保溫式多組管狀換熱器地能轉換預應力混凝土管樁的製作方法

2023-08-09 19:56:26

專利名稱：保溫式多組管狀換熱器地能轉換預應力混凝土管樁的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用預應力混凝土管樁的中空樁心埋設多組管狀換熱器裝置進行低溫地熱能轉換的預應力混凝土管樁，該裝置既具有樁基的承載特性又具備低溫地熱能循環換熱能力的多功能預應力混凝土管樁。
背景技術：
目前，公知的預應力混凝土管樁主要是指先張法預應力混凝土的環形截面樁。管樁產品規格主要有預應力高強度混凝土管樁(代號PC)、預應力混凝土管樁(代號PHC)、預應力混凝土薄壁管樁(代號PTC)，不同型號預應力混凝土管樁的外徑、力學性能、原材料及構造要求、設計、選用、生產驗收、沉樁等方面要求均符合國家標準圖集《預應力混凝土管樁》(圖集號03SG409)、《先張法預應力混凝土管樁》(GB13476-1999)、《先張法預應力混凝土薄壁管樁》(JC888-2001)、《靜壓管樁基礎技術規定(暫行)》(瀋陽市城鄉建設委員會，2004)中的相應規定。採用錘擊法沉樁或靜壓法沉樁，錘擊法沉樁施工需執行中華人民共和國行業標準《建築樁基技術規範》(JGJ94-94)。靜壓法沉樁是用靜載將管樁壓入土(巖)層的施工方法，採用機械主要是液壓式壓樁機、頂壓式液壓壓樁機、抱壓式液壓壓樁機。靜壓法沉樁施工需執行各地相關規範，北方地區可參考執行《靜壓管樁基礎技術規定(暫行)》(瀋陽市城鄉建設委員會，2004)。
各口徑預應力混凝土管樁的構造一般是由不同標號混凝土、鋼筋籠、有(無)填芯混凝土、有(無)十字型或圓錐型樁尖等構成，橫截面為圓環形或近圓環形的建築樁基，起承載、擋土支護、地基加固等作用。但尚無利用地熱梯度的功用，這忽視了預應力混凝土管樁的入土換熱作用。而在中緯度地帶，地溫與地面環境相比，5-10m以下全年地溫基本可以穩定於年平均溫度，可以分別在夏冬兩季提供相對較低的冷凝溫度和較高的蒸發溫度(高青，於鳴，效率高、環保效能好的供熱製冷裝置—地源熱泵的開發與利用，吉林工業大學自然科學學報，2001年4月，Vol.31(2)96-102)，此為地源熱泵的工作原理。目前地源熱泵技術的埋管方法主要是預鑽孔直接埋設U型聚乙烯管，其費用很高，一般可佔總投資的一半以上，遠大於相同條件下的電動熱泵等的初投資(姜寶成，王永鏢，李炳熙，地源熱泵的技術經濟性評價，哈爾濱工業大學學報，2003年2月第35卷第2期，195-202)，這給該技術的發展造成困難。另外，這種鑽孔直埋式U型管狀換熱器施工工藝複雜，需要在U型管彎頭部綁紮重物增加配重、U型管內預充填熱交換流體，用人力下管，費力且精度難以保證(莊迎春，孫友宏，地源熱泵地下直埋式換熱器的施工，探礦工程(巖土鑽掘工程)，2002，No.310-11)。關於樁內埋管，國內有人提出過U型樁埋管換熱器的概念，但該法本質上還是傳統地源熱泵的鑽孔直接埋設U型換熱管的改進，僅把鑽孔中的填料改為水泥漿，並沒有考慮承載問題。(趙軍，李新國等，地源熱泵在實際工程中的應用與研究，建築施工技術(天津建築科技)，2003，No.514-16)。雖然國外也有人提過樁埋換熱器的概念，但都是基於高強度聚乙烯U型盤管灌注實心截面樁(Laloui Lyesse，Moreni Matteo，Vulliet Laurent，Behavior of a bi-functional pile，foundation and heatexchanger，Canadian Geotechnical Journal，v40，n2，April，2003，p388-402.)，這些基於鑽孔或各種實心截面樁中埋設管狀換熱器的缺點是鑽孔費用高，實心截面樁中的盤管換熱器施工複雜，需要盤管綁紮鋼筋籠等工序。而且在各類實心截面樁中盤管位置會出現局部材料軟化區和應力集中，影響樁身質量，對樁基的傳統承載性能產生不利作用，另外各種聚乙烯材質的管狀換熱器還有被擠壓破壞的風險。另外，國內已有的公開實用新型稱為「一種地下能源採集樁」，其申請號為(200410082851.1，200520090102.3)公開號為(CN1786615，CN2780832)。其僅考慮了管狀換熱器為一組U型盤管或開放式的類似套管型的管狀換熱器，它們的換熱器效率都不高，而且在管樁中空樁心未添置回填材料，直接影響與土層的換熱效率。另外，當管樁作為圍護樁或樁頂近地表時，未考慮冬季近地表的管路保溫問題。

發明內容
所謂低溫地熱能(Low Temperature Earth-heat-energy)，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低溫位熱能。為了克服現有的預應力混凝土管樁僅考慮承載、支護作用而忽略其利用淺層地熱梯度的功用，並改變封閉式地源熱泵技術初始鑽孔高成本、下管施工複雜、對實心截面樁基的不利影響、一組U型盤管換熱效率不高、中空管樁樁心換熱效率低以及冬季近地表管路需要保溫的現實，本發明可以提供一種保溫式多組管狀換熱器地能轉換預應力混凝土管樁，該樁基不僅能承載、擋土支護、地基加固，而且能方便地進行淺層低溫地熱能的封閉循環轉換。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是本發明採用的預應力混凝土管樁與目前正常預應力混凝土管樁的生產、樁型、尺寸、力學性能、原材料及構造要求、設計、選型、生產驗收、沉樁完全一樣，均按國家現行有關規範(國家標準圖集《預應力混凝土管樁》(圖集號03SG409)、《先張法預應力混凝土管樁》(GB13476-1999)、《先張法預應力混凝土薄壁管樁》(JC888-2001)、中華人民共和國行業標準《建築樁基技術規範》(JGJ94-94)、《靜壓管樁基礎技術規定(暫行)》(瀋陽市城鄉建設委員會，2004))執行。在進行管樁設計、生產、施工時只要求在沉樁過程中(錘擊法沉樁或靜壓法沉樁)，無論土層情況如何都必須採用閉合鋼樁尖(十字型、圓錐型)。
預應力混凝土管樁沉樁完成後，在管樁管內孔裡通過人力或機械下置多組高強度聚乙烯或PVC或PPR材質的管狀換熱器，管徑一般為19mm-38mm，管垂直高度約等同於樁長，其管狀換熱器底部距樁尖1m-2m，其管狀換熱器出口向上並綁紮一定厚度的保溫材料，綁紮的長度約為0.5m-2.0m，管狀換熱器外壁距管樁內壁在30mm-100mm之間，形狀可以是U型換熱管、螺旋型盤管或「鑽孔直埋式」方法中的其它類型換熱管。根據實際，首先在管內孔中填埋各類回填材料，如膨脹土、水泥漿、砂、石或回填附近地層土(巖石)，在距樁頂0m-2m填入高強度保溫回填材料(如泡沫塑料或珍珠巖等)。根據地源熱泵的運行機理，這些管狀換熱器被回填材料固定在管樁的管內孔中，管狀換熱器中充填熱交換流體，該流體通常採用水、鹽水或各種防凍劑溶液，形成封閉型低溫地熱能循環系統，安裝地表交換管路、水泵和滿足實際要求的不同功率的各型號地源熱泵機組。通過管狀換熱器內的交換介質與回填材料、樁身和淺層土水系統的恆溫層進行循環熱交換，並通過地源熱泵機組達到能量轉化的目的，起到中央空調的作用，若輔助以中央熱水器等裝置則可提供中央熱水系統所需熱量。
本發明的有益效果是，可以在發揮預應力混凝土管樁傳統的承載、擋土支護、地基加固的同時，方便地進行淺部地熱能的封閉循環轉換，在預應力混凝土管樁的管內孔中採用多組U型管、螺旋型盤管等管狀換熱器，可以起到傳統封閉式地源熱泵鑽孔埋管的同樣功效，但節省了預鑽孔的相關費用。而循環換熱產生的溫度荷載效應在鋼筋混凝土的工作範圍內，對樁基傳統力學能力無影響。
該樁基中採用的管樁管內孔中設置各類管狀換熱器技術可以消除埋管換熱器實心截面樁的各種缺陷(實心截面樁中由於聚乙烯交換管造成的樁身局部材料軟化區)，完全可以達到垂直鑽孔埋置換熱器的所有指標。另外，該技術還可以設計管狀換熱器的組數，以U型換熱管為例，可以根據熱負荷要求設置2組或多組U型換熱管。管狀換熱器在管樁管內，不影響預應力混凝土管樁的正常施工效率和樁身結構，僅僅需要增加一個封閉式鋼樁尖而已。由於預應力混凝土管樁的施工工藝避免了鑽孔可能出現的縮徑、流砂、塌孔等問題，同時管樁也起到鑽孔套管的作用，從而使在管樁管內孔埋設換熱器得以順利施工，極大改進了埋設管狀換熱器的施工困難。
其次由於在管樁管內孔的管狀換熱器周圍需要充填各類回填材料，可以節省預應力混凝土管樁的填芯混凝土材料費與人工費，同時也增強了管樁的整體力學性能。最後由於回填材料可以人工控制，可以根據不同的地區、不同的地質情況配置最優傳導係數的回填材料，以增大熱交換效率。
該項技術首先是封閉性地源熱泵的一種，具有封閉式地源熱泵技術的先天優勢。其可以消除開放式地源熱泵技術中的地下水汙染問題，也可以避免開放式系統運行中的地下水資源使用費。其次針對傳統封閉式地源熱泵技術預鑽孔、直接埋設U型換熱管等工序複雜、精度不高的施工缺點，以及整個埋置換熱器的高成本造成地源熱泵技術初始投資過大的問題，本樁基技術可避免預鑽孔及埋設換熱管成本，僅此一項可節約成本近一半且避免鑽孔直埋換熱管帶來的施工問題。另外樁基內可靈活內置多組各型換熱管U型換熱管、螺旋型盤管或它們的組合，進一步減少施工成本。可見這些技術措施將減低整個地源熱泵的綜合造價，地源熱泵本身具有環保節能功用，而我國人工便宜，預應力混凝土管樁市場巨大，若配合本技術的推廣使用，每年將帶來數以億計的經濟效益和環境效益，又可以為國家節約大量的石油煤炭等不可再生的戰略資源。


下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是本發明的地源熱泵原理圖。
圖2是低溫地熱能轉換預應力混凝土管樁內置三組U型換熱管的立體構造圖。
圖3是圖2的三組U型換熱管的立體構造圖。
圖4是圖3的俯視圖。
圖5是圖2的橫剖面圖。
圖6是圖2的縱剖面I--I在橫剖面的位置圖。
圖7是圖2的I--I縱剖面圖。
圖8是圖2的45°斜視圖。
圖9是二組U型換熱管的立體構造圖。
圖10是低溫地熱能轉換預應力混凝土管樁內置二組螺旋型換熱盤管的立體構造圖。
圖11是圖10的螺旋型換熱盤管的立體構造圖。
圖中1.地能轉換預應力混凝土管樁，2.淺部土層，3.地表交換管路，4.地源熱泵機組，5.建築物，6.交換流體流入，7.交換流體返回，8.U型管狀換熱管，9.管內交換流體，10.預應力鋼筋，11.螺旋箍筋，12.回填材料，13.樁內壁，14.樁外壁，15.混凝土，16.閉合樁尖，17.進水管，18.出水管，19.保溫回填材料，20.螺旋型換熱盤管
具體實施例方式在圖1中，地源熱泵是利用地表淺層地熱資源的低溫位熱能，冬季通過地能轉換預應力混凝土管樁(1)中的盤狀換熱器中的熱交換流體把淺部土層(2)中的熱量提取出來，通過地表交換管路(3)和地源熱泵機組(4)供給建築物(5)採暖；夏季把建築物(5)熱量取出來，通過地表交換管路(3)、地源熱泵機組(4)和預應力混凝土管樁中的管狀換熱器(1)中的熱交換流體釋放到淺部土層(2)中去。
在圖2所示實施例中，地能轉換預應力混凝土管樁(1)，其管徑有多種規定，鋼筋籠由預應力鋼筋(10)和螺旋箍筋(11)綁紮而成，樁內壁、外壁(13、14)之間是混凝土(15)，樁下端是閉合樁尖(16)。樁內壁(13)內居中下置三組如圖3所示形狀的聚乙烯或PVC或PPR材料的U型換熱管(8)，U型換熱管(8)外沿距樁內壁(13)的距離在25mm-50mm之間，長度比樁長短1m，三組U型換熱管(8)彎頸部間距1m見圖3，各組U型換熱管(8)之間夾角為60°見圖4。在樁內壁(13)與換熱管(8)之間的空隙中充填回填材料(12)和保溫回填材料(19)直到樁頂，換熱器(8)最終被安置在預應力混凝土管樁樁內。圖5所展示的樁(1)前視圖中，在管樁(1)回填材料(12)中U型換熱管(8)的位置。其樁(1)的前視面所示的I-I縱剖面位置如圖6，管樁(1)內壁(13)回填材料(12)中U型換熱器(8)I-I豎剖面如圖7所示。樁(1)的整體立體構造圖的45°斜視圖如圖8所示，通過交換流體流入(6)和交換流體返回(7)，使三組U型管狀換熱器(8)中的管內交換流體(9)與回填材料(12)、保溫回填材料(19)、樁身鋼筋(10、11)、混凝土(15)、淺部土層(2)進行熱交換。圖9展示的是二組U型管狀換熱器(8)的立體構造圖。
在圖10所示的另一個實施例中，地能轉換預應力混凝土管樁(1)內置螺旋盤管型換熱管(20)。螺旋盤管型換熱管(20)由聚乙烯或PVC或PPR材料構成，螺旋型盤管(20)長度比樁長短1m-2m，居中直接下置到樁內壁(13)裡，與樁內壁(13)的圓周距離在30mm-50mm之間，在樁內壁(13)與螺旋盤管型換熱管(21)之間的空隙中充填回填材料(12)和保溫回填材料(19)直到樁頂，螺旋盤管型換熱管(20)底部距樁尖1m-2m，見圖11。通過交換流體流入(6)和交換流體返回(7)，使螺旋盤管型換熱管(20)中的管內交換流體(9)與回填材料(12)、保溫回填材料(19)、樁身鋼筋(10、11)、混凝土(15)、淺部土層(2)進行熱交換。
權利要求
1.一種低溫地熱能轉換預應力混凝土管樁，在用閉合鋼樁尖施工的預應力混凝土管樁管內孔中，直接下置多組U型管狀換熱器或螺旋型盤管換熱器或「鑽孔直埋式」方法中的其它類型換熱管，管樁管內孔壁與管狀換熱器的空隙中充填回填材料，，樁頂附近回填保溫材料。管樁管內的各類管狀換熱器與地表管路連接，換熱器管路內充填交換流體，通過管狀換熱器系統中的交換流體與同填材料、回填保溫材料、管樁樁身、樁周土-水系統進行熱交換，形成封閉式地源熱泵的地下低溫地熱能交換器。
2.根據權利要求1所述的低溫地熱能轉換預應力混凝土管樁，其特徵是本技術中預應力混凝土管樁管內安置U型管狀換熱器或螺旋型盤管換熱器或「鑽孔直埋式」方法中的其它類型換熱管，其採用的預應力混凝土管樁是目前預應力混凝土管樁的生產、樁型、外徑、力學性能、原材料及構造要求、設計、選用、生產驗收、沉樁完全一樣，均按國家有關規範執行。
3.根據權利要求1所述的低溫地熱能轉換預應力混凝土管樁，其特徵是本技術採用的預應力混凝土管樁沉樁施工過程中(錘擊法沉樁或靜壓法沉樁)，無論土層情況如何都必須採用閉合鋼樁尖(十字型、圓錐型)。
4.根據權利要求1所述的低溫地熱能轉換預應力混凝土管樁，其特徵是預應力混凝土管樁沉樁完成後，在管內居中下置多組各類高強度聚乙烯或PVC或PPR材質的管狀換熱器，管徑為19mm-38mm，管狀換熱器的豎向高度約等同於樁長，其管狀換熱器底部距樁尖1m-2m，管狀換熱器外壁距管樁內壁在25mm-100mm之間。
5.根據權利要求1所述的低溫地熱能轉換預應力混凝土管樁，其特徵是在管樁管內下置多組各類高強度聚乙烯或PVC或PPR材質的管狀換熱器，其形狀可以是U型管形狀換熱管、螺旋型盤管形狀換熱器或其它形狀的管狀換熱器，各類管狀換熱器下到管樁管內，並成為地源熱泵的地下循環換熱系統。
6.根據權利要求1所述的低溫地熱能轉換預應力混凝土管樁，其特徵是下置的各類管狀換熱器採用的方法可以是人力方法或機械方法。
7.根據權利要求1所述的低溫地熱能轉換預應力混凝土管樁，其特徵是在管樁內徑與各類換熱器的空隙中充填各類回填材料，膨脹土、水泥漿、砂、石或回填附近地層土(巖石)，在距樁頂0m-2m填入高強度保溫回填材料(如泡沫塑料或珍珠巖等)。
8.根據權利要求1所述的低溫地熱能轉換預應力混凝土管樁，其特徵是安置在樁體中的多組各類型管狀換熱器中需要充填熱交換流體，該流體採用水、鹽水或各種防凍劑溶液，形成封閉型循環系統。
9.根據權利要求1所述的低溫地熱能轉換預應力混凝土管樁，其特徵是管狀換熱器出口向上並綁紮一定厚度的保溫材料，綁紮的長度約為0.5m-2.0m，形成的管狀換熱器系統連接地表交換管路、水泵和滿足實際要求的不同功率的各型號地源熱泵機組。
10.根據權利要求1所述的低溫地熱能轉換預應力混凝土管樁，其特徵是安置在樁體中的U型管狀換熱器系統或螺旋型盤管換熱器系統或其它形狀的管狀換熱器系統，可以設置2組或多組高強度聚乙烯或PVC或PPR材質的管狀換熱器。
全文摘要
一種保溫式多組管狀換熱器地能轉換預應力混凝土管樁，它通過在預應力混凝土管樁中埋設多組各形狀的管狀換熱器裝置進行承載的同時，可以進行淺層低溫地熱能轉換，起到樁基和地源熱泵的雙重作用。在採用閉合鋼樁尖施工的預應力混凝土管樁管內孔中，直接下置多組U型管狀換熱器或螺旋型盤管換熱器或其它形狀的管狀換熱器，管樁管內孔壁與管狀換熱器的空隙中充填回填材料，樁頂附近回填保溫材料。管樁內的各類管狀換熱器與地表管路連接，換熱器管路內充填交換流體，通過管狀換熱器系統中的交換流體與回填材料、回填保溫材料、管樁樁身、樁周土－水系統進行熱交換，形成封閉式地源熱泵的地下低溫地熱能交換器。
文檔編號F24J3/08GK1944807SQ20061001728
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月31日 優先權日2006年10月31日
發明者張延軍 申請人:張延軍, 龐宇麗