CN103132517B - 带膨胀换热器的地源热能锚杆及施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种带膨胀换热器的地源热能锚杆，包括杆体(1)，杆体(1)的下方设有膨胀换热器(7)，杆体(1)内沿轴向并列设有进液管(5)和出液管(6)，进液管(5)和出液管(6)的顶端从杆体(1)的上部穿出，进液管(5)的出液口与所述膨胀换热器(7)相连，出液管(6)的进液口与所述膨胀换热器(7)相连，膨胀换热器(7)采用在向膨胀换热器(7)内注入7MPa以下流体时可向外膨胀展开折叠状态的材料制成，膨胀换热器(7)的外部包覆有水泥砂浆层(20)。其目的在于提供一种可降低地源热泵钻孔埋设成本，节约用地面积，更加节能、环保，换热效率极高的带膨胀换热器的地源热能锚杆及施工方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种带膨胀换热器的地源热能锚杆及施工方法。
背景技术
地源热泵***是将管状换热器埋于地下提取地源热能，然后将地源热能提供给建筑物，但现有的地源热泵由于管状换热器中的水介质在地下的停留时间较短，以及地下的沙石土壤与换热器的接触面积较小，导致换热效果不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可降低地源热泵钻孔埋设成本，节约用地面积，更加节能、环保，换热效率极高的带膨胀换热器的地源热能锚杆及施工方法。
本发明的带膨胀换热器的地源热能锚杆，包括杆体，所述杆体的下方设有膨胀换热器，杆体内沿轴向并列设有进液管和出液管，进液管和出液管的顶端从杆体的上部穿出，进液管的出液口与所述膨胀换热器相连，所述出液管的进液口与所述膨胀换热器相连，膨胀换热器采用在向膨胀换热器内注入7MPa流体时可向外膨胀展开折叠状态的材料制成，膨胀换热器的外部包覆有水泥砂浆层。
本发明带膨胀换热器的地源热能锚杆，其中所述膨胀换热器膨胀展开后呈圆球体或椭圆球体或圆柱体或三角形截面柱体或矩形截面柱体或六边形截面柱体或八边形截面柱体或顶端小、底端大的圆台形柱体或水滴形或多个串联的圆球体或多个串联的椭圆球体或多个串联的水滴形。
本发明带膨胀换热器的地源热能锚杆，其中所述杆体内沿轴向设有注浆管和一根以上的钢绞线或钢筋，杆体内的底端设有承载体，承载体与钢绞线或带套管钢筋固定相连，所述杆体内自上而下间隔设有多个隔离定位架，所述注浆管、所述钢绞线或钢筋、所述进液管和所述出液管分别与每个隔离定位架固定相连，所述膨胀换热器采用厚度为0.4-2mm的高强度防渗土工膜或高强度复合土工布或高强度涂胶无纺布或薄钢片或锌皮铁制成。
本发明带膨胀换热器的地源热能锚杆，其中所述膨胀换热器的中部沿轴向设有注浆管过孔，所述注浆管沿注浆管过孔穿过膨胀换热器延伸到膨胀换热器的下方。
本发明带膨胀换热器的地源热能锚杆，其中所述膨胀换热器的壁上环绕设有一个以上的挤扩环，挤扩环膨胀展开后的截面呈向外凸起的半圆形或三角形或矩形或梯形，挤扩环的边缘与膨胀换热器的壁相连为一体，所述钢绞线为无粘结钢绞线，所述钢筋为带套管钢筋，相邻的所述隔离定位架之间的距离为0.5-2米，所述进液管的出液口位于所述膨胀换热器内的下部，所述出液管的进液口位于所述膨胀换热器内的上部。
本发明带膨胀换热器的地源热能锚杆，其中位于所述杆体顶端周边的地面上铺设有垫层，垫层的顶端铺设有底板，底板的顶端铺设有锚板，锚板的顶端设有锁紧装置，所述钢绞线或所述钢筋向上穿过所述垫层、所述底板和所述锚板后与锁紧装置相连，所述注浆管向上穿过垫层、底板和锚板，所述水泥砂浆层的厚度为0.2-1米，所述膨胀换热器内部的容积为1-20立方米。
本发明带膨胀换热器的地源热能锚杆，其中所述进液管的进口与水平进液管的出口相连，水平进液管沿水平方向穿过所述垫层后与外管路相连，所述出液管的出口与水平出液管的进口相连，水平出液管沿水平方向穿过所述垫层后与外管路相连，水平进液管和水平出液管的外侧壁上包覆有保温层，保温层外套装有金属护套管。
本发明带膨胀换热器的地源热能锚杆，其中所述进液管和所述出液管分别向上穿过所述垫层、所述底板和所述锚板后与外管路相连，进液管和出液管的外侧壁上套装有多节金属套管，金属套管的内侧壁与进液管的外侧壁和出液管的外侧壁之间设有多个橡胶止水环，在金属套管内侧壁与进液管外侧壁中的橡胶止水环之间填充有膨胀水泥。
带膨胀换热器的地源热能锚杆的施工方法，其特征是：包括以下步骤：
A、将钻机就位，并将钻杆定位于锚孔位置处，在锚孔位置处施打设计深度的钻孔；
B、启动高压注浆泵，在提钻的同时，在锚孔的下部以20-40MPa的压力进行清水或水泥基浆液的高压喷射注浆，以扩大锚孔下部的直径至设计要求，并将钻杆及钻头逐渐退出锚孔；
C、将注浆管、进液管与出液管利用隔离架进行安装连接，让注浆管的下部沿轴线方向穿过膨胀换热器，再将膨胀换热器缠绕在注浆管上，形成一个锚孔插件；
D、将锚孔插件顺着锚孔***至锚孔浆液中的设计位置，通过进液管向膨胀换热器内压注入水或含防冻剂的水，使膨胀换热器膨胀开来，然后对进液管和出液管的两端进行封堵，以防止泥浆进入管内，同时保持膨胀换热器、进液管和出液管内存水，以保证注浆时膨胀换热器、进液管和出液管不变形；
E、用注浆泵或泥浆泵通过注浆管将回填物从锚孔底部自下而上压入锚孔内，进行锚孔内注浆，直到注满整个锚孔。
本发明的带膨胀换热器的地源热能锚杆的施工方法，其中所述步骤B中的高压喷射注浆方法可采用单管法或双重管法或三重管法或多重管法，所述锚孔的孔径为120-300mm；所述步骤C中还包括将锚杆钢绞线或带套管钢筋利用隔离架进行安装连接；所述步骤E中注浆管一边注浆一边对其进行提升；所述步骤E中还包括在垫层内设置水平进液管和水平出液管，所述进液管的进口与水平进液管的出口相连，所述出液管的出口与水平出液管的进口相连。
本发明的带膨胀换热器的地源热能锚杆及施工方法，其杆体的下方设有膨胀换热器，杆体内沿轴向并列设有进液管和出液管，进液管和出液管的顶端从杆体的上部穿出，进液管的出液口与所述膨胀换热器相连，所述出液管的进液口与所述膨胀换热器相连，膨胀换热器采用在向膨胀换热器内注入7MPa以下流体时可向外膨胀展开折叠状态的材料制成，膨胀换热器的外部包覆有水泥砂浆层。本发明的带膨胀换热器的地源热能锚杆在使用时，可将空调***或供暖***的循环水通过进液管输送至膨胀换热器内，在地下提取热能后，再通过出液管被送回空调***或供暖***。与现有的管路式换热器相比，由于导热水流可在膨胀换热器停留更长时间，并且水泥砂浆层在地下会向外挤扩，压实水泥砂浆层周围的沙石土壤，故极大地提高了本发明的带膨胀换热器的地源热能锚杆的换热效率。由于采取锚杆施工和地源热泵钻孔埋管施工一体化，大大降低了成本，节约了用地面积，减少了施工对换热器的扰动、破坏，保证了换热器的安全性能，而换热杆的存在保证了换热效率，该锚杆不仅能起到抗浮的目的，又可利用地源温度与外界温度的差异进行热交换，以达到节能环保的目标。因此，本发明的带膨胀换热器的地源热能锚杆及施工方法具有可降低地源热泵钻孔埋设成本，节约用地面积，提高施工效率和换热效率，也更加节能、环保的特点。
下面结合附图及实施例详述本发明。
附图说明
图1为本发明的带膨胀换热器的地源热能锚杆的结构示意图的主视剖面图；
图2为图1的A-A截面的剖面图；
图3为本发明的带膨胀换热器的地源热能锚杆的地面部分的一种实施方式的结构示意图的主视剖面图；
图4为本发明的带膨胀换热器的地源热能锚杆的地面部分的另一种实施方式的结构示意图的主视剖面图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的带膨胀换热器的地源热能锚杆，包括杆体1，杆体1可采用水泥砂浆浇筑制成，杆体1的下方设有膨胀换热器7，杆体1内沿轴向并列设有进液管5和出液管6，进液管5和出液管6的顶端从杆体1的上部穿出，进液管5的出液口与膨胀换热器7相连，出液管6的进液口与膨胀换热器7相连，膨胀换热器7采用在向膨胀换热器7内注入7MPa以下导热流体时可向外膨胀展开折叠状态的材料制成。膨胀换热器7膨胀展开后呈圆球体或椭圆球体，膨胀换热器7膨胀展开后也可以是呈圆柱体或三角形截面柱体或矩形截面柱体或六边形截面柱体或八边形截面柱体或顶端小、底端大的圆台形柱体或水滴形或多个串联的圆球体或多个串联的椭圆球体或多个串联的水滴形，膨胀换热器7的外部包覆有水泥砂浆层20，膨胀换热器7的壁上环绕设有一个以上的挤扩环10，挤扩环10膨胀展开后的截面呈向外凸起的半圆形或三角形或矩形或梯形，挤扩环10的边缘与膨胀换热器7的壁相连为一体。
上述杆体1内沿轴向设有注浆管2和和1根或2根或4根或6根或8根钢绞线3，或者是设有1根或2根或4根或6根或8根带套管钢筋，杆体1内的底端设有1个或多个承载体4，承载体4与钢绞线3或带套管钢筋固定相连，杆体1内自上而下间隔设有多个隔离定位架8，注浆管2、钢绞线3或钢筋、进液管5和出液管6分别与每个隔离定位架8固定相连，膨胀换热器7采用厚度为0.4-2mm的高强度防渗土工膜或高强度复合土工布或高强度涂胶无纺布或薄钢片或锌皮铁制成。
作为本发明的改进，上述膨胀换热器7的中部沿轴向设有注浆管过孔19，注浆管2沿注浆管过孔19穿过膨胀换热器7延伸到膨胀换热器7的下方。
作为本发明的进一步改进，上述钢绞线3为无粘结钢绞线3，钢筋为带套管钢筋，相邻的隔离定位架8之间的距离为0.5-2米，所述进液管5的出液口位于膨胀换热器7内的下部，所述出液管6的进液口位于膨胀换热器7内的上部。
如图3和图4所示，作为本发明的进一步改进，上述位于杆体1顶端周边的地面上铺设有垫层11，垫层11的顶端铺设有底板12，底板12的顶端铺设有锚板13，锚板13的顶端设有锁紧装置14，钢绞线3或钢筋向上穿过垫层11、底板12和锚板13后与锁紧装置14相连，注浆管2向上穿过垫层11、底板12和锚板13，水泥砂浆层20的厚度为0.2-1米，膨胀换热器7内部的容积为1-20立方米。
如图3所示，上述进液管5的进口与水平进液管15的出口相连，水平进液管15沿水平方向穿过垫层11后与外管路相连，出液管6的出口与水平出液管16的进口相连，水平出液管16沿水平方向穿过垫层11后与外管路相连，水平进液管15和水平出液管16的外侧壁上包覆有保温层，保温层外套装有金属护套管。
如图4所示，上述进液管5和出液管6也可以是分别向上穿过垫层11、底板12和锚板13后与外管路相连，进液管5和出液管6的外侧壁上套装有多节金属套管，金属套管的内侧壁与进液管5的外侧壁和出液管6的外侧壁之间设有多个橡胶止水环17，在金属套管内侧壁与进液管5外侧壁中的橡胶止水环17之间填充有膨胀水泥18。
本发明的带膨胀换热器的地源热能锚杆的施工方法，其包括以下步骤：
A、将钻机就位，并将钻杆定位于锚孔位置处，在锚孔位置处施打设计深度的钻孔；
B、启动高压注浆泵，在提钻的同时，在锚孔的下部以20-40MPa的压力进行清水或水泥基浆液的高压喷射注浆，以扩大锚孔下部的直径至设计要求，并将钻杆及钻头逐渐退出锚孔；
C、将注浆管2、进液管5与出液管6利用隔离定位架8进行安装连接，让注浆管2的下部沿轴线方向穿过膨胀换热器7，再将膨胀换热器7缠绕在注浆管2上，形成一个锚孔插件；
D、将锚孔插件顺着锚孔***至锚孔浆液中的设计位置，通过进液管5向膨胀换热器7内压注入水或含防冻剂的水，使膨胀换热器7膨胀开来，然后对进液管5和出液管6的两端进行封堵，以防止泥浆进入管内，同时保持膨胀换热器7、进液管5和出液管6内存水，以保证注浆时膨胀换热器7、进液管5和出液管6不变形。
E、用注浆泵或泥浆泵通过注浆管2将回填物从锚孔底部自下而上压入锚孔内，进行锚孔内注浆，直到注满整个锚孔。
上述步骤B中的高压喷射注浆方法可采用单管法或双重管法或三重管法或多重管法，锚孔的孔径为120-300mm；上述步骤C中还包括将锚杆钢绞线3或带套管钢筋利用隔离架进行安装连接；上述步骤E中注浆管2一边注浆一边对其进行提升；上述步骤E中还包括在垫层11内设置水平进液管15和水平出液管16，进液管5的进口与水平进液管15的出口相连，出液管6的出口与水平出液管16的进口相连。
本发明的带膨胀换热器的地源热能锚杆在使用时，可将空调***或供暖***的循环水通过进液管5输送至膨胀换热器7内，在地下提取热能后，再通过出液管6被送回空调***或供暖***。与现有的管路式换热器相比，由于导热水流可在膨胀换热器7停留更长时间，并且水泥砂浆层20在地下会向外挤扩，压实水泥砂浆层20周围的沙石土壤，故极大地提高了本发明的带膨胀换热器的地源热能锚杆的换热效率。因此，本发明的带膨胀换热器的地源热能锚杆更加节能、环保。
上面所述的实施例仅仅是对本发明优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.带膨胀换热器的地源热能锚杆，包括杆体(1)，其特征是：所述杆体(1)的下方设有膨胀换热器(7)，杆体(1)内沿轴向并列设有进液管(5)和出液管(6)，进液管(5)和出液管(6)的顶端从杆体(1)的上部穿出，进液管(5)的出液口与所述膨胀换热器(7)相连，所述出液管(6)的进液口与所述膨胀换热器(7)相连，膨胀换热器(7)采用在向膨胀换热器(7)内注入7MPa流体时可向外膨胀展开折叠状态的材料制成，膨胀换热器(7)的外部包覆有水泥砂浆层(20)。
2.如权利要求1所述的带膨胀换热器的地源热能锚杆，其特征是：所述膨胀换热器(7)膨胀展开后呈圆球体或椭圆球体或圆柱体或三角形截面柱体或矩形截面柱体或六边形截面柱体或八边形截面柱体或顶端小、底端大的圆台形柱体或水滴形或多个串联的圆球体或多个串联的椭圆球体或多个串联的水滴形。
3.如权利要求2所述的带膨胀换热器的地源热能锚杆，其特征是：所述杆体(1)内沿轴向设有注浆管(2)和一根以上的钢绞线(3)或钢筋，杆体(1)内的底端设有承载体(4)，承载体(4)与钢绞线(3)或带套管钢筋固定相连，所述杆体(1)内自上而下间隔设有多个隔离定位架(8)，所述注浆管(2)、所述钢绞线(3)或钢筋、所述进液管(5)和所述出液管(6)分别与每个隔离定位架(8)固定相连，所述膨胀换热器(7)采用厚度为0.4-2mm的高强度防渗土工膜或高强度复合土工布或高强度涂胶无纺布或薄钢片或锌皮铁制成。
4.如权利要求3所述的带膨胀换热器的地源热能锚杆，其特征是：所述膨胀换热器(7)的中部沿轴向设有注浆管过孔(19)，所述注浆管(2)沿注浆管过孔(19)穿过膨胀换热器(7)延伸到膨胀换热器(7)的下方。
5.如权利要求4所述的带膨胀换热器的地源热能锚杆，其特征是：所述膨胀换热器(7)的壁上环绕设有一个以上的挤扩环(10)，挤扩环(10)膨胀展开后的截面呈向外凸起的半圆形或三角形或矩形或梯形，挤扩环(10)的边缘与膨胀换热器(7)的壁相连为一体，所述钢绞线(3)为无粘结钢绞线(3)，所述钢筋为带套管钢筋，相邻的所述隔离定位架(8)之间的距离为0.5-2米，所述进液管(5)的出液口位于所述膨胀换热器(7)内的下部，所述出液管(6)的进液口位于所述膨胀换热器(7)内的上部。
6.如权利要求5所述的带膨胀换热器的地源热能锚杆，其特征是：位于所述杆体(1)顶端周边的地面上铺设有垫层(11)，垫层(11)的顶端铺设有底板(12)，底板(12)的顶端铺设有锚板(13)，锚板(13)的顶端设有锁紧装置(14)，所述钢绞线(3)或所述钢筋向上穿过所述垫层(11)、所述底板(12)和所述锚板(13)后与锁紧装置(14)相连，所述注浆管(2)向上穿过垫层(11)、底板(12)和锚板(13)，所述水泥砂浆层(20)的厚度为0.2-1米，所述膨胀换热器(7)内部的容积为1-20立方米。
7.如权利要求6所述的带膨胀换热器的地源热能锚杆，其特征是：所述进液管(5)的进口与水平进液管(15)的出口相连，水平进液管(15)沿水平方向穿过所述垫层(11)后与外管路相连，所述出液管(6)的出口与水平出液管(16)的进口相连，水平出液管(16)沿水平方向穿过所述垫层(11)后与外管路相连，水平进液管(15)和水平出液管(16)的外侧壁上包覆有保温层，保温层外套装有金属护套管。
8.如权利要求6所述的带膨胀换热器的地源热能锚杆，其特征是：所述进液管(5)和所述出液管(6)分别向上穿过所述垫层(11)、所述底板(12)和所述锚板(13)后与外管路相连，进液管(5)和出液管(6)的外侧壁上套装有多节金属套管，金属套管的内侧壁与进液管(5)的外侧壁和出液管(6)的外侧壁之间设有多个橡胶止水环(17)，在金属套管内侧壁与进液管(5)外侧壁中的橡胶止水环(17)之间填充有膨胀水泥(18)。
9.带膨胀换热器的地源热能锚杆的施工方法，其特征是：包括以下步骤：
A、将钻机就位，并将钻杆定位于锚孔位置处，在锚孔位置处施打设计深度的钻孔；
B、启动高压注浆泵，在提钻的同时，在锚孔的下部以20-40MPa的压力进行清水或水泥基浆液的高压喷射注浆，以扩大锚孔下部的直径至设计要求，并将钻杆及钻头逐渐退出锚孔；
C、将注浆管(2)、进液管(5)与出液管(6)利用隔离定位架(8)进行安装连接，让注浆管(2)的下部沿轴线方向穿过膨胀换热器(7)，再将膨胀换热器(7)缠绕在注浆管(2)上，形成一个锚孔插件；
D、将锚孔插件顺着锚孔***至锚孔浆液中的设计位置，通过进液管(5)向膨胀换热器(7)内压注入水或含防冻剂的水，使膨胀换热器(7)膨胀开来，然后对进液管(5)和出液管(6)的两端进行封堵，以防止泥浆进入管内，同时保持膨胀换热器(7)、进液管(5)和出液管(6)内存水，以保证注浆时膨胀换热器(7)、进液管(5)和出液管(6)不变形；
E、用注浆泵或泥浆泵通过注浆管(2)将回填物从锚孔底部自下而上压入锚孔内，进行锚孔内注浆，直到注满整个锚孔。
10.如权利要求9所述的带膨胀换热器的地源热能锚杆的施工方法，其特征是：所述步骤B中的高压喷射注浆方法可采用单管法或双重管法或三重管法或多重管法，所述锚孔的孔径为120-300mm；所述步骤C中还包括将锚杆钢绞线(3)或带套管钢筋利用隔离架进行安装连接；所述步骤E中注浆管(2)一边注浆一边对其进行提升；所述步骤E中还包括在垫层(11)内设置水平进液管(15)和水平出液管(16)，所述进液管(5)的进口与水平进液管(15)的出口相连，所述出液管(6)的出口与水平出液管(16)的进口相连。
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