CN111733800A - 一种自饶式能量桩 - Google Patents

Abstract

本发明属于能量桩领域，具体涉及一种自饶式能量桩，施工主要工序包括：换热装置焊接、成型、固定，压力试验，保压浇筑，水平干管连接、形成环路，与设备连接等，采用本文技术单个能量桩的换热量可达300‑800kw,桩间距为20‑25m左右，可以提高换热量，达到节能省地的效果。

Description

一种自饶式能量桩

技术领域

本发明属于能量桩领域，具体涉及一种自饶式能量桩。

背景技术

目前市场上地源热泵系统中常采用的是单U或者双U型埋管方式，每个孔间距在4.5-6米，这两种方式存在两大问题：①占地面积大②单孔换热量较小，同时现有的技术还存在如下问题：

1.单井回灌技术，回灌水量不能达到百分之百，并且受地质影响，可靠性较差；

3、地埋管技术初投资较大、安装费用较高，经济回收期在5-8年左右；而且地源热泵系统的维护较为困难；

4、施工工艺相对较复杂，工程质量不易控制；暖通空调技术与桩基施工技术，两者缺一不可，要求工程组织者和工程技术人员合理协调、做好充分的技术经济分析。

5、土壤的特性随地点的变化而有所差别，在意地区的研究结果可能完全不适用于另一地区。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明提供了一种自饶式能量桩，本发明主要解决的问题是提高能量换热量，达到节能的效果。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种自饶式能量桩，包括换热装置、桩基、换热管，包括如下步骤：

1)换热装置焊接：将换热装置垂直焊接在钢管外壁，随其一起定桩成型，通过换热装置与钢管之间的换热而增大换热量，在水井外壁侧垂直缠绕4-6 组换热装置，通过与水井内壁和周围土壤源进行热量交换，从而加大能量以达到所需供冷或供热需求；

2)成型：桩基埋管换热器是在建筑地基施工时，直接将地埋管换热器的换热管埋于建筑物的桩基中，按照设计制作管壁内的由非预应力主钢筋和箍筋组合成的钢筋笼；钢筋笼与桩头金属连接件连接，安置各种预埋件；钢筋笼装入钢模内，向钢模内浇筑混凝土，完成桩体雏形；上述装有桩体雏形的钢模绕桩轴旋转，混凝土离心挤密、成型；养护一脱模；使换热管与建筑结构有机结合，代替传统的竖直钻孔地埋管，内置换热管的桩基除了具有承建建筑物结构与确保建筑稳固这一作用之外，也承担了地源热泵地下换热器的释放热量与吸收热量的功能；

4)固定，压力试验；

5)保压浇筑；

6)水平干管与连接，形成环路，与设备连接等。

与现有技术相比，发明的有益效果是：采用本文技术单个能量桩的换热量可达300-800kw,桩间距为20-25m左右，通过水流不断加大换热，并能作为备用桩给系统减少投资，降低费用，可以提高换热量，达到节能省地的效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是本发明结构示意图。

图2所示为流速脉动的瞬态过程图.

图3所示为相应的流速增大和减小过程中同一截面上不同周向位置局部传热系数的变化规律图.

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步详细说明,实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。

一种自饶式能量桩，包括换热装置、桩基、换热管，包括如下步骤：

1)换热装置焊接：将换热装置垂直焊接在钢管外壁，随其一起定桩成型，通过换热装置与钢管之间的换热而增大换热量，在水井外壁侧垂直缠绕4-6 组换热装置，通过与水井内壁和周围土壤源进行热量交换，从而加大能量以达到所需供冷或供热需求；

2)成型：桩基埋管换热器是在建筑地基施工时，直接将地埋管换热器的换热管埋于建筑物的桩基中，按照设计制作管壁内的由非预应力主钢筋和箍筋组合成的钢筋笼；钢筋笼与桩头金属连接件连接，安置各种预埋件；钢筋笼装入钢模内，向钢模内浇筑混凝土，完成桩体雏形；上述装有桩体雏形的钢模绕桩轴旋转，混凝土离心挤密、成型；养护一脱模；使换热管与建筑结构有机结合，代替传统的竖直钻孔地埋管，内置换热管的桩基除了具有承建建筑物结构与确保建筑稳固这一作用之外，也承担了地源热泵地下换热器的释放热量与吸收热量的功能；

4)固定，压力试验；

5)保压浇筑；

6)水平干管与连接，形成环路，与设备连接等。

如图1所示，自饶式式热交换器的传热管，螺旋径DH从DHmin编导DHmax 形成所谓的阿基米德螺旋管，可是，关于阿基米德螺旋管内流动流体的界膜导热系数的关联式，除杨格的理论解析外，到目前还没有发表。因此，如图上所示，采用在螺旋径一定的盘管内流动液体的界膜导热系数。

伊托提出下式，作为在螺旋径一定的盘管中流动的液体。从层流向紊流过渡的临界雷诺数(Re)的推定式。

(Re)＝2x104(Di/DH)0.32(12.3)

库贝尔(Kubair)提出下式，

(Re)＝12730(D_i/D_H)^0.2(12.4)

这里，DH为螺旋径。D_i为管内径。

关于在螺旋径一定的盘管内流动流体的界膜导热系数，库贝尔，西班，罗杰斯，德雷维德发表了如下的关联式。

界膜导热系数(层流区)

库贝尔公式，

H_i＝[0.763+(D_i/D_H].(wc*C/K.L)^0.9

适用范围：

D_i＝6.6-12.7毫米

D_i/D_H＝0.037-0.097

Re＝2100-15000

(W,C)/(R.L)＝15-100

式中，C-比热，千卡/公斤℃

WI-管内流量，公斤/时，

L-管长

K-管内流体的导热系数(流体本身温度下的值)；

Re-雷诺数，DI.Gi/u；

Gi-管内质量速度，公斤/米².时；

U-粘度(流体本身温度下的值)，公斤/米.时

H_i＝0.13(h/D_i)[(f/2)(D_i.Gi/u)²]^1/3

根据实验及测试可知：水井内侧与换热装置的换热量为:55-75w/m,常见的能量桩换热量为：40-60w/m

从热阻的角度分析埋地换热器模型的传热方式，管内流体向周围土壤的换热可以分成三个部分，三部分热阻以串联方式形成传热的主要热阻，即：

1、管内流体与埋管内壁面之间的对流换热热阻

2、管壁的导热热阻

3、回填土的导热)(由于视管壁和回填土中间无接触热阻，因此只看做纯导热)

单相稳态传热时,当固定壁面热负荷不变,随流速的增加,稳态传热系数单调地增加.但在脉动过程中,传热系数随流速的变化却呈现出如下不同的特点.图2所示为流速脉动的瞬态过程.图3所示为相应的流速增大和减小过程中同一截面上不同周向位置局部传热系数的变化规律.图3(a)中,t ＝21.8s对应流速上升的起始点,t＝24.8s对应流速上升的结束点.由图可明显看出,随流速增加,截面上周向各点的传热系数均单调地减小,且减小速度逐渐放慢.在t＝24.8s时,整个截面周向各点的传热系数均达到流速上升过程的最小值.图2对应为流速下降过程,由图可见,随流速的减小,传热系数反而升高.也就是说,脉动流动换热的瞬态换热系数变化正好与流速变化的规律反相,这一点与稳态时截然不同.对此可做如下解释:在定热负荷边界条件下,由于管壁较薄,管壁蓄热量不大,不同时刻流体从管壁带走的热量可近似地视为一定,所以流速的升高导致流体温度的下降,使壁面与流体之间的温差增大,从而导致传热系数的下降；当流速达最大值时,相应的紊流传热系数也达最小值.随后,流速下降,流体温度逐渐回升,换热系数重新增大. 上述两图中,横坐标均为某一截面上管壁局部点位置的周向角(θ),可以看出,在流速上升和下降过程中,传热系数的最小点均在内侧θ＝0°处, 而最大点则在θ＝135°处.流速上升过程中,随流速的增加,同一截面上传热系数的周向差别减小,在相同的流速变化率下,外侧处的传热系数剧烈下降, 而内侧处的变化较小.在流速下降过程中,随流速的减小,周向传热系数的差别则有所增大.由此看来,流速的增加和减小过程对管圈外侧的换热系数影响较大,而对内侧处的影响则相对较小.在流速下降过程中,θ＝135°和θ＝215°处为整个截面传热系数的高峰值点,而θ＝0°和θ＝180°为两个低峰值点,这种分布与前述分布规律完全不同,说明截面上的二次流结构发生大的变化,即可能发生了反向的二次流.这种反向二次流的结构可描述如下:在流速下降过程中,虽然离心力的作用仍使外侧主流速度大于内侧,形成由内侧到外侧的压力梯度,并导致正向的二次流,然而流速的剧烈下降导致此压降梯度减小,正向二次流逐渐减弱,并移向内侧,外侧θ＝180°附近压力较高,而θ＝270°和θ＝90°附近压力较低,从而在θ＝270°和θ＝90°与θ＝180°间形成压降梯度,并由此导致反向二次流的产生.由于离心力对压力梯度的影响始终占主导地位,因此正向二次流占据大部分流通截面.但反向运动的两个旋涡使θ＝135°和θ＝215°处及其附近壁面受到剧烈扰动,因此这两处传热系数较高.θ＝180°处既为正向二次流的驻点,又为反向二次流的驻点,这里只受到主流的扰动,因此传热系数较低. 而θ＝0°处为正向二次流的驻点且主流速度最小,所以传热系数最低.这与图2中显示的θ＝135°和θ＝215°两个对称位置的换热系数较大的结果相符.从图2还可看出,θ＝0°～180°和θ＝180°～360°两个半边截面上换热系数不对称,说明二次流的两个旋涡(不论正反)也不对称.以上只是一种推论,实际脉动过程中二次流结构究竟如何变化,还需进一步研究测定.

紊流脉动时均换热系数计算式

由前面的分析可知,单相紊流脉动时均换热系数与流速、热负荷、脉动频率、脉动振幅等均有关系,因此,本文提出如下形式的换热系数关系式；

根据试验数据回归分析可得

由于脉动振幅与流速的大小有关,所以Dn中也包含了振幅的影响,因而此式中没有包含Ap.上式与实验值的相对误差在15％以内,其适用的参数范围是:频率f＝0.05～0.003,Re＝25000～125000.

单相紊流脉动时均传热仍遵循稳态时的主要特征和变化规律,即随Re 增大而增大,但同时受脉动频率和脉动振幅的影响.螺旋管内单相紊流脉动时均传热系数与相应时均参数下的稳态传热系数接近,且大于直管稳态传热系数值.在W0(脉动频率数，以下同)<5.5时,时均传热系数随W0增大而迅速减小；当W0>5.5后,时均传热系数基本不受W0影响.当Ap(脉动振幅率，以下同)<1.5时,时均传热系数随Ap的变化很小；Ap>1.5时,则随 Ap的增大,时均传热系数显著增大.在同一脉动周期内保持壁面热负荷不变时,瞬态传热系数的相位与质量流速脉动的相位相反,流速增大换热系数减小,流速减小换热系数增大.对应同一流速变化量,螺旋管圈外侧处传热系数变化值大于内侧.脉动的流速下降过程中管内可能出现反向的二次流.实验结果证实脉动传热有强烈的非线性和多维性.

单相紊流脉动时均传热仍遵循稳态时的主要特征和变化规律,即随 Re增大而增大,但同时受脉动频率和脉动振幅的影响。螺旋管内单相紊流脉动时均传热系数与相应时均参数下的稳态传热系数接近,且大于直管稳态传热系数值。在W0<5.5时,时均传热系数随W0增大而迅速减小；当W0> 5.5后,时均传热系数基本不受W0影响.当Ap<1.5时,时均传热系数随 Ap的变化很小；Ap>1.5时,则随Ap的增大,时均传热系数显著增大，采用本技术方案后，经过试验后，W0(脉动频率数)为5.05，Ap(脉动振幅率)为1.8，从而紊流传热增大，即此方案换热也增大。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种自饶式能量桩，包括换热装置、桩基、换热管，其特征在于，包括如下步骤：

1)换热装置焊接：将换热装置垂直焊接在钢管外壁，随其一起定桩成型，通过换热装置与钢管之间的换热而增大换热量，在水井外壁侧垂直缠绕4-6组换热装置，通过与水井内壁和周围土壤源进行热量交换，从而加大能量以达到所需供冷或供热需求；

2)成型：桩基埋管换热器是在建筑地基施工时，直接将地埋管换热器的换热管埋于建筑物的桩基中，按照设计制作管壁内的由非预应力主钢筋和箍筋组合成的钢筋笼；钢筋笼与桩头金属连接件连接，安置各种预埋件；钢筋笼装入钢模内，向钢模内浇筑混凝土，完成桩体雏形；上述装有桩体雏形的钢模绕桩轴旋转，混凝土离心挤密、成型；养护一脱模；使换热管与建筑结构有机结合，代替传统的竖直钻孔地埋管，内置换热管的桩基除了具有承建建筑物结构与确保建筑稳固这一作用之外，也承担了地源热泵地下换热器的释放热量与吸收热量的功能；

4)固定，压力试验；

5)保压浇筑；

6)水平干管与连接，形成环路，与设备连接等。

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