CN106223312A - 一种提高浅层地热能利用效率的新型钢管能量桩及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高浅层地热能利用效率的新型钢管能量桩及其制作方法，其包括：钢管桩、传热管、传热管套管、空调系统、半导体温差发电系统和半导体温差发电散热系统；空调系统包括换热设备，传热管内液体首先与土体进行热交换，然后通过上部换热设备调节建筑物室内空气温度；半导体温差发电系统和半导体温差发电散热系统获得的电能均为地表用电设备提供电力供应。本系统采用半导体温差发电技术，利用传热管内液体与土体之间的温差发电，温差发电散热系统中产生的电能为地下散热管提供驱动，温差发电系统产生的电能为空调系统中小功率水泵提供驱动力，从而提高传热管中液体循环流动速度，提高能量桩传热管的热循环效率和热交换效率。

Description

一种提高浅层地热能利用效率的新型钢管能量桩及其制作 方法

技术领域

本发明涉及一种浅层地热能利用技术，主要适用于钢管桩基础等技术领域，尤其是涉及一种提高浅层地热能利用效率的新型钢管能量桩及其制作方法。

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。地下埋设传热管，是地源热泵技术的施工难点和投资重点；且地下传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传热管埋设施工与传统建筑桩基础施工相结合，可以有效解决专门埋管的施工步骤和地下传热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传热管的桩基结构称为能量桩(或称能源桩、能源热交换桩)。能量桩技术是近年来有效利用浅层地热能的最典型技术方案之一；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 Josef Wilhelm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(DE102012013337 A1)”。

文献2：Tiroler Metallwerke Aktiengesellschaft和ArminIng.Amann申请并授权的欧洲和德国发明专利“Energy pile(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(DE202004014113 U1)”，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 integralgeothermal conduit 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，WO2011047461 A1。

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传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传热管的施工方法。

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传热管或者钢管内埋设传热管的施工方法。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传热管的施工方法。

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传热管的埋设方法。

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，不管桩基础中采用何种埋管形式以提高热传递效率，浅层地热能在某一个特定区域和时段的整体储能总量是一定的；换言之，仅仅通过增加埋设传热管数量，无法无限制提高地源热泵技术的热传递效率。

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17)，从而有效突破了相对温差值对温差发电的限制，大大拓宽了热能转换为电能的种类与渠道，也让低品位浅层地热能直接转化为电能成为可能。在文献18中，公开了一种基于高温地下岩石隧道结构深层地热能与外部低温水之间的温差，进行降温散热及热能转化的技术方法。然而，文献18的地热能属于中高温地热能，不属于低品位浅层地热能范畴。

文献17：DiSalvo，F J.发表的学术论文″Thermoelectric cooling and powergeneration.″Science，285.5428(1999)：703-706。

文献18：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)”。

在文献19～20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；在文献21中，公开了一种利用浅层地热能提供热源、自然空气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19～21中浅层地热能的利用方式是先将浅层地热能通过传热管传递到传热管中的液体里，通过传热管中液体的流动将热能带到地表，然后利用该温度液体与周围介质(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)同样需要预先在地层中钻孔、埋设传热管，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传热管中液体里、然后传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形态转化。

文献19：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 Application No.10/871,544.2005。

文献20：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.8,286,441.16 Oct.2012。

文献21：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。

因此，针对目前浅层地热能利用中存在受区域和时段总量限制的不足与缺陷，结合半导体低温温差发电的技术优势，开发一种可以有效提高浅层地热能利用效率的新型能量桩技术方案，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)能量桩在浅层地热能利用中浅层地热能总量在空间和时间上的限制，导致的浅层地热能利用中热交换效率低下问题，(2)已有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；结合传统钢管桩基础、浅层地热能利用和半导体温差发电技术，提出一种提高浅层地热能利用效率的新型钢管能量桩及其制作方法的技术方案；结合钢管桩自身特征，通过在钢管桩内侧或外侧布置不同形式的传热管、传热管套管、半导体温差发电系统及半导体温差发电散热系统，构建一种具有发电和提高浅层地热能转化功能的新型钢管能量桩，除为地表用电设备供电之外，不仅可以提高空调系统的热循环效率，还可以提高传热管在地下的热交换效率，并间接增加传热管与土体接触面积，提高单位面积地热能利用率，高效利用绿色清洁能源、最终实现节能减排目的。

技术方案：为了实现上述目的，本发明提供一种提高浅层地热能利用效率的新型钢管能量桩，该装置包括：钢管桩、传热管、传热管套管、空调系统、半导体温差发电系统和半导体温差发电散热系统；其中，所述的空调系统包括换热设备，所述换热设备设置于传热管的上方，其中，传热管内液体流速通过水泵I和阀门控制，传热管内液体首先与土体进行热交换，然后通过上部换热设备调节建筑物室内空气温度；所述的半导体温差发电系统利用传热管与土体间的温差实现热电转化，并将获得的电能为地表用电设备提供电力供应；所述的半导体温差发电散热系统利用传热管与地下散热管之间的温差实现热电转化，并将获得的电能为地表用电设备提供电力供应。

所述的半导体温差发电系统包括半导体温差发电片、导热硅胶和导热填料，半导体温差发电片通过导热硅胶粘贴在传热管套管内侧，传热管布置在传热管套管内部，半导体温差发电片与传热管之间填充导热填料，利用传热管与土体间的温差实现热电转化，并利用导线将半导体温差发电获得的电能依次连接至DC/DC转化器、蓄电池为地表用电设备提供电力供应。

所述的半导体温差发电散热系统包括地下散热管、半导体温差发电片、导热硅胶和传热管套管，其中，半导体温差发电片通过导热硅胶粘贴在传热管套管内侧，半导体温差发电片与传热管之间填充导热填料，地下散热管通过导热硅胶粘贴在传热管套管外侧，地下散热管内的液体利用水泵II循环，传热管与地下散热管之间的温差实现热电转化，利用导线将半导体温差发电所获得的电能依次连接至DC/DC转化器、蓄电池，并为水泵II提供驱动力。

上述的半导体温差发电片均为现有技术中常用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。

所述的钢管桩的桩长、桩径、壁厚以及桩间距根据支撑上部荷载要求进行设计。在一种优选的实施方式中，钢管桩的桩长为25～50m，外径为0.8～2.0m，壁厚为16～20mm，桩间距为3.0～7.0m。

所述的传热管为聚乙烯管(又称PE管)，根据钢管桩桩长和传热管埋管布置形式确定；传热管可以埋设在钢管桩内侧壁或埋设在钢管桩外侧壁；传热管埋管形式为单U形、双U形、W形或螺旋型中的任意一种或者几种组合形式。在一种实施方式中，所述的传热管的外径为25～50mm，壁厚为5～8mm，长度为60～350m。

所述的传热管套管由6～10mm厚的钢板制作而成，其横截面形状为梯形或长方形或圆形中的一种，截面尺寸根据传热管大小确定，优选地，边长为35～65mm或直径为35～65mm；传热管套管布置形式根据传热管埋管形式确定，布置在钢管桩内侧壁或外侧壁，为单U形、双U形、W形或螺旋型中的任意一种或者几种组合形式。

所述的水泵I位于地表，其功率为0.55～1.2kw；所述的阀门为电动二通阀门；所述的换热设备为空调设备中的风机盘管。

优选地，所述的半导体温差发电系统中，导热硅胶的导热系数为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；水泵II的功率为5～15w；DC/DC转化器位于地表，为升压型DC/DC转化器；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中的一种；导热填料为氧化铝或氧化镁或氧化锌或氮化铝或氮化硼或碳化硅或纤维状高导热碳粉或鳞片状高导热碳粉或高导热布中的任意一种或几种的组合；所述导线埋设在导热硅胶内。

所述的地下散热管为聚乙烯管，其外径为10～20mm，壁厚为3～4mm，长度为5～15m，缠绕在传热管外侧，并由水泵II提供地下散热管内液体循环流动的动力；所述DC/DC转化器为升压型DC/DC转化器；所述蓄电池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中的一种；所述的DC/DC转化器和蓄电池设置在钢管桩内侧壁或者外侧壁，并用地下散热设备保护罩进行防水和防碰撞保护。

本发明进一步提出了一种提高浅层地热能利用效率的新型钢管能量桩的制作方法，包括以下步骤：

(1)根据上部荷载量，设计并确定钢管桩的桩外径、壁厚、桩长以及桩间距；综合考虑桩长、桩间距、浅层地热能储量以及上部空调系统能源需求量，设计传热管埋管形式；传热管埋管形式为单U形、双U形、W形或螺旋型中的任意种或几种的组合形式；传热管布置在钢管桩的内侧壁或钢管桩的外侧壁；

(2)根据设计的传热管埋管形式制作传热管套管，传热管套管横截面形状为梯形或长方形或圆形，截面尺寸根据传热管大小确定；传热管套管布置形式根据传热管埋管形式确定，布置在钢管桩内侧壁或外侧壁，为单U形、双U形、W形或螺旋型中的任意一种或者几种的组合形式；利用导热硅胶将温差发电片粘贴在传热管套管的内侧壁、导线埋设在导热硅胶内引出地表面，将传热管布置在传热管套管内，随后在传热管与传热管套管之间回填导热填料；

(3)将制作好的含传热管、导热填料、温差发电片、导热硅胶和导线的传热管套管，按照设计的埋管形式焊接在钢管桩的内侧壁或外侧壁；通过导线将温差发电片与位于地表的DC/DC转化器及蓄电池连接，将半导体温差发电所得电能为地表用电设备供电；

(4)根据浅层地热能的储量和上部空调系统能源需求量，设计温差发电散热系统的数量和位置；在设计位置传热管套管外侧壁缠绕布置地下散热管，由地下散热管、水泵II、DC/DC转化器、蓄电池、温差发电片和传热管组成一个半导体温差发电散热系统；其中，半导体温差发电散热系统布置在地表以下15m以内，每一个半导体温差发电散热系统中的地下散热管缠绕的传热管套管长度为2～5m，每根钢管桩布置1～3个半导体温差发电散热系统。

有益效果：与现有常规钢管桩相比，本发明的钢管桩装置存在如下四点技术优势：

(1)不仅可以提供支撑上部荷载的承载特性，而且可以有效利用浅层地热能给上部提供制冷或供暖能源(夏季提供冷源、冬季提供热源)；节省传统空调系统能源消耗量，实现节能减排；

(2)钢管桩中的半导体温差发电散热系统，可以利用地下散热管与传热管内传热液体之间的温差进行半导体温差发电，通过DC/DC转化器转化之后为地下散热管内液体循环水泵II供电，通过热电转换消耗传热管内高温液体的热量来减少低温地热能的能量损耗；从而可以大大提高土体单位空间内传热管的埋设数量及单位时间内的热交换量；

(3)钢管桩中的温差发电系统，可以利用传热管内液体与土体之间的温差进行半导体温差发电，通过DC/DC转化器转化之后为空调系统小功率循环水泵II供电，从而提高热循环效率，也可以上部建筑提供照明用电；

(4)布置在钢管桩内侧或者外侧的硬质传热管套管，尤其是螺旋型布置形式下，可以有效提高钢管桩与桩芯土或桩周土之间的接触摩擦力，从而提高钢管桩的竖向承载能力。硬质传热管套管还可以实现传热管埋设与钢管桩施工一次完成，且有效保护传热管在钢管桩打入过程中不被损坏。

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为本发明中钢管桩系统布置结构示意图；

图2为本发明中钢管桩中传热管和传热管套管埋设形式示意图，其中，(a)～(d)代表传热管，依次为单U形、双U形、W形和螺旋型；(e)～(f)代表传热管套，依次为单U形、双U形、W形和螺旋型；

图3为本发明中钢管桩中传热管和传热管套管埋设形式中A-A截面图，其中，(a)～(d)代表传热管，依次为单U形、双U形、W形和螺旋型；(e)～(f)代表传热管套，依次为单U形、双U形、W形和螺旋型；

图4为本发明中钢管桩中温差发电散热系统布置立体图；

图5为本发明中钢管桩中温差发电散热系统布置B-B剖面图；

图6为本发明中钢管桩中温差发电系统布置立体图；

图7为本发明中钢管桩中温差发电系统布置C-C横截面图；

图8为本发明中钢管桩中传热管套管侧壁温差发电系统立体图；

图9为本发明中钢管桩中传热管套管侧壁温差发电系统横截面图；

图中：1为钢管桩，2为传热管，3为传热管套管，4为DC/DC转换器，5为蓄电池，6为导线，7为水泵II，8为水泵I，9为阀门，10为换热设备，11为地下散热管，12为导热硅胶，13为半导体温差发电片，14为热端，15为冷端，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为导热填料，21为地下散热设备保护罩，22为温差发电散热系统。

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。

本发明提供一种提高浅层地热能利用效率的新型钢管能量桩，该装置包括：钢管桩、传热管、传热管套管、空调系统、半导体温差发电系统和半导体温差发电散热系统；其中，空调系统包括换热设备，换热设备设置于传热管的上方，其中，传热管内液体流速通过水泵I和阀门控制，传热管内液体首先与土体进行热交换，然后通过上部换热设备调节建筑物室内空气温度。

半导体温差发电系统包括半导体温差发电片、导热硅胶和导热填料，半导体温差发电片通过导热硅胶粘贴在传热管套管内侧，传热管布置在传热管套管内部，半导体温差发电片与传热管之间填充导热填料，利用传热管与土体间的温差实现热电转化，并利用导线将半导体温差发电获得的电能依次连接至DC/DC转化器、蓄电池为地表用电设备提供电力供应。

半导体温差发电散热系统包括地下散热管、半导体温差发电片、导热硅胶和传热管套管，其中，半导体温差发电片通过导热硅胶粘贴在传热管套管内侧，半导体温差发电片与传热管之间填充导热填料，地下散热管通过导热硅胶粘贴在传热管套管外侧，地下散热管内的液体利用水泵II循环，传热管与地下散热管之间的温差实现热电转化，利用导线将半导体温差发电所获得的电能依次连接至DC/DC转化器、蓄电池，并为水泵II提供驱动力。

下面详细介绍该可以提高浅层地热能利用效率的新型钢管能量桩的制作方法。

首先，如图1所示，根据上部荷载量，设计并确定钢管桩1的桩外径、壁厚、桩长以及桩间距；综合考虑桩长、桩间距、浅层地热能储量以及上部空调系统能源需求量，设计传热管2埋管形式；传热管2可以布置在钢管桩1的内侧壁，也可以布置在钢管桩1的外侧壁(本实施例为布置在外侧壁)。优选地钢管桩1，其桩长为25～50m，外径为0.8～2.0m，壁厚为16～20mm，桩间距为3.0～7.0m(本实施例为桩长为40m，外径为1.2m，壁厚为18mm，桩间距为5.0m)；优选地传热管2，为聚乙烯管(又称PE管)，其外径为25～50mm，壁厚为5～8mm，长度为60～350m(本实施例为外径为30mm，壁厚为5mm，长度为240m)；优选地传热管2埋管形式可以为单U形、双U形、W形或螺旋型中的一种或几种的组合形式，如图2和图3所示(本实施例为W形)。

接着，根据设计的传热管2埋管形式制作传热管套管3，如图2和图3所示，传热管套管3横截面形状为梯形或长方形或圆形(本实施例为梯形)，截面尺寸根据传热管大小确定；传热管套管3布置形式根据传热管2埋管形式确定，布置在钢管桩1内侧壁或外侧壁，可以为单U形、双U形、W形或螺旋型中的一种或者几种的组合形式(本实施例为W形)；利用导热硅胶12将半导体温差发电片13粘贴在传热管套管3的内侧壁、导线6埋设在导热硅胶12内引出地表面，将传热管2布置在传热管套管3内，随后在传热管2与传热管套管3之间回填导热填料20；优选地传热管套管3，由6～10mm厚(本实施例为6mm)的钢板制作而成，其横截面形状为梯形或长方形或圆形中的一种，截面尺寸根据传热管大小确定，边长为35～65mm或直径为35～65mm(本实施例为上边长35mm、下曲边边长50mm、高度40mm的梯形)。

然后，将制作好的含传热管2、导热填料20、半导体温差发电片13、导热硅胶12和导线6的传热管套管3，按照设计的埋管形式焊接在钢管桩1的内侧壁或外侧壁；通过导线6将半导体温差发电片13与位于地表的DC/DC转化器4及蓄电池5连接，将半导体温差发电所得电力传递给空调系统循环水泵I8供电或为上部建筑提供照明用电；优选地水泵I8，位于地表，其功率为0.55～1.2kw本实施例为1.0kw：阀门9为电动二通阀门；换热设备10为空调设备中的风机盘管。

最后，根据浅层地热能的储量和上部空调系统能源需求量，设计温差发电系统、温差发电散热系统22的数量和位置。如图4～7所示。优选地半导体温差发电系统中，导热硅胶12，其导热系数为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；水泵II 7，其功率为5～15w(本实施例为10w)；DC/DC转化器4，位于地表，为升压型DC/DC转化器；蓄电池5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中的一种；导热填料20为氧化铝或氧化镁或氧化锌或氮化铝或氮化硼或碳化硅或纤维状高导热碳粉或鳞片状高导热碳粉或高导热布中的一种或几种组合(本实施例为氧化铝和纤维状高导热碳粉混合物)；导线6埋设在导热硅胶内。在设计位置传热管套管3外侧壁缠绕布置地下散热管11，将地下散热管11、水泵II 7、DC/DC转化器4、蓄电池5和传热管2组成一个由传热管2与地下散热管11之间的半导体温差发电散热系统22。优选地半导体温差发电散热系统22布置在地表以下15m以内，如图8～9所示。每一个半导体温差发电散热系统22中的地下散热管11缠绕的传热管套管3长度为2～5m，地下散热管，为聚乙烯管，其外径为10～20mm，壁厚为3～4mm，长度为5～15m(本实施例为外径为10mm，壁厚为3mm，长度为5m)，半导体温差发电散热系统22中的DC/DC转化器4和蓄电池5设置在钢管桩1内侧壁或者外侧壁，并用地下散热设备保护罩21进行防水和防碰撞保护；每根钢管桩1布置1～3个本实施例为2个半导体温差发电散热系统22。

本发明所使用的半导体温差发电片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。

本系统采用半导体温差发电技术，利用传热管内液体与土体之间的温差发电，温差发电散热系统中产生的电能为地下散热管提供驱动，温差发电系统产生的电能为空调系统中小功率水泵提供驱动力，从而提高传热管中液体循环流动速度，提高能量桩传热管的热循环效率和热交换效率。

Claims (10)

1.一种提高浅层地热能利用效率的新型钢管能量桩，其特征在于，其包括：钢管桩、传热管、传热管套管、空调系统、半导体温差发电系统和半导体温差发电散热系统；其中，所述的空调系统包括换热设备，所述换热设备设置于传热管的上方，传热管内液体流速通过水泵I和阀门控制，传热管内液体首先与土体进行热交换，然后通过上部换热设备调节建筑物室内空气温度；所述的半导体温差发电系统利用传热管与土体间的温差实现热电转化，并将获得的电能为地表用电设备提供电力供应；所述的半导体温差发电散热系统利用传热管与地下散热管之间的温差实现热电转化，并将获得的电能为地表用电设备提供电力供应。

2.根据权利要求1所述的新型钢管能量桩，其特征在于，所述的半导体温差发电系统包括半导体温差发电片、导热硅胶和导热填料，半导体温差发电片通过导热硅胶粘贴在传热管套管内侧，传热管布置在传热管套管内部，半导体温差发电片与传热管之间填充导热填料，利用传热管与土体间的温差实现热电转化，并利用导线将半导体温差发电获得的电能依次连接至DC/DC转化器、蓄电池为地表用电设备提供电力供应。

3.根据权利要求1所述的新型钢管能量桩，其特征在于，所述的半导体温差发电散热系统包括地下散热管、半导体温差发电片、导热硅胶和传热管套管，其中，半导体温差发电片通过导热硅胶粘贴在传热管套管内侧，半导体温差发电片与传热管之间填充导热填料，地下散热管通过导热硅胶粘贴在传热管套管外侧，地下散热管内的液体利用水泵II循环，传热管与地下散热管之间的温差实现热电转化，利用导线将半导体温差发电所获得的电能依次连接至DC/DC转化器、蓄电池，并为水泵II提供驱动力。

4.根据权利要求1所述的新型钢管能量桩，其特征在于，所述的钢管桩的桩长、桩径、壁厚以及桩间距根据支撑上部荷载要求进行设计。

5.根据权利要求1所述的新型钢管能量桩，其特征在于，所述的传热管为聚乙烯管，根据钢管桩桩长和传热管埋管布置形式确定；传热管可以埋设在钢管桩内侧壁或埋设在钢管桩外侧壁；传热管埋管形式为单U形、双U形、W形或螺旋型中的任意一种或者几种组合形式。

6.根据权利要求1所述的新型钢管能量桩，其特征在于，所述的传热管套管由6～10mm厚的钢板制作而成，其横截面形状为梯形或长方形或圆形中的一种，截面尺寸根据传热管大小确定；传热管套管布置形式根据传热管埋管形式确定，布置在钢管桩内侧壁或外侧壁，为单U形、双U形、W形或螺旋型中的任意一种或者几种组合形式。

7.根据权利要求1所述的新型钢管能量桩，其特征在于，所述的水泵I位于地表，其功率为0.55～1.2kw；所述的阀门为电动二通阀门；所述的换热设备为空调设备中的风机盘管。

8.根据权利要求2所述的新型钢管能量桩，其特征在于，所述的半导体温差发电系统中，导热硅胶的导热系数为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；水泵II的功率为5～15w；DC/DC转化器位于地表，为升压型DC/DC转化器；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中的一种；导热填料为氧化铝或氧化镁或氧化锌或氮化铝或氮化硼或碳化硅或纤维状高导热碳粉或鳞片状高导热碳粉或高导热布中的任意一种或几种的组合；所述导线埋设在导热硅胶内。

9.根据权利要求3所述的新型钢管能量桩，其特征在于，所述的地下散热管为聚乙烯管，其外径为10～20mm，壁厚为3～4mm，长度为5～15m，缠绕在传热管外侧，并由水泵II提供地下散热管内液体循环流动的动力；所述DC/DC转化器为升压型DC/DC转化器；所述蓄电池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中的一种；所述的DC/DC转化器和蓄电池设置在钢管桩内侧壁或者外侧壁，并用地下散热设备保护罩进行防水和防碰撞保护。

10.一种提高浅层地热能利用效率的新型钢管能量桩的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据上部荷载量，设计并确定钢管桩的桩外径、壁厚、桩长以及桩间距；综合考虑桩长、桩间距、浅层地热能储量以及上部空调系统能源需求量，设计传热管埋管形式；传热管埋管形式为单U形、双U形、W形或螺旋型中的任意种或几种的组合形式；传热管布置在钢管桩的内侧壁或钢管桩的外侧壁；

(2)根据设计的传热管埋管形式制作传热管套管，传热管套管横截面形状为梯形或长方形或圆形，截面尺寸根据传热管大小确定；传热管套管布置形式根据传热管埋管形式确定，布置在钢管桩内侧壁或外侧壁，为单U形、双U形、W形或螺旋型中的任意一种或者几种的组合形式；利用导热硅胶将温差发电片粘贴在传热管套管的内侧壁、导线埋设在导热硅胶内引出地表面，将传热管布置在传热管套管内，随后在传热管与传热管套管之间回填导热填料；

(3)将制作好的含传热管、导热填料、温差发电片、导热硅胶和导线的传热管套管，按照设计的埋管形式焊接在钢管桩的内侧壁或外侧壁；通过导线将温差发电片与位于地表的DC/DC转化器及蓄电池连接，将半导体温差发电所得电能为地表用电设备供电；

(4)根据浅层地热能的储量和上部空调系统能源需求量，设计温差发电散热系统的数量和位置；在设计位置传热管套管外侧壁缠绕布置地下散热管，由地下散热管、水泵II、DC/DC转化器、蓄电池、温差发电片和传热管组成一个半导体温差发电散热系统；其中，半导体温差发电散热系统布置在地表以下15m以内，每一个半导体温差发电散热系统中的地下散热管缠绕的传热管套管长度为2～5m，每根钢管桩布置1～3个半导体温差发电散热系统。