[发明专利]提高传热效率的空心圆台螺旋型能量桩结构

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；