CN218645794U - 一种设备钢管能源桩冻融强化换热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种设备钢管能源桩冻融强化换热系统，属于浅层地热能应用技术领域。本实用新型包括外管和热泵机组，所述外管垂直预埋在岩土层内，所述外管的顶部固定设置有管端封口装置，所述外管和管端封口装置之间构成第一空腔，所述第一空腔内垂直设置有内管，所述内管的外壁上套设有螺旋折流板，所述第一空腔内灌充有循环介质，所述管端封口装置的中心处固定设置有一根L型出水管，所述L型出水管的一端贯穿管端封口装置与内管的顶部通过钢塑转换法兰固定连接，所述内管内部空间为第二空腔，所述L型出水管通过第一管道和热泵机组相连，所述热泵机组通过第二管道与第一空腔相连。设备内流动介质与深层岩土体之间构成换热器，形成了换热系统。

Description

一种设备钢管能源桩冻融强化换热系统

技术领域

本实用新型涉及浅层地热能应用技术领域，尤其涉及一种设备钢管能源桩冻融强化换热系统。

背景技术

地源热泵系统指以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。我国地源热泵项目在大中城市实施经济条件好，地下冷热负荷平衡的技术条件基本满足；但同时面临着建筑容积率高、埋管用地不足等突出问题。这一问题也限制着浅层地热能技术的推广。

随着桩基处理技术及施工工艺不断创新,预制钢管桩的承载能力强、打桩灵活、接桩方便、施工速度快等优势日益显现，桩基处理技术的应用越来越普及，在大型设备基础中应用尤为突出。

设备钢管桩基作为承担荷载重量的主要支撑，将地热能应用与桩基两者有效结合，“一桩两用”，在一定程度上可缓解埋管用地不足的问题，在我国也有类似应用案例。如桩基螺旋埋管、桩基竖直埋管等。但设备钢管桩与地热能的结合的案例相对较少，而且设备钢管桩较短，一般桩长30-40m左右。所以，在有限的桩基深度内，利用设备钢管桩作为低品位地热能源，必须采取措施进一步强化设备钢管能源桩与岩土体之间的热换热能力，才能有效地解决在推广浅层地热能应用中遇到的埋管用地不足的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种设备钢管能源桩冻融强化换热系统，以解决现有地源热泵技术在埋管用地不足项目上的应用的局限性，并寻找实现强化设备钢管能源桩与岩土体之间的换热能力的技术新途径。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种设备钢管能源桩冻融强化换热系统，包括外管和热泵机组，所述外管竖直预埋在岩土层内，所述外管的底部固定设置有锥形桩头，所述外管的顶部固定设置有管端封口装置，所述外管和管端封口装置之间构成第一空腔，所述第一空腔内竖直设置有内管，所述内管的外壁上套设有螺旋折流板，所述第一空腔内灌充有循环介质，所述管端封口装置的中心处固定设置有一根L型出水管，所述L型出水管的一端贯穿管端封口装置与内管的顶部通过钢塑转换法兰固定连接，所述内管内部空间为第二空腔，所述L型出水管通过第一管道和热泵机组相连，所述热泵机组通过第二管道与第一空腔相连。外管第一空腔内流动介质与深层岩土体之间构成换热器，进行热量交换，形成了为热泵机组提供低品位冷热源的换热系统。螺旋折流板使流体在壳侧呈连续柱塞状螺旋流动,不会出现传统折流板换热器内的流动“死区”,并且由于旋流产生的涡与管束传热界面边界层相互作用,使湍流度大幅度增强,有利于提高壳侧对流换热系数。冬季岩土体加热第一空腔流体，经第二空腔流经热泵机组提升为建筑物供暖；夏季岩土体冷却管内流体，吸纳热泵机组为建筑制冷排除到管内的余热(冷凝热)。设备钢管桩与岩土体构成的换热器，岩土体“冬取夏蓄”、“冬热夏冷、冷热互换”，以一年为一周期，实现岩土体热量的基本平衡。

本实用新型再进一步的优选方案，所述第一管道上设置有循环水泵，所述热泵机组和循环水泵之间设置有一个温度传感器，所述第二管道上设置有流量传感器，所述流量传感器和热泵机组之间也设置有一个温度传感器。流量传感器和温度传感器可以根据实测运行数据，监测设备钢管能源桩的换热效果，为热泵机组提供数据支持。

本实用新型再进一步的优选方案，所述循环介质5为对钢管无腐蚀的醇基溶液，所述外管的底部固定设置有锥形桩头。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.设备钢管能源桩，“一桩两用”、“冷热互换”，既可以承担设备荷载，又可为周边建筑空调系统提供低温冷热源，节约用地，不增加原有结构施工成本；

2.本系统采用的能源桩形式，不影响钢管桩基施工周期，保留普通钢管

桩施工速度快、质量可靠的优势，为推广该技术的有利条件。另外，能源桩内流体采用闭式循环，不取水且不污染地下水资源；

3.采用深层岩土冻融技术，增大了设备钢管能源桩在有限的桩基深度内与岩土体之间的换热能力，有效地解决在推广浅层地热能应用中遇到的埋管用地不足的问题，进一步拓宽了浅层地热能的应用范围。在今后工业厂房等项目供热制冷一体化中，不影响原有设备基础承载能力的同时解决了供暖制冷低温热源途径，扩大了再生能源利用技术的应用途径；

4.积极应用浅层地热能这种可再生能源，绿色低碳，社会效益显著。

附图说明

图1为一种设备钢管能源桩冻融强化换热系统结构图。

图中标记分别为：1、外管，2、锥形桩头，3、内管，4、螺旋折流板，5、循环介质，6、钢塑转换法兰，7、管端封口装置，8、循环水泵，9、热泵机组，10、温度传感器，11、流量传感器，12、第一空腔，13、第二空腔，14、L型出水管，15、进水管，16、岩土层，17、第一管道，18、第二管道。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

请参阅图1，一种设备钢管能源桩冻融强化换热系统，包括外管1和热泵机组9，所述外管1竖直预埋在岩土层16内，所述外管1的底部固定设置有锥形桩头2，所述外管1的顶部固定设置有管端封口装置7，所述外管1和管端封口装置7之间构成第一空腔12，所述第一空腔12内竖直设置有内管3，所述内管3的外壁上套设有螺旋折流板4，所述第一空腔12内灌充有循环介质5，所述管端封口装置7的中心处固定设置有一根L型出水管14，所述L型出水管14的一端贯穿管端封口装置7与内管3的顶部通过钢塑转换法兰6固定连接，所述内管3内部空间为第二空腔13，所述L型出水管14通过第一管道17和热泵机组9相连，所述热泵机组9通过第二管道18与第一空腔12相连。

进一步优选的，所述第一管道17上设置有循环水泵8，所述热泵机组9和循环水泵8之间设置有一个温度传感器10，所述第二管道18上设置有流量传感器11，所述流量传感器11和热泵机组9之间也设置有一个温度传感器10。

再进一步优选的，所述循环介质5为对钢管无腐蚀的醇基溶液，所述外管1的底部固定设置有锥形桩头2。

一种设备钢管能源桩冻融强化换热系统具体设计过程如下：

首先，根据所支撑的设备荷载，由结构专业进行的设备钢管桩设计，得到桩基布置图及钢管桩规格(外管1管径及桩长)，不因换热系统去改变钢管桩的规格设计，不额外增加钢管桩结构成本，根据地质情况，确定桩基入土深度，多余原结构钢管桩的长度为能源桩换热部分投资。

其次，针对具体项目，计算需能源桩承担的空调冷热负荷，确定能源桩的进出口温度以及流量。

内管3采用高密度聚乙烯管材(PE)，在选择内管3管径过程中应需要充分考虑到循环水泵8的电功耗、热泵机组9的性能及换热量等因素，在满足其他参数的前提下确定系统最佳内管3的管径。

依据热泵机组9的运行工况范围及需能源桩承担的换热量，选取合适的循环介质5，其浓度依据机组运行工况确定。地下岩土体的冻融热，应结合项目地质及天然含水率、桩长等条件，模拟计算后确定。

最后，确定外管1和内管3嵌入安装技术，确定内管3固定装置及换热系统实施技术。

全部安装完成后启动循环水泵8，循环水泵8驱动循环介质5从L型出水管14流向第一个温度传感器10，再进入到热泵机组9里面进行温度调节，再由热泵机组9将循环介质5传递给下一个温度传感器10，然后继续向前传递至流量传感器11，再继续向前经过进水管15流入第一空腔12内，循环介质5进入第一空腔12内后流经旋转折流板4进入到第二空腔13内，穿越钢塑转换法兰6重新进入到出水管14构成一个循环回路。

需要说明的是，上述实施例只是针对本申请的技术方案和技术特征进行具体、清楚的描述。而对于本领域技术人员而言，属于现有技术或者公知常识的方案或特征，在上面实施例中就不作详细地描述了。

另外，本申请的技术方案不只局限于上述的实施例，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，从而可以形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种设备钢管能源桩冻融强化换热系统，包括外管(1)和热泵机组(9)，其特征在于，所述外管(1)竖直预埋在岩土层(16)内，所述外管(1)的顶部固定设置有管端封口装置(7)，所述外管(1)和管端封口装置(7)之间构成第一空腔(12)，所述第一空腔(12)内竖直设置有内管(3)，所述内管(3)的外壁上套设有螺旋折流板(4)，所述第一空腔(12)内灌充有循环介质(5)，所述管端封口装置(7)的中心处固定设置有一根L型出水管(14)，所述L型出水管(14)的一端贯穿管端封口装置(7)与内管(3)的顶部通过钢塑转换法兰(6)固定连接，所述内管(3)内部空间为第二空腔(13)，所述L型出水管(14)通过第一管道(17)和热泵机组(9)相连，所述热泵机组(9)通过第二管道(18)与第一空腔(12)相连。

2.根据权利要求1所述的一种设备钢管能源桩冻融强化换热系统，其特征在于，所述第一管道(17)上设置有循环水泵(8)，所述热泵机组(9)和循环水泵(8)之间设置有一个温度传感器(10)，所述第二管道(18)上设置有流量传感器(11)，所述流量传感器(11)和热泵机组(9)之间也设置有一个温度传感器(10)。

3.根据权利要求1所述的一种设备钢管能源桩冻融强化换热系统，其特征在于，所述循环介质(5)为对钢管无腐蚀的醇基溶液，所述外管(1)的底部固定设置有锥形桩头(2)。

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