CN107119672A - 端承能量桩及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地源热泵及其桩基领域，具体而言，涉及一种端承能量桩及其系统。所述端承能量桩包括端承桩、套设于所述端承桩外侧的空心换热体、以及设置于所述空心换热体内的换热管，所述空心换热体的内侧壁包括隔热层。该端承能量桩具有不易对建筑物造成损坏，换热管和桩基不易损坏、换热管易于检修及工期短的优点。所述端承能量桩系统包括至少一个上述端承能量桩，还包括储液箱、进液管、液泵和回液管，所述储液箱通过进液管和液泵与所述换热管的进液端相连，所述液泵与所述进液管相连，所述换热管的出液端与所述回液管相连，所述回液管还与所述储液箱相连。该端承能量桩系统包括上述端承能量桩，能够有效利用地热能源进行供热或制冷。

Description

端承能量桩及其系统

技术领域

本发明涉及地源热泵及其桩基领域，具体而言，涉及一种端承能量桩及其系统。

背景技术

地源热泵技术为一种新型的节能技术，采用与地下恒温土层进行热能交换的方法达到节能减排的效果，并在近年得到了快速发展。然而地源热泵技术占用地下空间较大，钻孔费用相对较高且换热效率低下，使得其推广应用受到了极大的限制。

能量桩储热技术是把埋设在地下的混凝土桩基变成储热换热地源热泵系统的一部分，在基桩中埋设换热管，把基桩作为换热井，把换热管埋设在基桩中，通过集液管和热泵系统相连，能量桩和周围土壤相互传递热量。这样既可减少地源热泵系统的打井环节，可也减少换热井的灌浆回填工序，此技术的实施，在施工过程中可大大降低工程造价，缩短施工周期，节约土地。

然而，由于换热管埋设在混凝土基桩中，也带来了诸多问题：第一，破坏了基桩的力学承载力，对建筑物的安全产生危害；第二，换热管绑扎在钢筋笼上，埋设在混凝土中，与桩身一起受力变形，容易造成换热管和桩基的变形和损坏；第三，由于换热管和桩基浇筑为一体，如换热管破损，不能检修；第四，能量桩技术施工工艺相对复杂，各工种相互交叉作业，施工过程中需要多个工种相互配合，更易延长工期，造成工期紧张。

为了解决以上问题，现有技术中出现了一种预制能量桩，即将能量桩预制出来，然后接入地源热泵系统中，然而，预制桩在接桩过程中，换热管接头难以处理，因此，也容易造成换热管损坏。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种端承能量桩，以缓解现有技术中存在的建筑物、换热管和桩基容易损坏、换热管不能检修及工期紧张的问题。

本发明的第二目的在于提供一种端承能量桩系统，该端承能量桩系统包括上述端承能量桩，能够有效利用地热能源进行供热或制冷，且具有不易对建筑物造成损坏，换热管和桩基不易损坏、换热管易于检修及工期短的优点。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种端承能量桩，包括端承桩、套设于所述端承桩外侧的空心换热体、以及设置于所述空心换热体内的换热管，所述空心换热体的内侧壁包括隔热层。

作为进一步优选地技术方案，所述空心换热体的外侧壁和内侧壁分别设有内螺纹式的第一螺旋导管槽和第二螺旋导管槽，所述第一螺旋导管槽底端与所述第二螺旋导管槽底端相连，所述换热管依次沿所述第一螺旋导管槽和所述第二螺旋导管槽敷设于所述空心换热体内。

作为进一步优选地技术方案，所述空心换热体的上底壁设有检查孔，所述换热管的进液端和出液端均设置于所述检查孔处。

作为进一步优选地技术方案，所述空心换热体包括上段和下段，所述上段呈圆柱状，所述下段呈倒置的圆台状。

作为进一步优选地技术方案，所述空心换热体呈倒置的圆台状。

作为进一步优选地技术方案，所述内侧壁还包括支撑层和耐腐蚀层，所述支撑层与所述端承桩相接触；所述空心换热体外侧壁和上底壁由内到外依次包括耐腐蚀层、支撑层和防腐防锈层。

作为进一步优选地技术方案，所述内侧壁的支撑层上设有至少一个用于连接所述端承桩的支撑肋。

作为进一步优选地技术方案，所述空心换热体内还设有温度传感器。

作为进一步优选地技术方案，所述端承桩主要由钢纤维和混凝土固结形成。

第二方面，本发明提供了一种端承能量桩系统，包括至少一个上述端承能量桩，还包括储液箱、进液管、液泵和回液管，所述储液箱通过所述进液管和所述液泵与所述换热管的进液端相连，所述液泵与所述进液管相连，所述换热管的出液端与所述回液管相连，

所述回液管还与所述储液箱相连。

本发明提供的端承能量桩及其系统，其有益效果为：

本发明提供的端承能量桩包括端承桩、空心换热体和换热管，所述空心换热体的内侧壁包括隔热层，由于空心换热体内侧壁包括隔热层，所以空心换热体和端承桩不会进行热交换，故而有效的避免了传统能量桩在冷热循环过程中产生的桩顶位移和桩身应力变化问题，极大减少了建筑物、换热管和桩基的损坏。同时，由于换热管设置于空心换热体内部，没有直接埋设在端承桩内，所以从空心换热体中取出即可对其进行检修。此外，在实际制作时，首先根据端承桩的尺寸预制出空心换热体，现场施工时，先钻孔，将预制的空心换热体先沉入桩孔中，然后以空心换热体为模板浇筑得到端承桩，并使得空心换热体与端承桩组合成为一体；上述现场施工工艺极其简单，不需要其他工种配合，可大大缩短施工周期。

本发明提供的端承能量桩系统包括上述端承能量桩，还包括储液箱、进液管、液泵和回液管，储液箱中的换热液在液泵的作用下经过进液管被压入端承能量桩的换热管中进行循环，实际应用中，进液管设置于地下恒温层，进液管中的换热液与地下恒温层进行热交换，有效利用了地热能源，因此换热液温度发生变化，温度自下而上传递，使得端承能量桩上部结构达到“冬暖夏凉”的效果；另外，该端承能量桩系统还具有不易对建筑物造成损坏，换热管和桩基不易损坏、换热管易于检修及工期短的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的端承能量桩的结构示意图；

图2是本发明提供的端承能量桩中空心换热体的结构示意图；

图3是本发明提供的端承能量桩中空心换热体内敷设换热管的结构示意图；

图4是本发明提供的端承能量桩的剖面图；

图5是本发明提供的端承能量桩系统的结构示意图。

图标：1-端承桩；2-空心换热体；201-内侧壁；202-外侧壁；203-上底壁；2011-隔热层；2012-第一螺旋导管槽；2013-第二螺旋导管槽；2014-检查孔；2015-支撑层；2016-支撑肋；3-换热管；301-进液端；302-出液端；4-端承能量桩；5-储液箱；6-进液管；7-液泵；8-回液管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1-4所示，本实施例提供了一种端承能量桩，包括端承桩1、套设于端承桩1外侧的空心换热体2、以及设置于空心换热体2内的换热管3，空心换热体2的内侧壁201包括隔热层2011。

传统的能量桩由于在桩体内埋设或绑扎换热管，所以能量桩在热循环或制冷循环的过程中，桩顶会产生位移值，且桩顶位移变形不可恢复，这些变形会不断积累，对复合地基及其上部结构带来危害；能量桩附近的温度场对桩身应力-应变的影响很大，会引起桩身应力的变化，使桩身容易被损坏。

本实施例提供的端承能量桩包括端承桩、空心换热体和换热管，所述空心换热体的内侧壁包括隔热层，由于空心换热体内侧壁包括隔热层，所以空心换热体和端承桩不会进行热交换，故而有效的避免了传统能量桩在冷热循环过程中产生的桩顶位移和桩身应力变化问题，极大减少了建筑物、换热管和桩基的损坏。同时，由于换热管设置于空心换热体内部，没有直接埋设在端承桩内，所以从空心换热体中取出即可对其进行检修。此外，在实际制作时，首先根据端承桩的尺寸预制出空心换热体，现场施工时，先钻孔，将预制的空心换热体先沉入桩孔中，然后以空心换热体为模板浇筑得到端承桩，并使得空心换热体与端承桩组合成为一体；上述现场施工工艺极其简单，不需要其他工种配合，可大大缩短施工周期。

需要说明的是，上述隔热层可以为玻璃纤维、石棉、岩棉、气凝胶毡或真空板中的任意一种。

还需要说明的是，上述换热管为聚乙烯塑料管或聚丁烯塑料管。

在一种优选地实施方式中，空心换热体2的外侧壁202和内侧壁201分别设有内螺纹式的第一螺旋导管槽2012和第二螺旋导管槽2013，第一螺旋导管槽2012底端与第二螺旋导管槽2013底端相连，换热管3依次沿第一螺旋导管槽2012和第二螺旋导管槽2013敷设于空心换热体2内。

换热管沿第一螺旋导管槽螺旋向下敷设，直至第一螺旋导管槽的底端，第一螺旋导管槽的底端与第二螺旋导管槽的底端相连，引导换热管沿第二螺旋导管槽螺旋向上敷设，由此实现换热管在上述空心换热体内的敷设，实现热量的传递。

在一种优选地实施方式中，空心换热体2的上底壁203设有检查孔2014，换热管3的进液端301和出液端302均设置于检查孔2014处。上述检查孔主要用于检查换热管是否出现损坏，并且换热管的进液端和出液端均设置于所述检查孔处，一旦换热管出现损坏，检修人员握住进液端或出液端将整根换热管从空心换热体内抽出即可。

在一种优选地实施方式中，所述空心换热体包括上段和下段，所述上段呈圆柱状，所述下段呈倒置的圆台状。圆台即用一个平行于圆锥底面的平面去截圆锥，底面与截面之间的部分叫做圆台。呈圆台状的下段在预制的空心换热体下沉时起到桩靴的作用，以保护桩端在沉桩过程中不会劈裂。

在一种优选地实施方式中，所述空心换热体呈倒置的圆台状。空心换热体呈倒置的圆台状，即空心换热体的上底面的面积大于下底面的面积，换热管敷设于其中并呈一定的锥度布置，换热管沿径向相互错列，相邻换热管在轴向上的热干扰强度减弱，增大了换热管沿轴向上的传热能力，提高了上述端承能量桩的传热效率。与传统圆柱面布置的螺旋型能量桩相比，减少了能量桩的土方开挖量，从而节省了能量桩的初投资。与传统圆柱型能量桩相比，桩孔具有一定的锥度，降低了开挖过程中桩孔壁坍塌的风险。

在一种优选地实施方式中，内侧壁201还包括支撑层2015和耐腐蚀层(图中未标出)，支撑层2015与端承桩1相接触；空心换热体2外侧壁202和上底壁203由内到外依次包括耐腐蚀层、支撑层和防腐防锈层。支撑层主要起到提高空心换热体整体强度的作用，支撑层材质优选为钢；耐腐蚀层主要起到减少换热液的侵蚀的作用，耐腐蚀层材质优选为塑料材质，更优选的为PPR(polypropylene random，无规共聚聚丙烯)塑料。PPR具有保温节能、耐腐蚀、不结垢、耐热、耐压、使用寿命长、质轻高强和流体阻力小的优点，十分适合应用于上述空心换热体中。防腐防锈层主要起到防止支撑层被生锈和被腐蚀的作用，延长上述端承能量桩的使用寿命。

在一种优选地实施方式中，内侧壁201的支撑层2015上设有至少一个用于连接端承桩1的支撑肋2016。支撑肋能够将端承桩与空心换热体紧密连接在一起，减少空心换热体内侧壁与端承桩之间的间隙，使得端承能量桩整体结构更加紧密和稳固，减少支撑层被腐蚀。上述支撑肋优选为钢筋肋，强度更高。

在一种优选地实施方式中，空心换热体2内还设有温度传感器(图中未标出)。为了实时掌握空心换热体内的温度，在空心换热体内设置温度传感器，采集空心换热体内的温度，以供随时调整换热液的流速和流量以及用于进一步研究等。

需要说明的是，上述温度传感器通过无线方式与上述端承能量桩外部的控制器相连，控制器包括显示屏，温度传感器测量得到的温度传送到控制器处并在显示屏上显示出具体温度值。

在一种优选地实施方式中，所述端承桩主要由钢纤维和混凝土固结形成。钢纤维是以切断细钢丝法、冷轧带钢剪切、钢锭铣削或钢水快速冷凝法制成长径比(纤维长度与其直径的比值，当纤维截面为非圆形时，采用换算等效截面圆面积的直径)为40～80的纤维。钢纤维和混凝土相互结合能够减少固化后的混凝土的应力集中，增加端承桩的抗拉、抗弯强度，并大幅度地提高其韧性和抗冲击强度。

为了进一步降低成本，上述钢纤维还可以替换为钢渣，钢渣是一种工业废弃物，使用钢渣不但能够降低成本、保护环境，还能同时保证端承桩的强度。

此外，端承桩还可以主要由钢筋笼和混凝土固结形成。钢筋笼主要起的作用跟柱子纵向钢筋的受力是同理，主要起抗拉作用，混凝土的抗压强度高但抗拉强度低，钢筋笼对桩身混凝土起到约束的作用，使之能承受一定的水平拉力。

实施例2

如图5所示，本实施例提供了一种端承能量桩系统，包括至少一个上述端承能量桩4，还包括储液箱5、进液管6、液泵7和回液管8，储液箱5通过进液管6和液泵7与所述换热管的进液端301相连，所述换热管的出液端302与回液管8相连，回液管8还与储液箱5相连。

本实施例提供的端承能量桩系统包括上述端承能量桩，还包括储液箱、进液管、液泵和回液管，储液箱中的换热液在液泵的作用下经过进液管被压入端承能量桩的换热管中进行循环，实际应用中，进液管设置于地下恒温层，进液管中的换热液与地下恒温层进行热交换，有效利用了地热能源，因此换热液温度发生变化，温度自下而上传递，使得端承能量桩上部结构达到“冬暖夏凉”的效果；另外，该端承能量桩系统还具有不易对建筑物造成损坏，换热管和桩基不易损坏、换热管易于检修及工期短的优点。

还需要说明的是，当上述端承能量桩系统中包括两个及以上的端承能量桩时，从第一个端承能量桩出液端与第二个端承能量桩的进液端相连，依次类推，实现各个端承能量桩的连接，使换热液依次流过各个端承能量桩，最后一个端承能量桩的出液端再与回液管相连，实现换热液的循环流动。

进一步地，所述液泵包括控制器，所述控制器能够用来调节液泵的叶轮转速，由此调节换热液的流速和流量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。

Claims (10)

1.一种端承能量桩，其特征在于，包括端承桩、套设于所述端承桩外侧的空心换热体、以及设置于所述空心换热体内的换热管，所述空心换热体的内侧壁包括隔热层。

2.根据权利要求1所述的端承能量桩，其特征在于，所述空心换热体的外侧壁和内侧壁分别设有内螺纹式的第一螺旋导管槽和第二螺旋导管槽，所述第一螺旋导管槽底端与所述第二螺旋导管槽底端相连，所述换热管依次沿所述第一螺旋导管槽和所述第二螺旋导管槽敷设于所述空心换热体内。

3.根据权利要求1所述的端承能量桩，其特征在于，所述空心换热体的上底壁设有检查孔，所述换热管的进液端和出液端均设置于所述检查孔处。

4.根据权利要求1所述的端承能量桩，其特征在于，所述空心换热体包括上段和下段，所述上段呈圆柱状，所述下段呈倒置的圆台状。

5.根据权利要求1所述的端承能量桩，其特征在于，所述空心换热体呈倒置的圆台状。

6.根据权利要求1所述的端承能量桩，其特征在于，所述内侧壁还包括支撑层和耐腐蚀层，所述支撑层与所述端承桩相接触；所述空心换热体外侧壁和上底壁由内到外依次包括耐腐蚀层、支撑层和防腐防锈层。

7.根据权利要求6所述的端承能量桩，其特征在于，所述内侧壁的支撑层上设有至少一个用于连接所述端承桩的支撑肋。

8.根据权利要求1所述的端承能量桩，其特征在于，所述空心换热体内还设有温度传感器。

9.根据权利要求1所述的端承能量桩，其特征在于，所述端承桩主要由钢纤维和混凝土固结形成。

10.一种端承能量桩系统，其特征在于，包括至少一个权利要求1-9任一项所述的端承能量桩，还包括储液箱、进液管、液泵和回液管，所述储液箱通过所述进液管和所述液泵与所述换热管的进液端相连，所述液泵与所述进液管相连，所述换热管的出液端与所述回液管相连，所述回液管还与所述储液箱相连。