CN106016837B - 一种基于桩筏基础的能量采集与蓄能装置 - Google Patents

Abstract

一种基于桩筏基础的能量采集与蓄能装置，包括筏板和桩基，筏板与软弱土层之间设有能源土工布，筏板和能源土工布中均设有水平方向的第一导热管，桩基竖直设置在软弱土层中，桩基内设有第二导热管，筏板和能源土工布中的两层第一导热管通过第二接头，能源土工布中的第一导热管与第二导热管之间通过接头连接；筏板以及筏板下方设置的能源土工布均分为多个单元，每个单元内包括多根桩基，相邻两根桩基内的第二导热管之间通过连接管连接，连接管与第二导热管也通过接头连接。采用上述结构，大大增加地下导热管的长度，增加热交换效率，并有效利用桩筏基础所占用的土地面积，提升对地热能源的利用率。

Description

一种基于桩筏基础的能量采集与蓄能装置

技术领域

本发明涉及地热能源开发利用领域，特别是一种基于桩筏基础的能量采集与蓄能装置。

背景技术

地热资源是一种储存在地球深处的可再生性能源，具有广阔的分布范围，如果能够合理的开发利用，其经济效益较高，对地热能的开发利用具有很大的必要性，地源热泵技术是一种利用浅层地下热源的供热和制冷技术，可以达到夏季制冷和冬季供热的作用。国外关于对地热资源的开发利用已经有了相当深入的研究，并取得了显著的效果，但是我国目前对地热的开发利用相当有限，由于受到占地面积的限制，我国没有在大范围内推广和利用，如何能够实现高效的利用地热资源，同时合理的利用地热泵所占有的土地面积是一个值得研究的问题。

现有技术中的地热采集装置布管施工效率较低，如中国专利“一种PPC能量桩及制作方法”（专利申请号201210298385.5）中，通过制作直径较大的空心桩，利用桩内较大的空间储存液体，通过液体与混凝土之间的能量交换实现地热能的采集，该发明确实能够实现地热能的开发利用，但具有以下的缺点：（1）该发明中大直径空心桩的制作过程施工难度较大，需要挖掉桩内的土体。（2）在桩身处设置了孔径较大的检查通道，影响了桩基的承载力。（3）该发明中设置的检查通道在地面标高以下，在运行过程中若出现问题需要先挖掉检查通道以上部分的土体，整个检查过程效率较低，如果导热管出现问题，很难进行检修与更换。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于桩筏基础的能量采集与蓄能装置，能够大大增加地下导热管的长度，增加热交换效率，并有效利用桩筏基础所占用的土地面积，提升对地热能源的利用率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于桩筏基础的能量采集与蓄能装置，包括筏板和桩基，筏板与软弱土层之间设有能源土工布，筏板和能源土工布中均设有水平方向的第一导热管，桩基竖直设置在软弱土层中，桩基内设有第二导热管，筏板和能源土工布中的两层第一导热管通过第二接头连接，能源土工布中的第一导热管与第二导热管之间通过接头连接；

筏板以及筏板下方设置的能源土工布被均分为多个单元，每个单元内包括多根桩基，相邻两根桩基内的第二导热管之间通过连接管连接，连接管与第二导热管也通过接头连接。

优选的方案中，所述的每个单元中的筏板上的第一导热管、能源土工布上的第一导热管和多个桩基中的第二导热管串联组成一个独立回路，独立回路的两端分别与导热材料进管、导热材料出管连接，导热材料进管、导热材料出管上设有多个独立回路，独立回路之间并联连接。

优选的方案中，所述的导热材料进管、导热材料出管、第一导热管和第二导热管内填充气体导热材料，导热材料进管上设有空气压缩机，导热材料出管上设有空调系统和发电系统。

优选的方案中，所述的导热材料出管与空调系统连接管道上还设有调压阀门。

优选的方案中，所述的导热材料进管、导热材料出管、第一导热管和第二导热管内填充液体导热材料，导热材料进管远离第一导热管的一端、导热材料出管远离第二导热管的一端均与地源热泵连接。

优选的方案中，单个所述的独立回路中，导热材料由导热材料进管进入，依次经过筏板上的第一导热管、能源土工布上的第一导热管和多个桩基中的第二导热管后进入导热材料出管中。

优选的方案中，所述的桩基中的第二导热管绑扎固定在桩基内的纵向钢筋上。

优选的方案中，所述的第一导热管和第二导热管采用聚乙烯管。

优选的方案中，单个所述的独立回路上的筏板中的第一导热管、第二导热管上均设有阀门，阀门设置在第一导热管上靠近导热材料进管的一端上和第二导热管上靠近导热材料出管的一端上。

优选的方案中，所述的第二导热管的布管方式包括螺旋形和U形中的至少一种。

优选的方案中，导热管的截面采用椭圆形，以增加导热管与地热之间的热交换效率。

本发明所提供的一种基于桩筏基础的能量采集与蓄能装置，通过采用上述结构，具有以下有益效果：

（1）桩筏基础内部可利用作为导热管件埋置的空间大，而且桩基深度大，可利用的地热资源丰富，采用本发明的布管方式，可以充分利用桩筏基础的结构，实现地热能源高效利用和存储的目的；

（2）本发明中利用能源土工布代替筏板底部的防水材料，同时在能源土工布中设置一层导热管，在不影响防水的效果同时还可以实现能量交换；

（3）本发明设计中桩基内的布管方式有两种：螺旋形导热管和U形导热管，两种方式均大大增加了桩基中导热管的长度，两种管都可以直接绑扎在桩基内纵向分布的钢筋上，不会影响桩基的受力性能；

（4）本发明中导热管采用椭圆形截面，增大了导热管的热交换的体积，同时增大了导热管与混凝土的接触面积，可以有效的提高管件的热交换效率，能够实现地热资源的高效利用；

（5）本发明中，导热材料进管和导热材料出管上分别设置阀门，可以方便进行单个回路的控制以及后期运行过程中的检查，能够实现在不影响整个系统正常工作的情况下，对单个或多个回路进行同时检修；

（6）通过改变导热管中的导热材料（气体导热材料或液体导热材料），实现不同的功能，如利用气体导热材料能够用作空调的制冷制热，利用液体导热材料能够对地板进行供暖或供冷，并且充分利用地热能稳定且储量大的特点，将空气通过空气压缩机压入导热管，通过能量的交换使其温度降低，待用电高峰时将高压气体释放并加热，利用空气推动汽轮机发电，实现了地热能向电能的转换；

（7）本发明中导热管分布在不同的区域，施工时能够预先设置导热管，然后按照混凝土的施工顺序施工，完成混凝土浇筑施工之后在利用接头连接对不同区域的导热管进行连接，使现场施工更加方便。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的桩筏基础构造示意图。

图2为本发明采用液体导热材料时的总体平面结构图。

图3为本发明采用气体导热材料时的总体平面结构图。

图4为本发明的单个独立回路俯视结构示意图。

图5为本发明的第二导热管采用螺旋形结构时的桩基及第二导热管结构示意图。

图6为本发明的第二导热管采用U形结构时的桩基及第二导热管结构示意图。

图7为本发明的能源土工布结构示意图。

图中：筏板1，桩基2，导热材料进管3，导热材料出管4，阀门5，调压阀门6，空调系统7，地源热泵8，发电系统9，第一导热管10，第二导热管10’，接头11，能源土工布12，空气压缩机13，软弱土层14，连接管15。

具体实施方式

实施例1：

当采用气体导热材料时：

筏板1与软弱土层14之间设有能源土工布12，筏板1和能源土工布12中均设有水平方向的第一导热管10，桩基2竖直设置在软弱土层14中，桩基2内设有第二导热管10’，筏板1和能源土工布12中的两层第一导热管10通过第二接头11’连接，能源土工布12中的第一导热管10与第二导热管10’之间通过接头11连接；

筏板1以及筏板1下方设置的能源土工布12被均分为多个单元，每个单元内包括多根桩基2，相邻两根桩基2内的第二导热管10’之间通过连接管15连接，连接管15与第二导热管10’也通过接头11连接。

优选的方案中，所述的每个单元中的筏板1上的第一导热管10、能源土工布12上的第一导热管10和多个桩基2中的第二导热管10’串联组成一个独立回路，独立回路的两端分别与导热材料进管3、导热材料出管4连接，导热材料进管3、导热材料出管4上设有多个独立回路，独立回路之间并联连接。

优选的方案中，所述的导热材料进管3、导热材料出管4、第一导热管10和第二导热管10’内填充气体导热材料，导热材料进管3上设有空气压缩机13，导热材料出管4上设有空调系统7和发电系统9。

优选的方案中，所述的导热材料出管4与空调系统7连接管道上还设有调压阀门6。

优选的方案中，单个所述的独立回路中，导热材料由导热材料进管3进入，依次经过筏板1上的第一导热管10、能源土工布12上的第一导热管10和多个桩基2中的第二导热管10’后进入导热材料出管4中。

优选的方案中，所述的桩基2中的第二导热管10’绑扎固定在桩基2内的纵向钢筋上。

优选的方案中，所述的第一导热管10和第二导热管10’采用聚乙烯管。

优选的方案中，单个所述的独立回路上的筏板1中的第一导热管10、第二导热管10’上均设有阀门5，阀门5设置在第一导热管10上靠近导热材料进管3的一端上和第二导热管10’上靠近导热材料出管4的一端上。

优选的方案中，所述的第二导热管10’的布管方式包括螺旋形和U形中的至少一种。

采用上述结构时，整个系统的具体工作原理如下：

导热气体通过地源热泵进入导热管中，在筏板、能源土工布和桩基内，通过热交换，实现导热气体温度的上升或者下降，采集地热能源，最后完成热交换后的气体直接通入空调系统内，实现对空调系统的制冷制热。

同时，在用电低谷时段，导热材料出管上的阀门，打开所有导热材料进管上的阀门，用空气压缩机将空气压入储气装置中，一方面将电能转换为空气压缩势能进行存储，另一方面压缩空气通过导热管与地热进行能量交换，实现温度上升（冬季）或者下降（夏季）；在用电高峰时段，打开导热材料出管上的阀门并加热高压气体使其膨胀推动汽轮机发电，为建筑物提供有效能源补充和调节。

上述结构适用于导热管内采用气体导热材料进行填充的情况，在采用气体导热材料时，能够利用气体与地热能源进行热交换，形成冷空气或热空气，实现对空调进行制冷或制热，达到冬暖夏凉的目的，而且能够在用电高峰期供电，保证建筑物的正常供电。

实施例2：

当采用液体导热材料时：

筏板1与软弱土层14之间设有能源土工布12，筏板1和能源土工布12中均设有水平方向的第一导热管10，桩基2竖直设置在软弱土层14中，桩基2内设有第二导热管10’，筏板1和能源土工布12中的两层第一导热管10通过第二接头11’，能源土工布12中的第一导热管10与第二导热管10’之间通过接头11连接；

筏板1以及筏板1下方设置的能源土工布12均分为多个单元，每个单元内包括多根桩基2，相邻两根桩基2内的第二导热管10’之间通过连接管15连接，连接管15与第二导热管10’也通过接头11连接。

优选的方案中，所述的每个单元中的筏板1上的第一导热管10、能源土工布12上的第一导热管10和多个桩基2中的第二导热管10’串联组成一个独立回路，独立回路的两端分别与导热材料进管3、导热材料出管4连接，导热材料进管3、导热材料出管4上设有多个独立回路，独立回路之间并联连接。

优选的方案中，所述的导热材料进管3、导热材料出管4、第一导热管10和第二导热管10’内填充液体导热材料，导热材料进管3远离第一导热管10的一端、导热材料出管4远离第二导热管10’的一端均与地源热泵8连接。

优选的方案中，所述的单个独立回路中，导热材料由导热材料进管3进入，依次经过筏板1上的第一导热管10、能源土工布12上的第一导热管10和多个桩基2中的第二导热管10’后进入导热材料出管4中。

优选的方案中，所述的桩基2中的第二导热管10’绑扎固定在桩基2内的纵向钢筋上。

优选的方案中，所述的第一导热管10和第二导热管10’采用聚乙烯管。

优选的方案中，所述的单独回路上的筏板1中的第一导热管10、第二导热管10’上均设有阀门5，阀门5设置在第一导热管10上靠近导热材料进管3的一端上和第二导热管10’上靠近导热材料出管4的一端上。

优选的方案中，所述的第二导热管10’的布管方式包括螺旋形和U形中的至少一种。

采用上述结构时，整个系统的具体工作原理如下：

导热液通过地源热泵进入导热管中，在筏板、能源土工布和桩基内，通过热交换，实现导热液温度的上升或者下降，采集地热能源，然后通过地源热泵系统对采集到的能源进行转换，实现建筑物的夏季供冷和冬季供暖。

上述结构适用于导热管内采用液体导热材料进行填充的情况，在采用液体导热材料时，能够利用液体与地热能源进行热交换，完成热交换之后的液体流至底板下方的管道中，起到对室内供热或供冷的目的。

Claims (10)

1.一种基于桩筏基础的能量采集与蓄能装置，包括筏板（1）和桩基（2），其特征是：筏板（1）与软弱土层（14）之间设有能源土工布（12），筏板（1）和能源土工布（12）中均设有水平方向的第一导热管（10），桩基（2）竖直设置在软弱土层（14）中，桩基（2）内设有第二导热管（10’）， 筏板（1）和能源土工布（12）中的两层第一导热管（10）通过第二接头（11’）连接， 能源土工布（12）中的第一导热管（10）与第二导热管（10’）之间通过接头（11）连接；

筏板（1）以及筏板（1）下方设置的能源土工布（12）被均分为多个单元，每个单元内包括多根桩基（2），相邻两根桩基（2）内的第二导热管（10’）之间通过连接管（15）连接，连接管（15）与第二导热管（10’）也通过接头（11）连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于桩筏基础的能量采集与蓄能装置，其特征在于：所述的每个单元中的筏板（1）上的第一导热管（10）、能源土工布（12）上的第一导热管（10）和多个桩基（2）中的第二导热管（10’）串联组成一个独立回路，独立回路的两端分别与导热材料进管（3）、导热材料出管（4）连接，导热材料进管（3）、导热材料出管（4）上设有多个独立回路，独立回路之间并联连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于桩筏基础的能量采集与蓄能装置，其特征在于：所述的导热材料进管（3）、导热材料出管（4）、第一导热管（10）和第二导热管（10’）内填充气体导热材料，导热材料进管（3）上设有空气压缩机（13），导热材料出管（4）上设有空调系统（7）和发电系统（9）。

4.根据权利要求3所述的一种基于桩筏基础的能量采集与蓄能装置，其特征在于：所述的导热材料出管（4）与空调系统（7）连接管道上还设有调压阀门（6）。

5.根据权利要求2所述的一种基于桩筏基础的能量采集与蓄能装置，其特征在于：所述的导热材料进管（3）、导热材料出管（4）、第一导热管（10）和第二导热管（10’）内填充液体导热材料，导热材料进管（3）远离第一导热管（10）的一端、导热材料出管（4）远离第二导热管（10’）的一端均与地源热泵（8）连接。

6.根据权利要求2所述的一种基于桩筏基础的能量采集与蓄能装置，其特征在于：单个所述的独立回路，导热材料由导热材料进管（3）进入，依次经过筏板（1）上的第一导热管（10）、能源土工布（12）上的第一导热管（10）和多个桩基（2）中的第二导热管（10’）后进入导热材料出管（4）中。

7.根据权利要求1或2所述的一种基于桩筏基础的能量采集与蓄能装置，其特征在于：所述的桩基（2）中的第二导热管（10’）绑扎固定在桩基（2）内的纵向钢筋上。

8.根据权利要求1或2所述的一种基于桩筏基础的能量采集与蓄能装置，其特征在于：所述的第一导热管（10）和第二导热管（10’）采用聚乙烯管。

9.根据权利要求2所述的一种基于桩筏基础的能量采集与蓄能装置，其特征在于：单个所述的独立回路上的筏板（1）中的第一导热管（10）、第二导热管（10’）上均设有阀门（5），阀门（5）设置在第一导热管（10）上靠近导热材料进管（3）的一端上和第二导热管（10’）上靠近导热材料出管（4）的一端上。

10.根据权利要求1或2所述的一种基于桩筏基础的能量采集与蓄能装置，其特征在于：所述的第二导热管（10’）的布管方式包括螺旋形和U形中的至少一种。