CN106225269B - 一种冷热电联产pcc桩装置及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冷热电联产PCC桩装置，其包括闭口PCC桩、设置于闭口PCC桩内的换热管和换热设备、以及温差发电系统；换热管内液体流速通过与之相连的水泵I和阀门控制，实现换热管、换热液体与土体热交换，完成热交换后的换热管内液体与上部换热设备连接供空调利用，形成空调系统；温差发电系统包括设置于闭口PCC桩内侧壁的半导体温差发电装置I、设置于换热管外侧壁的半导体温差发电装置II和III，分别与DC/DC转换器、蓄电池、水泵II和导线组成浅层地热能温差发电系统，利用传热管内液体与土体温差，为上部建筑物发电。本发明有效的实现了PCC桩在力学、热学和电学三方面的复合利用，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PCC桩装置及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种浅层地热能源利用技术，主要适用于建筑桩基础等技术领域，尤其是涉及一种冷热电联产PCC桩装置及其制作方法。
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 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 ofcollector tube(DE102012013337A1)”。
文献2：Tiroler -und 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，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，让传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，然后利用传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，结合能量桩技术中桩埋管形式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传热管之间的温差进行发电、通过传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桩的技术方案，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)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、在建筑容积率相对较大的场合难以施工、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PCC桩基础、浅层地热能利用和半导体温差发电技术，提出一种冷热电联产PCC桩装置及其制作方法，在建筑物建造时，直接将温差发电装置和地源热泵装置系统地埋设在建筑物的桩基础中，使其与建筑结构相结合。闭口PCC桩内部的换热管、换热液体，与位于地表的水泵I、换热设备连接构成浅层地热能空调系统，利用空气和浅层土壤温差，结合传热管，为上部建筑物制冷(夏季)或供暖(冬季)；闭口PCC桩内侧壁的半导体温差发电装置I、换热管外侧壁的半导体温差发电装置II或半导体温差发电装置III、换热管和换热液体，与DC/DC转换器、蓄电池、水泵II和导线组成浅层地热能温差发电系统，利用传热管内液体与土体温差，为上部建筑物发电；最终实现冷热电联产PCC桩装置的制作与应用。
技术方案：为了实现上述目的，本发明提供一种冷热电联产PCC桩装置，该装置包括：闭口PCC桩、设置于闭口PCC桩内的换热管和换热设备、以及温差发电系统，其中：
所述的换热管内换热液体流速通过与之相连的水泵I和阀门控制，实现换热管、换热液体与土体热交换，完成热交换后的换热管内液体与上部换热设备连接供空调利用，形成空调系统；
所述的温差发电系统包括设置于闭口PCC桩内侧壁的半导体温差发电装置I、设置于换热管外侧壁的半导体温差发电装置II和半导体温差发电装置III，其中，所述半导体温差发电装置I通过半导体温差发电片利用PCC桩内部换热液体与桩侧土体间的温差实现热电转化，并将获得的电力用于上部用电设备的电力供应；所述的半导体温差发电装置II通过包括散热管、水泵II、半导体温差发电片、导热硅胶和导热防护层，换热管与散热管之间的温差实现能源转化，利用导线将半导体温差发电所获得的电力依次连接DC/DC转换器、蓄电池供上部用电设备供电或水泵II用电；所述的半导体温差发电装置III包括导热夹板和半导体温差发电片，半导体温差发电片加工在导热夹板内部，利用转轴和螺钉固定，夹板布置在换热管外侧，换热管与PCC桩内部换热液体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力连接DC/DC转换器、蓄电池供上部用电设备的电力供应。
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，半导体温差发电片利用导热硅胶粘贴在PCC桩内侧壁，半导体温差发电片外侧设置导热防护层，PCC桩内部换热液体与桩侧土体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力连接DC/DC转换器、蓄电池供上部用电设备的电力供应。
所述的闭口PCC桩采用振动沉管施工，将带闭口桩靴的同心双套管打入土体中，在双套管之间灌注混凝土，振动拔套管形成PCC桩；待混凝土初凝完成后，开挖桩芯土，并在桩底部浇筑底板形成闭口PCC桩；闭口PCC桩桩长为20～40m、外径为1～1.5m、壁厚为100～200mm；闭口PCC桩内侧壁布置检测扶梯、上端侧壁设置检测通道。
所述的换热管为聚乙烯管，其外径为25～50mm，壁厚为5～8mm，长度为50～200m，根据桩体长度、深度和换热管埋管布置形式需要确定；换热管埋管形式可以为敞开式独立管、闭合式U形或敞开式嵌套管形式中的一种或者几种组合，所述的换热液体为水或者油。
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。
所述的半导体温差发电装置I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；所述导热防护层为不锈钢铁皮或硅胶基复合材料；所述的DC/DC转换器位于地表，为升压型DC/DC转换器；所述的蓄电池位于地表，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；所述的导线埋设在导热硅胶内。
所述的半导体温差发电装置II中，所述散热管为聚乙烯管或金属管或PVC管，其外径为5～10mm，壁厚为1～3mm，长度为30～150cm，其均匀布置于导热底板上，并缠绕在贴有半导体温差发电片的换热管外侧，同时，散热管单独连接水泵II供散热管内液体循环；所述导热硅胶的导热系数为0.6～1.5W/(m·K)；水泵II的功率为5～15w；所述导热防护层为不锈钢铁皮或硅胶基复合材料；所述DC/DC转换器位于地表，为升压型DC/DC转换器；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。
所述的半导体温差发电装置III中，所述导热夹板为空心圆柱体，其内径为25～50mm，与换热管外径一致，壁厚为10～20mm，高度为1～2m。
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。
本发明进一步提出了上述冷热电联产PCC桩装置的制作方法，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，在设计位置的闭口PCC桩内侧壁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，与DC/DC转换器、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悬浮在PCC桩内部换热液体中；
(2)半导体温差发电装置II制作：根据设计要求选择导热底板的材质、宽度，在导热底板上布置均匀的散热管，并将散热管缠绕在贴有半导体温差发电片的换热管外侧，连接半导体温差发电片的导线埋设在导热硅胶内，沿着芯桩侧壁的换热管引出地面，依次与DC/DC转换器、蓄电池和用电设备连接；散热管单独连接水泵II供散热管内液体循环；
(3)半导体温差发电装置III制作：根据设计要求，在导热夹板中间布置半导体温差发电片，连接转轴和螺钉组成半导体温差发电装置III；然后布置在换热管外侧；优选地导热夹板，为空心圆柱体，其内径为25～50mm，与换热管外径一致，壁厚为10～20mm，高度为1～2m；
(4)闭口PCC桩制作：根据上部荷载要求，设计并确定PCC桩的桩长、外径、内径、壁厚以及混凝土标号；采用振动沉管施工，将带闭口桩靴的同心双套管打入土体中，在双套管之间灌注混凝土，振动拔套管形成PCC桩；待混凝土初凝完成后，开挖桩芯土，并在桩底部浇筑底板形成闭口PCC桩，在闭口PCC桩内侧壁布置检测扶梯、上端侧壁设置检测通道；综合考虑实际桩基桩长、桩间距、浅层地热能储量、上部空调系统与用电设备能源需求量，设计换热管在闭口PCC桩中的埋管形式；在闭口PCC桩内侧壁布置半导体温差发电装置I，在换热管外侧壁分别布置半导体温差发电装置II和半导体温差发电装置III，完成冷热电联产PCC桩装置制作；优选地闭口PCC桩桩长为20～40m、外径为1～1.5m、壁厚为100～200mm；
(5)空调系统和发电系统连接：将换热管与水泵I、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；将导线与水泵II、DC/DC转换器、蓄电池及用电设备依次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、水泵II动力用电)；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)、或者同时供应空调系统和温差发电系统；最终实现冷热电联产PCC桩装置的制作与应用。
优选地，步骤(1)中，所述的半导体温差发电片埋设在10～15m以下闭口PCC桩内侧壁，埋管形式为敞开式独立管、闭合式U形或敞开式嵌套管形式中的任意一种或者几种的组合。
有益效果：与现有桩埋管形式的能量桩技术相比，本发明的冷热电联产PCC桩存在如下技术优势：
(1)在保障PCC桩支撑上部荷载的承载功能，以及能量桩利用浅层地热能为上部建筑制冷或供暖的功能的基础上，通过半导体温差发电技术有效的利用换热管内液体与土体之间的温差，为PCC增加了发电功能可用于供给上部建筑用电，不仅实现了PCC桩的冷、热、电联产，而且实现了浅层地热纯粹的热交换的单一开采模式向热电联产的复合开采模式的跨越；
(2)现有的地热温差发电系统，均需要受特殊施工地点(如高温隧道、油田)的限制，几乎不能在城市中心、居民区等推广，本发明采用建筑桩基埋管形式而不需要单独钻门、钻孔，增加了地热发电的地域普适性，即使在高建筑容积率的地区也可以利用地热能发电；
(3)冷热电联产PCC桩中的半导体温差发电装置I，可以利用散热管与土体之间的温差进行半导体温差发电，除通过DC/DC转化器转化为可利用的电能供上部建筑物之外，在温差发电的过程中通过热电转换消耗传热管中热量，相比传统能量桩中仅通过土体和换热管热交换消耗传热管内液体热量的方式，不仅提高了地热空调系统的效率，而且减小了传热管在地下散热时土体温度的变化量，保护了土体的热稳定，从而可以大大提高单位地层空间和时间内换热管的埋设数量及传热总量；
(4)冷热电联产PCC桩中的半导体温差发电装置II，可以利用散热管与换热管内液体之间的温差进行半导体温差发电，通过DC/DC转化器转化之后为散热管内液体循环水泵II供电，通过热电转换消耗换热管内传热液体的热量，散热管的铺设间接增加了传热管在地下的热交换面积，不仅提高了单位空间内的地热利用率，还提高了地热空调系统的效率；
(5)冷热电联产PCC桩，拥有检测通道和检测扶梯，可以方便相关设备检修，确保仪器设备有效运作；
(6)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)、或者同时供应空调系统和温差发电系统，从而打破了浅层地热能在桩基础领域仅能应用于室内空调供暖的局限，实现了浅层地热能应用方式的按需切换，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PCC桩装置布置结构示意图；
图2为本发明中冷热电联产PCC桩中换热管埋设形式立体图，其中，(a)为敞开式独立管；(b)为闭合式U形；(c)为敞开式嵌套管；
图3为本发明中冷热电联产PCC桩中半导体温差发电装置I剖面图；
图4为本发明中冷热电联产PCC桩中A～A横截面示意图；
图5为本发明中冷热电联产PCC桩中半导体温差发电装置II剖面图；
图6为本发明中半导体温差发电装置II横截面图；
图7为本发明中半导体温差发电装置III剖面图；
图8为本发明中半导体温差发电装置III横截面图；
图9为本发明中半导体温差发电片立体图；
图10为本发明中半导体温差发电片横截面图；
图中：1为PCC桩，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DC/DC转换器，6为蓄电池，7为用电设备，8为导线，9为阀门，10为水泵I，11为换热设备，12为换热液体，13为检测扶梯，14为检测通道，15为导热防护层，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为导热硅胶，23为水泵II，24为半导体温差发电片，25为散热管，26为导热底板，27为防护罩，28为半导体温差发电装置III，29为转轴，30为螺钉，31为导热夹板。
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。
本发明提供了一种冷热电联产PCC桩装置，该装置包括：闭口PCC桩1、设置于闭口PCC桩内的换热管2和换热液体12、以及温差发电系统。
换热管内液体流速通过与之相连的水泵I 10和阀门9控制，实现换热管、换热液体与土体热交换，完成热交换后的换热管内液体与上部换热设备连接供空调利用，形成空调系统；
温差发电系统包括设置于闭口PCC桩内侧壁的半导体温差发电装置I 3、设置于换热管外侧壁的半导体温差发电装置II 4和半导体温差发电装置III 28，其中，半导体温差发电装置I包括半导体温差发电片24、导热硅胶22和导热防护层15，半导体温差发电片利用导热硅胶粘贴在PCC桩内侧壁，半导体温差发电片外侧设置导热防护层，PCC桩内部换热液体与桩侧土体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力连接DC/DC转换器、蓄电池供上部用电设备的电力供应。
半导体温差发电装置II包括散热管25、水泵II 23、半导体温差发电片24、导热硅胶22和导热防护层15，散热管均匀布置于导热底板上，并缠绕在贴有半导体温差发电片的换热管外侧，同时，散热管单独连接水泵II供散热管内液体循环；换热管与散热管之间的温差实现能源转化，利用导线将半导体温差发电所获得的电力依次连接DC/DC转换器、蓄电池供上部用电设备供电或水泵II用电。
半导体温差发电装置III包括导热夹板31和半导体温差发电片24，半导体温差发电片加工在导热夹板内部，利用转轴和螺钉固定，夹板布置在换热管外侧，换热管与PCC桩内部换热液体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力连接DC/DC转换器、蓄电池供上部用电设备的电力供应。
下面详细介绍本发明冷热电联产PCC桩装置的具体制作方法。
首先，根据上部荷载要求，设计并确定PCC桩1的桩长、外径、内径、壁厚以及混凝土标号；采用振动沉管施工，将带闭口桩靴的同心双套管打入土体中，在双套管之间灌注混凝土，振动拔套管形成PCC桩1；待混凝土初凝完成后，开挖桩芯土，并在桩底部浇筑底板形成闭口PCC桩1，在闭口PCC桩1内侧壁布置检测扶梯13、上端侧壁设置检测通道14；优选地闭口PCC桩1桩长为20～40m、外径为1～1.5m、壁厚为100～200mm。
接着，综合考虑实际桩基桩长、桩间距、浅层地热能储量、上部空调系统与用电设备7能源需求量，设计换热管2在闭口PCC桩1中的埋管形式；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50～200m，根据桩体长度、深度和换热管2埋管布置形式需要确定；换热管2埋管形式可以为敞开式独立管、闭合式U形或敞开式嵌套管形式中的一种或者几种组合。所述的换热液体12，为水或者油。
然后，制作半导体温差发电装置I 3：根据设计要求选择换热管2，在设计位置的闭口PCC桩1内侧壁利用导热硅胶22粘贴半导体温差发电片24，连接半导体温差发电片24的导线8埋设在导热硅胶22内，并引出地面，与DC/DC转换器5、蓄电池6和用电设备7连接；将含有半导体温差发电片24的换热管2悬浮在PCC桩1内部换热液体12中；优选地半导体温差发电片24主要埋设在10～15m以下闭口PCC桩1内侧壁；优选地半导体温差发电装置I 3中，导热硅胶22，其导热系数为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；导热防护层(15)，为不锈钢铁皮或硅胶基复合材料；DC/DC转换器(5)，位于地表，为升压型DC/DC转换器5；蓄电池6，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；导线8，埋设在导热硅胶22内。制作半导体温差发电装置II 4：根据设计要求选择导热底板26的材质、宽度，在导热底板26上布置均匀的散热管25，并将散热管25缠绕在贴有半导体温差发电片24的换热管2外侧，连接半导体温差发电片24的导线8埋设在导热硅胶22内，沿着芯桩侧壁的换热管2引出地面，与DC/DC转换器5、蓄电池6和用电设备7连接；散热管25单独连接水泵II 23供散热管25内液体循环；优选地半导体温差发电装置II 4中，散热管25，其外径为5～10mm，壁厚为1～3mm，长度为30～150cm；导热硅胶22，其导热系数为0.6～1.5W/(m·K)；水泵II 23，其功率为50～150w；导热防护层15，为不锈钢铁皮或硅胶基复合材料；DC/DC转换器5，位于地表，为升压型DC/DC转换器5；蓄电池6，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；导线8，埋设在导热硅胶22内。制作半导体温差发电装置III 28：根据设计要求，在导热夹板31中间布置半导体温差发电片24，连接转轴29和螺钉30组成半导体温差发电装置III 28；然后布置在换热管2外侧；优选地导热夹板31为空心圆柱体，其内径为25～50mm，与换热管2外径一致，壁厚为10～20mm，高度为1～2m。
接着，在闭口PCC桩l内侧壁布置半导体温差发电装置I 3，在换热管2外侧壁布置半导体温差发电装置II 4或半导体温差发电装置III 28，完成冷热电联产PCC桩1装置制作。
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，如图9～10所示，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。
最后，连接空调系统和发电系统：将换热管2与水泵110、换热设备11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I 10，位于地表，其功率为0.55～1.2kw；阀门9，为电动二通阀门9；换热设备11，为空调设备中的风机盘管。将导线8与水泵II 23、DC/DC转换器5、蓄电池6及用电设备7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、水泵II 23动力用电)；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)、或者同时供应空调系统和温差发电系统；最终实现冷热电联产PCC桩1装置的制作与应用。
综上所述，冷热电联产PCC桩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供暖的功能之外，还可以利用传热管内液体和土壤间温差产生电能供给上部建筑物用电，并且可以提高传热管和土体间的换热效率；该系统不仅有效的实现了PCC桩在力学、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PCC桩装置，其特征在于，该装置包括：闭口PCC桩、设置于闭口PCC桩内的换热管和换热设备、以及温差发电系统；其中：
所述换热管内换热液体流速通过与之相连的水泵I和阀门控制，实现换热管、换热液体与土体热交换，完成热交换后的换热管内液体与上部换热设备连接供空调利用，形成空调系统；
所述的温差发电系统包括设置于闭口PCC桩内侧壁的半导体温差发电装置I、设置于换热管外侧壁的半导体温差发电装置II和半导体温差发电装置III，其中，所述半导体温差发电装置I通过半导体温差发电片利用PCC桩内部换热液体与桩侧土体间的温差实现热电转化，并将获得的电力用于上部用电设备的电力供应；所述的半导体温差发电装置II通过包括散热管、水泵II、半导体温差发电片、导热硅胶和导热防护层，换热管与散热管之间的温差实现能源转化，利用导线将半导体温差发电所获得的电力依次连接DC/DC转换器、蓄电池供上部用电设备供电或水泵II用电；所述的半导体温差发电装置III包括导热夹板和半导体温差发电片，半导体温差发电片加工在导热夹板内部，利用转轴和螺钉固定，夹板布置在换热管外侧，换热管与PCC桩内部换热液体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力依次连接DC/DC转换器、蓄电池供上部用电设备的电力供应，其中，所述的半导体温差发电装置II中，所述散热管为聚乙烯管或金属管或PVC管，其外径为5～10mm，壁厚为1～3mm，长度为30～150cm，其均匀布置于导热底板上，并缠绕在贴有半导体温差发电片的换热管外侧，同时，散热管单独连接水泵II供散热管内液体循环；所述导热硅胶的导热系数为0.6～1.5W/(m·K)；水泵II的功率为5～15w；所述导热防护层为不锈钢铁皮或硅胶基复合材料；所述DC/DC转换器位于地表，为升压型DC/DC转换器；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。
2.根据权利要求1所述的冷热电联产PCC桩装置，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，半导体温差发电片利用导热硅胶粘贴在PCC桩内侧壁，半导体温差发电片外侧设置导热防护层，PCC桩内部换热液体与桩侧土体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力依次连接DC/DC转换器、蓄电池供上部用电设备的电力供应。
3.根据权利要求1所述的冷热电联产PCC桩装置，其特征在于，所述的闭口PCC桩采用振动沉管施工，将带闭口桩靴的同心双套管打入土体中，在双套管之间灌注混凝土，振动拔套管形成PCC桩；待混凝土初凝完成后，开挖桩芯土，并在桩底部浇筑底板形成闭口PCC桩；闭口PCC桩桩长为20～40m、外径为1～1.5m、壁厚为100～200mm；闭口PCC桩内侧壁布置检测扶梯、上端侧壁设置检测通道。
4.根据权利要求1所述的冷热电联产PCC桩装置，其特征在于，所述的换热管为聚乙烯管，其外径为25～50mm，壁厚为5～8mm，长度为50～200m，根据桩体长度、深度和换热管埋管布置形式需要确定；换热管埋管形式为敞开式独立管、闭合式U形或敞开式嵌套管形式中的一种或者几种组合，所述的换热液体为水或者油。
5.根据权利要求1所述的冷热电联产PCC桩装置，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。
6.根据权利要求2所述的冷热电联产PCC桩装置，其特征在于，所述的半导体温差发电装置I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；所述导热防护层为不锈钢铁皮或硅胶基复合材料；所述的DC/DC转换器位于地表，为升压型DC/DC转换器；所述的蓄电池位于地表，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；所述的导线埋设在导热硅胶内。
7.根据权利要求1所述的冷热电联产PCC桩装置，其特征在于，所述的半导体温差发电装置III中，所述导热夹板为空心圆柱体，其内径为25～50mm，与换热管外径一致，壁厚为10～20mm，高度为1～2m。
8.一种权利要求1所述的冷热电联产PCC桩装置的制作方法，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，在设计位置的闭口PCC桩内侧壁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转换器、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悬浮在PCC桩内部换热液体中；
(2)半导体温差发电装置II制作：根据设计要求选择导热底板的材质、宽度，在导热底板上布置均匀的散热管，并将散热管缠绕在贴有半导体温差发电片的换热管外侧，连接半导体温差发电片的导线埋设在导热硅胶内，沿着芯桩侧壁的换热管引出地面，依次与DC/DC转换器、蓄电池和用电设备连接；散热管单独连接水泵II供散热管内液体循环；
(3)半导体温差发电装置III制作：根据设计要求，在导热夹板中间布置半导体温差发电片，连接转轴和螺钉组成半导体温差发电装置III；然后布置在换热管外侧；
(4)闭口PCC桩制作：根据上部荷载要求，设计并确定PCC桩的桩长、外径、内径、壁厚以及混凝土标号；采用振动沉管施工，将带闭口桩靴的同心双套管打入土体中，在双套管之间灌注混凝土，振动拔套管形成PCC桩；待混凝土初凝完成后，开挖桩芯土，并在桩底部浇筑底板形成闭口PCC桩，在闭口PCC桩内侧壁布置检测扶梯、上端侧壁设置检测通道；综合考虑实际桩基桩长、桩间距、浅层地热能储量、上部空调系统与用电设备能源需求量，设计换热管在闭口PCC桩中的埋管形式；在闭口PCC桩内侧壁布置半导体温差发电装置I，在换热管外侧壁分别布置半导体温差发电装置II和半导体温差发电装置III，完成冷热电联产PCC桩装置制作；
(5)空调系统和发电系统连接：将换热管与水泵I、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；将导线与水泵II、DC/DC转换器、蓄电池及用电设备依次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、或者同时供应空调系统和温差发电系统；最终实现冷热电联产PCC桩装置的制作与应用。
9.根据权利要求1所述的冷热电联产PCC桩装置的制作方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的半导体温差发电片埋设在10～15m以下闭口PCC桩内侧壁，埋管形式为敞开式独立管、闭合式U形或敞开式嵌套管形式中的任意一种或者几种的组合。
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