CN106168418B - 一种冷热电联产地下连续墙装置及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冷热电联产地下连续墙装置及其施工方法，包括地下连续墙、设置于地下连续墙内部的换热管、空调系统和温差发电系统。其中，换热管首先与土体热交换，然后通过上部换热设备与室内空气热交换，从而调节室温；所述的温差发电系统中，半导体温差发电装置I利用换热管与桩侧土体之间的温差实现热电转化和热交换；半导体温差发电装置II通过相邻换热管之间的温差实现热电转化和热交换，并分别将获得的电力为上部用电设备提供电力供应。本发明的冷热电联产地下连续墙有效的实现了地下连续墙在力学、热学和电学三方面的复合利用，并且实现了浅层地热能源按需、错时的多目标有效利用，提高能源利用效率。

Description

一种冷热电联产地下连续墙装置及其施工方法
技术领域
本发明涉及一种浅层地热能源利用技术，主要适用于建筑地下连续墙等技术领域，尤其是涉及一种冷热电联产地下连续墙装置及其施工方法。
背景技术
浅层地热能，又名浅层地温能，属于低品位可再生清洁能源，是当前技术经济条件下最具备开发利用价值的地球内部的热能资源之一。目前浅层地热能开发与利用中，主要是直接利用浅层土壤常年恒温的特点，利用热泵循环来达到对地面建筑冬天供暖或者夏天制冷的作用。地源热泵技术，属于浅层地热能直接利用的最常用形式之一，该技术利用地下的土壤、地表水、地下水等温度相对稳定的特性，通过以大地为储能体进行热量交换的可再生能源的空调系统；该技术方案可以替代传统锅炉或市政管网等传统的供暖方式和空调系统，达到节能减排的目的。地下埋设换热管，是地源热泵技术的施工难点和投资重点；且地下换热管埋设需要占用较大的土地面积和地下空间，造成其初期埋设等施工成本高，从而影响其大量推广应用。将地源热泵技术中的地下换热管埋设施工与传统建筑桩基础或地下连续墙等地下构建物施工相结合，可以有效解决专门埋管的施工步骤和地埋管占用地下空间问题，从而大大节省工程造价；基于这种地下埋管形式形成的带有地下换热管的地下结构称为能源地下结构，能量桩技术能源地下结构物的典型代表，是近年来有效利用浅层地热能的优良技术方案之一；结合具体桩基结构形式的不同，产生了不同的浅层地热能热传递利用的能量桩类型(文献1～16)。
文献1：Jürgen Vogel和Hermann JosefWilhelm申请的德国发明专利“Energypile for geothermal energy purpose i.e.combined heating and cooling systems，has collector tube comprising section that includes another section thattransitions and runs helically around former section of collector tube(DE102012013337A1)”。
文献2：TirolerMetallwerke Aktiengesellschaft和ArminIng.Amann申请并授权的欧洲和德国发明专利“Energypile(EP1486741 B1，DE50305842D1)”。
文献3：Ing.Armin Amann申请并授权的德国发明专利“Concrete pilefoundation for absorbing geothermal energy，contains corrugated sleeve pipe(DE202004014113U1)”，相应的其他国家专利授权号还有：AT7887 U1。
文献4：Alain Desmeules申请并授权的PCT专利“Pile with integralgeothermalconduit loop retaining means(PCT/CA2010/001500)，，相应的国家阶段专利授权号为：CA2683256 A1，EP2491183 A4，US8262322 B2，US20110091288 A1，WO2011047461A1。
文献5：李志毅，张全胜，张慧东，柳建国和马凛申请并授权的中国发明专利“旋进式壁后注浆地源热能转换预制桩装置及其埋入地层的方法，(专利号：CN201210054121.5)，授权公告日2014年11月26日”。
文献6：孔纲强，黄旭，丁选明，刘汉龙和彭怀风申请并授权的中国发明专利“一种六边形预制能量桩及其制作方法，(专利号：CN201310442139.7)，授权公告日2015年8月19日”。
文献7：孔纲强，黄旭，丁选明，刘汉龙和彭怀风申请并授权的中国发明专利“一种预制能量桩的施工方法，(专利号：CN201310441978.7)，授权公告日2015年9月23日”。
文献8：黄吉永，郑荣跃和黄楠申请并授权的中国发明专利“一种基于植桩过程的地源热泵管埋置方法，(专利号：CN201310033136.8)，授权公告日2015年9月23日”。
文献9：蒋刚，路宏伟，王彬彬和刘伟庆申请并授权的中国发明专利“带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩，(专利号：CN201410572810.4)，授权公告日2016年1月20日”。
文献10：Beton Son B.V.申请并授权的欧洲发明专利“Geothermal pile havinga cavity through which a fluid can flow”，相应的国家阶段专利授权号为：EP1243875B1，NL1017655 C2，DE60200183 T2。
在文献1～9中，公开了在预制桩中间、侧壁甚至预制桩体内埋设不同形式地下换热管的制作方法或施工方法。在文献10中，公开了一种封闭预制桩底端并在预制桩体空腔内布置开放式地下换热管的施工方法。
文献11：方肇洪和刘俊红申请并授权的中国发明专利“桩埋螺旋管式地源热泵装置及其地热换热器的传热模型，(专利号：CN200810159583.7)，授权公告日2011年1月26日”。
文献12：张以韬，郑宗跃和李伟等申请并授权的中国发明专利“地源热泵竖直螺旋式埋管施工方法，(专利号：CN201210494997.1)，授权公告日2014年8月13日”。
文献13：孔纲强，彭怀风，吴宏伟和丁选明申请并授权的中国发明专利“一种地源热泵灌注桩钢筋笼内埋管的施工方法，(专利号：CN201310302155.6)，授权公告日2015年3月11日”。
文献14：刘汉龙，丁选明，孔纲强，吴宏伟和陈育民申请并授权的中国发明专利“一种PCC能量桩及其制作方法，(专利号：CN201210298385.5)，授权公告日2014年11月19日”。
文献15：李平，丁选明，高洪梅和郑长杰申请并授权的中国发明专利“一种地热能采集桩基及施工方法，(专利号：CN201210476105.5)，授权公告日2015年4月8日”。
在文献11～13中，公开了在现场灌注桩中的钢筋笼上绑扎埋设螺旋型地下换热管或者钢管内埋设换热管的施工方法。在文献14～15中，公开了封闭现浇灌注桩底部、在桩体空腔内充填传热液体并布置开放式或地下换热管的施工方法。
文献16：Raymond J.Roussy申请并授权的国际PCT专利“A method and systemfor installing geothermal heat exchangers，energy piles，concrete piles，micropiles，and anchors using a sonic drill and a removable or retrievable drillbit(PCT/CA2009/000180)”，相应的国家阶段专利授权号为：CA2716209A1，CA2716209C，CA2827026A1，CA2827026C，CN102016218A，EP2247816A1，EP2247816A4，US8118115，US20090214299。
在文献16中，公开了一种基于新型钻机的地下换热管的埋设方法。
综上可知，基于不同桩基础施工工艺，可以获得相应的不同制作方法或者施工方法的能量桩技术；但是，无论哪种形式的能量桩技术，都是基于直接热传递原理对浅层地热能的直接利用，没有进行能量形式的转化。
地热能不仅可以通过热泵技术直接利用其热能，而且可以进行发电加以利用。传统的地热发电原理与火力发电类似，以中高温(＞80℃)层地下热水和蒸汽为动力源，首先把地下热能转换为机械能，再把机械能转换为电能。在文献17～18中，公开了一种基于热水井的开采深层地热能进行发电的设施和方法；在文献19～22中，分别公开了一种基于深层的钻孔、地下矿井、采油层套管或地下岩石隧道结构，将深层地热能转化为电能的方法；这种发电方式存在如下几个缺点：(1)一般要求热源温度大于＞80℃，换言之，这些技术方法对于浅层地热能(一般＜25℃)无法适用；(2)能量形态转换次数相对较多，导致能量利用率降低；(3)地下深层热源开发难度相对较大、开发成本高且开发成本随开采深度近乎呈非线性增长。
文献17：Schnatzmeyer，Mark A.和Clark E.Robison申请并授权的美国发明专利"Method and apparatus for generating electric power downhole.″U.S.Patent No.6,150,601.21 Nov.2000。
文献18：Jeffryes，Benjamin Peter申请并授权的美国发明专利″Method andapparatus for downhole thermoelectric power generation.″U.S.Patent No.7,770,645.10Aug.2010。
文献19：Shulman，Gary申请并授权的美国发明专利″Method for recoveringthermal energy contained in subterranean hot rock.″U.S.Patent No.5,515,679.14May 1996。
文献20：DuBois，John R申请并授权的美国发明专利″Geothermal powergeneration system and method for adapting to mine shafts.″U.S.Patent No.7,984,613.26Jul.2011。
文献21：龚智勇申请并授权的中国发明专利“利用油层套管传导地下热能再利用的方法及装置，(专利号：CN201010101312.3)”。
1999年，DiSalvo指出基于半导体低温温差发电技术，可以实现细微温差之间的热电转换(文献22)，利用半导体温差发电技术，在文献23中公开了一种利用超深层高温(1200～1800℃)与深层中温(250～600℃)之间的温差进行发电的技术方法；在文献24中公开了一种基于地下岩石隧道结构，将深层地热能转化为电能的方法；在文献25中公开了一种基于地源热泵技术将深层地热能传递到地表，让换热管与空气中的温差(即深层地热能提供热源、自然空气提供冷源)进行发电的技术方法。
文献22：DiSalvo，F J.发表的学术论文″Thermoelectric cooling and powergeneration.″Science，285.5428(1999)：703-706。
文献23：Levoy，Larry申请并授权的美国发明专利″Direct thermal-electricconversion for geothermal energy recovery.″U.S.Patent No.4,047,093.6Sep.1977。
文献24：陈国庆，杨洋，赵聪和李天斌申请的中国发明专利“一种高地温隧道降温散热及热能转化装置，(专利申请号：CN201510663196.7)”。
文献25：Liu，Liping发表的学术论文″Feasibility of large-scale powerplants based on thermoelectric effects.″New Journal of Physics 16.12(2014)：123019。
半导体温差发电不仅可以在相对温差值较大情况下运用，而且可以在相对温差值较小的情况下运用；半导体温差发电片技术有效突破了相对温差值对发电的限制，大大拓宽了热能转换为电能的种类与渠道，也让浅层地热能直接转化为电能成为可能。在文献26～27中，公开了一种利用太阳能提供热源、利用浅层地热能提供冷源进行温差发电的技术方法；这些技术方法为利用浅层地热能进行温差发电起到了很好的示范作用；然而，文献26～27中浅层地热能的利用方式是先将浅层地热能通过换热管传递到换热管中的液体里，通过换热管中液体的流动将热能带到地表，然后利用换热管中液体与地表介质(太阳能或空气)温度之间的温差进行发电；这种方式存在如下几点不足：(1)需要预先在地层中钻孔、埋设换热管，存在占用土地面积和地下空间较大、初期埋设施工成本高等问题；(2)浅层地热能先传递到换热管中液体里、然后换热管中液体与地表不同温度的其他物体进行温差发电，能量传递次数增多也会导致能量利用率降低；(3)浅层地热能并未通过土体直接进行能量转化。
文献26：Mount，Robert申请并授权的美国发明专利″System for transferringheat in a thermoelectric generator system.″U.S.Patent ApplicationNo.10/871,544.2005。
文献27：Simka，Pavel申请并授权的美国发明专利″System for collecting anddelivering solar and geothermal heat energy with thermoelectric generator.″U.S.Patent No.8,286,441.16Oct.2012。
因此，针对目前利用浅层地热能进行温差发电技术中存在的不足与缺陷，结合地下结构物(如地下连续墙、桩基础、地下锚杆)中埋设换热管形式可以节省造价的技术优势，开发一种可以同时利用浅层地热能与换热管之间的温差进行发电、通过换热管传送的热能供给上部空调供暖或者冷能供给上部空调制冷的冷热电联产地下结构物的技术方案，显得尤为重要。
发明内容
发明目的：为了克服上述不足和缺陷，解决(1)常规能量桩、能源地下连续墙技术中仅能实现热能传递、且热交换总量受单位空间和空间内地热容量等因素限制的问题，(2)常规深层地热温差发电对热源温度绝对值要求高(一般要求＞80℃)、开发难度相对较大且开发成本高的问题，(3)常规浅层地热温差发电方案中钻孔埋管施工成本高、占用土地面积或地下空间大、且没有利用土体本身与媒介之间的温差进行直接发电的问题，提出一种冷热电联产地下连续墙装置及其施工方法。地下连续墙内的换热管与地表的水泵、阀门和换热设备连接构成浅层地热能空调系统；换热管外侧的半导体温差发电装置I、相邻换热管之间的半导体温差发电装置II，与DC/DC转化器、蓄电池、导线和用电设备连接构成浅层地热能温差发电系统；最终构成冷热电联产地下连续墙装置。
技术方案：为了实现上述目的，本发明提出了一种冷热电联产地下连续墙装置，该装置包括：地下连续墙、设置于地下连续墙内部的换热管、空调系统和温差发电系统；其中：
所述的空调系统包括换热设备，所述换热设备设置于换热管的上方，换热管内的液体流速通过水泵和阀门控制，换热管首先与土体热交换，然后通过上部换热设备与室内空气热交换，从而调节室温；
所述的温差发电系统包括半导体温差发电装置I和半导体温差发电装置II，其中，所述的半导体温差发电装置I布置在换热管外侧，半导体温差发电装置II布置在相邻的换热管之间，半导体温差发电装置I利用换热管与桩侧土体之间的温差实现热电转化和热交换，并将获得的电力为上部用电设备提供电力供应；所述的半导体温差发电装置I通过相邻换热管之间的温差实现热电转化和热交换，并将获得的电力为上部用电设备提供电力供应。
具体地，所述的半导体温差发电装置I包括半导体温差发电片、导热硅胶和导热防护层，所述半导体温差发电片利用导热硅胶粘贴在换热管外侧，半导体温差发电片外侧设置所述导热防护层，所述半导体温差发电所获得的电力利用导线依次连接DC/DC转化器和蓄电池为上部用电设备提供电力供应。
所述的半导体温差发电装置II包括微型换热管、半导体温差发电片、导热硅胶和导热防护层，所述的微型换热管均匀间隔地布置于底板上，微型换热管交替与相邻的两根换热管连通，相邻微型换热管之间布置半导体温差发电片；半导体温差发电片外侧设置导热防护层，连接半导体温差发电片的导线埋设在导热硅胶内，沿着钢筋笼侧壁的换热管引出地面，半导体温差发电所获得的电力利用导线依次连接DC/DC转化器和蓄电池为上部用电设备提供电力供应。
上述半导体温差发电片均为现有技术中常见的半导体温差发电片，包括热端、冷端、P型半导体、N型半导体、金属片和导热板。
优选地，所述的地下连续墙的长度、宽度、深度、混凝土标号以及钢筋笼尺寸，根据上部荷载要求进行设计。在一种实施方式中，所述的地下连续墙的长度为200～300m，宽度为0.8～1.2m，深度为20～40m。
所述的换热管为聚乙烯管(又称PE管)，其外径、壁厚及长度根据地下连续墙长度、深度和换热管埋管布置形式需要确定，当地下连续墙尺寸大时，换热管也取大值；优选地，外径为25～50mm，壁厚为5～8mm，长度为1000～1500m；换热管绑扎埋设在钢筋笼侧壁；换热管埋管形式为串联U形、并联U形、W形或蜘蛛状形式中的任意一种或者几种组合。
优选地，所述水泵位于地表，其功率为0.55～1.2kw；所述阀门为电动二通阀门；所述换热设备为空调设备中的风机盘管。
所述的微型换热管，其外径为5～10mm，壁厚为1～3mm，长度为30～150cm。
所述的导热硅胶导热系数为0.6～1.5W/(m·K)，具有高粘结性能和超强的导热效果，和不固化、不导电的特性；所述导热防护层为不锈钢铁皮或硅胶基复合材料，防止半导体温差发电片在混凝土浇筑、振捣过程中损坏所述；DC/DC转化器位于地表，为升压型DC/DC转化器；所述蓄电池位于地表，为铅蓄电池或锂离子蓄电池或锂离子聚合物蓄电池或镍镉蓄电池；所述导线埋设在导热硅胶内。
本发明进一步提出了一种冷热电联产地下连续墙装置的施工方法，包括以下步骤：
(1)半导体温差发电装置I制作：根据设计要求选择换热管，在设计位置的换热管外侧利用导热硅胶粘贴半导体温差发电片，连接半导体温差发电片的导线埋设在导热硅胶内，并引出地面，依次与DC/DC转化器、蓄电池和用电设备连接；将含有半导体温差发电片的换热管绑扎在钢筋笼的侧壁；
(2)半导体温差发电装置II制作：根据设计要求选择底板，在底板上布置均匀间隔的微型换热管，微型换热管交替与相邻的两根换热管连通，相邻微型换热管之间布置半导体温差发电片；半导体温差发电片外侧设置导热防护层，连接半导体温差发电片的导线埋设在导热硅胶内，沿着钢筋笼侧壁的换热管引出地面，依次与位于地表的DC/DC转化器、蓄电池和用电设备连接；
(3)地下连续墙施工：根据上部荷载量，设计并确定地下连续墙的长度、宽度、深度以及钢筋笼尺寸与形式；综合考虑长度、深度、浅层地热能储量、上部空调系统与用电设备能源需求量，设计换热管埋管形式；制作带换热管、半导体温差发电装置I和半导体温差发电装置II的钢筋笼；设置导墙，泥浆护壁挖槽施工至设计深度，下放钢筋笼，灌注混凝土，完成地下连续墙结构的施工；
(4)制冷、供暖和供电系统连接：将换热管与水泵、换热设备连接构成浅层地热能空调系统为上部建筑物提供制冷或供暖，将导线与DC/DC转化器、蓄电池及用电设备连接构成浅层地热能温差发电系统，为上部建筑提供电力(如照明LED灯用电)；根据浅层地热能的总量储备和上部建筑物供电、制冷或供暖的需求情况，可以选择仅空调系统(制冷或供暖)、仅温差发电系统(供电)、或者空调系统和温差发电系统同时使用；最终实现冷热电联产地下连续墙装置的施工与应用。
优选地，所述的半导体温差发电片主要埋设在10～15m以下换热管外侧，所述换热管的埋管形式可以为串联U形、并联U形、W形或蜘蛛状形式中的任意一种或几种的组合。
有益效果：与现有地下连续墙埋管形式的能源地下结构技术相比，本发明的冷热电联产地下连续墙存在如下技术优势：
(1)除了提供支撑上部荷载的承载的功能、利用浅层地热能为上部建筑制冷或供暖(夏季提供冷源、冬季提供热源)的功能之外，还可以利用换热管内液体与土体之间的温差、相邻换热管之间的温差进行发电，供给上部建筑用电需求；
(2)浅层地热能可以根据上部建筑环境需求，选择仅空调系统(制冷或供暖)、仅温差发电系统(供电)、或者部分供应空调系统部分供应温差发电系统，实现能源的按需、错时有效利用，提高能源利用效率。
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为本发明中冷热电联产地下连续墙装置布置结构示意图；
图2为本发明中冷热电联产地下连续墙装置中换热管埋设形式示意图，其中，(a)为串联U形，(b)为并联U形，(c)为W形，(d)为蜘蛛状；
图3为本发明中换热管在钢筋笼上埋设形式中A-A截面图，其中，(a)为串联U形，(b)为并联U形，(c)为W形，(d)为蜘蛛状；
图4为本发明中半导体温差发电装置I布置剖面图；
图5为本发明中半导体温差发电装置I中B-B截面图；
图6为本发明中半导体温差发电装置II布置剖面图；
图7为本发明中半导体温差发电片立体图；
图8为本发明中半导体温差发电片横截面图；
图中：1为地下连续墙，2为换热管，3为半导体温差发电装置I，4为半导体温差发电装置II，5为阀门，6为水泵，7为换热设备，8为导线，9为DC/DC转换器，10为蓄电池，11为用电设备，12为钢筋笼，13为主筋，14为箍筋，15为半导体温差发电片，16为P型半导体，17为N型半导体，18为金属片，19为导热板，20为热端，21为冷端，22为导热防护层，23为微型换热管，24为导热硅胶。
具体实施方式
以下结合附图详细叙述本发明专利的具体实施方式，本发明专利的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。
本发明提出了一种冷热电联产地下连续墙装置，该装置包括：地下连续墙、设置于地下连续墙内部的换热管、空调系统和温差发电系统；其中：空调系统包括一换热设备，换热设备设置于换热管的上方，换热管内的液体流速通过水泵和阀门控制，换热管首先与土体热交换，然后通过上部换热设备与室内空气热交换，从而调节室温。
温差发电系统包括半导体温差发电装置I和半导体温差发电装置II，其中，半导体温差发电装置I包括半导体温差发电片、导热硅胶和导热防护层，所述半导体温差发电片利用导热硅胶粘贴在换热管外侧，半导体温差发电片外侧设置所述导热防护层，半导体温差发电装置I利用换热管与桩侧土体之间的温差实现热电转化和热交换，所获得的电力利用导线依次连接DC/DC转化器和蓄电池为上部用电设备提供电力供应。半导体温差发电装置II包括微型换热管、半导体温差发电片、导热硅胶和导热防护层，微型换热管均匀间隔地布置于底板上，微型换热管交替与相邻的两根换热管连通，相邻微型换热管之间布置半导体温差发电片；半导体温差发电片外侧设置导热防护层，连接半导体温差发电片的导线埋设在导热硅胶内，沿着钢筋笼侧壁的换热管引出地面，半导体温差发电装置I通过相邻换热管之间的温差实现热电转化和热交换，并将获得的电力利用导线依次连接DC/DC转化器和蓄电池为上部用电设备提供电力供应。
下面详细介绍该冷热电联产地下连续墙装置的施工方法。
首先，如图1所示，根据上部荷载量，设计并确定地下连续墙1的长度、宽度、深度以及钢筋笼12尺寸与形式；综合考虑长度、深度、浅层地热能储量、上部空调系统与用电设备11能源需求量，设计换热管2埋管形式。优选地地下连续墙1，长度为200～300m，宽度为0.8～1.2m，深度为20～40m(本实施例为长度为200m，宽度为0.8m，深度为30m)。优选地换热管2，为聚乙烯管(又称PE管)，其外径为25～50mm，壁厚为5～8mm，长度为1000～1500m(本实施例为外径为25mm，壁厚为5mm，长度为1500m)；换热管2绑扎埋设在钢筋笼12侧壁；换热管2埋管形式可以为串联U形、并联U形、W形或蜘蛛状形式中的一种或者几种组合，如图2和图3所示(本实施例为W形)。
接着，制作半导体温差发电装置I3：如图4～5所示，根据换热管2布置形式，在相应设计位置的换热管2外侧利用导热硅胶24粘贴半导体温差发电片15，将换热管2绑扎在钢筋笼12的侧壁，连接半导体温差发电片15的导线8埋设在导热硅胶24内，并引出地面，与DC/DC转化器9、蓄电池10和用电设备11连接；优选地半导体温差发电装置I3主要埋设在10～15m以下换热管2外侧；优选地半导体温差发电装置I3中，导热硅胶24的导热系数为0.6～1.5W/(m·K)(本实施例为1.0W/(m·K))，具有高粘结性能和超强的导热效果，不会固体化、不会导电的特性；导热防护层22，为不锈钢铁皮或硅胶基复合材料(本实施例为硅胶基复合材料)，防止半导体温差发电片15在混凝土浇筑、振捣过程中损坏；DC/DC转化器9，位于地表，为升压型DC/DC转化器9；蓄电池10，位于地表，为铅蓄电池或锂离子蓄电池或锂离子聚合物蓄电池或镍镉蓄电池(本实施例为铅蓄电池)；导线8，埋设在导热硅胶24内。
制作半导体温差发电装置II4：如图6所示，根据设计要求选择底板，在底板上布置均匀间隔的微型换热管23，微型换热管23交替与相邻的两根换热管2连通，相邻微型换热管23之间布置半导体温差发电片15；半导体温差发电片15外侧设置导热防护层22，连接半导体温差发电片15的导线8埋设在导热硅胶24内，沿着钢筋笼12侧壁的换热管2引出地面，与位于地表的DC/DC转化器9、蓄电池10和用电设备11连接；优选地半导体温差发电装置II4中，微型换热管23，其外径为5～10mm，壁厚为2～3mm，长度为5～15m(本实施例为外径为6mm，壁厚为2mm，长度为10m)；导热硅胶24的导热系数为0.6～1.5W/(m·K)(本实施例为0.8W/(m·K))，具有高粘结性能和超强的导热效果，不会固体化、不会导电的特性；导热防护层22，为不锈钢铁皮或硅胶基复合材料(本实施例为硅胶基复合材料)，防止半导体温差发电片15在混凝土浇筑、振捣过程中损坏；DC/DC转化器9，位于地表，为升压型DC/DC转化器9；蓄电池10，位于地表，为铅蓄电池或锂离子蓄电池或锂离子聚合物蓄电池或镍镉蓄电池(本实施例为铅蓄电池)；导线8，埋设在导热硅胶24内。本发明使用的半导体温差发电片15均为现有技术中常见的，包括热端20、冷端21、P型半导体16、N型半导体17、金属片18和导热板19，其结构如图7～8所示。
然后，在地表设置导墙，泥浆护壁挖槽施工至设计深度，下放带换热管2、半导体温差发电装置I3和半导体温差发电装置II 4的钢筋笼12，灌注混凝土，完成地下连续墙1结构的施工；
最后，连接空调系统：将换热管2与水泵6、换热设备7连接构成浅层地热能空调系统，为上部建筑物提供制冷或供暖；优选地空调系统中，水泵6，位于地表，其功率为0.55～1.2kw；阀门5，为电动二通阀门；换热设备7，为空调设备中的风机盘管。连接发电系统：通过导线将换热管2、半导体温差发电装置I3、半导体温差发电装置II4与DC/DC转化器9、蓄电池10及用电设备11连接构成浅层地热能温差发电系统，为上部建筑提供电力(如照明LED灯用电)。根据浅层地热能的总量储备和上部建筑物供电、制冷或供暖的需求情况，可以选择仅空调系统(制冷或供暖)、仅温差发电系统(供电)、或者空调系统和温差发电系统同时使用；最终实现冷热电联产地下连续墙1装置的施工与应用。
本发明的冷热电联产地下连续墙是一种新型多功能的复合能源应用系统，除了提供支撑上部建筑物荷载的承载的功能、利用浅层地热能为上部建筑制冷或制热的功能之外，还可以利用换热管内液体和土壤间温差产生电能供给上部建筑物用电，并且可以提高换热管和土体间的换热效率；该系统不仅有效的实现了地下连续墙在力学、热学和电学三方面的复合利用，并且实现了浅层地热能源按需、错时的多目标有效利用，提高能源利用效率。

Claims (9)

1.一种冷热电联产地下连续墙装置，其特征在于，该装置包括：地下连续墙、设置于地下连续墙内部的换热管、空调系统和温差发电系统；其中：
所述的空调系统包括换热设备，所述换热设备设置于换热管的上方，换热管内的液体流速通过水泵和阀门控制，换热管首先与土体热交换，然后通过上部换热设备与室内空气热交换，从而调节室温；
所述的温差发电系统包括半导体温差发电装置I和半导体温差发电装置II，其中，所述的半导体温差发电装置I布置在换热管外侧，半导体温差发电装置II布置在相邻的换热管之间，半导体温差发电装置I利用换热管与桩侧土体之间的温差实现热电转化和热交换，并将获得的电力为上部用电设备提供电力供应；所述的半导体温差发电装置II通过相邻换热管之间的温差实现热电转化和热交换，并将获得的电力为上部用电设备提供电力供应，所述的半导体温差发电装置II包括微型换热管、半导体温差发电片、导热硅胶和导热防护层，所述的微型换热管均匀间隔地布置于底板上，微型换热管交替与相邻的两根换热管连通，相邻微型换热管之间布置半导体温差发电片；半导体温差发电片外侧设置导热防护层，连接半导体温差发电片的导线埋设在导热硅胶内，沿着钢筋笼侧壁的换热管引出地面，半导体温差发电所获得的电力利用导线依次连接DC/DC转化器和蓄电池为上部用电设备提供电力供应。
2.根据权利要求1所述的冷热电联产地下连续墙装置，其特征在于，所述的半导体温差发电装置I包括半导体温差发电片、导热硅胶和导热防护层，所述半导体温差发电片利用导热硅胶粘贴在换热管外侧，半导体温差发电片外侧设置所述导热防护层，所述半导体温差发电所获得的电力利用导线依次连接DC/DC转化器和蓄电池为上部用电设备提供电力供应。
3.根据权利要求1所述的冷热电联产地下连续墙装置，其特征在于，所述的地下连续墙的长度、宽度、深度、混凝土标号以及钢筋笼尺寸，根据上部荷载要求进行设计。
4.根据权利要求1所述的冷热电联产地下连续墙装置，其特征在于，所述的换热管为聚乙烯管，其外径、壁厚及长度根据地下连续墙长度、深度和换热管埋管布置形式需要确定；换热管绑扎埋设在钢筋笼侧壁；换热管埋管形式为串联U形、并联U形、W形或蜘蛛状形式中的任意一种或者几种组合。
5.根据权利要求1所述的冷热电联产地下连续墙装置，其特征在于，所述水泵，位于地表，其功率为0.55～1.2kw；所述阀门为电动二通阀门；所述换热设备为空调设备中的风机盘管。
6.根据权利要求1所述的冷热电联产地下连续墙装置，其特征在于，所述的微型换热管，其外径为5～10mm，壁厚为1～3mm，长度为30～150cm。
7.根据权利要求1或2所述的冷热电联产地下连续墙装置，其特征在于，所述的导热硅胶导热系数为0.6～1.5W/(m·K)，具有高粘结性能和超强的导热效果，和不固化、不导电的特性；所述导热防护层为不锈钢铁皮或硅胶基复合材料，防止半导体温差发电片在混凝土浇筑、振捣过程中损坏所述；DC/DC转化器位于地表，为升压型DC/DC转化器；所述蓄电池位于地表，为铅蓄电池或锂离子蓄电池或锂离子聚合物蓄电池或镍镉蓄电池；所述导线埋设在导热硅胶内。
8.一种冷热电联产地下连续墙装置的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)半导体温差发电装置I制作：根据设计要求选择换热管，在设计位置的换热管外侧利用导热硅胶粘贴半导体温差发电片，连接半导体温差发电片的导线埋设在导热硅胶内，并引出地面，依次与DC/DC转化器、蓄电池和用电设备连接；将含有半导体温差发电片的换热管绑扎在钢筋笼的侧壁；
(2)半导体温差发电装置II制作：根据设计要求选择底板，在底板上布置均匀间隔的微型换热管，微型换热管交替与相邻的两根换热管连通，相邻微型换热管之间布置半导体温差发电片；半导体温差发电片外侧设置导热防护层，连接半导体温差发电片的导线埋设在导热硅胶内，沿着钢筋笼侧壁的换热管引出地面，依次与位于地表的DC/DC转化器、蓄电池和用电设备连接；
(3)地下连续墙施工：根据上部荷载量，设计并确定地下连续墙的长度、宽度、深度以及钢筋笼尺寸与形式；综合考虑长度、深度、浅层地热能储量、上部空调系统与用电设备能源需求量，设计换热管埋管形式；制作带换热管、半导体温差发电装置I和半导体温差发电装置II的钢筋笼；设置导墙，泥浆护壁挖槽施工至设计深度，下放钢筋笼，灌注混凝土，完成地下连续墙结构的施工；
(4)制冷、供暖和供电系统连接：将换热管与水泵、换热设备连接构成浅层地热能空调系统为上部建筑物提供制冷或供暖，将导线与DC/DC转化器、蓄电池及用电设备连接构成浅层地热能温差发电系统，为上部建筑提供电力；根据浅层地热能的总量储备和上部建筑物供电、制冷或供暖的需求情况，选择仅空调系统、仅温差发电系统、或者空调系统和温差发电系统同时使用；最终实现冷热电联产地下连续墙装置的施工与应用。
9.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的半导体温差发电片主要埋设在10～15m以下换热管外侧，所述换热管的埋管形式为串联U形、并联U形、W形或蜘蛛状形式中的任意一种或几种的组合。
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