔分别作为PE热交换管进口15、PE热交换管出口20和注液管进口16，三个钻孔处均安装有护管17，用于保护PE热交换管6和注液管7免受钢板托10和上部微膨胀混凝土14的挤压和损害，护管17采用密封胶灌缝。

本实施例所述预制管桩1是在现有的预制管桩技术上，利用高压喷涂技术在预制管桩1内壁喷涂防渗材料3制成，按照桩身材料包括预制钢筋混凝土管桩和钢管桩，其中预制混凝土管桩内壁喷涂有两层深渗透结晶型防水材料(DPS)；钢管桩的内、外壁喷涂重防腐环氧粉末涂料。

本实施例所述管芯导热液18选用水或价格便宜的导热油类。

本实施例所述预制地热能量管桩的具体施工过程包括以下五个步骤：

(1)管桩预制：在现有预制管桩技术的基础上添加防渗工艺，利用高压喷涂技术在管桩内壁喷涂DPS或重防腐环氧粉末涂料制备得到预制管桩1，同时做好预制管桩1桩壁的防渗、防腐工作；

(2)现场压桩：将场地整理平整后，采用全站仪定位桩基轴线，静压桩机进行压桩，压桩过程中在管桩接头处距离上、下管桩各100mm高度的范围内清理预制管桩1的内壁后粘贴一根接头防渗管4，管桩接缝处用碎铁片密封找平并满焊；

(3)换热系统安装：现场压桩结束后，将预制管桩1的桩头处理至设计标高，现场绑扎支架、PE热交换管6和注液管7，并将支架、PE热交换管6和注液管7一起插入预制管桩1的管芯内，并通过上部钢筋网架12顶部的固定钢筋21焊接在端头板22上进行固定，在PE热交换管插入管芯之前检查PE热交换管6的密封性，在热交换管内通入0.9MPa的空气压力进行试压，观察压力表保持30min，以压力不降为合格；

(4)管芯导热液灌注：将管芯导热液泵入管芯内，根据注液管口的流量计和压力计控制管芯导热液14灌入量，并按公式m＝Δe×ΔT×100预留m％管芯导热液体积膨胀空间，其中Δe指热交换过程中不同温度差下的管芯导热液膨胀系数差；ΔT指本能量管桩进行热交换时管芯导热液的温度差；

(5)桩顶填芯：在钢板托10至预制管桩1桩顶标高范围内的管芯内以50方每小时的速度浇筑微膨胀混凝土，保证混凝土浇筑质量；桩顶填芯过程中对PE热交换管进口15、PE热交换管出口20和注液管进口16进行保护，避难施工碎屑或混凝土进入管内将其堵塞，填芯过程中要保证PE热交换管6的空气压力在15min内不降，完成新型地热能量管桩的施工。

Claims (4)

1.一种预制地热能量管桩，其特征在于主体结构包括预制管桩、桩端、防渗材料、接头防渗管、满焊接头、PE热交换管、注液管、水平集分水管、流量计、钢板托、下部钢筋网架、上部钢筋网架、承台、微膨胀混凝土、PE热交换管进口、注液管进口、护管、管芯导热液、压力计、PE热交换管出口、固定钢筋和端头板；预制管桩底部的桩端为闭口结构或安装有闭口桩尖，预制管桩的内壁上喷涂有防渗材料，避免预制管桩管芯内的导热液对桩身材料及内部钢筋的侵蚀；预制管桩的管桩接头处内壁粘贴有长度为200mm的接头防渗管，避免预制管桩管芯内导热液泄漏对地下环境的污染或对周围土体力学性能及桩有效换热面积的影响；预制管桩的接缝处安装有满焊接头，满焊接头采用碎铁片密封找平并满焊；下部钢筋网架和上部钢筋网架组合构成支架，支架表面涂抹防腐层并通过固定钢筋焊接在端头板上；下部钢筋网架和上部钢筋网架的分界处置有圆形结构的钢板托，钢板托距离预制管桩桩顶标高2m；下部钢筋网架由直径6mm、间距200mm的箍筋和四根直径10mm的纵筋绑扎构成，用于按有效换热距离绑扎和固定PE热交换管，避免PE热交换管的支管距离太近产生热干扰；上部钢筋网架由直径8mm、间距150mm的箍筋和六根直径20mm的纵筋绑扎构成，用于固定PE热交换管；上部钢筋网架伸出预制管桩顶端插入承台的部分作为插筋，插筋锚固长度根据预应力混凝土管桩《10G409国家建筑标准设计图集》的要求设置，预制管桩与承台通过插筋连接；PE热交换管和注液管均通过支架固定，并分别穿过承台与地面的水平集分水管连接，PE热交换管和注液管与水平集分水管的接口处分别设置流量计和压力计，PE热交换管用于贯通热交换液，管芯导热液通过注液管注入预制管桩的管芯内，将预制管桩桩体传来的浅层地热能与PE热交换管之间进行热传递；钢板托至预制管桩桩顶标高范围的管芯灌有C35的微膨胀混凝土，微膨胀混凝土与上部钢筋网架浇筑在一起，改善预制管桩的上部承载性能，同时密封管芯导热液；钢托板的底部涂抹防腐层且预留三个钻孔分别作为PE热交换管进口、PE热交换管出口和注液管进口，三个钻孔处均安装有护管，用于保护PE热交换管和注液管免受钢板托和上部微膨胀混凝土的挤压和损害，护管采用密封胶灌缝。

2.根据权利要求1所述预制地热能量管桩，其特征在于所述预制管桩是在现有的预制管桩技术上，利用高压喷涂技术在预制管桩内壁喷涂防渗材料制成，按照桩身材料包括预制钢筋混凝土管桩和钢管桩，其中预制混凝土管桩内壁喷涂有两层深渗透结晶型防水材料；钢管桩的内、外壁喷涂重防腐环氧粉末涂料。

3.根据权利要求1所述预制地热能量管桩，其特征在于所述管芯导热液选用水或导热油类。

4.根据权利要求1所述预制地热能量管桩，其特征在于其具体施工过程包括以下五个步骤：

(1)管桩预制：在现有预制管桩技术的基础上，利用高压喷涂技术在管桩内壁喷涂DPS或重防腐环氧粉末涂料制备得到预制管桩，同时做好预制管桩桩壁的防渗、防腐工作；

(2)现场压桩：将场地整理平整后，采用全站仪定位桩基轴线，静压桩机进行压桩，压桩过程中在管桩接头处距离上、下管桩各100mm高度的范围内清理预制管桩的内壁后粘贴一根接头防渗管，管桩接缝处用碎铁片密封找平并满焊；

(3)换热系统安装：现场压桩结束后，将预制管桩的桩头处理至设计标高，现场绑扎支架、PE热交换管和注液管，并将支架、PE热交换管和注液管一起插入预制管桩的管芯内，并通过固定钢筋焊接在端头板上进行固定，在PE热交换管插入管芯之前检查PE热交换管的密封性，在热交换管内通入0.9MPa的空气压力进行试压，观察压力表保持30min，以压力不降为合格；

(4)管芯导热液灌注：将管芯导热液泵入管芯内，根据注液管口的流量计和压力计控制管芯导热液灌入量，并按公式m＝Δe×ΔT×100预留m％管芯导热液体积膨胀空间，其中Δe指热交换过程中不同温度差下的管芯导热液膨胀系数差；ΔT指本能量管桩进行热交换时管芯导热液的温度差；

(5)桩顶填芯：在钢板托至预制管桩桩顶标高范围内的管芯内以50方每小时的速度浇筑微膨胀混凝土，保证混凝土浇筑质量；桩顶填芯过程中对PE热交换管进口、PE热交换管出口和注液管进口进行保护，避难施工碎屑或混凝土进入管内将其堵塞，填芯过程中要保证PE热交换管的空气压力在15min内不降，完成预制地热能量管桩的施工。