CN113529680A - 一种基于温度静力触探的能源桩热交换管优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于温度静力触探的能源桩热交换管优化设计方法，包括加热型温度静力触探试验方法，和对混凝土桩和热交换管结构的改进，所述混凝土桩为预应力高强度混凝土管桩，包括混凝土、主筋、箍筋和端头板，所述混凝土桩体竖直设置，并且所述钢筋混凝土桩体包裹住所述热交换管，所述热交换管螺距依据不同土层的导热系数确定，所述热交换管设有进液口和出液口，并且所述热交换管的进口和出口分别外露于所述混凝土桩。本发明解决现有热交换管无法考虑不同土层的复杂土性条件以及螺旋热交换管传热效率不高的问题，来提高能源桩的换热效率以及节约能源。

Description

一种基于温度静力触探的能源桩热交换管优化设计方法
技术领域
本发明涉及岩土工程中能源桩技术领域，具体是指一种基于温度静力触探的能源桩热交换管优化设计方法。
背景技术
已有的能源桩热交换管的布置方法主要有1-U型、1-W型、多-U型串并联型、螺旋型。螺旋型是将热交换管做成螺旋型，从而延长传热路径和传热时间，提高总体传热效率，但实际情况下土层较为复杂，不同土层导热系数差别较大，螺旋管单位管长传热效率不高，无法有效利用地热能而且成本较高，不利于实施。因此，开发一种基于加热型温度静力触探的能源桩热交换管优化设计方法具有重要现实意义和工程应用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术缺点，提供一种基于温度静力触探的能源桩热交换管优化设计方法，解决现有热交换管无法考虑不同土层的复杂土性条件以及螺旋热交换管传热效率不高的问题，来提高能源桩的换热效率以及节约能源。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种基于温度静力触探的能源桩热交换管优化设计方法，包括加热型温度静力触探试验方法，和对混凝土桩和热交换管结构的改进，所述混凝土桩为预应力高强度混凝土管桩，包括混凝土、主筋、箍筋和端头板，所述混凝土桩体竖直设置，并且所述钢筋混凝土桩体包裹住所述热交换管，所述热交换管螺距依据不同土层的导热系数确定，所述热交换管设有进液口和出液口，并且所述热交换管的进口和出口分别外露于所述混凝土桩。
进一步的，所述混凝土强度等级高于C80，由普通硅酸盐水泥、微硅粉、添加剂、砂、碎石等组成。
进一步的，所述预应力钢筋混凝土桩端头为钢板，中间空心的是混凝土筒体结构。
进一步的，所述主筋为PC钢棒，用于预应力张拉主筋。
进一步的，所述箍筋为Q235普碳钢，用于连接受力主筋。
进一步的，所述热交换管包括第一螺旋管和第二直管，所述第一螺旋管螺距依据所在土层地导热系数确定，第二直管平行于第一螺旋管，且二者的第一端相互连通、第二端分别为所述进液口和所述出液口。
进一步的，所述第一螺旋管螺距与所在土体的导热系数成反相关，即土体的导热系数越大，螺距越小。
进一步的，基于所述加热型温度静力触探试验方法获取土体导热系数，包括以下步骤：
步骤1，在试验场地准备所需标定与试验所需的仪器设备；
步骤2，将探头安装于探杆上，并将探头和探杆组成的测试装置安装于静力触探仪上，通过导线将测试装置和静探微机以及加热型温度静力触探试验仪连接，同时对仪器进行调试；
步骤3，启动静力触探仪，在静力触探仪的作用下将探头打入土体；
步骤4，待探头打入指定深度后，打开加热开关，控制加热模块工作，加热模块将探头加热并保持在设定温度，从而得到加热至一定温度时的土体温度响应曲线，然后，关闭加热开关，通过静探微机和加热型温度静力触探试验仪分析散热响应曲线，进而得到土体的导热系数。
本发明具有如下优点：基于加热型温度静力触探测试实验，能够在快速准确获得现场土体的温度响应曲线，并基于此获取不同土层的土体导热系数，进而对不同土层处螺旋热交换管的螺距进行设计，实现能源桩的优化设计，提高能源桩的工作效率，对于能源的循环利用也具有重要意义。
附图说明
在附图中：
图1a～图1d为现有的热交换管布置在预应力钢筋混凝土桩体上的示意图，分别为1-U型，串联多-U型，并联多-U型，螺旋型。
图2为本发明的预应力钢筋混凝土桩体结构示意图。图中1是混凝土，2是端头板，3是主筋，4是箍筋。
图3为本发明热交换管布置在预应力钢筋混凝土桩体上的示意图，图中5是钢筋混凝土桩体，6是热交换管，7是进液口，8是出液口。箭头指明了传热介质流动的方向。
图4为本发明一种加热型温度静力触探装置及其探头的结构示意图。图中9是静力触探试验仪，10是贯入装置，11是静力触探探头，12是标定罐，13是孔压过滤环，14是侧壁传感器，15是转接头，16是锥尖传感器，17是加热模块，18是温度传感器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述。附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
参照图2和图3，按照本发明的一个方面，提供了一种基于加热型温度静力触探获取土体导热系数的方法，具体包括下列步骤：
步骤1，在试验场地准备所需标定与试验所需的仪器设备；
步骤2，将探头11安装于探杆上，并将探头11和探杆组成的测试装置安装于静力触探仪上，通过导线将测试装置和静探微机以及加热型温度静力触探试验仪连接，同时对仪器进行调试；
步骤3，启动静力触探仪，在静力触探仪的作用下将探头11打入土体；
步骤4，待探头11打入指定深度后，打开加热开关，控制加热模块17工作，加热模块17将探头11加热并保持在设定温度，从而得到加热至一定温度时的土体温度响应曲线，然后，关闭加热开关，通过静探微机和加热型温度静力触探试验仪分析散热响应曲线，进而获取土体的导热系数。
本发明实施例中测得的不同土层土体导热系数见表1。
按照本发明的另一方面，还提供了一种能源桩热交换管优化设计方法，包括钢筋混凝土桩5和热交换管6，所述钢筋混凝土桩5为预应力高强度混凝土管桩，包括混凝土1、主筋3、箍筋4和端头板2，所述混凝土桩体5竖直设置，并且所述钢筋混凝土桩体5包裹住所述热交换管6，所述热交换管6螺距依据不同土层的导热系数确定，所述热交换管设有进液口7和出液口8，并且所述热交换管6的进口和出口分别外露于所述混凝土桩。
进一步地，所述钢筋混凝土桩5长度为24m，桩体外径为500mm，内径为400mm。
进一步地，所述混凝土1强度等级高于C80，由普通硅酸盐水泥、微硅粉、添加剂、砂、碎石等组成。
进一步地，所述预应力钢筋混凝土桩5端头为钢板，中间空心的是混凝土筒体结构。
进一步地，所述主筋3为PC钢棒，用于预应力张拉主筋。
进一步地，所述箍筋4为Q235普碳钢，用于连接受力主筋。
进一步地，所述热交换管6包括第一螺旋管和第二直管，所述第一螺旋管螺距依据所在土层地导热系数确定，第二直管平行于第一螺旋管，且二者的第一端相互连通、第二端分别为所述进液口和所述出液口。
进一步地，所述热交换管6截面外径为20mm，内径为16mm，第一螺旋管在黏土a1层螺距为60mm，淤泥质粉质黏土b中螺距为75mm，黏土a2中螺距为50mm，中粗砂c中螺距为65mm。
表1各土层及能源桩材料的热物参数表
Figure BDA0003057578610000041
基于加热型温度静力触探测试实验，能够在快速准确获得现场土体的温度响应曲线，并基于此获取不同土层的土体导热系数，进而对不同土层处螺旋热交换管的螺距进行设计，实现能源桩的优化设计，提高能源桩的工作效率，对于能源的循环利用也具有重要意义。本发明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。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于温度静力触探的能源桩热交换管优化设计方法，其特征在于：包括加热型温度静力触探试验方法，和对混凝土桩和热交换管结构的改进，所述混凝土桩为预应力高强度混凝土管桩，包括混凝土、主筋、箍筋和端头板，所述混凝土桩体竖直设置，并且所述钢筋混凝土桩体包裹住所述热交换管，所述热交换管螺距依据不同土层的导热系数确定，所述热交换管设有进液口和出液口，并且所述热交换管的进口和出口分别外露于所述混凝土桩。
2.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于：所述混凝土强度等级高于C80，由普通硅酸盐水泥、微硅粉、添加剂、砂、碎石等组成。
3.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于：所述预应力钢筋混凝土桩端头为钢板，中间空心的是混凝土筒体结构。
4.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于：所述主筋为PC钢棒，用于预应力张拉主筋。
5.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于：所述箍筋为Q235普碳钢，用于连接受力主筋。
6.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于：所述热交换管包括第一螺旋管和第二直管，所述第一螺旋管螺距依据所在土层地导热系数确定，第二直管平行于第一螺旋管，且二者的第一端相互连通、第二端分别为所述进液口和所述出液口。
7.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于：所述第一螺旋管螺距与所在土体的导热系数成反相关，即土体的导热系数越大，螺距越小。
8.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，基于所述加热型温度静力触探试验方法获取土体导热系数，包括以下步骤：
步骤1，在试验场地准备所需标定与试验所需的仪器设备；
步骤2，将探头安装于探杆上，并将探头和探杆组成的测试装置安装于静力触探仪上，通过导线将测试装置和静探微机以及加热型温度静力触探试验仪连接，同时对仪器进行调试；
步骤3，启动静力触探仪，在静力触探仪的作用下将探头打入土体；
步骤4，待探头打入指定深度后，打开加热开关，控制加热模块工作，加热模块将探头加热并保持在设定温度，从而得到加热至一定温度时的土体温度响应曲线，然后，关闭加热开关，通过静探微机和加热型温度静力触探试验仪分析散热响应曲线，进而得到土体的导热系数。
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