CN204112317U - 带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩,包括双螺旋管状换热器、钢筋笼、配套弯头、金属保护套筒、混凝土、换热器流体进口、换热器流体出口和交换介质,所述钢筋笼内侧绑扎有双螺旋管状换热器,双螺旋管状换热器内设有交换介质,并沿管桩全长布设,所述钢筋笼和双螺旋管状换热器均浇筑在混凝土中形成预制钢筋混凝土管桩的管壁。本实用新型在工厂进行管桩施工的过程中在钢筋笼内侧绑扎双螺旋管状换热器,混凝土浇筑完成后双螺旋管状换热器包覆于混凝土管壁内,管桩作为双螺旋管状换热器的载体,沉桩过程中将双螺旋管状换热器沉到地下土层中,能够实现桩基施工与地源热泵预成孔埋设管状换热器施工一体化的目的。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种将桩基施工与地源热泵预成孔埋设管状换热器施工一体化的技术,具体涉及一种管壁中带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土预应力空心管桩。
背景技术
目前公知的预制钢筋混凝土预应力管桩是指在工厂通过先张法工艺制作的预应力高强混凝土管桩(代号PHC)、预应力混凝土管桩(代号PC)、预应力混凝土薄壁管桩(代号PTC)。不同的预制钢筋混凝土管桩的尺寸、力学性能、构造要求、设计、生产、施工、验收等方面均应符合《预应力混凝土管桩》(图集号03SG409)、《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)、《建筑地基基础设计规范》(GB5007-2011)、《混凝土结构设计规范》(GB5010-2010)等国家和行业相关规范的要求。
能源和环境问题已经引起世界广泛关注,地热能因其环境友好特性在建筑采暖和制冷方面正通过地源热泵技术逐步替代传统能源。地表下一定深度的地热能温度常年保持不变,夏季低于室外温度冬季高于室外温度,地源热泵夏季通过交换介质将建筑物内产生的热量转移到土壤中,冬季通过交换介质将土壤中的热量转移到室内从而达到制冷和采暖的目的(夏才初,曹诗定,王伟.能源地下工程的概念、应用与前景展望[J].地下空间与工程学报,2009-6,5(3):419-424),其工作原理如图1所示。
现阶段地源热泵的埋管方式主要分为水平埋管和垂直埋管,水平埋管埋深较浅,施工方便,但占用空间较大,系统受地面温度影响较大运行不稳定换热效果差;垂直埋管虽克服了水平埋管的一部分缺点但因其钻孔费用高昂,施工复杂(余闯,潘林有,刘松玉等.热交换桩的作用机制及其应用[J].岩土力学,2009-4,30(4):933-948)也一直饱受诟病,成为地源热泵技术发展道路上的重大障碍。
桩基是建筑物较为常用的基础形式,其直径从0.5m到2.0m不等,长达数十米甚至百米,若能将建筑桩基作为地源热泵管状换热器的载体,便可使桩基施工与地源热泵预成孔埋设管状换热器的施工一体化,从而省去钻孔埋设地源热泵管状换热器的复杂施工过程,减少地源热泵施工周期及初期投资。国内外现有的一体化施工大多基于灌注桩,需要在桩基施工现场将各种形状的管状换热器绑扎到灌注桩的钢筋笼上,施工难度较大,准确性更是难以保证,而且管状换热器在灌注混凝土时容易挤压破坏,还可能阻碍注浆导管的下放,从而影响施工效率。此外国内已有的公开发明称为“低温地热能转换预应力混凝土管桩”,其申请号为(200610016544.2)公开号为(1800510)。其实际上是在预制管桩施工完毕后在管桩管内孔中下放各种形状的管状换热器,管桩孔壁与换热器之间充填回填材料,仅管桩的施工工艺避免了钻孔出现的缩颈、塌孔等问题,并没有从实质上解决钻孔埋设管状换热器施工工艺复杂的问题,此外换热效率还受回填材料导热性能的影响。
实用新型内容
本实用新型的目的在于改变现阶段地源热泵技术钻孔费用高,灌注桩管状换热器施工复杂的不利现状,促进地源热泵技术的推广使用,提供一种带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩,将桩基施工与地源热泵预成孔埋设管状换热器的施工一体化,桩基在传统承载作用的基础上具有进行地热转换的功能。
本实用新型采用的技术方案为:一种带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩,该管桩设置在土层中,并通过地表交换管路、地源热泵机组与建筑物连接;
所述带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩包括双螺旋管状换热器、钢筋笼、配套弯头、金属保护套筒、混凝土、换热器流体进口、换热器流体出口和交换介质,所述钢筋笼内侧绑扎有双螺旋管状换热器,双螺旋管状换热器内设有交换介质,并沿管桩全长布设,所述钢筋笼和双螺旋管状换热器均浇筑在混凝土中形成预制钢筋混凝土管桩的管壁,双螺旋管状换热器上部分别设有换热器流体进口和换热器流体出口,换热器流体进口和换热器流体出口通过配套弯头在距桩顶0.5m处从管桩侧弯曲向管桩管壁外,所述配套弯头外设有金属保护套筒,双螺旋管状换热器底部距桩底0.1m。
作为优选,所述双螺旋管状换热器为高密度聚乙烯(HDPE)材质,管径依据管桩壁厚确定。
作为优选,在当预制钢筋混凝土管桩设计桩长较长需要分段生产、施工时,所述带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩分为上段桩、中段桩和下段桩;
所述上段桩中的双螺旋管状换热器在距离桩底0.5m处垂直向下;
所述中段桩中的双螺旋管状换热器在距离桩顶0.5m处垂直向上,并在这段长度内布设金属保护套筒,金属保护套筒与桩顶平齐,双螺旋管状换热器顶部低于金属保护套筒,并与上段桩中双螺旋管状换热器垂直向下部分热融连接,中段桩中双螺旋管状换热器在距离桩底0.5m处垂直向下;
所述下段桩中的双螺旋管状换热器在距离桩顶0.5m处垂直向上,并在这段长度内布设金属保护套筒,金属保护套筒与桩顶平齐,双螺旋管状换热器顶部低于金属保护套筒,并与上段桩中双螺旋管状换热器垂直向下部分热融连接。
本实用新型采用的预制钢筋混凝土管桩的设计、生产、施工、验收等方面均应符合《预应力混凝土管桩》(图集号03SG409)、《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)、《建筑地基基础设计规范》(GB5007-2011)、《混凝土结构设计规范》(GB5010-2010)等国家和行业相关规范的要求。
根据实际热负荷的需要可以调节管桩中双螺旋管状换热器的双螺旋间距,双螺旋管状换热器包覆在混凝土中,通过各种施工方法随管桩一起沉入地下,双螺旋管状换热器与地表交换管路、水泵相连接,管路中充填交换介质,形成地源热泵地热能交换的封闭循环系统,达到地热能转换的目的。
本实用新型的有益效果:预制钢筋混凝土管桩作为双螺旋管状换热器的载体,在发挥传统承载作用过的基础上能够进行地热能的转换。布设在管壁中的双螺旋管状换热器,可以起到钻孔埋设管状换热器的同等功效,但节省了钻孔施工的相关费用及时间,而热交换产生的温度效应在钢筋混凝土的工作范围之内,对桩基的承载性能影响在可控范围之内。
本实用新型管桩中布设的双螺旋管状换热器均在工厂内安装在钢筋笼上,相比在灌注桩桩基施工现场绑扎双螺旋管状换热器,施工质量和精度更能够得到保证,双螺旋管状换热器固定在管壁中,管桩可以正常施工,仅在接桩时同时采用热融方式连接相邻两桩段的换热器出口而已,能够有效提高施工效率,减少工期。
本实用新型技术属于封闭式地源热泵交换系统,能够解决开放式系统大量抽取地下水造成的水污染和水资源浪费问题,其次将桩基施工与地源热泵预成孔埋设管状换热器的施工一体化,解决了封闭式地源热泵系统钻孔埋管施工复杂费用高等问题。预制钢筋混凝土管桩在国内应用较为广泛,如果本技术能够推广使用,将进一步促进地源热泵技术的发展,对我国这样一个能源较为短缺的国家,其经济效益和环境效益是不言而喻的。
附图说明
图1是本实用新型的地源热泵原理图;
图2是带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩构造图;
图3是带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩剖视图;
图4是双螺旋管状换热器配套弯头构造图;
图5是带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩上段桩构造图;
图6是带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩中段桩构造图;
图7是带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩下段桩构造图。
图中:1.带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩,2.双螺旋管状换热器,3.土层,4.地表交换管路,5.地源热泵机组,6.建筑物,7.钢筋笼,8.配套弯头,9金属保护套筒,10.混凝土,11.换热器流体进口,12.换热器流体出口,13交换介质。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。
在图1中,冬季通过充填在带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩1中的双螺旋管状换热器2内的交换介质将土层3中的热量取出,经地表交换管路4和地源热泵机组5提供给建筑物6采暖;夏季将建筑物6内余热取出,通过地表交换管路4、地源热泵机组5和充填在带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩1中的双螺旋管状换热器内的交换介质释放到土层3中去。
图2、3、4所示为有钢筋笼7的带有地源热泵双螺旋管状换热器的整根预制钢筋混凝土管桩1,工厂预制过程中在钢筋笼7内侧绑扎HDPE材质的地源热泵双螺旋管状换热器2,管径依据管桩壁厚确定,双螺旋管状换热器2基本沿桩全长布设,双螺旋管状换热器2通过配套弯头8在距桩顶0.5m处从桩侧弯曲向管壁外,弯曲处设置相应的弯曲金属保护套筒9,双螺旋管状换热器2底部距桩底0.1m。混凝土10浇筑完成后双螺旋管状换热2被固定在桩身中,双螺旋管状换热器2随管桩1一起沉入土层3,交换介质从双螺旋管状换热器2换热器流体进口11流入从双螺旋管状换热器2换热器流体出口12流出,实现交换介质13与钢筋笼7、混凝土10、土层3的热量交换。
图5所示为带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩1的上段,工厂预制过程中在钢筋笼7内侧绑扎HDPE材质的地源热泵双螺旋管状换热器2,管径依据管桩壁厚确定,双螺旋管状换热器2基本沿桩段全长布设,换热器通过配套弯头8在距桩顶0.5m处从桩侧弯曲向管壁外,弯曲处设置相应的弯曲金属保护套筒9,双螺旋管状换热器2在距离下出口0.5m处垂直向下,与中段桩中双螺旋管状换热器2垂直向上的出口通过热融技术相连接。
图6所示为带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩1的中段,工厂预制过程中在钢筋笼内侧绑扎HDPE材质的地源热泵双螺旋管状换热器2,管径依据管桩壁厚确定,双螺旋管状换热器2完全沿桩段全长布设,双螺旋管状换热器2在距离上出口0.5m处垂直向上,并在这段长度内布设金属保护套筒9,金属保护套筒9与桩顶平齐,双螺旋管状换热器2出口略低于金属保护套筒9,通过热融技术与上段桩中双螺旋管状换热器2垂直向下的出口相连接。中段桩中双螺旋管状换热器2在距离下出口0.5m处垂直向下,与下段桩中双螺旋管状换热器2垂直向上的出口通过热融技术相连接。
图7所示为带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩1的下段,工厂预制过程中在钢筋笼内侧绑扎HDPE材质的地源热泵双螺旋管状换热器2,管径依据管桩壁厚确定,双螺旋管状换热器2距桩底0.1m,双螺旋管状换热器在距离上出口0.5m处垂直向上,并在这段长度内布设金属保护套筒9,金属保护套筒9与桩顶平齐,双螺旋管状换热器出口略低于金属保护套筒,通过热融技术与上段桩中双螺旋管状换热器2垂直向下的出口相连接。交换介质从双螺旋管状换热器2流体进口11流入从双螺旋管状换热器2流体出口12流出,实现交换介质13与钢筋笼7、混凝土10、土层3的热量交换。
应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。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。
Claims (3)
1.一种带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩,其特征在于:该管桩设置在土层中,并通过地表交换管路、地源热泵机组与建筑物连接;
所述带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩包括双螺旋管状换热器、钢筋笼、配套弯头、金属保护套筒、混凝土、换热器流体进口、换热器流体出口和交换介质,所述钢筋笼内侧绑扎有双螺旋管状换热器,双螺旋管状换热器内设有交换介质,并沿管桩全长布设,所述钢筋笼和双螺旋管状换热器均浇筑在混凝土中形成预制钢筋混凝土管桩的管壁,双螺旋管状换热器上部分别设有换热器流体进口和换热器流体出口,换热器流体进口和换热器流体出口通过配套弯头在距桩顶0.5m处从管桩侧弯曲向管桩管壁外,所述配套弯头外设有金属保护套筒,双螺旋管状换热器底部距桩底0.1m。
2.根据权利要求1所述的带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩,其特征在于:所述双螺旋管状换热器为高密度聚乙烯材质。
3.根据权利要求1所述的带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩,其特征在于:预制钢筋混凝土管桩设计桩长较长,所述带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩分为上段桩、中段桩和下段桩;
所述上段桩中的双螺旋管状换热器在距离桩底0.5m处垂直向下;
所述中段桩中的双螺旋管状换热器在距离桩顶0.5m处垂直向上,并在这段长度内布设金属保护套筒,金属保护套筒与桩顶平齐,双螺旋管状换热器顶部低于金属保护套筒,并与上段桩中双螺旋管状换热器垂直向下部分热融连接,中段桩中双螺旋管状换热器在距离桩底0.5m处垂直向下;
所述下段桩中的双螺旋管状换热器在距离桩顶0.5m处垂直向上,并在这段长度内布设金属保护套筒,金属保护套筒与桩顶平齐,双螺旋管状换热器顶部低于金属保护套筒,并与上段桩中双螺旋管状换热器垂直向下部分热融连接。
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Granted publication date: 20150121 Termination date: 20171023 |
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