提高传热效率的空心圆台螺旋型能量桩结构

摘要

本发明公开了提高传热效率的空心圆台螺旋型能量桩结构，在土体层内设置能量桩井，所述能量桩井呈圆锥台状，能量桩上底面的直径大于能量桩下底面的直径；在能量桩井内设置换热管并固定，换热管由依次连接的换热管进口管段、换热管螺旋管段、换热管出口管段组成；采用能量桩回填料对能量桩井进行回填。本发明的螺旋换热管段呈一定的锥度布置，螺旋管沿径向相互错列，相邻螺旋管在轴向上的热干扰强度减弱，增大了螺旋管沿轴向上的传热能力；与土体换热温差较大的换热流体从半径较大的圆台上底面流入，一定程度上减弱了能量桩上部的回填区域热短路现象，提高了能量桩的传热效率；抗腐蚀能力显著提高，大幅度提高使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉地源热泵系统地埋管的技术领域，尤其涉及一种能够提高传热效率的空心圆台螺旋型能量桩结构，主要适用于建筑供暖供冷的地源热泵技术领域。

背景技术

地源热泵系统利用地下土体作为低品位冷热源，由于地下土体温度较为恒定，且温度范围非常适合热泵机组高效运行，故能有效减少机组运行能耗，为建筑节能减排事业做出积极贡献。地埋管换热器是地源热泵系统最为关键的部件，其换热效率对地埋管系统设计容量及运行效果具有重要影响。单U型、双U型垂直地埋管换热器应用较多，但是其钻孔较深，一般在50m~120m范围，对于南方地区，如重庆、成都等岩石地质区域，钻孔难度大，施工周期长，钻孔费用昂贵，其经济性制约了垂直U型地埋管的推广应用。此外，垂直U型地埋管存在较为严重的钻孔内热短路现象，其换热效率低。近年来，一种能量桩技术得到广泛应用。由于能量桩可以依托建筑基础埋设换热管，大大减少了钻孔费用，其经济性较好。能量桩换热管采用并联双U型、串联双U型及螺旋型布置，提高了传热效率，特别是螺旋型能源桩，大大增加了换热流体与周边土体的接触面积，其换热效率得到大幅度的提高。相关研究已经表明，螺距是影响螺旋型能量桩传热效率的重要因素，由于螺旋换热管的螺距较小，导致轴向相邻螺旋管之间的存在较为明显的热干扰现象，制约了螺旋型能量桩传热效率的提高，故如何降低轴向相邻螺旋管的热干扰程度，对提高螺旋型能源桩传热效率具有重要作用。

在本发明之前，中国发明专利“桩埋螺旋管式地源热泵系统的地热换热器的传热方法”（专利号：ZL200810159583.7）公开了一种在建筑桩基础灌注桩钢筋笼上绑扎埋设螺旋型换热管的技术方案。该技术方案能够减少专门的钻孔埋管费用，大大降低了系统初投资。换热管的绑扎埋设与建筑桩基础建设同时进行，降低了施工周期。但是，该技术方案中换热管呈螺旋形式布置，其螺旋间距较小，轴向相邻螺旋管间的热干扰强度较大，换热效率收到限制。中国发明专利“一种预制能量桩的施工方法”（专利号：ZL201310441978.7）公开了一种将换热管埋设在空心钢管内，空心钢管代替传统实心钢管作为预制桩主筋的能量桩施工技术方案。该技术方案解决了换热管与主筋绑扎埋设造成的相互干扰、混凝土密实度、钢筋腐蚀等技术问题，具有埋管存活率高、施工周期短、地下空间及工程造价节省的优点。但是，其埋管布置形式为垂直U型，换热流体与土体的接触面积较小，换热量及换热效率不及螺旋型能量桩。

发明内容

本发明专利针对目前地源热泵技术发展现状及存在的问题，在便于施工操作、减少初投资及不改变换热流体与土体的接触换热面积的基础上，减弱螺旋型能量桩的轴向热干扰程度、提高能量桩换热效率，提供一种能够提高传热效率的空心圆台螺旋型能量桩。

本发明专利的技术方案：提高传热效率的空心圆台螺旋型能量桩结构，在土体层内设置能量桩井，其特征在于：所述能量桩井呈圆锥台状，由能量桩上底面、能量桩下底面、能量桩侧曲面与能量桩内壁面构成中间部位为圆柱体的圆锥台状的能量桩井，能量桩上底面的直径大于能量桩下底面的直径；

在能量桩井内设置换热管并固定，所述换热管由依次连接的三部分组成：换热管进口管段、换热管螺旋管段、换热管出口管段；螺旋换热管段沿能量桩侧曲面设置并固定，换热管进口管段从能量桩上底面的边缘垂直进入，换热管出口管段沿能量桩内壁面竖直向上引出；

将换热管设置在中空的能量桩井内后，采用能量桩回填料对能量桩井进行回填，得到能量桩回填料层。

进一步的特征是：换热管螺旋管段8按照截顶圆锥螺旋形式布置，螺距为100~300mm；沿螺旋方向每隔1.5~3m，在能量桩侧曲面上垂直打入固定钉，固定钉伸出侧曲面30~40mm，固定钉的间距从下底面向上底面的螺旋方向上逐渐增大，将换热管螺旋管段依次绑扎在固定钉上，形成换热管的螺旋管段。

换热管为聚乙烯塑料管或聚丁烯管。

提高传热效率的空心圆台螺旋型能量桩结构的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）根据工艺要求，确定圆锥台状的能量桩井的参数；

（2）能量桩井的开挖成型：根据上述确定的参数，在工程所在地点进行施工作业，开挖土体层，得到由能量桩上底面、能量桩下底面、能量桩侧曲面与能量桩内壁面构成的中间部位为圆柱体的圆锥台状的能量桩井；

（3）在能量桩井内设置换热管：按照工艺要求，确定螺旋状布置的换热管的螺距，根据确定的螺距，沿螺旋方向每隔1.5~3m，在上述能量桩井的圆台侧曲面上打入固定钉，固定钉伸出侧曲面30~40mm，固定钉的间距从下底面向上底面螺旋方向上逐渐增大，将换热管依次绑扎在固定钉上，形成换热管的螺旋管段；

（4）换热管出口管段的固定：沿竖直方向每隔0.5~1m，在能量桩内壁面垂直打入固定钉，固定钉伸出圆柱外壁面30~40mm，将保温后的换热管出口管段绑扎在固定钉上；

（5）能量桩井的回填：采用能量桩井回填料，对绑扎完毕后的能量桩井进行回填，得到所述的空心圆台螺旋型能量桩结构。

对出口管段进行保温，保温材料采用泡沫橡塑保温材料，在一定长度出口管段上缠绕保温材料，保温层厚度为20~30mm。

相对于现有技术，本发明专利具有如下特点：

在保证有效换热管长度一致的情况下，与传统圆柱面布置的螺旋型能量桩相比，本发明专利的螺旋换热管段呈一定的锥度布置，螺旋管沿径向相互错列，相邻螺旋管在轴向上的热干扰强度减弱，增大了螺旋管沿轴向上的传热能力；与土体换热温差较大的换热流体从半径较大的圆台上底面流入，一定程度上减弱了能量桩上部的回填区域热短路现象。综上所述，本发明专利有效提高了能量桩的传热效率。与传统圆柱面布置的螺旋型能量桩相比，本发明专利减少了能量桩的土方开挖量及回填料使用量，从而节省了能量桩的初投资。与传统圆柱型能量桩相比，本发明专利井壁具有一定的锥度，降低了开挖过程中井壁坍塌风险。而且，换热管为聚乙烯塑料管或聚丁烯管，抗腐蚀能力显著提高，大幅度提高使用寿命。

附图说明

图1为本发明空心圆台能量桩井纵向示意图。

图2为本发明空心圆台螺旋型能量桩结构布置平面示意图。

图3为本发明空心圆台螺旋型能量桩结构布置桩身纵向示意图。

图4为不同设计参数下单位管长换热热阻的对比图（圆台高度为1.5m）

图中：1—土体层；2—能量桩井；3—能量桩上底面；4—能量桩下底面；5—能量桩侧曲面；6—能量桩内壁面；7—土体表面；8—换热管螺旋管段；9—换热管进口管段；10—换热管出口管段；11—能量桩回填料层；12—能量桩上底面覆土层。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例说明详细叙述本发明专利的具体实施方式

图1所示的本发明空心圆台能量桩井的结构，在土体层1内设置能量桩井2，该能量桩井2呈圆锥台状，倒置的圆锥状；或者中间部位为圆柱体的圆锥台状，其能量桩上底面3的直径大于能量桩下底面4的直径；以保证能量桩具有一定的锥度，从而降低了井壁的坍塌风险。能量桩侧曲面5是斜面，能量桩内壁面6是竖直的，或者带斜度的；能量桩上底面3、能量桩下底面4、能量桩侧曲面5与能量桩内壁面6构成中间部位为圆柱体的圆锥台状的能量桩井2，其截面为梯形结构，直角梯形或非直角梯形。

能量桩井2的开挖成型：根据施工作业现场情况，刨除能量桩上底面覆盖层12，覆土层厚度不小于1.5m，以空心圆台能量桩上底面3为开挖的基准面，按照空心圆台的设计尺寸，采用半机械式挖孔方式对空心圆台能量桩井2进行成型。开挖时，在能量桩侧曲面5上涂抹10~20mm厚的混凝土砂浆，保证能量桩侧曲面5平整度和圆滑度。空心圆台能量桩下底面4的直径不小于0.3mm，空心圆台能量桩上底面3的直径不大于2.5m，空心圆台能量桩井7的高度为1.0~2.0m。

在能量桩井2内设置换热管并固定，所述换热管由依次连接的三部分组成：换热管进口管段9、换热管螺旋管段8、换热管出口管段10。安装时，所述换热管螺旋状设置在能量桩井2内，螺旋换热管段8沿能量桩侧曲面5设置并固定，螺旋换热管段8按照截顶圆锥螺旋形式布置，螺距为100~300mm。沿螺旋方向每隔1.5~3m，在圆台侧曲面5上垂直打入固定钉，固定钉伸出侧曲面30~40mm，固定钉的间距从下底面4向上底面3的螺旋方向上逐渐增大，将换热管螺旋管段8依次绑扎在固定钉上，形成换热管的螺旋管段。换热管具体选用聚乙烯管或聚丁烯管。换热管进口管段9从空心圆台能量桩上底面3的边缘垂直进入。换热管出口管段10进行保温处理，保温材料采用泡沫橡塑保温材料，保温层厚度为20~30mm。换热管出口管段10沿能量桩内壁面6竖直向上引出，沿出口管段方向每隔0.5~1m，在空心圆柱外壁面垂直打入固定钉，固定钉伸出圆柱外壁面30~40mm，固定钉数量不少于3个，将保温后的出口管段绑扎在固定钉上。进口管段及出口管段均高出空心圆台上底面100~200mm，以便于与系统水平集管连接。

将换热管设置在中空的能量桩井2内后，需要对能量桩井2进行回填；本发明能量桩回填料可采用多种材料：如现有的混凝土、膨润土和细沙（水泥）的混合浆，或者其它导热性能较好的回填料，采用能量桩回填料进行回填，得到能量桩回填料层11。采用混凝土进行回填时，因本发明能量桩无需承载较大的荷载（如建筑基础等），混凝土可采用强度较低的C15混凝土，利用混凝土输送泵将搅拌好的混凝土通过输送管道注入每个需要回填的能量桩井内部，回填时一次浇注完成。采用膨润土和细沙（水泥）的混合浆进行回填时，膨润土的比例宜为4%—6%，以提高回填料的传热系数。回填过程中，应利用夯实设备进行振动夯实。能量桩回填完毕至少20~30天，待回填料凝固后，结合水平集管的施工，采用原土对能量桩上底面覆土层12进行回填夯实。

通过截顶圆锥螺旋布置有效换热管，在保证具有相同换热管长度的基础上，有效提高了能量桩的传热效率，降低了单位管长换热热阻。图4给出了不同设计参数空心圆台螺旋型能量桩的单位管长换热热阻，该结果是采用CFD数值模拟软件计算结果，R1为圆台能量桩的下底面半径，R2为圆台能量桩的上底面半径。可以看出，相对与传统圆柱面布置的螺旋型能源桩，空心圆台螺旋型能量桩的单位管长换热热阻降低了3%~14%；增大下底面半径与上底面半径的差值，其单位管长换热热阻降低更大，换热效果更好。

本发明一种提高传热效率的空心圆台螺旋型能量桩结构的制作方法，包括以下技术步骤：

（1）根据工艺要求，确定圆锥台状的能量桩井的参数；

（2）能量桩井的开挖成型：根据上述确定的参数，在工程所在地点进行施工作业，采用人工、半机械式或全机械式开挖土体层，得到由能量桩上底面、能量桩下底面、能量桩侧曲面与能量桩内壁面构成的中间部位为圆柱体的圆锥台状的能量桩井；

（3）在能量桩井内设置换热管：按照工艺要求，确定螺旋状布置的换热管的螺距，根据确定的螺距，沿螺旋方向每隔1.5~3m，在上述能量桩井的圆台侧曲面上垂直打入固定钉，固定钉伸出侧曲面30~40mm，固定钉的间距从下底面向上底面螺旋方向上逐渐增大，将聚乙烯塑料管（换热管）依次设置在能量桩井的圆台侧曲面上，通过固定（绑扎）在固定钉上，形成换热管的螺旋管段。

换热管出口管段的保温：在能量桩井内固定螺旋管段后，为了获得更好的保温效果，对出口管段进行保温，保温材料采用泡沫橡塑保温材料，在出口管段的一定长度管体表面上缠绕保温材料，保温层厚度为20~30mm。

（4）换热管出口管段的固定：沿竖直方向每隔0.5~1m，能量桩内壁面垂直打入固定钉，固定钉伸出圆柱外壁面30~40mm，固定钉数量不少于3个，将保温后的换热管出口管段绑扎在固定钉上。

（5）能量桩井的回填：采用现有的混凝土、膨润土和细沙（水泥）的混合浆，或者其它导热性能较好的回填料，对绑扎完毕后的能量桩井进行回填。

换热管的入口及出口应高出能量桩上底面100~200mm，以便于与系统水平集管连接。

换热流体从换热管的进口管段流入，出口管段流出。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。