CN1944807A - 保温式多组管状换热器地能转换预应力混凝土管桩 - Google Patents

保温式多组管状换热器地能转换预应力混凝土管桩 Download PDF

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Abstract

一种保温式多组管状换热器地能转换预应力混凝土管桩，它通过在预应力混凝土管桩中埋设多组各形状的管状换热器装置进行承载的同时，可以进行浅层低温地热能转换，起到桩基和地源热泵的双重作用。在采用闭合钢桩尖施工的预应力混凝土管桩管内孔中，直接下置多组U型管状换热器或螺旋型盘管换热器或其它形状的管状换热器，管桩管内孔壁与管状换热器的空隙中充填回填材料，桩顶附近回填保温材料。管桩内的各类管状换热器与地表管路连接，换热器管路内充填交换流体，通过管状换热器系统中的交换流体与回填材料、回填保温材料、管桩桩身、桩周土－水系统进行热交换，形成封闭式地源热泵的地下低温地热能交换器。

Description

保温式多组管状换热器地能转换预应力混凝土管桩
所属技术领域：
本发明涉及一种利用预应力混凝土管桩的中空桩心埋设多组管状换热器装置进行低温地热能转换的预应力混凝土管桩，该装置既具有桩基的承载特性又具备低温地热能循环换热能力的多功能预应力混凝土管桩。
背景技术：
目前，公知的预应力混凝土管桩主要是指先张法预应力混凝土的环形截面桩。管桩产品规格主要有预应力高强度混凝土管桩(代号PC)、预应力混凝土管桩(代号PHC)、预应力混凝土薄壁管桩(代号PTC)，不同型号预应力混凝土管桩的外径、力学性能、原材料及构造要求、设计、选用、生产验收、沉桩等方面要求均符合国家标准图集《预应力混凝土管桩》(图集号03SG409)、《先张法预应力混凝土管桩》(GB13476-1999)、《先张法预应力混凝土薄壁管桩》(JC888-2001)、《静压管桩基础技术规定(暂行)》(沈阳市城乡建设委员会，2004)中的相应规定。采用锤击法沉桩或静压法沉桩，锤击法沉桩施工需执行中华人民共和国行业标准《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)。静压法沉桩是用静载将管桩压入土(岩)层的施工方法，采用机械主要是液压式压桩机、顶压式液压压桩机、抱压式液压压桩机。静压法沉桩施工需执行各地相关规范，北方地区可参考执行《静压管桩基础技术规定(暂行)》(沈阳市城乡建设委员会，2004)。
各口径预应力混凝土管桩的构造一般是由不同标号混凝土、钢筋笼、有(无)填芯混凝土、有(无)十字型或圆锥型桩尖等构成，横截面为圆环形或近圆环形的建筑桩基，起承载、挡土支护、地基加固等作用。但尚无利用地热梯度的功用，这忽视了预应力混凝土管桩的入土换热作用。而在中纬度地带，地温与地面环境相比，5-10m以下全年地温基本可以稳定于年平均温度，可以分别在夏冬两季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度(高青，于鸣，效率高、环保效能好的供热制冷装置—地源热泵的开发与利用，吉林工业大学自然科学学报，2001年4月，Vol.31(2)：96-102)，此为地源热泵的工作原理。目前地源热泵技术的埋管方法主要是预钻孔直接埋设U型聚乙烯管，其费用很高，一般可占总投资的一半以上，远大于相同条件下的电动热泵等的初投资(姜宝成，王永镖，李炳熙，地源热泵的技术经济性评价，哈尔滨工业大学学报，2003年2月第35卷第2期，195-202)，这给该技术的发展造成困难。另外，这种钻孔直埋式U型管状换热器施工工艺复杂，需要在U型管弯头部绑扎重物增加配重、U型管内预充填热交换流体，用人力下管，费力且精度难以保证(庄迎春，孙友宏，地源热泵地下直埋式换热器的施工，探矿工程(岩土钻掘工程)，2002，No.3：10-11)。关于桩内埋管，国内有人提出过U型桩埋管换热器的概念，但该法本质上还是传统地源热泵的钻孔直接埋设U型换热管的改进，仅把钻孔中的填料改为水泥浆，并没有考虑承载问题。(赵军，李新国等，地源热泵在实际工程中的应用与研究，建筑施工技术(天津建筑科技)，2003，No.5：14-16)。虽然国外也有人提过桩埋换热器的概念，但都是基于高强度聚乙烯U型盘管灌注实心截面桩(Laloui Lyesse，Moreni Matteo，Vulliet Laurent，Behavior of a bi-functional pile，foundation and heatexchanger，Canadian Geotechnical Journal，v40，n2，April，2003，p388-402.)，这些基于钻孔或各种实心截面桩中埋设管状换热器的缺点是：钻孔费用高，实心截面桩中的盘管换热器施工复杂，需要盘管绑扎钢筋笼等工序。而且在各类实心截面桩中盘管位置会出现局部材料软化区和应力集中，影响桩身质量，对桩基的传统承载性能产生不利作用，另外各种聚乙烯材质的管状换热器还有被挤压破坏的风险。另外，国内已有的公开实用新型称为“一种地下能源采集桩”，其申请号为(200410082851.1，200520090102.3)公开号为(CN1786615，CN2780832)。其仅考虑了管状换热器为一组U型盘管或开放式的类似套管型的管状换热器，它们的换热器效率都不高，而且在管桩中空桩心未添置回填材料，直接影响与土层的换热效率。另外，当管桩作为围护桩或桩顶近地表时，未考虑冬季近地表的管路保温问题。
发明内容
所谓低温地热能(Low Temperature Earth-heat-energy)，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。为了克服现有的预应力混凝土管桩仅考虑承载、支护作用而忽略其利用浅层地热梯度的功用，并改变封闭式地源热泵技术初始钻孔高成本、下管施工复杂、对实心截面桩基的不利影响、一组U型盘管换热效率不高、中空管桩桩心换热效率低以及冬季近地表管路需要保温的现实，本发明可以提供一种保温式多组管状换热器地能转换预应力混凝土管桩，该桩基不仅能承载、挡土支护、地基加固，而且能方便地进行浅层低温地热能的封闭循环转换。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明采用的预应力混凝土管桩与目前正常预应力混凝土管桩的生产、桩型、尺寸、力学性能、原材料及构造要求、设计、选型、生产验收、沉桩完全一样，均按国家现行有关规范(国家标准图集《预应力混凝土管桩》(图集号03SG409)、《先张法预应力混凝土管桩》(GB13476-1999)、《先张法预应力混凝土薄壁管桩》(JC888-2001)、中华人民共和国行业标准《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)、《静压管桩基础技术规定(暂行)》(沈阳市城乡建设委员会，2004))执行。在进行管桩设计、生产、施工时只要求在沉桩过程中(锤击法沉桩或静压法沉桩)，无论土层情况如何都必须采用闭合钢桩尖(十字型、圆锥型)。
预应力混凝土管桩沉桩完成后，在管桩管内孔里通过人力或机械下置多组高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器，管径一般为19mm-38mm，管垂直高度约等同于桩长，其管状换热器底部距桩尖1m-2m，其管状换热器出口向上并绑扎一定厚度的保温材料，绑扎的长度约为0.5m-2.0m，管状换热器外壁距管桩内壁在30mm-100mm之间，形状可以是U型换热管、螺旋型盘管或“钻孔直埋式”方法中的其它类型换热管。根据实际，首先在管内孔中填埋各类回填材料，如膨胀土、水泥浆、砂、石或回填附近地层土(岩石)，在距桩顶0m-2m填入高强度保温回填材料(如泡沫塑料或珍珠岩等)。根据地源热泵的运行机理，这些管状换热器被回填材料固定在管桩的管内孔中，管状换热器中充填热交换流体，该流体通常采用水、盐水或各种防冻剂溶液，形成封闭型低温地热能循环系统，安装地表交换管路、水泵和满足实际要求的不同功率的各型号地源热泵机组。通过管状换热器内的交换介质与回填材料、桩身和浅层土水系统的恒温层进行循环热交换，并通过地源热泵机组达到能量转化的目的，起到中央空调的作用，若辅助以中央热水器等装置则可提供中央热水系统所需热量。
本发明的有益效果是，可以在发挥预应力混凝土管桩传统的承载、挡土支护、地基加固的同时，方便地进行浅部地热能的封闭循环转换，在预应力混凝土管桩的管内孔中采用多组U型管、螺旋型盘管等管状换热器，可以起到传统封闭式地源热泵钻孔埋管的同样功效，但节省了预钻孔的相关费用。而循环换热产生的温度荷载效应在钢筋混凝土的工作范围内，对桩基传统力学能力无影响。
该桩基中采用的管桩管内孔中设置各类管状换热器技术可以消除埋管换热器实心截面桩的各种缺陷(实心截面桩中由于聚乙烯交换管造成的桩身局部材料软化区)，完全可以达到垂直钻孔埋置换热器的所有指标。另外，该技术还可以设计管状换热器的组数，以U型换热管为例，可以根据热负荷要求设置2组或多组U型换热管。管状换热器在管桩管内，不影响预应力混凝土管桩的正常施工效率和桩身结构，仅仅需要增加一个封闭式钢桩尖而已。由于预应力混凝土管桩的施工工艺避免了钻孔可能出现的缩径、流砂、塌孔等问题，同时管桩也起到钻孔套管的作用，从而使在管桩管内孔埋设换热器得以顺利施工，极大改进了埋设管状换热器的施工困难。
其次由于在管桩管内孔的管状换热器周围需要充填各类回填材料，可以节省预应力混凝土管桩的填芯混凝土材料费与人工费，同时也增强了管桩的整体力学性能。最后由于回填材料可以人工控制，可以根据不同的地区、不同的地质情况配置最优传导系数的回填材料，以增大热交换效率。
该项技术首先是封闭性地源热泵的一种，具有封闭式地源热泵技术的先天优势。其可以消除开放式地源热泵技术中的地下水污染问题，也可以避免开放式系统运行中的地下水资源使用费。其次针对传统封闭式地源热泵技术预钻孔、直接埋设U型换热管等工序复杂、精度不高的施工缺点，以及整个埋置换热器的高成本造成地源热泵技术初始投资过大的问题，本桩基技术可避免预钻孔及埋设换热管成本，仅此一项可节约成本近一半且避免钻孔直埋换热管带来的施工问题。另外桩基内可灵活内置多组各型换热管：U型换热管、螺旋型盘管或它们的组合，进一步减少施工成本。可见这些技术措施将减低整个地源热泵的综合造价，地源热泵本身具有环保节能功用，而我国人工便宜，预应力混凝土管桩市场巨大，若配合本技术的推广使用，每年将带来数以亿计的经济效益和环境效益，又可以为国家节约大量的石油煤炭等不可再生的战略资源。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的地源热泵原理图。
图2是低温地热能转换预应力混凝土管桩内置三组U型换热管的立体构造图。
图3是图2的三组U型换热管的立体构造图。
图4是图3的俯视图。
图5是图2的横剖面图。
图6是图2的纵剖面I--I在横剖面的位置图。
图7是图2的I--I纵剖面图。
图8是图2的45°斜视图。
图9是二组U型换热管的立体构造图。
图10是低温地热能转换预应力混凝土管桩内置二组螺旋型换热盘管的立体构造图。
图11是图10的螺旋型换热盘管的立体构造图。
图中1.地能转换预应力混凝土管桩，2.浅部土层，3.地表交换管路，4.地源热泵机组，5.建筑物，6.交换流体流入，7.交换流体返回，8.U型管状换热管，9.管内交换流体，10.预应力钢筋，11.螺旋箍筋，12.回填材料，13.桩内壁，14.桩外壁，15.混凝土，16.闭合桩尖，17.进水管，18.出水管，19.保温回填材料，20.螺旋型换热盘管
具体实施方式：
在图1中，地源热泵是利用地表浅层地热资源的低温位热能，冬季通过地能转换预应力混凝土管桩(1)中的盘状换热器中的热交换流体把浅部土层(2)中的热量提取出来，通过地表交换管路(3)和地源热泵机组(4)供给建筑物(5)采暖；夏季把建筑物(5)热量取出来，通过地表交换管路(3)、地源热泵机组(4)和预应力混凝土管桩中的管状换热器(1)中的热交换流体释放到浅部土层(2)中去。
在图2所示实施例中，地能转换预应力混凝土管桩(1)，其管径有多种规定，钢筋笼由预应力钢筋(10)和螺旋箍筋(11)绑扎而成，桩内壁、外壁(13、14)之间是混凝土(15)，桩下端是闭合桩尖(16)。桩内壁(13)内居中下置三组如图3所示形状的聚乙烯或PVC或PPR材料的U型换热管(8)，U型换热管(8)外沿距桩内壁(13)的距离在25mm-50mm之间，长度比桩长短1m，三组U型换热管(8)弯颈部间距1m见图3，各组U型换热管(8)之间夹角为60°见图4。在桩内壁(13)与换热管(8)之间的空隙中充填回填材料(12)和保温回填材料(19)直到桩顶，换热器(8)最终被安置在预应力混凝土管桩桩内。图5所展示的桩(1)前视图中，在管桩(1)回填材料(12)中U型换热管(8)的位置。其桩(1)的前视面所示的I-I纵剖面位置如图6，管桩(1)内壁(13)回填材料(12)中U型换热器(8)I-I竖剖面如图7所示。桩(1)的整体立体构造图的45°斜视图如图8所示，通过交换流体流入(6)和交换流体返回(7)，使三组U型管状换热器(8)中的管内交换流体(9)与回填材料(12)、保温回填材料(19)、桩身钢筋(10、11)、混凝土(15)、浅部土层(2)进行热交换。图9展示的是二组U型管状换热器(8)的立体构造图。
在图10所示的另一个实施例中，地能转换预应力混凝土管桩(1)内置螺旋盘管型换热管(20)。螺旋盘管型换热管(20)由聚乙烯或PVC或PPR材料构成，螺旋型盘管(20)长度比桩长短1m-2m，居中直接下置到桩内壁(13)里，与桩内壁(13)的圆周距离在30mm-50mm之间，在桩内壁(13)与螺旋盘管型换热管(21)之间的空隙中充填回填材料(12)和保温回填材料(19)直到桩顶，螺旋盘管型换热管(20)底部距桩尖1m-2m，见图11。通过交换流体流入(6)和交换流体返回(7)，使螺旋盘管型换热管(20)中的管内交换流体(9)与回填材料(12)、保温回填材料(19)、桩身钢筋(10、11)、混凝土(15)、浅部土层(2)进行热交换。

Claims (10)

1.一种低温地热能转换预应力混凝土管桩，在用闭合钢桩尖施工的预应力混凝土管桩管内孔中，直接下置多组U型管状换热器或螺旋型盘管换热器或“钻孔直埋式”方法中的其它类型换热管，管桩管内孔壁与管状换热器的空隙中充填回填材料，，桩顶附近回填保温材料。管桩管内的各类管状换热器与地表管路连接，换热器管路内充填交换流体，通过管状换热器系统中的交换流体与同填材料、回填保温材料、管桩桩身、桩周土-水系统进行热交换，形成封闭式地源热泵的地下低温地热能交换器。
2.根据权利要求1所述的低温地热能转换预应力混凝土管桩，其特征是：本技术中预应力混凝土管桩管内安置U型管状换热器或螺旋型盘管换热器或“钻孔直埋式”方法中的其它类型换热管，其采用的预应力混凝土管桩是目前预应力混凝土管桩的生产、桩型、外径、力学性能、原材料及构造要求、设计、选用、生产验收、沉桩完全一样，均按国家有关规范执行。
3.根据权利要求1所述的低温地热能转换预应力混凝土管桩，其特征是：本技术采用的预应力混凝土管桩沉桩施工过程中(锤击法沉桩或静压法沉桩)，无论土层情况如何都必须采用闭合钢桩尖(十字型、圆锥型)。
4.根据权利要求1所述的低温地热能转换预应力混凝土管桩，其特征是：预应力混凝土管桩沉桩完成后，在管内居中下置多组各类高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器，管径为19mm-38mm，管状换热器的竖向高度约等同于桩长，其管状换热器底部距桩尖1m-2m，管状换热器外壁距管桩内壁在25mm-100mm之间。
5.根据权利要求1所述的低温地热能转换预应力混凝土管桩，其特征是：在管桩管内下置多组各类高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器，其形状可以是U型管形状换热管、螺旋型盘管形状换热器或其它形状的管状换热器，各类管状换热器下到管桩管内，并成为地源热泵的地下循环换热系统。
6.根据权利要求1所述的低温地热能转换预应力混凝土管桩，其特征是：下置的各类管状换热器采用的方法可以是人力方法或机械方法。
7.根据权利要求1所述的低温地热能转换预应力混凝土管桩，其特征是：在管桩内径与各类换热器的空隙中充填各类回填材料，膨胀土、水泥浆、砂、石或回填附近地层土(岩石)，在距桩顶0m-2m填入高强度保温回填材料(如泡沫塑料或珍珠岩等)。
8.根据权利要求1所述的低温地热能转换预应力混凝土管桩，其特征是：安置在桩体中的多组各类型管状换热器中需要充填热交换流体，该流体采用水、盐水或各种防冻剂溶液，形成封闭型循环系统。
9.根据权利要求1所述的低温地热能转换预应力混凝土管桩，其特征是：管状换热器出口向上并绑扎一定厚度的保温材料，绑扎的长度约为0.5m-2.0m，形成的管状换热器系统连接地表交换管路、水泵和满足实际要求的不同功率的各型号地源热泵机组。
10.根据权利要求1所述的低温地热能转换预应力混凝土管桩，其特征是：安置在桩体中的U型管状换热器系统或螺旋型盘管换热器系统或其它形状的管状换热器系统，可以设置2组或多组高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器。
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