CN112030951A - 一种能源桩 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种能源桩，涉及地源热泵技术领域。包括：钢筋笼、换热管和相变混凝土，钢筋笼为中空结构，包括支撑杆和呈螺旋结构的螺旋杆，支撑杆的数量为多个，各个支撑杆均沿螺旋杆的轴向延伸，且与螺旋杆连接，多个支撑杆沿螺旋杆的周向排布，换热管设有进液口和出液口，换热管设置于螺旋杆内，且与螺旋杆和/或支撑杆连接，换热管、钢筋笼均包裹于相变混凝土内，且换热管和钢筋笼之间的间隙也填充有相变混凝土。能源桩结构简单，成本低廉，适于大规模批量生产加工，且螺旋杆作为一体结构与支撑杆连接，使得钢筋笼整体刚性更好，相变混凝土可以有效地延缓相变混凝土内部升温和降温，降低最高绝温温升，减少能源桩中混凝土结构温度应力。
Description
技术领域
本发明涉及地源热泵技术领域，特别是涉及一种能源桩及其使用方法。
背景技术
在建筑领域中，能源桩是将垂直埋管地源热泵与桩基础结合起来，使其既能够承受上部结构荷载，也能够达到与周围土体热交换的结构。能源桩与传统的地球集热系统或地下换热钻孔系统的本质区别是，作为与地球相连接的热交换器具备了结构功能而且不必单独建造。现有技术中的能源桩结构复杂，造价较高，并且能源桩进行热交换过程中存在着内热泵系统引发的土体热堆积效应，从而导致能源桩产生温差效应，使得桩体开裂。因此，提供一种结构简单、成本低廉且能够减少热堆积效应的能源桩是本领域技术人员所亟需解决的技术问题。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低廉的能源桩，以解决现有技术中的能源桩结构复杂，造价较高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种能源桩，包括：钢筋笼、换热管和相变混凝土，所述钢筋笼为中空结构，包括支撑杆和呈螺旋结构的螺旋杆，所述支撑杆的数量为多个，各个所述支撑杆均沿所述螺旋杆的轴向延伸，且与所述螺旋杆连接，多个所述支撑杆沿所述螺旋杆的周向排布，所述换热管设有进液口和出液口，所述换热管设置于所述螺旋杆内，且与所述螺旋杆和/或所述支撑杆连接，所述换热管、所述钢筋笼均包裹于所述相变混凝土内，且所述换热管和所述钢筋笼之间的间隙也填充有所述相变混凝土。
进一步地，各个所述支撑杆均为实心结构，或者，各个所述支撑杆均为空心结构。
进一步地，所述螺旋杆为实心结构，或者，所述螺旋杆为空心结构。
进一步地，所述空心结构内填充有相变材料。
进一步地，所述换热管包括第一螺旋管和第二螺旋管，所述第一螺旋管和第二螺旋管呈双螺旋结构排布，且二者的第一端相互连通、第二端分别作为所述进液口和所述出液口。
进一步地，所述换热管包括环形管和多个两端设有开口的U型管，多个所述U型管底部相互交叉且连通，多个所述U型管中一个所述U型管的一个开口作为所述进液口，另一个开口以及其余所述U型管的所有开口均与所述环形管连通，所述出液口设置于所述环形管上。
进一步地，所述钢筋笼表面设有镀锌层或者陶瓷涂层。
进一步地，所述相变混凝土包括水泥、粉煤灰、砂子、石子、水、粉煤灰陶粒、相变材料、硫代硫酸钠、蒙脱土、氧化铝、三乙醇胺水溶液。
进一步地，所述相变材料为石蜡、十五烷或者十六烷。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的一种能源桩，包括：钢筋笼、换热管和相变混凝土，钢筋笼为中空结构，包括支撑杆和呈螺旋结构的螺旋杆，支撑杆的数量为多个，各个支撑杆均沿螺旋杆的轴向延伸，且与螺旋杆连接，多个支撑杆沿螺旋杆的周向排布，换热管设有进液口和出液口，换热管设置于螺旋杆内，且与螺旋杆和/或支撑杆连接，换热管、钢筋笼均包裹于相变混凝土内，且换热管和钢筋笼之间的间隙内也填充有相变混凝土。如此设置，本发明中的能源桩结构简单，成本低廉，适于大规模批量生产加工，且螺旋杆作为一体结构与支撑杆连接，使得钢筋笼整体刚性更好，使得能源桩结构更加牢固稳定。通过设置相变混凝土可以有效地延缓相变混凝土内部升温和降温，降低最高绝温温升，减少能源桩中混凝土结构温度应力，提高能源桩的工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例中能源柱结构示意图；
图2为本发明实施例中换热管与钢筋笼的配合结构示意图；
图3为本发明实施例中换热管的结构示意图。
附图标记说明：1、支撑杆；2、螺旋杆；3、第一螺旋管；4、第二螺旋管；5、环形管；6、U型管；7、进液口；8、出液口；9、换热管；10、扎带。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-3所示，本发明实施例提供的一种能源桩，包括：钢筋笼、换热管9和相变混凝土。钢筋笼为中空结构，钢筋笼包括支撑杆1和呈螺旋结构的螺旋杆2。支撑杆1的数量为多个，各个支撑杆1均沿螺旋杆2的轴向延伸，且与螺旋杆2连接。多个支撑杆1沿螺旋杆2的周向排布，例如，各个支撑杆1均可以与螺旋杆2的内侧相贴合。可选地，支撑杆1可以通过铁丝与螺旋杆2绑扎连接。换热管9上设有进液口7和出液口8。换热管9设置于螺旋杆2内，且与螺旋杆2和/或支撑杆1连接。例如，换热管9可以通过扎带10连接到钢筋笼上。可选地，换热管9是PVC管或者金属管。换热管、钢筋笼均包裹于相变混凝土内，且换热管和钢筋笼之间的间隙内也填充有相变混凝土即，钢筋笼内填充有相变混凝土，而钢筋笼外侧也包裹有相变混凝土。如此设置，本发明中的能源桩结构简单，成本低廉，适于大规模批量生产加工，且螺旋杆2作为一体结构与支撑杆1连接，使得钢筋笼整体刚性更好，使得能源桩结构更加牢固稳定。通过设置相变混凝土可以有效地延缓相变混凝土内部升温和降温，降低最高绝温温升，减少能源桩中混凝土结构温度应力，提高能源桩的工作效率。
需要说明的是，能源桩的相变混凝土既可以采用预制的方式，也可以采用现场浇筑的方式。相变混凝土既可以采用现有技术中的相变混凝土，也可以采用本实施例提供的相变混凝土。
例如，一些实施例中，相变混凝土包括水泥、粉煤灰、砂子、石子、水、粉煤灰陶粒、相变材料、硫代硫酸钠、蒙脱土、氧化铝、三乙醇胺水溶液。可选地，相变材料为石蜡、十五烷或者十六烷。
如下为本发明实施例中相变混凝土的材料配比以及性能参数：
一、相变混凝土的配合比设计
1.1材料表
| 名称 | 水泥 | 砂 | 碎石 | 相变陶粒 | 粉煤灰 | 矿粉 | 石墨 | 外加剂 | 水 |
| 规格 | P.O42.5 | 中砂 | 5-20mm | 8-15mm | 二级 | 聚羧酸 |
1.2基准配合比
其中，水胶比为水与凝胶材料的比值，即水/凝胶材料，凝胶材料主要由水泥和掺合料构成。
1.3试验中的相变混凝土配合比
| 序号 | 水泥 | 砂 | 碎石 | 相变陶粒 | 粉煤灰 | 矿粉 | 石墨 | 外加剂 | 水 |
| P | 380 | 770 | 1030 | 0 | 40 | 40 | 0 | 4.6 | 180 |
| T10 | 380 | 770 | 927 | 103 | 40 | 40 | 0 | 4.6 | 180 |
| T20 | 380 | 770 | 824 | 206 | 40 | 40 | 0 | 4.6 | 180 |
| T30 | 380 | 770 | 721 | 309 | 40 | 40 | 0 | 4.6 | 180 |
| S201 | 380 | 770 | 927 | 103 | 40 | 36 | 4 | 4.6 | 180 |
| S202 | 380 | 770 | 824 | 206 | 40 | 28 | 12 | 4.6 | 180 |
| S203 | 380 | 770 | 721 | 309 | 40 | 20 | 20 | 4.6 | 180 |
其中序号P代表的是普通混凝土，序号T10-T30代表的是用相变陶粒代替部分碎石后的实验数据(碎石和相变陶粒总量仍与普通混凝土的碎石量相同)，序号S201-S203为用石墨代替矿粉后的实验数据(石墨和矿粉的总量仍与普通混凝土的矿粉量相同)。
二、相变陶粒的制备
2.1复合相变材料的配置方案
现有技术中相变材料的相关数据
| 相变材料 | 相变温度℃ | 相变潜热j/g | 开式度 | 分子式 | 分子量 |
| 十五烷 | 9.5 | 207 | 282.65 | C15H32 | 212.41 |
| 十六烷 | 16.7 | 236.6 | 289.85 | C16H34 | 226.44 |
| 癸酸 | 31.3 | 136 | 304.45 | C10H20O2 | 172.26 |
| 月桂酸 | 43.1 | 150.5 | 316.25 | C14H26O2 | 226.35 |
本实施例中利用上表中相变材料所得到的复合相变材料
2.2复合相变材料的DSC曲线
其中，M-5以及N-3符合要求。
2.3相变陶粒最佳吸附时间与温度采用真空吸附法，水浴40摄氏度，M组吸附的实验数据
| 单组吸附时间min | 变化率 |
| 0 | 0.00％ |
| 5 | 14.61％ |
| 10 | 17.75％ |
| 20 | 21.18％ |
| 30 | 22.35％ |
| 60 | 24.61％ |
| 90 | 26.18％ |
| 120 | 27.25％ |
| 180 | 27.65％ |
由上表可确定最大的吸附时间为120min。
由上述各表可确定最佳吸附温度为40℃。
2.4相变陶粒的稳定性试验
表面裂缝情况
质量变化
| 循环次数 | 未封装相变陶粒 | 硅溶胶封装 | 水泥净浆封装 |
| 变化率/％ | 变化率/％ | 变化率/％ | |
| 0 | 0.00％ | 0.00％ | 0.00％ |
| 10 | 0.60％ | 0.20％ | 0.00％ |
| 20 | 1.35％ | 0.40％ | 0.60％ |
| 50 | 3.95％ | 0.70％ | 1.75％ |
| 100 | 16.20％ | 1.32％ | 3.40％ |
三、相变混凝土的热力学试验结果3.1抗压强度(150mm立方体)
| 序号 | 3d均值/MPa | 7d均值/MPa | 28d均值/MPa |
| P | 28.2 | 30.9 | 37.5 |
| T10 | 25.9 | 29.2 | 35.3 |
| T20 | 23.3 | 27.5 | 32.9 |
| T30 | 19.2 | 22.5 | 27.2 |
| S201 | 22.5 | 26.0 | 31.5 |
| S202 | 22.1 | 25.5 | 30.9 |
| S203 | 18.9 | 22.9 | 28.1 |
3.2导热系数(300*300*60，单位mm)
3.3比热容
3.4蓄热系数的计算
3.5相变循环下的抗压强度测试(单位：MPa)
如此设置，将相变混凝土填充于钢筋笼和换热管9之间的间隙中，通过相变混凝土的储热和放热功能，一方面可以延缓相变混凝土内部升温和降温，降低最高绝热温升，减少能源桩中相变混凝土结构温度应力，另一方面可以减少混凝土的导热系数，减低桩体之间的传热效果，进而可以有效缓解能源桩存在的短时间内热泵系统引发的土体热堆积效应，使热泵系统在周期内始终高效率运行。
一些实施例中，各个支撑杆1均为实心结构。或者，各个支撑杆1均为空心结构。可选地，支撑杆1的横截面外径为50mm，内径为12mm，空心面积占支撑杆1截面面积的占比为5.76％。而在其他实施例，螺旋杆2为实心结构。或者，螺旋杆2为空心结构。可选地，螺旋杆2的横截面外径为22mm，内径为7mm，空心面积占螺旋杆2截面面积的占比为10.9％。可选地，支撑杆1的空心结构和/或螺旋杆2的空心结构内均设有相变材料。如此设置，支撑杆1以及螺旋杆2内部填充有相变材料，使得钢筋笼既能够起到支撑固定的作用，又能够使相变材料更均匀地配置在能源桩内，从而进一步减缓混凝土内部升温和降温，减低最高绝热温升，减少能源桩中混凝土结构的温度应力，提高能源桩的工作效率。
参考图2所示，一些实施例中，换热管9包括第一螺旋管3和第二螺旋管4。第一螺旋管3和第二螺旋管4呈双螺旋结构排布，且第一螺旋管3的第一端和第二螺旋管4的第一端相互连通，第一螺旋管3的第二端和第二螺旋管4的第二端分别作为进液口7和出液口8。如此设置，可以保证在较小的空间内换热管9仍能与能源桩内部具有较大接触面积，从而进一步提高热交换效率。当然，换热管9并不局限于上述的形式，还可以采用其他的形式，例如，参考图3所示，在其它实施例中，换热管9包括环形管5和多个两端设有开口的U型管6。多个U型管6底部相互交叉且连通，多个U型管6中一个U型管6的一个开口作为进液口7，另一个开口以及其余U型管6的所有开口均与环形管5连通，出液口8设置于环形管5上，这样液体从进液口7进入到换热管9内，沿该U型管6一侧的进入到各U型管6的交叉处分流，分别沿各个U型管6进入到环形管5内，从环形管5上的出液口8流出，如此设置，同样可使换热管9具有较大的换热面积，能够提高热交换效率。
一些实施例中，为了防止钢筋笼表面锈蚀，可以在钢筋笼表面设置镀锌层或者陶瓷涂层。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种能源桩，其特征在于，包括：钢筋笼、换热管和相变混凝土，所述钢筋笼为中空结构，包括支撑杆和呈螺旋结构的螺旋杆，所述支撑杆的数量为多个，各个所述支撑杆均沿所述螺旋杆的轴向延伸，且与所述螺旋杆连接，多个所述支撑杆沿所述螺旋杆的周向排布，所述换热管设有进液口和出液口，所述换热管设置于所述螺旋杆内，且与所述螺旋杆和/或所述支撑杆连接，所述换热管、所述钢筋笼均包裹于所述相变混凝土内，且所述换热管和所述钢筋笼之间的间隙也填充有所述相变混凝土。
2.根据权利要求1所述的能源桩，其特征在于，各个所述支撑杆均为实心结构，或者，各个所述支撑杆均为空心结构。
3.根据权利要求1所述的能源桩，其特征在于，所述螺旋杆为实心结构，或者，所述螺旋杆为空心结构。
4.根据权利要求2或3所述的能源桩，其特征在于，所述空心结构内填充有相变材料。
5.根据权利要求1所述的能源桩，其特征在于，所述换热管包括第一螺旋管和第二螺旋管，所述第一螺旋管和第二螺旋管呈双螺旋结构排布，且二者的第一端相互连通、第二端分别作为所述进液口和所述出液口。
6.根据权利要求1所述的能源桩，其特征在于，所述换热管包括环形管和多个两端设有开口的U型管，多个所述U型管底部相互交叉且连通，多个所述U型管中一个所述U型管的一个开口作为所述进液口，另一个开口以及其余所述U型管的所有开口均与所述环形管连通，所述出液口设置于所述环形管上。
7.根据权利要求1所述的能源桩，其特征在于，所述钢筋笼表面设有镀锌层或者陶瓷涂层。
8.根据权利要求1所述的能源桩，其特征在于，所述相变混凝土包括水泥、粉煤灰、砂子、石子、水、粉煤灰陶粒、相变材料、硫代硫酸钠、蒙脱土、氧化铝、三乙醇胺水溶液。
9.根据权利要求8所述的能源桩，其特征在于，所述相变材料为石蜡、十五烷或者十六烷。
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