CN110118445A - 一种半开放式受迫对流换热能源桩管桩系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半开放式受迫对流换热能源桩管桩系统，包括预制混凝土管桩和开放式换热管，开放式换热管包括进液管和回液管，在预制混凝土管桩的桩孔内形成一体的换热室，进液管进入换热室的底部，回液管安装在换热室的顶部，换热介质经进液管输入桩孔底部，从下面向上流经整个桩孔，从桩顶流出，与预制混凝土管桩外的土体完成受迫对流。本发明的能源桩系统利用了管桩桩孔内注入的水进行循环，在桩孔内形成受迫对流，提高了换热效率，节省了材料与费用；且施工安装简便；且桩孔内部的开放管路杜绝了渗漏问题，相比传统灌注桩或管桩埋管方便、可靠。

Description

一种半开放式受迫对流换热能源桩管桩系统

技术领域

本发明涉及建筑桩基础和地源热泵技术领域，尤其涉及一种可利用管桩桩孔实现受迫对流换热的新型能源桩。

背景技术

地源热泵技术是利用地埋管换热器与热泵机组系统，通过换热器中循环液体实现建筑与土体换热的一种新兴节能技术。系统在夏季将建筑的热量排入地下，冬季从地下取热供建筑使用，能有效利用浅层地温能这种清洁能源。其系统具有不受空气温度影响、无结霜、能效比高等优点，得到广泛关注。

传统的地源热泵机组的换热管埋设需要占用大面积的土体，但目前城市用地较为紧张，导致其成本较高。而且，换热管需安装在较深的土体预钻孔中，并回填填料封孔，费用较高。而能源桩是通过放入建筑桩基中的地埋管换热器，经桩体混凝土实现与周边土体换热的新技术，能节约占地、钻孔费用等传统地源热泵系统的初投资。

而能源桩的施工与制作也有其自身限制。最常见的是将换热管绑扎于钻孔灌注桩的钢筋笼上，后回灌混凝土，将管路埋于混凝土中。但该桩型绑扎管道复杂，且吊装施工过程中易使管道接头损坏造成渗漏；在混凝土水化过程中放出的热量和相应的混凝土膨胀易挤压管路，导致管路漏水或者堵塞，成活率受限制。也有管桩能源桩的先例如：一种预制能量桩的施工方法（ CN 103485332 B），一种PCC能量桩及其施工方法（CN 108775010 A）等发明，是将换热管放入管桩的桩壁内或桩孔内后回填桩芯土。若管路埋于桩壁内，多节管桩接桩使传热管接头极不方便，同时管桩桩壁本身较薄，管路埋设影响混凝土整体性能；若管路埋于桩孔，其回填过程不易控制填芯密实度，进而影响换热能力。此外回填过程也可能给管路接头施加太大压力，造成破裂。且优质回填材料成本较高。打桩过程中的土塞效应，也易造成有效埋管深度不足的缺陷。还有建筑物基础管桩的新用途及管桩式地源热泵换热器（CN 107990576 A），在管桩的内腔中注入换热介质，在管桩的封头设有伸入到管桩上部的短取水管和伸入到管桩深处的长取水管，多个管桩并联后构成地源热泵系统的换热器，靠水的比重自然对流。

发明内容

发明目的：本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种施工方便、快捷，管路成活率高，桩身换热能力强的新型能源桩，实现此新技术的进一步推广应用。

技术方案：本发明所述的半开放式受迫对流换热能源桩管桩系统，包括预制混凝土管桩和开放式换热管，所述开放式换热管包括进液管和回液管，所述预制混凝土管桩在桩孔内形成一体的换热室，所述进液管进入换热室的底部，所述回液管安装在换热室的顶部，换热介质经进液管输入桩孔底部，从下面向上流经整个桩孔，从桩顶流出，在桩孔内完成受迫对流。

具体地，所述进液管底端距桩孔底面20cm以上；所述回液管插入至桩顶承台混凝土填芯底端，并伸入桩孔中5-10cm。使用时，进水管持续进水直至水将桩孔内的空间填满，多余水能从回水管流出。进水管另一末端通过进水分集管与热泵相连，回水管另一端连接回水分集总管后接入热泵机组。

具体地，第一节混凝土管桩桩头焊接桩尖封口，确保打桩时桩底不形成土塞即可，保证桩孔的有效长度，不需要严格密封。成桩后，从桩顶的桩孔向下灌入少量混凝土，使其在桩底能形成10-20cm的混凝土封底层，待其凝固后，即可对桩底达到密封效果。

具体地，管桩一般由多节打入土体，在节间的接桩处设置密封措施。端头板一般为金属的圆环。接桩前，在上下两节端头板平面上，先放置比桩孔略大的高弹性耐久橡胶圈，用粘结树脂将其包裹，成一个环状区域。待树脂凝固前，将两节桩头对接后，等待一段时间使树脂凝固，形成对接桩处的第一道密封。其后沿两端头板接缝外侧一圈进行满焊，保证焊接质量，此可作为第二道密封保障。

具体地，入水与回水管从桩顶承台下的填芯混凝土内穿出，穿出点应对称于桩中心轴两侧，避免其间距较近产生的热短路现象。

具体地，回水分集总管入热泵机组前，需连接一个澄清补水/溢流池。由于桩孔内可能有施工残留的杂土或杂质，或运行过程中进入桩身内部的少量土粒，需接入澄清池将其沉淀。澄清池另一侧较高位置接出水口，尽量使上层清水流向热泵机组。在进入机组前，还应流经过滤器，确保进入机组的水杂质量少。澄清池底部应为倾斜面，并在斜面底端设置有泄流出口，定期检查，及时排出沉淀的杂质。

具体地，澄清池同时用作补水/溢流池。由于循环水的温度在运行过程中持续变化，桩孔内的水体作为循环水的一部分，体积也会膨胀/收缩。当水膨胀会造成管路压力增大，可能损坏循环系统；而其收缩时可能造成桩内液面下降，回水管接触不到水面，导致回水量减少。此外接桩与桩底端头处也可能有少量可能的渗水，也会使得桩孔内水量减小。针对此，在水箱内设置溢流阀门，当压力超过设定工作压力，将自动泄除多余液体，保护循环系统。而同时，澄清池内设置水面控制器，设定高度应高于其出水口10-20cm，若池内水面低于液面，将自动补水，确保向热泵机组持续供水；

上述系统的施工安装步骤如下：

步骤1在管桩桩底焊接桩尖，将桩身整体打入土层设计位置后，从桩顶口灌入封底混凝土，使其在桩底形成封底层；

步骤2，将进水管由桩孔插入管桩内，延伸至封底混凝土上约20 cm处，在地面做临时固定使其管口高度不变；插入回水管至桩顶填芯混凝土设计高度之下5-10 cm；

步骤3，安装锚固钢筋后浇筑填芯混凝土，用于固定进水管和回水管；

步骤4，待混凝土凝固，进水管和回水管位置稳定后，经进水管向桩孔内注入循环水，直至从回水管中流出，停止注水。

进一步地，在多节管桩施工过程中，增设接桩处的密封措施，前一节管桩打入地下后，第二节管桩由打桩机固定至第一节桩顶正上方，两节管桩之间预留一定操作空间。在第一节管桩桩顶的端头板上，靠近桩孔一圈放置环形接缝密封圈，后在其周围和表面浇筑粘结树脂，确保树脂将密封圈包裹在内；待树脂凝结之前，将第二节管桩对齐第一节桩缓缓下放，直至两端头板接触后，完全释放二节桩使两者在重力作用下相互挤压，至此树脂与被挤压的密封圈形成第一道密封结构；将两端头板最外侧的接缝满焊，以焊缝为第二道密封结构。

本文提到的水是作为整体地源端的换热器换热介质，不限于水这一种液体，上述是为了表述方便，以水举例。其他换热液体也在本专利保护范围之内。

使用时，进水管持续进水直至水将桩孔内的空间填满，多余水能从回水管流出。进水管另一末端通过进水分集总管与热泵相连，回水管另一端连接回水分集总管后接入热泵机组。

有益效果：本发明的能源桩系统利用了管桩桩孔内注入的水进行循环，与桩身外侧土体进行换热。开放式管路使得水流从桩底流入，从桩口定向流出，在桩孔内形成受迫对流，这与主要依靠热传导的传统能源桩系统相比，极大增加了换热效率；而桩孔内又形成良好的封闭空间，不受地下水位，水质等因素影响。此外，本新型能源桩与土体换热的面积也由传统的换热管内壁扩大至桩孔内壁，不必在桩内设置多组换热管，来增加桩基换热效率，节省了材料与费用；由于本发明依赖上述换热原理，因此不需要在桩孔内增加固定管路的装置使得其为一条直线，只需保证入水管是将水从较为靠近桩底的深度流出，水从下向上受迫流经整个桩身长度，即可保证换热效果，使得施工安装简便；由于在桩孔内部管路本就是开放的，可用一根整管直接插入，因此不存在热熔、接头等工序，也不存在渗漏问题，相比传统灌注桩或管桩埋管方便、可靠。

附图说明

图1为本发明实施例的能源桩管桩结构示意图；

图2为多节管桩能源桩的接桩处结构示意图；

图3为图2中A～A平面布置示意图；

图4为整体半开放对流换热能源桩系统连接示意图；

图中：1为桩尖，2为封底混凝土，3为管桩，4为桩孔内循环水，5为回水管，6为锚固钢筋，7为填芯混凝土，8为进水管，9为接缝密封圈，10为焊接缝，11为端头板，12为粘结树脂，13为回水分集管，14为进水分集管，15为澄清补水/溢流池，16为倾斜池底，17为排渣口，18为水面控制阀，19为热泵机组换热器，20为过滤器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

本实施例的半封闭对流换热能源桩管桩结构如图1所示，首先在管桩3桩底焊接桩尖1，将桩身整体打入土层设计位置后，从桩顶口灌入封底混凝土2，使其在桩底形成封底层。将进水管8由桩孔插入管桩内，延伸至封底混凝土上约20 cm处，在地面做临时固定使其管口高度不变。随后插入回水管5至填芯混凝土7设计高度之下5-10 cm。安装锚固钢筋6后，浇筑填芯混凝土，将进水管8和回水管5埋入混凝土中，待混凝土凝固，管路位置稳定后，通过进水管8向桩孔内注入循环水4，直至从回水管5中流出，停止注水。

在多节管桩施工过程中，还应增设接桩处的密封措施，具体结构如图2，3所示。前一节管桩打入地下后，第二节管桩由打桩机固定至第一节桩顶正上方，两节管桩之间预留一定操作空间。在第一节管桩桩顶的端头板11上，靠近桩孔一圈放置环形接缝密封圈9，后在其周围和表面浇筑粘结树脂12，确保树脂将密封圈包裹在内。待树脂凝结之前，将第二节管桩对齐第一节桩缓缓下放，直至两端头板接触后，完全释放二节桩使两者在重力作用下相互挤压，至此树脂与被挤压的密封圈形成第一道密封结构。将两端头板最外侧的接缝满焊，形成的焊缝10作为第二道密封结构。

能源桩系统需要多桩连接共同为热泵机组提供循环液体，图4提供了多根能源桩连接方式的示意图。本图为3根桩为一组，实际编组以工程设计优化选取。桩基内的多只回水管，先流入回水分集管13汇集到回水主干管中。在回水流入热泵机组换热器前，设置澄清补水/溢流池。池子底部为倾斜池底16，为了使沉淀集中于池底的一侧，定期由排渣口17清理池底沉积的土等杂质。池右侧的出水口上10-20cm处设置水面控制阀，水位低于其高度自动补水，水位过高使得箱内压力增大时自动放水泄压。回水经澄清过后，还需经过第二道过滤器20滤掉回水内杂质，再送入热泵机组换热器19。从换热器通过的水经进水分集管14后，经各桩进水管8输入管桩内，如此形成循环。至此，水流自下而上经过管桩桩孔，通过受迫对流与恒温大地换热后流回热泵机组，实现上部建筑与土体的能量传递。

以上为本发明专利参考一个实施例做出的具体说明，但是本发明并不限于上述实施例，也包含本发明构思范围内的其他实施例或者变形例。

本发明为能源桩管桩系统提供了一种全新的思路与方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上仅是以示例的方式提供的优选实施方式。本领域技术人员可以在不偏离本发明的情况下想到许多更改、改变和替代。应当理解，在实践本发明的过程中可以采用对本文所描述的本发明实施方式的各种替代方案。所附权利要求旨在限定本发明的范围，并因此覆盖这些权利要求及其等效项的范围内的方法和结构。

Claims (9)

1.一种半开放式受迫对流换热能源桩管桩系统，包括预制混凝土管桩和开放式换热管，其特征在于：所述开放式换热管包括进液管和回液管，所述预制混凝土管桩在桩孔内形成一体的换热室，所述进液管进入换热室的底部，所述回液管安装在换热室的顶部，换热介质经进液管输入桩孔底部，从下面向上流经整个桩孔，从桩顶流出，在桩孔内完成受迫对流。

2.根据权利要求1所述的半开放式受迫对流换热能源桩管桩系统，其特征在于：所述进液管底端距桩孔底面20cm以上；所述回液管插入至承台混凝土填芯底端，并伸入桩孔中5-10cm。

3.根据权利要求2所述的半开放式受迫对流换热能源桩管桩系统，其特征在于：所述混凝土管桩桩头焊接桩尖封口，成桩后从桩顶的桩孔向下灌入混凝土，在桩底能形成10-20cm的混凝土封底层。

4.根据权利要求3所述的半开放式受迫对流换热能源桩管桩系统，其特征在于：所述预制混凝土管桩是打入土体的多节管桩，在节间的接桩处设置密封措施；接桩前，在上下两节端头板平面上放置比桩孔略大高弹性耐久橡胶圈，用粘结树脂将其包裹，成一个环状区域；将两节桩头对接后直至树脂凝固，形成接桩处第一道密封；其后沿两端头板金属圆环接缝外侧一圈满焊形成第二道密封。

5.根据权利要求4所述的半开放式受迫对流换热能源桩管桩系统，其特征在于：进液管与回液管从桩顶承台下的填芯混凝土内穿出，穿出点对称于桩轴心两侧。

6.根据权利要求5所述的半开放式受迫对流换热能源桩管桩系统，其特征在于：若干管桩的回液管连接到回液分集总管，在回液分集总管与热泵机组之间布置澄清池，所述澄清池的底部倾斜面，并在斜面底端设置有泄流出口。

7.根据权利要求6所述的半开放式受迫对流换热能源桩管桩系统，其特征在于：所述澄清池同时用作补水/溢流池，在澄清池内设置溢流阀门，当压力超过设定工作压力时自动泄除多余液体，保护循环系统；在澄清池内设置水面控制器，设定高度应高于其出水口10-20cm，若池内水面低于液面，将自动补水，确保向热泵机组持续供水。

8.根据权利要求1所述的半开放式受迫对流换热能源桩管桩系统的施工方法，其特征在于包括步骤：

步骤1，在管桩桩底焊接桩尖，将桩身整体打入土层设计位置后，从桩顶口灌入封底混凝土，使其在桩底形成封底层；

步骤2，将进水管由桩孔插入管桩内，延伸至封底混凝土上约20 cm处，在地面做临时固定使其管口高度不变；插入回水管至桩顶填芯混凝土设计高度之下5-10 cm；

步骤3，安装锚固钢筋后浇筑填芯混凝土，用于固定进水管和回水管；

步骤4，待混凝土凝固，进水管和回水管位置稳定后，经进水管向桩孔内注入循环水，直至从回水管中流出，停止注水。

9.根据权利要求8所述的半开放式受迫对流换热能源桩管桩系统的施工方法，其特征在于：在多节管桩施工过程中，增设接桩处的密封措施，前一节管桩打入地下后，第二节管桩由打桩机固定至第一节桩顶正上方，两节管桩之间预留一定操作空间；在第一节管桩桩顶的端头板上，靠近桩孔一圈放置环形接缝密封圈，后在其周围和表面浇筑粘结树脂，确保树脂将密封圈包裹在内；待树脂凝结之前，将第二节管桩对齐第一节桩缓缓下放，直至两端头板接触后，完全释放二节桩使两者在重力作用下相互挤压，至此树脂与被挤压的密封圈形成第一道密封结构；将两端头板最外侧的接缝满焊，以焊缝为第二道密封结构。