CN115094875B - 一种高导热透水能源桩及其制造方法 - Google Patents

一种高导热透水能源桩及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高导热透水能源桩及其制造方法，其中，一种高导热透水能源桩，包括混凝土桩身、埋设在混凝土桩身中的钢筋骨架以及换热管结构，换热管结构包括固设于钢筋骨架上的多根换热管、连接各所述换热管进水口的主进水管道、连接各换热管出水口的主出水管道、与主进水管道连接的进水管以及与主出水管道连接的出水管。本发明的高导热透水能源桩，换热管结构固定在内、外层钢筋笼上，使得换热管结构与内、外层钢筋笼形成一个相连的整体，加强了透水能源桩的稳定性，液体通过多根换热管接触更大面积的被加热的混凝土，从而提升能源桩换热效率。

Description

一种高导热透水能源桩及其制造方法
技术领域
本发明涉及建筑领域，特别涉及一种高导热透水能源桩及其制造方法。
背景技术
开发利用地热能，对降低建筑运行过程碳排放总量具有重大意义，更是
实现我国“双碳”战略目标的重要举措。以能源桩为代表的新型垂直埋管地源热泵***将换热器预先埋设在建筑物桩基中，通过换热器内部的循环液在地面建筑设施附属的循环***和桩基础内换热器之间循环流动进行能量交换，从而实现为地面建筑供暖/制冷的目标。能源桩***可以在施工过程中与建筑桩基同时进行，无需占用额外的时间和施工空间，在兼顾经济性的同时具有极大的环境效益。
目前，尽管能源桩的应用比之前广泛的多，但关于该项技术的探究依旧滞后，通过优化换热器型式、运行方式等提高能源桩的热交换效率遇到瓶颈，无法进一步提升浅层地热能的利用效率，传统能源桩桩身混凝土导热系数低，且不能充分利用地下水的热对流作用，换热效率难以进一步提升。因此，研究如何高效提高能源桩热交换性能具有重要的现实意义和社会意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种高导热透水能源桩，以及一种高导热透水能源桩的制造方法。
一种高导热透水能源桩，包括混凝土桩身、埋设在混凝土桩身中的钢筋骨架以及换热管结构，所述换热管结构包括固设于钢筋骨架上的多根换热管、连接各所述换热管进水口的主进水管道、连接各换热管出水口的主出水管道、与主进水管道连接的进水管以及与主出水管道连接的出水管，所述钢筋骨架由内外两层圆筒状的钢筋笼同心设置而成，所述换热管为U形换热管，所述U形换热管沿内层钢筋笼周向均匀分布且沿径向布置，各所述U形换热管的内管固定在内层钢筋笼内侧，各所述U型换热管的外管固定在外层钢筋笼内侧，各所述U型换热管的出水口在外管上端，各所述U型换热管的进水口在内管上端，主进水管道和主出水管道均为环形管道。
优选的，所述钢筋笼表面涂防锈银漆。
一种高导热透水能源桩的制造方法，包括如下步骤：步骤1、将所述的U型换热管的内管固定在内层钢筋笼的内侧，U型换热管的外管固定在外层钢筋笼内侧，将U型换热管的内管与主进水管道连接，将U型换热管的外管与主出水管道连接，通过吊装机械将内、外层钢筋笼和U型换热管一起***桩孔中，内、外层钢筋笼与桩孔的底部以及桩孔的侧壁均有间隙，与主进水管道和主出水管道对应相连的进、出水管要伸出桩体外表；
步骤2、向桩孔中添加高导透水热混凝土形成桩身，进行养护；所述高导透水热混凝土在制作时采用以下重量份的组份搅拌而成：水14.5～15.5份，水泥41～42份，碎石150～155份，碳化硅2.5～7.9份，增强剂2.6～2.7份，减水剂0.7～0.8份。
优选的，所述碎石为石灰岩碎石，粒径为5～12mm。
优选的，所述减水剂为萘系高效减水剂，主要成分为β萘磺酸钠甲醛缩合物，减水率16％～22％。
优选的，所述碳化硅为1200目绿碳化硅粉末。
优选的，所述增强剂为SR生态砼增强剂。
本发明的有益效果为：高导热透水能源桩，换热管结构固定在内、外层钢筋笼上，使得换热管结构与内、外层钢筋笼形成一个相连的整体，加强了透水能源桩的稳定性，多根换热管通过环形的主进水管道和主出水管道相连，液体通过多根换热管接触更大面积的被加热的混凝土，桩身混凝土中添加的碳化硅提高了桩身混凝土导热系数，舍弃砂子使得桩身具有透水性，桩身透水以便于充分利用地下水的热对流作用，从而提升能源桩换热效率。
高导热透水能源桩的制造方法，采用高导热透水混凝土形成桩身，与主进水管道和主出水管道相连的进出水管要伸出桩体外表面，高导热透水混凝土在制作时的组份中，添加碳化硅，在水泥石内部形成有效的碳化硅导热通道，提高了透水混凝土的有效导热系数，从而保证了透水能源桩的换热效率。添加增强剂，使透水混凝土内部的水泥石和骨料形成更高强度的粘结面，提高了透水混凝土的抗压强度，从而保证了透水能源桩的承载力。
碳化硅的掺量为初始水泥重量分数的15％时，导热性能最高。其中，初始水泥重量为含水泥、碳化硅、减水剂和增强剂的总重量。
附图说明
图1是本发明实施例中高导热透水能源桩的结构示意图。
图2是图1的A-A截面结构示意图。
图3是图1的俯视结构示意图。
图4是本发明实施例中钢筋骨架的结构示意图。
图5是本发明的混凝土导热系数变化趋势图。
具体实施方式
下面结合附图进行具体说明。
实施例1
一种高导热透水能源桩，如图1-5所示，包括混凝土桩身1、埋设在混凝土桩身中的钢筋骨架以及换热管结构，换热管结构包括固设于钢筋骨架上的多根U形换热管2、连接各U形换热管进水口的主进水管道7、连接各换热管出水口的主出水管道6、与主进水管道连接的进水管8以及与主出水管道连接的出水管5，钢筋骨架由内外两层圆筒状的钢筋笼同心设置而成，钢筋笼表面涂防锈银漆。U形换热管沿内层钢筋笼3周向均匀分布且沿径向布置，各U形换热管的内管固定在内层钢筋笼内侧，各U型换热管的外管固定在外层钢筋笼4的内侧，各U型换热管的出水口在外管上端，各U型换热管的进水口在内管上端，主进水管道和主出水管道均为环形管道。
本实施例的有益效果为：高导热透水能源桩，换热管结构固定在内、外层钢筋笼上，使得换热管结构与内、外层钢筋笼形成一个相连的整体，加强了透水能源桩的稳定性，多根换热管通过环形的主进水管道和主出水管道相连，液体通过多根换热管接触更大面积的被加热的混凝土。
实施例2
一种高导热透水能源桩的制造方法，如图1-5所示，包括如下步骤：步骤1、将所述的U型换热管的内管固定在内层钢筋笼的内侧，U型换热管的外管固定在外层钢筋笼内侧，将U型换热管的内管与主进水管道连接，将U型换热管的外管与主出水管道连接，通过吊装机械将内、外层钢筋笼和U型换热管一起***桩孔中，内、外层钢筋笼与桩孔的底部以及桩孔的侧壁均有间隙，与主进水管道和主出水管道对应相连的进、出水管要伸出桩体外表；
步骤2、向桩孔中添加高导透水热混凝土形成桩身，进行养护；所述高导透水热混凝土在制作时采用以下重量份的组份搅拌而成：水14.5～15.5份，水泥41～42份，碎石150～155份，碳化硅2.5～7.9份，增强剂2.6～2.7份，减水剂0.7～0.8份。
其中，上述步骤中，碎石为石灰岩碎石，粒径为5～12mm，减水剂为萘系高效减水剂，主要成分为β萘磺酸钠甲醛缩合物，减水率16％～22％，碳化硅为1200目绿碳化硅粉末，增强剂为SR生态砼增强剂。
桩身混凝土中添加的碳化硅提高了桩身混凝土导热系数，从而提升能源桩换热效率。
本实施例中，可以根据需要选取各组分范围内的端点值和任意中间值，此处不再将各种具体混合比例一一列出。需要指出的是本实施例碳化硅的目数为1200目。碎石为石灰岩碎石，粒径为5～12mm。
高导热透水能源桩的制造方法，采用高导热透水混凝土形成桩身，与主进水管道和主出水管道相连的进出水管要伸出桩体外表面，高导热透水混凝土在制作时的组份中，添加碳化硅，在水泥石内部形成有效的碳化硅导热通道，提高了透水混凝土的有效导热系数，从而保证了透水能源桩的换热效率，舍弃砂子使得桩身具有透水性，桩身透水以便于充分利用地下水的热对流作用。添加增强剂，使透水混凝土内部的水泥石和骨料形成更高强度的粘结面，提高了透水混凝土的抗压强度，从而保证了透水能源桩的承载力。
试验发现，碳化硅的目数变化时，导热系数并不是线性变化规律，经过无数次的试验，技术人员发现，碳化硅的目数为12目的时候导热系数反而比46目更好，在取代初始水泥重量分数10％的时候甚至能达到120目的效果，性价比最高。
试验：
为分析碳化硅掺量和设计孔隙率对透水混凝土有效导热系数、力学特性和渗透性能的影响，分别选用初始水泥重量分数5％、10％、15％的碳化硅掺量和9％、12％和15％的设计孔隙率进行配比，外加剂为减水剂和增强剂，减水剂掺量为初始水泥质量的1.5％，增强剂掺量为初始水泥质量的5％，具体配比如表1所示
表1：透水混凝土配合比，对掺加碳化硅(SiC)的高导热透水混凝土试件进行了抗压强度试验、渗透系数和导热系数试验。碳化硅不同掺量条件下透水混凝土的抗压强度试验结果如表2所示。
表2：高导热透水混凝土的抗压强度试验结果。
表3：高导热透水混凝土的渗透系数结果。
表4：高导热透水混凝土的有效导热系数结果。
表2可以看出，在设计孔隙率一定时，随着碳化硅掺量增加，透水混凝土的抗压强度有明显提升。在碳化硅掺量一定时，随着设计孔隙率增加，透水混凝土的抗压强度显著降低。
表3可以看出，在设计孔隙率一定时，随着碳化硅掺量增加，透水混凝土的渗透系数逐渐下降。
如表4所示，随着碳化硅掺量的增加，透水混凝土有效导热系数均随之提高，例如，当碳化硅掺量由5％提高至15％时，透水混凝土水泥石导热系数提高了大约43.53％。在碳化硅掺量一定时，随着设计孔隙率的增大，透水混凝土有效导热系数均随之降低。
综上，在高导热透水混凝土中掺加一定量的碳化硅(SiC)导热增强材料，能够大幅度提高透水混凝土的有效导热系数，还能够小幅度提高透水混凝土的抗压强度，但是会降低渗透性能。设计孔隙率较小时，随着设计孔隙率的增大，渗透性能有明显提升，但抗压强度和导热性能明显下降。
以上为本发明的一种较佳实施例，但是应当理解，上述具体的描述不应理解为对本发明实质和范围的限定，本领域技术人员再根据上述实施例做出的明显变型或者替换仍属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种高导热透水能源桩，其特征在于:包括混凝土桩身、埋设在混凝土桩身中的钢筋骨架以及换热管结构，所述换热管结构包括固设于钢筋骨架上的多根换热管、连接各所述换热管进水口的主进水管道、连接各换热管出水口的主出水管道、与主进水管道连接的进水管以及与主出水管道连接的出水管，所述钢筋骨架由内外两层圆筒状的钢筋笼同心设置而成，所述换热管为U型换热管，所述U型换热管沿内层钢筋笼周向均匀分布且沿径向布置，各所述U型换热管的内管固定在内层钢筋笼内侧，各所述U型换热管的外管固定在外层钢筋笼内侧，各所述U型换热管的出水口在外管上端，各所述U型换热管的进水口在内管上端，主进水管道和主出水管道均为环形管道。
2.根据权利要求1所述的一种高导热透水能源桩，其特征在于：所述钢筋笼表面涂防锈银漆。
3.一种高导热透水能源桩的制造方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、将如权利要求2所述的U型换热管的内管固定在内层钢筋笼的内侧，U型换热管的外管固定在外层钢筋笼内侧，将U型换热管的内管与主进水管道连接，将U型换热管的外管与主出水管道连接，通过吊装机械将内、外层钢筋笼和U型换热管一起***桩孔中，内、外层钢筋笼与桩孔的底部以及桩孔的侧壁均有间隙，与主进水管道和主出水管道对应相连的进、出水管要伸出桩体外表；
步骤2、向桩孔中添加高导透水热混凝土形成桩身，进行养护；所述高导透水热混凝土在制作时采用以下重量份的组份搅拌而成：水14.5～15.5份，水泥41～42份，碎石150～155份，碳化硅2.5～7.9份，增强剂2.6～2.7份，减水剂0.7～0.8份。
4.根据权利要求3所述的一种高导热透水能源桩的制造方法，其特征在于：所述碎石为石灰岩碎石，粒径为5～12mm。
5.根据权利要求4所述的高导热透水能源桩的制造方法，其特征在于：所述减水剂为萘系高效减水剂，主要成分为β萘磺酸钠甲醛缩合物，减水率16％～22％。
6.根据权利要求5所述的一种高导热透水能源桩的制造方法，其特征在于：所述碳化硅为1200目绿碳化硅粉末。
7.根据权利要求6所述的一种高导热透水能源桩的制造方法，其特征在于：所述增强剂为SR生态砼增强剂。
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GR01 Patent grant
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