专利名称：低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用预制钢筋混凝土方桩的桩身埋设管状换热器装置进行低温地热能转换的混凝土预制实心截面桩，该装置是既具有桩基的承载特性又具备低温地热能循环换热能力的多功能预制钢筋混凝土方桩。
背景技术：
目前，公知的预制钢筋混凝土方桩主要是指在工厂或施工现场预制的内含钢筋笼的混凝土方形截面桩。预制钢筋混凝土方桩产品种类分为锤击整根桩、锤击焊接桩和静压整根桩、静压焊接桩、静压锚接桩，不同种类的预制钢筋混凝土方桩的尺寸、性能、材料及构造要求、设计、选用、生产制作、验收标准、桩的吊运、沉桩、接桩等方面均要求符合国家标准图集《预制钢筋混凝土方桩》(图集号04G361)、中华人民共和国行业标准《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)、《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)、《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)中的相应规定。采用锤击法沉桩、预钻孔沉桩或静压法沉桩，静压法沉桩是用静载将方桩压入土(岩)层的施工方法。
各口径预制钢筋混凝土方桩的构造一般是由不同标号混凝土、钢筋笼、有(无)吊环、有(无)焊接接桩钢帽、有(无)钢板桩靴的桩尖等构成，可采用先张法施加预应力，起承载、挡土支护、地基加固等作用。但尚无利用地热梯度的功用，这忽视了预制钢筋混凝土方桩的入土换热功能。而在中纬度地带，地温与地面环境相比，5-10m以下全年地温基本可以稳定于年平均温度，可以分别在夏冬两季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度(高青，于鸣，效率高、环保效能好的供热制冷装置—地源热泵的开发与利用，吉林工业大学自然科学学报，2001年4月，Vol.31(2)96-102)，此为地源热泵的工作原理。目前地源热泵技术的埋管方法主要是预钻孔直接埋设U型聚乙烯管，其费用很高，一般可占总投资的一半以上，远大于相同条件下的电动热泵等的初投资(姜宝成，王永镖，李炳熙，地源热泵的技术经济性评价，哈尔滨工业大学学报，2003年2月第35卷第2期，195-202)，这给该技术的发展造成困难。另外，这种钻孔直埋式U型管状换热器施工工艺复杂，需要在U型管弯头部绑扎重物增加配重、U型管内预充填热交换流体，用人力下管，费力且精度难以保证(庄迎春，孙友宏，地源热泵地下直埋式换热器的施工，探矿工程(岩土钻掘工程)，2002，No.310-11)。关于桩内埋管，国内有人提出过U型桩埋管换热器的概念，但该法本质上还是传统地源热泵的钻孔直接埋设U型换热管的改进，仅把钻孔中的填料改为水泥浆，并没有考虑承载问题。(赵军，李新国等，地源热泵在实际工程中的应用与研究，建筑施工技术(天津建筑科技)，2003，No.514-16)。虽然国外也有人提过桩埋换热器的概念，但都是基于高强度聚乙烯U型管的灌注实心截面桩(Laloui Lyesse，Moreni Matteo，Vulliet Laurent，Behavior of a bi-functional pile，foundationand heat exchanger，Canadian Geotechnical Journal，v 40，n 2，April，2003，p 388-402.)，这些基于钻孔或各种灌注型桩中埋设管状换热器的缺点是钻孔费用高，灌注型桩中的管状换热器施工复杂，需要现场将管状换热器绑扎到钢筋笼等工序，绑扎的精度和准确性难以保证，而且在各类灌注型桩身中管状换热器位置可能会阻碍下注浆管、灌注混凝土等工序，影响施工效率。
发明内容
所谓低温地热能(Low Temperature Earth-heat-energy)，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。为了克服现有的预制钢筋混凝土方桩仅考虑承载、支护作用而忽略其利用浅层地热梯度的功用，并改变封闭式地源热泵技术初始钻孔高成本、各类管状换热器施工复杂及其对灌注型桩基施工工艺不利影响的现实，本技术可以提供一种低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩，该桩基不仅能承载、挡土支护、地基加固，而且能方便地进行浅层低温地热能的封闭循环转换。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是本发明采用的预制钢筋混凝土方桩的设计、生产、施工、验收均按国家现行有关规范(国家标准图集《预制钢筋混凝土方桩》(图集号04G361)、中华人民共和国行业标准《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)、《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)、《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002))执行，在进行多段预制钢筋混凝土方桩设计、生产、施工时只要求在沉桩施工过程中(锤击法沉桩、预钻孔沉桩或静压法沉桩)，无论土层情况如何接桩时都必须采用焊接法接桩或法兰法接桩，禁止采用硫磺胶泥锚接法接桩。
在预制钢筋混凝土方桩的制作过程中，当设计采用整根桩时，在钢筋笼内侧绑扎高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器，管径一般为19mm-38mm，管垂直高度约等同于桩长，其管状换热器出口距桩顶0.5m，其管状换热器出口弯曲向桩外并外加一带弯角的金属套管，整个金属套管长度约为100mm-300mm之间，管状换热器与金属套管之间绑扎保温材料，浇注混凝土后所有预置管件与方桩成为一体。当设计需要分段接桩时，在制作钢筋笼时同样绑扎高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器，管径一般为19mm-38mm。由于是分段制作，不同桩段有各自特点1.上段桩制作时，管状换热器垂直高度约等同于桩段长，其管状换热器出口距桩顶0.5m，其管状换热器出口弯曲向桩外并外加一带弯角的金属套管，整个金属套管长度约为100mm-300mm之间，管状换热器与金属套管之间绑扎保温材料，管状换热器下出口垂直向下，通过热融技术与中段桩中管状换热器垂直向上的出口相连接。
2.中段桩制作时，管状换热器垂直高度完全等于桩段长，其管状换热器上出口垂直向上，在上出口处外加一个0.5m长度的直金属套管，套管上加圆形钢盖，直径约为金属套管的外直径，厚度约为5mm，管状换热器上出口在钢盖下，沉桩施工结束后，圆形钢盖可自由取出，管状换热器的上出口通过热融技术与上段桩中管状换热器垂直向下的出口相连接。中段桩中管状换热器的下出口垂直向下，通过热融技术与下段桩中管状换热器垂直向上的出口相连接。
3.下段桩制作时，换热管垂直高度约等同于桩段长，其管状换热器底部距桩尖1m-2m，其管状换热器上出口垂直向上，在上出口处外加一个0.5m长度的直金属套管，套管上加圆形钢盖，直径约为金属套管的外直径，厚度约为5mm，管状换热器上出口在钢盖下，沉桩施工结束后，圆形钢盖可自由取出，管状换热器的上出口通过热融技术与中段桩中管状换热器垂直向下的出口相连接。
管状换热器的形状可以是U型换热管、螺旋型盘管或“钻孔直埋式”方法中的其它类型换热管。根据实际热负荷需要在方桩桩身内安置1组-3组各类管状换热器，随各类沉桩施工技术将方桩带换热器沉入地下。根据地源热泵的运行机理，这些管状换热器被固定在桩身中，管状换热器中充填热交换流体，该流体通常采用水、盐水或各种防冻剂溶液，形成封闭型低温地热能循环系统，安装地表交换管路、水泵和满足实际要求的不同功率的各型号地源热泵机组。通过管状换热器内的交换介质与桩身和浅层土水系统的恒温层进行循环热交换，并通过地源热泵机组达到能量转化的目的，起到中央空调的作用，若辅助以中央热水器等装置则可提供中央热水系统所需热量。
本发明的有益效果是，可以在发挥预制钢筋混凝土方桩传统的承载、挡土支护、地基加固的同时，方便地进行浅部地热能的封闭循环转换，在预制钢筋混凝土方桩的桩身中预埋U型管、螺旋型盘管等管状换热器，可以起到传统封闭式地源热泵钻孔埋管的同样功效，但节省了预钻孔的相关费用。而循环换热产生的温度荷载效应在钢筋混凝土的工作范围内，对桩基传统力学能力无影响。
该桩基中采用的方桩桩身中设置各类管状换热器技术可以消除灌注型桩基内埋管换热器的各种施工缺陷，完全可以达到垂直钻孔埋置换热器的所有指标。另外，该技术还可以根据需要设置管状换热器的组数，以U型换热管为例，可以根据热负荷要求设置1-3组U型换热管。管状换热器在方桩桩身中，不影响预制钢筋混凝土方桩的正常施工效率，仅仅在某些情况下避免使用硫磺胶泥锚接接桩而已。由于预制钢筋混凝土方桩的施工工艺避免了钻孔可能出现的缩径、流砂、塌孔等问题，同时预制方桩过程也保证了换热管安装的精度和准确性，极大改进了灌注型桩基埋设管状换热器的施工困难。
该项技术首先是封闭性地源热泵的一种，具有封闭式地源热泵技术的先天优势。其可以消除开放式地源热泵技术中的地下水污染问题，也可以避免开放式系统运行中的地下水资源使用费。其次针对传统封闭式地源热泵技术预钻孔、直接埋设U型换热管等工序复杂、精度不高的施工缺点，以及整个埋置换热器的高成本造成地源热泵技术初始投资过大的问题，本桩基技术可避免预钻孔及埋设换热管成本，仅此一项可节约成本近一半且避免钻孔直埋换热管带来的施工问题。另外桩基内可灵活内置1-3组各型换热管U型换热管、螺旋型盘管或它们的组合，进一步减少施工成本。可见这些技术措施将减低整个地源热泵的综合造价，地源热泵本身具有环保节能功用，而我国人工便宜，预应力混凝土方桩市场巨大，若配合本技术的推广使用，每年将带来数以亿计的经济效益和环境效益，又可以为国家节约大量的石油煤炭等不可再生的战略资源。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的地源热泵原理图。
图2是预制钢筋混凝土方桩整根桩内置一组U型换热管的配筋图。
图3是图2的一组U型换热管的立体构造4是分段桩型的预制钢筋混凝土方桩上段桩内置一组U型换热管的配筋图。
图5是分段桩型的预制钢筋混凝土方桩中段桩内置一组U型换热管的配筋图。
图6是分段桩型的预制钢筋混凝土方桩下段桩内置一组U型换热管的配筋图。
图7是图4、图5桩顶带钢盖的横剖面图。
图8是图4、图5、图6桩身中带钢盖的横剖面图。
图9是预制钢筋混凝土方桩整根桩内置二组U型换热管的配筋图。
图10是二组U型换热管的立体构造图。
图11是低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩内置螺旋型换热盘管的配筋图。
图12是图10的螺旋型换热盘管的立体构造图。
图中1.低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩，2.浅部土层，3.地表交换管路，4.地源热泵机组，5.建筑物，6.交换流体流入，7.交换流体返回，8.U型管状换热管，9.管内交换流体，10.钢筋笼，11.混凝土，12.桩靴，13.钢盖，14.金属套管，15.桩尖，16.螺旋型换热盘管
具体实施例方式在图1中，地源热泵是利用地表浅层地热资源的低温位热能，冬季通过低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩(1)中的管状换热器中的热交换流体把浅部土层(2)中的热量提取出来，通过地表交换管路(3)和地源热泵机组(4)供给建筑物(5)采暖；夏季把建筑物(5)热量取出来，通过地表交换管路(3)、地源热泵机组(4)和低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩中的管状换热器(1)中的热交换流体释放到浅部土层(2)中去。
预制钢筋混凝土方桩按具体施工可分为完整桩和分段桩两种。在图2所示实施例中为有钢筋笼(10)、桩靴(12)、桩尖(15)的低温地热能转换完整预制钢筋混凝土方桩(1)，其桩径有多种规定。在整根预制钢筋混凝土方桩的制作过程中，在制作钢筋笼(10)时绑扎高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的U型管状换热器(8)见图3，管径一般为19mm-38mm，管垂直高度约等同于桩长，其U型管状换热器出口距桩顶0.5m，其管状换热器(8)出口弯曲向桩外并外加一带弯角的金属套管(14)，整个金属套管(14)长度约为100mm-300mm之间，管状换热器(8)与金属套管(14)之间绑扎保温材料，浇注混凝土(11)后所有预置管件与方桩成为一体。沉桩后U型管状换热器(8)随预制钢筋混凝土方桩(1)沉入土(岩)层(2)中，U型换热管中充填了交换流体，通过交换流体流入(6)和交换流体返回(7)，使U型管状换热器(8)中的管内交换流体(9)与桩身钢筋(10)、混凝土(11)、浅部土层(2)进行热交换。
当设计需要分段接桩时，在图4所示实施例中为低温地热能转换分段预制钢筋混凝土方桩(1)的上段，在制作钢筋笼(10)时同样绑扎高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器(8)，管径一般为19mm-38mm。上段桩制作时，管状换热器(8)垂直高度约等同于桩(1)段长，其管状换热器(8)出口距桩顶0.5m，其管状换热器(8)出口弯曲向桩外并外加一带弯角的金属套管(14)，整个金属套管(14)长度约为100mm-300mm之间，管状换热器与金属套管之间绑扎保温材料，管状换热器(8)下出口垂直向下，通过热融技术与中段桩中管状换热器(8)垂直向上的出口相连接。
在图5所示实施例中为低温地热能转换分段预制钢筋混凝土方桩(1)的中段，管状换热器(8)垂直高度完全等于桩(1)段长，其管状换热器(8)上出口垂直向上，在上出口处外加一个0.5m长度的直金属套管(14)，套管(14)上加圆形钢盖(13)，直径约为金属套管(14)的外直径，厚度约为5mm，管状换热器(8)上出口在钢盖(13)下，沉桩施工结束后，圆形钢盖(13)可自由取出，管状换热器(8)的上出口通过热融技术与上段桩中管状换热器(8)垂直向下的出口相连接。中段桩中管状换热器(8)的下出口垂直向下，通过热融技术与下段桩中管状换热器(8)垂直向上的出口相连接。
图6所示实施例中为低温地热能转换分段预制钢筋混凝土方桩(1)的下段，其换热管(8)垂直高度约等同于桩(1)段长，其管状换热器(8)底部距桩尖(15)1m-2m，其管状换热器(8)上出口垂直向上，在上出口处外加0.5m长度的金属套管(14)，套管上加圆形钢盖(13)见图7和图8，直径约为金属套管的外直径，厚度约为5mm，管状换热器(8)上出口在钢盖(13)下，沉桩结束后，可自由取出，管状换热器(8)的上出口通过热融技术与中段桩的垂直向下的出口相连接。经过连接的U型换热管(8)中充填了交换流体，通过交换流体流入(6)和交换流体返回(7)，使U型管状换热器(8)中的管内交换流体(9)与桩身钢筋(10)、混凝土(11)、浅部土层(2)进行热交换。
在图9所示的另一个实施例中，低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩(1)内置二组相互垂直U型换热管(8)见图10，其制作、连接、施工工艺完全与一组U型管相同。通过交换流体流入(6)和交换流体返回(7)，使U型换热管(8)中的管内交换流体(9)与桩身钢筋(10)、混凝土(11)、浅部土层(2)进行热交换。
在图11所示的另一个实施例中，低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩(1)内置螺旋盘管型换热管(12)。螺旋盘管型换热管(12)由聚乙烯或PVC或PPR材料构成，完整桩上出口做成直管穿出桩(1)身，分段桩其上、下出口处做成直管，以便于接桩连接见图12。通过交换流体流入(6)和交换流体返回(7)，使螺旋盘管型换热管(16)中的管内交换流体(9)与桩身钢筋(10)、混凝土(11)、浅部土层(2)进行热交换。
权利要求
1.一种低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩，它通过在预制钢筋混凝土方桩中埋设各形状的管状换热器装置进行承载、挡土支护、地基加固的同时，可以进行浅层低温地热能转换，起到桩基和地源热泵预成孔直接埋设管状换热器的双重作用。在采用焊接法接桩或法兰法接桩的预制钢筋混凝土方桩中的钢筋笼内沿，绑扎U型管状换热器或螺旋型盘管换热器或其它形状的管状换热器，随方桩沉桩至土(岩)层中。预制钢筋混凝土方桩内的各类管状换热器与地表管路连接，换热器管路内充填交换流体，通过管状换热器系统中的交换流体与钢筋笼、桩身混凝土、桩周土-水系统进行热交换，形成封闭式地源热泵的地下低温地热能交换器。
2.根据权利要求1所述的低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩，其特征是本技术中预制钢筋混凝土方桩桩身中安置U型管状换热器或螺旋型盘管换热器或“钻孔直埋式”方法中的其它类型换热管，其采用的预制钢筋混凝土方桩的设计、生产、施工、验收均按国家现行有关规范执行。
3.根据权利要求1所述的低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩，其特征是本技术采用的多段预制钢筋混凝土方桩沉桩施工过程中(锤击法沉桩、预钻孔沉桩或静压法沉桩)，无论土层情况如何接桩时都必须采用焊接法接桩或法兰法接桩，禁止采用硫磺胶泥锚接法接桩。
4.根据权利要求1所述的低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩，其特征是在预制钢筋混凝土方桩的制作过程中，当设计采用整根桩时，在钢筋笼内侧绑扎高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器，管径一般为19mm-38mm，管垂直高度约等同于桩长，其管状换热器出口距桩顶0.5m，其管状换热器出口弯曲向桩外并外加一带弯角的金属套管，整个金属套管长度约为100mm-300mm之间，管状换热器与金属套管之间绑扎保温材料，浇注混凝土后所有预置管件与方桩成为一体。
5.根据权利要求1所述的低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩，其特征是在预制钢筋混凝土方桩的分段接桩制作上段桩的制作过程中，在制作钢筋笼时同样绑扎高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器，管径一般为19mm-38mm，管状换热器垂直高度约等同于桩段长，其管状换热器出口距桩顶0.5m，其管状换热器出口弯曲向桩外并外加一带弯角的金属套管，整个金属套管长度约为100mm-300mm之间，管状换热器与金属套管之间绑扎保温材料，管状换热器下出口垂直向下，通过热融技术与中段桩中管状换热器垂直向上的出口相连接。
6.根据权利要求1所述的低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩，其特征是在预制钢筋混凝土方桩的分段接桩制作中段桩的制作过程中，在制作钢筋笼时同样绑扎高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器，管径一般为19mm-38mm，管状换热器垂直高度完全等于桩段长，其管状换热器上出口垂直向上，在上出口处外加一个0.5m长度的直金属套管，套管上加圆形钢盖，直径约为金属套管的外直径，厚度约为5mm，管状换热器上出口在钢盖下，沉桩施工结束后，圆形钢盖可自由取出，管状换热器的上出口通过热融技术与上段桩中管状换热器垂直向下的出口相连接。中段桩中管状换热器的下出口垂直向下，通过热融技术与下段桩中管状换热器垂直向上的出口相连接。
7.根据权利要求1所述的低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩，其特征是在预制钢筋混凝土方桩的分段接桩制作下段桩的制作过程中，在制作钢筋笼时同样绑扎高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器，管径一般为19mm-38mm，换热管垂直高度约等同于桩段长，其管状换热器底部距桩尖1m-2m，其管状换热器上出口垂直向上，在上出口处外加一个0.5m长度的直金属套管，套管上加圆形钢盖，直径约为金属套管的外直径，厚度约为5mm，管状换热器上出口在钢盖下，沉桩施工结束后，圆形钢盖可自由取出，管状换热器的上出口通过热融技术与中段桩中管状换热器垂直向下的出口相连接。
8.根据权利要求1所述的低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩，其特征是在方桩桩身内预置各类高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器，其形状可以是U型管形状换热管、螺旋型盘管形状换热器或其它形状的管状换热器，各类管状换热器预置在方桩内，并成为地源热泵的地下循环换热系统。
9.根据权利要求1所述的低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩，其特征是预置在桩身中的各类型管状换热器中需要充填热交换流体，该流体采用水、盐水或各种防冻剂溶液，形成封闭型循环系统。
10.根据权利要求1所述的低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩，其特征是安置在桩身中的U型管状换热器系统或螺旋型盘管换热器系统或其它形状的管状换热器系统，可以设置1-3组高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器。
全文摘要
一种低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩，它通过在预制钢筋混凝土方桩中埋设各形状的管状换热器装置进行承载、挡土支护、地基加固的同时，可以进行浅层低温地热能转换，起到桩基和地源热泵预成孔直接埋设管状换热器的双重作用。在采用焊接法接桩或法兰法接桩的预制钢筋混凝土方桩中的钢筋笼内沿，绑扎U型管状换热器或螺旋型盘管换热器或其它形状的管状换热器，随方桩沉桩至土(岩)层中。预制钢筋混凝土方桩内的各类管状换热器与地表管路连接，换热器管路内充填交换流体，通过管状换热器系统中的交换流体与钢筋笼、桩身混凝土、桩周土－水系统进行热交换，形成封闭式地源热泵的地下低温地热能交换器。
文档编号F24J3/08GK1804229SQ20061001654
公开日2006年7月19日 申请日期2006年1月19日 优先权日2006年1月19日
发明者张延军 申请人:张延军, 庞宇丽