CN111691452A - 基于建筑地下结构的地源热泵一体化技术及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于建筑地下结构的地源热泵一体化技术及其施工方法，本发明由建筑地下结构、地源热泵体系组成，地下结构位于地源热泵体系的上方，地源热泵体系由换热井、水平沟、控制机房组成，换热井内的双U型换热管通过水平管与控制机房连接，通过管道内的循环水收集利用地热能源，多个换热井可采用并联或串联布置共同工作。本发明提出的施工方法包括：施工准备、换热井钻孔、换热管下放、换热井回填、水平沟施工、地下结构底板施工、控制机房施工、地下结构继续施工。本发明基于建筑地下结构开展建设，不用占用额外的土地，施工不影响工程项目总工期，适用于多种场地条件和地热条件，是一种更加绿色环保的地热利用技术。
Description
技术领域
本发明属于地热利用技术领域，具体涉及基于建筑地下结构的地源热泵一体 化技术及其施工方法。
背景技术
随着我国社会和经济的发展与转型，传统单一的依赖化石燃料的能源结构难 以持续，新能源形式不断涌现，地热能源的开发利用作为一种重要的新能源形式 得到了极大发展。地源热泵技术是开发利用地热能源的一种技术，凭借这种技术 能够节约能源、减少污染物排放等优势，已成为地热利用的一种主要形式。经过 国内外大量应用实践证明，这种成熟的建筑节能技术将得到越来越多的应用。
地源热泵***利用地热能源需要敷设换热管将温度较低的换热液体(一般为 水)泵送至有一定地热的底层，通过水的流动将地热能源带至地上，从而起到循 环利用的效果。敷设换热管必须要在地下开钻换热井，传统换热井一般采用室外 钻孔方案，不仅造价较高，而且需要占用大量的土地，对于用地紧张同时地热资 源丰富的地区极不适用。因此，亟需提出一种可以结合建筑工程特点，位于建筑 下方的地源热泵技术体系。
发明内容
本发明的目的在于针对现有地源热泵技术中地埋管线受场地因素制约的问题，克服现有技术的不足，同时提高地热资源利用率，提供基于建筑地下结构的地源 热泵一体化技术及其施工方法。
为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：
基于建筑地下结构的地源热泵一体化技术由建筑地下结构、地源热泵体系组 成；
本发明所述的地下结构位于地源热泵体系的上方，由地下结构支护结构1、地 下结构外墙2、地下结构底板3组成，地下结构支护结构1为基坑施工时其支护作用 的支护桩或地下连续墙结构，地下结构外墙2为一定厚度的钢筋混凝土地下室外墙， 地下结构底板3为一定厚度的地下室底板，具有足够的强度和刚度，地下结构外墙2、地下结构底板3及其内部支撑结构共同形成了地下结构空间，起支撑建筑物上 部结构的作用；
本发明所述的地源热泵体系由换热井4、水平沟8、控制机房14组成；
换热井4由双U型换热管5、回填土6、回填粗砂7组成，换热井4的空间为采用 钻孔等方法在地下结构下方的土体中形成的细长竖向柱形空间，换热井4的深度按 照当地地热资源情况及土质条件决定；双U型换热管5为安装于换热井4内的供换热 水流淌的管道，可采用塑料材质或金属材质，双U型换热管5的长度为换热井4长度 的四倍，呈U型在换热井4内弯折三次，双U型换热管5内的换热水可四次流经整个 换热井4，以充分利用地热资源；回填土6位于换热井4的下部，为填充换热井4内 的土体，填充深度略小于换热井4的深度，回填粗砂7位于换热井4的上部，填充深 度较小，回填土6、回填粗砂7共同使双U型换热管5与周边土体充分接触；多个换 热井4共同工作，可呈正方形或梅花形排列，可采用并联或串联方式通过水平沟8 与控制机房14连接，换热井4之间的间距一般为4～5m，具体排列方式依据地下结构 形式、地热资源情况、土体地质情况等条件确定；
水平沟8位于地下结构底板3的下方，为连接的换热井4和控制机房14的水平结构，水平沟8由水平换热管9、细砂10、级配碎石11、热水循环管12、冷水循环管 13组成，水平沟8采用倒梯形截面，下部为细砂10材质填充，上部为级配碎石11材 质填充，水平换热管9或热水循环管12、冷水循环管13埋置于下部的细砂10中；
换热井4如果采用并联式连接，在水平沟8中并列铺设一根热水循环管12和一 根冷水循环管13，每个换热井4的双U型换热管5两端分别通过两根水平换热管9分 别与热水循环管12、冷水循环管13相连，形成并联回路，循环水首先从控制机房 14统一流入冷水循环管13内，进而从冷水循环管13流入每个并联支路换热井4的双 U型换热管5内，通过与地下土体换热后，循环水的水温升高，流出换热井4的双U 型换热管5，流入热水循环管12，热水循环管12内的循环水集中流回控制机房14， 完成地热能源的收集；
换热井4如果采用串联式连接，多个换热井4的双U型换热管5的两端通过水平 换热管9首尾相连，形成串联回路，回路的两端再与控制机房14连接，循环水从控 制机房14流出，依次经过串联回路上的各个换热井4的双U型换热管5，完成换热过 程，最后流回控制机房14，完成地热能源的收集；
换热井4采用并联式连接一般适用于换热井4数量较多，布置面积较大的情况； 换热井4采用串联式连接一般适用于换热井4较少，布置面积较小的情况；
控制机房14为安置换热泵机、控制装置等设施，同时供操作控制人员使用的 房间，控制机房14位于地下结构内，控制机房14的下部穿过地下底板，伸入地下 结构底板3下方一定距离，用于与水平沟8内的水平换热管9、热水循环管12及冷水 循环管13相连接。
本发明提出的基于建筑地下结构的地源热泵一体化技术，其施工方法主要包 括八个步骤：
第一步，施工准备：调查钻孔区域是否有地下管线、桩基或其他构筑物，确 定换热井4和水平沟8的布置方案和施工顺序，按照常规施工方法开展支护结构 施工，开挖基坑至设计深度；
第二步，换热井钻孔：在地下结构支护结构1施工完成后，在平整的基坑地 面上开展换热井4钻孔，按照设计要求将每一个换热井4钻至设计深度；
第三步，换热管下放：将折叠好的双U型换热管5放入换热井4的孔内，确 保伸入至设计深度，双U型换热管5的长度应比换热井4的孔深略长，以使其能 够露出一定长度，以便于后续施工；
第四步，换热井回填：采用灌浆等方法开展换热井4的回填施工，灌浆时自 下而上灌注封孔，确保钻孔灌浆密实、无空腔，待井中泥浆沉淀后形成回填土6， 换热井4的上部采用回填粗砂7回填密实；
第五步，水平沟施工：按设计方案开挖连接各个换热井4及控制机房14的水 平沟8，并在水平沟8铺设一定厚度的细砂10；按设计方案铺设连接水平换热管9、 热水循环管12、冷水循环管13，并将这些水平管与各个换热井4连接，水平管靠 近控制机房14一端预留足够长度，及时开展水压试验以检查所有管道的密封性； 在水平沟8内依次填充细砂10、级配碎石11，并充分压实；
第六步，地下结构底板施工：按照常规工序开展地下结构底板3施工，在地 下结构底板3上预留控制机房14的空间；
第七步，控制机房施工：按照常规工序开展控制机房14的钢筋混凝土结构施 工；及时将水平沟8内的水平管道安装接入控制机房14内，在控制机房14安装 换热泵机、控制装置等设施；
第八步，地下结构继续施工：按照常规工序开展剩余地下结构的所有施工。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提出的地源热泵一体化技术基于建筑地下结构开展建设，不用占 用额外的土地，节约用地，更加绿色环保；
(2)本发明提出的地源热泵一体化装置施工过程与建筑地下结构的施工同步， 不影响工程项目总工期；
(3)本发明提出的地源热泵一体化技术的换热井可采用并联式或串联式布置 形式，适用于多种场地条件和地热条件。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图2为本发明的换热井4的构造示意图。
图3为本发明的换热井4的正视图。
图4为本发明的水平沟8的断面图。
图5为本发明的换热管采用并联式布置的俯视图。
图6为本发明的换热管采用并联式布置的管线连接示意图。
图7为本发明的换热管采用串联式布置的俯视图。
图8为本发明的换热管采用串联式布置的管线连接示意图。
附图标记说明
1为地下结构支护结构，2为地下结构外墙，3为地下结构底板，4为换热井， 5为双U型换热管，6为回填土，7为回填粗砂，8为水平沟，9为水平换热管， 10为细砂，11为级配碎石，12为热水循环管，13为冷水循环管，14为控制机房。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的基于建筑地下结构的地源热 泵一体化技术及其施工方法的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的 优点和特征将更加清楚。需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非 是对本发明任何形式的限定。本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精 准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发 明可实施的限定条件。
实施例1：换热井并联布置
如图1～6所示，本实施例的地下结构位于地源热泵体系的上方，长宽均为20m， 深15m，由地下结构支护结构1、地下结构外墙2、地下结构底板3组成，地下结构 支护结构1为钻孔灌注桩，地下结构外墙2为1m厚的钢筋混凝土地下室外墙，地下 结构底板3为1m厚的地下室底板；
本实施例的地源热泵体系由换热井4、水平沟8、控制机房14组成；换热井4由 双U型换热管5、回填土6、回填粗砂7组成，换热井4为圆形，直径为0.6m，深30m； 双U型换热管5采用PVC塑料材质，双U型换热管5的长度为122m，呈U型在换热井4 内弯折三次，顶端露出换热井4约0.5m；回填土6位于换热井4的下部，为填充换热 井4内的土体，填充深度为28m，回填粗砂7位于换热井4的上部，填充深度为2m； 16个换热井4共同工作，呈正方形排列，采用并联方式通过水平沟8与控制机房14 连接，换热井4之间的间距为4m；
水平沟8位于地下结构底板3的下方，由水平换热管9、细砂10、级配碎石11、 热水循环管12、冷水循环管13组成，水平沟8的截面形式为上边长2m、下边长0.5m、 高1.5m的倒梯形截面，下部为细砂10材质填充，细砂10高度为0.5m，上部为级配 碎石11材质填充，高度为1.5m，水平换热管9、热水循环管12、冷水循环管13埋置 于下部的细砂10中；
如图5、6所示，换热井4采用并联式连接，在水平沟8中并列铺设一根热水循 环管12和一根冷水循环管13，每个换热井4的双U型换热管5两端分别通过两根水平 换热管9分别与热水循环管12、冷水循环管13相连，形成并联回路，循环水首先从 控制机房14统一流入冷水循环管13内，进而从冷水循环管13流入每个并联支路换 热井4的双U型换热管5内，通过与地下土体换热后，循环水的水温升高，流出换热 井4的双U型换热管5，流入热水循环管12，热水循环管12内的循环水集中流回控制 机房14，完成地热能源的收集；
控制机房14位于地下结构内，控制机房14的下部穿过地下底板，伸入地下结 构底板3下方一定距离，用于与水平沟8内的水平换热管9、热水循环管12及冷水循 环管13相连接。
实施例2：换热井串联布置
如图1～4、7、8所示，本实施例的地下结构位于地源热泵体系的上方，长宽均 为20m，深15m，由地下结构支护结构1、地下结构外墙2、地下结构底板3组成， 地下结构支护结构1为钻孔灌注桩，地下结构外墙2为1m厚的钢筋混凝土地下室外 墙，地下结构底板3为1m厚的地下室底板；
本实施例的地源热泵体系由换热井4、水平沟8、控制机房14组成；换热井4由 双U型换热管5、回填土6、回填粗砂7组成，换热井4为圆形，直径为0.6m，深30m； 双U型换热管5采用PVC塑料材质，双U型换热管5的长度为122m，呈U型在换热井4 内弯折三次，顶端露出换热井4约0.5m；回填土6位于换热井4的下部，为填充换热 井4内的土体，填充深度为28m，回填粗砂7位于换热井4的上部，填充深度为2m； 16个换热井4共同工作，呈正方形排列，采用并联方式通过水平沟8与控制机房14 连接，换热井4之间的间距为4m；
水平沟8位于地下结构底板3的下方，由水平换热管9、细砂10、级配碎石11组 成，水平沟8的截面形式为上边长2m、下边长0.5m、高1.5m的倒梯形截面，下部为 细砂10材质填充，细砂10高度为0.5m，上部为级配碎石11材质填充，高度为1.5m， 水平换热管9埋置于下部的细砂10中；
换热井4采用串联式连接，16个换热井4的双U型换热管5的两端通过水平换热 管9首尾相连，形成串联回路，回路的两端再与控制机房14连接，循环水从控制机 房14流出，依次经过串联回路上的各个换热井4的双U型换热管5，完成换热过程， 最后流回控制机房14，完成地热能源的收集；
控制机房14位于地下结构内，控制机房14的下部穿过地下底板，伸入地下结 构底板3下方一定距离，用于与水平沟8内的水平换热管9、热水循环管12及冷水循 环管13相连接。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。 任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰 均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (2)
1.基于建筑地下结构的地源热泵一体化技术，其特征在于：基于建筑地下结构的地源热泵一体化技术由建筑地下结构、地源热泵体系组成；
所述地下结构位于地源热泵体系的上方，由地下结构支护结构(1)、地下结构外墙(2)、地下结构底板(3)组成，地下结构支护结构(1)为基坑施工时其支护作用的支护桩或地下连续墙结构，地下结构外墙(2)为一定厚度的钢筋混凝土地下室外墙，地下结构底板(3)为一定厚度的地下室底板，具有足够的强度和刚度，地下结构外墙(2)、地下结构底板(3)及其内部支撑结构共同形成了地下结构空间，起支撑建筑物上部结构的作用；
所述地源热泵体系由换热井(4)、水平沟(8)、控制机房(14)组成；
所述换热井(4)由双U型换热管(5)、回填土(6)、回填粗砂(7)组成，换热井(4)的空间为采用钻孔等方法在地下结构下方的土体中形成的细长竖向柱形空间，换热井(4)的深度按照当地地热资源情况及土质条件决定；双U型换热管(5)为安装于换热井(4)内的供换热水流淌的管道，可采用塑料材质或金属材质，双U型换热管(5)的长度为换热井(4)长度的四倍，呈U型在换热井(4)内弯折三次，双U型换热管(5)内的换热水可四次流经整个换热井(4)，以充分利用地热资源；回填土(6)位于换热井(4)的下部，为填充换热井(4)内的土体，填充深度略小于换热井(4)的深度，回填粗砂(7)位于换热井(4)的上部，填充深度较小，回填土(6)、回填粗砂(7)共同使双U型换热管(5)与周边土体充分接触；多个换热井(4)共同工作，可呈正方形或梅花形排列，可采用并联或串联方式通过水平沟(8)与控制机房(14)连接，换热井(4)之间的间距一般为4～5m，具体排列方式依据地下结构形式、地热资源情况、土体地质情况等条件确定；
水平沟(8)位于地下结构底板(3)的下方，为连接的换热井(4)和控制机房(14)的水平结构，水平沟(8)由水平换热管(9)、细砂(10)、级配碎石(11)、热水循环管(12)、冷水循环管(13)组成，水平沟(8)采用倒梯形截面，下部为细砂(10)材质填充，上部为级配碎石(11)材质填充，水平换热管(9)或热水循环管(12)、冷水循环管(13)埋置于下部的细砂(10)中；
如果换热井(4)采用并联式连接，在水平沟(8)中并列铺设一根热水循环管(12)和一根冷水循环管(13)，每个换热井(4)的双U型换热管(5)两端分别通过两根水平换热管(9)分别与热水循环管(12)、冷水循环管(13)相连，形成并联回路，循环水首先从控制机房(14)统一流入冷水循环管(13)内，进而从冷水循环管(13)流入每个并联支路换热井(4)的双U型换热管(5)内，通过与地下土体换热后，循环水的水温升高，流出换热井(4)的双U型换热管(5)，流入热水循环管(12)，热水循环管(12)内的循环水集中流回控制机房(14)，完成地热能源的收集；
如果换热井(4)采用串联式连接，则多个换热井(4)的双U型换热管(5)的两端通过水平换热管(9)首尾相连，形成串联回路，回路的两端再与控制机房(14)连接，循环水从控制机房(14)流出，依次经过串联回路上的各个换热井(4)的双U型换热管(5)，完成换热过程，最后流回控制机房(14)，完成地热能源的收集；
换热井(4)采用并联式连接一般适用于换热井(4)数量较多，布置面积较大的情况；换热井(4)采用串联式连接一般适用于换热井(4)较少，布置面积较小的情况；
控制机房(14)为安置换热泵机、控制装置等设施，同时供操作控制人员使用的房间，控制机房(14)位于地下结构内，控制机房(14)的下部穿过地下底板，伸入地下结构底板(3)下方一定距离，用于与水平沟(8)内的水平换热管(9)、热水循环管(12)及冷水循环管(13)相连接。
2.根据权利要求1所述的基于建筑地下结构的地源热泵一体化技术，其施工方法主要包括8个步骤：
①施工准备：调查钻孔区域是否有地下管线、桩基或其他构筑物，确定换热井(4)和水平沟(8)的布置方案和施工顺序，按照常规施工方法开展支护结构施工，开挖基坑至设计深度；
②换热井钻孔：在地下结构支护结构(1)施工完成后，在平整的基坑地面上开展换热井(4)钻孔，按照设计要求将每一个换热井(4)钻至设计深度；
③换热管下放：将折叠好的双U型换热管(5)放入换热井(4)的孔内，确保伸入至设计深度，双U型换热管(5)的长度应比换热井(4)的孔深略长，以使其能够露出一定长度，以便于后续施工；
④换热井回填：采用灌浆等方法开展换热井(4)的回填施工，灌浆时自下而上灌注封孔，确保钻孔灌浆密实、无空腔，待井中泥浆沉淀后形成回填土(6)，换热井(4)的上部采用回填粗砂(7)回填密实；
⑤水平沟施工：按设计方案开挖连接各个换热井(4)及控制机房(14)的水平沟(8)，并在水平沟(8)铺设一定厚度的细砂(10)；按设计方案铺设连接水平换热管(9)、热水循环管(12)、冷水循环管(13)，并将这些水平管与各个换热井(4)连接，水平管靠近控制机房(14)一端预留足够长度，及时开展水压试验以检查所有管道的密封性；在水平沟(8)内依次填充细砂(10)、级配碎石(11)，并充分压实；
⑥地下结构底板施工：按照常规工序开展地下结构底板(3)施工，在地下结构底板(3)上预留控制机房(14)的空间；
⑦控制机房施工：按照常规工序开展控制机房(14)的钢筋混凝土结构施工；及时将水平沟(8)内的水平管道安装接入控制机房(14)内，在控制机房(14)安装换热泵机、控制装置等设施；
⑧地下结构继续施工：按照常规工序开展剩余地下结构的所有施工。
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