一种提高浅层地热能利用效率的新型钢管能量桩及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种提高浅层地热能利用效率的新型钢管能量桩及其制作方法，其包括：钢管桩、传热管、传热管套管、空调系统、半导体温差发电系统和半导体温差发电散热系统；空调系统包括换热设备，传热管内液体首先与土体进行热交换，然后通过上部换热设备调节建筑物室内空气温度；半导体温差发电系统和半导体温差发电散热系统获得的电能均为地表用电设备提供电力供应。本系统采用半导体温差发电技术，利用传热管内液体与土体之间的温差发电，温差发电散热系统中产生的电能为地下散热管提供驱动，温差发电系统产生的电能为空调系统中小功率水泵提供驱动力，从而提高传热管中液体循环流动速度，提高能量桩传热管的热循环效率和热交换效率。

Novel steel pipe energy pile for improving shallow geothermal energy utilization efficiency and manufacturing method thereof

The invention discloses a method for improving the shallow geothermal energy utilization efficiency of new energy pipe pile and its production method, which comprises: steel pipe pile, pipe, casing, heat transfer tube air conditioning system, semiconductor thermoelectric system and semiconductor thermoelectric cooling system; air conditioning system comprises a heat exchanger, heat transfer tube of liquid first heat exchange with the soil, and then through the upper heat exchanger adjusting the indoor air temperature; the power semiconductor thermoelectric power generation system and semiconductor thermoelectric cooling system for surface electric equipment with power supply. This system adopts the semiconductor thermoelectric power generation technology, the use of liquid between the soil and the heat transfer tube of the thermoelectric power generation, generating electricity in the thermoelectric cooling system can provide drive for underground heat pipe, generating thermoelectric power generation system of electric energy to provide the driving force for small and medium power pump air conditioning system, so as to improve the heat transfer tube of liquid circulation flow rate, improve energy exchange efficiency of pile tube thermal cycling and thermal efficiency.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种浅层地热能利用技术，主要适用于钢管桩基础等
，尤其是涉及一种提高浅层地热能利用效率的新型钢管能量桩及其制作方法。
技术介绍
浅层地热能，又名浅层地温能，属于低品位可再生清洁能源，是当前技术经济条件下最具备开发利用价值的地球内部的热能资源之一。目前浅层地热能开发与利用中，主要是直接利用浅层土壤常年恒温的特点，利用热泵循环来达到对地面建筑冬天供暖或者夏天制冷的作用。地源热泵技术，属于浅层地热能直接利用的最常用形式之一，该技术利用地下的土壤、地表水、地下水等温度相对稳定的特性，通过以大地为储能体进行热量交换的可再生能源的空调系统；该技术方案可以替代传统锅炉或市政管网等传统的供暖方式和空调系统，达到节能减排的目的。地下埋设传热管，是地源热泵技术的施工难点和投资重点；且地下传热管埋设需要占用较大的土地面积和地下空间，造成其初期埋设等施工成本高，从而影响其大量推广应用。将地源热泵技术中的地下传热管埋设施工与传统建筑桩基础施工相结合，可以有效解决专门埋管的施工步骤和地下传热管占用地下空间问题，从而大大节省工程造价；基于这种地下埋管形式形成的带有地下传热管的桩基结构称为能量桩(或称能源桩、能源热交换桩)。能量桩技术是近年来有效利用浅层地热能的最典型技术方案之一；结合具体桩基结构形式的不同，产生了不同的浅层地热能热传递利用的能量桩类型(文献1～16)。文献1：Jürgen Vogel和Hermann Josef Wilhelm申请的德国专利技术专利“Energy pile for geothermal energy purpose i.e. combined heating and cooling systems，has collector tube comprising section that includes another section that transitions and runs helically around former section of collector tube(DE102012013337 A1)”。文献2：Tiroler Metallwerke Aktiengesellschaft和Armin Ing.Amann申请并授权的欧洲和德国专利技术专利“Energy pile(EP1486741 B1，DE50305842D1)”。文献3：Ing.Armin Amann申请并授权的德国专利技术专利“Concrete pile foundation for absorbing geothermal energy，contains corrugated sleeve pipe(DE202004014113 U1)”，相应的其他国家专利授权号还有：AT7887 U1。文献4：Alain Desmeules申请并授权的PCT专利“Pile with integral geothermal conduit loop retaining means(PCT/CA2010/001500)”，相应的国家阶段专利授权号为：CA2683256 A1，EP2491183 A4，US8262322 B2，US20110091288 A1，WO2011047461 A1。文献5：李志毅，张全胜，张慧东，柳建国和马凛申请并授权的中国专利技术专利“旋进式壁后注浆地源热能转换预制桩装置及其埋入地层的方法，(专利号：CN201210054121.5)，授权公告日2014年11月26日”。文献6：孔纲强，黄旭，丁选明，刘汉龙和彭怀风申请并授权的中国专利技术专利“一种六边形预制能量桩及其制作方法，(专利号：CN201310442139.7)，授权公告日2015年8月19日”。文献7：孔纲强，黄旭，丁选明，刘汉龙和彭怀风申请并授权的中国专利技术专利“一种预制能量桩的施工方法，(专利号：CN201310441978.7)，授权公告日2015年9月23日”。文献8：黄吉永，郑荣跃和黄楠申请并授权的中国专利技术专利“一种基于植桩过程的地源热泵管埋置方法，(专利号：CN201310033136.8)，授权公告日2015年9月23日”。文献9：蒋刚，路宏伟，王彬彬和刘伟庆申请并授权的中国专利技术专利“带有地源热泵双螺旋管状换热器的预制钢筋混凝土管桩，(专利号：CN201410572810.4)，授权公告日2016年1月20日”。文献10：Beton Son B.V.申请并授权的欧洲专利技术专利“Geothermal pile having a cavity through which a fluid can flow”，相应的国家阶段专利授权号为：EP1243875 B1，NL1017655 C2，DE60200183 T2。在文献1～9中，公开了在预制桩中间、侧壁甚至预制桩体内埋设不同形式地下传热管的制作方法或施工方法。在文献10中，公开了一种封闭预制桩底端并在预制桩体空腔内布置开放式地下传热管的施工方法。文献11：方肇洪和刘俊红申请并授权的中国专利技术专利“桩埋螺旋管式地源热泵装置及其地热换热器的传热模型，(专利号：CN200810159583.7)，授权公告日2011年1月26日”。文献12：张以韬，郑宗跃和李伟等申请并授权的中国专利技术专利“地源热泵竖直螺旋式埋管施工方法，(专利号：CN201210494997.1)，授权公告日2014年8月13日”。文献13：孔纲强，彭怀风，吴宏伟和丁选明申请并授权的中国专利技术专利“一种地源热泵灌注桩钢筋笼内埋管的施工方法，(专利号：CN201310302155.6)，授权公告日2015年3月11日”。文献14：刘汉龙，丁选明，孔纲强，吴宏伟和陈育民申请并授权的中国专利技术专利“一种PCC能量桩及其制作方法，(专利号：CN201210298385.5)，授权公告日2014年11月19日”。文献15：李平，丁选明，高洪梅和郑长杰申请并授权的中国专利技术专利“一种地热能采集桩基及施工方法，(专利号：CN201210476105.5)，授权公告日2015年4月8日”。在文献11～13中，公开了在现场灌注桩中的钢筋笼上绑扎埋设螺旋型地下传热管或者钢管内埋设传热管的施工方法。在文献14～15中，公开了封闭现浇灌注桩底部、在桩体空腔内充填传热液体并布置开放式或地下传热管的施工方法。文献16：Raymond J.Roussy申请并授权的国际PCT专利“A method and system for installing geothermal heat exchangers，energy piles，concrete piles，micro piles，and anchors using a sonic drill and a removable or retrievable drill bit(PCT/CA2009/000180)”，相应的国家阶段专利授权号为：CA2716209A1，CA2716209C，CA2827026A1，CA2827026C，CN102016218A，EP2247816A1，EP2247816A4，US8118115，US20090214299。在文献16中，公开了一种基于新型钻机的地下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高浅层地热能利用效率的新型钢管能量桩，其特征在于，其包括：钢管桩、传热管、传热管套管、空调系统、半导体温差发电系统和半导体温差发电散热系统；其中，所述的空调系统包括换热设备，所述换热设备设置于传热管的上方，传热管内液体流速通过水泵I和阀门控制，传热管内液体首先与土体进行热交换，然后通过上部换热设备调节建筑物室内空气温度；所述的半导体温差发电系统利用传热管与土体间的温差实现热电转化，并将获得的电能为地表用电设备提供电力供应；所述的半导体温差发电散热系统利用传热管与地下散热管之间的温差实现热电转化，并将获得的电能为地表用电设备提供电力供应。

【技术特征摘要】
1.一种提高浅层地热能利用效率的新型钢管能量桩，其特征在于，其包括：钢管桩、传热管、传热管套管、空调系统、半导体温差发电系统和半导体温差发电散热系统；其中，所述的空调系统包括换热设备，所述换热设备设置于传热管的上方，传热管内液体流速通过水泵I和阀门控制，传热管内液体首先与土体进行热交换，然后通过上部换热设备调节建筑物室内空气温度；所述的半导体温差发电系统利用传热管与土体间的温差实现热电转化，并将获得的电能为地表用电设备提供电力供应；所述的半导体温差发电散热系统利用传热管与地下散热管之间的温差实现热电转化，并将获得的电能为地表用电设备提供电力供应。2.根据权利要求1所述的新型钢管能量桩，其特征在于，所述的半导体温差发电系统包括半导体温差发电片、导热硅胶和导热填料，半导体温差发电片通过导热硅胶粘贴在传热管套管内侧，传热管布置在传热管套管内部，半导体温差发电片与传热管之间填充导热填料，利用传热管与土体间的温差实现热电转化，并利用导线将半导体温差发电获得的电能依次连接至DC/DC转化器、蓄电池为地表用电设备提供电力供应。3.根据权利要求1所述的新型钢管能量桩，其特征在于，所述的半导体温差发电散热系统包括地下散热管、半导体温差发电片、导热硅胶和传热管套管，其中，半导体温差发电片通过导热硅胶粘贴在传热管套管内侧，半导体温差发电片与传热管之间填充导热填料，地下散热管通过导热硅胶粘贴在传热管套管外侧，地下散热管内的液体利用水泵II循环，传热管与地下散热管之间的温差实现热电转化，利用导线将半导体温差发电所获得的电能依次连接至DC/DC转化器、蓄电池，并为水泵II提供驱动力。4.根据权利要求1所述的新型钢管能量桩，其特征在于，所述的钢管桩的桩长、桩径、壁厚以及桩间距根据支撑上部荷载要求进行设计。5.根据权利要求1所述的新型钢管能量桩，其特征在于，所述的传热管为聚乙烯管，根据钢管桩桩长和传热管埋管布置形式确定；传热管可以埋设在钢管桩内侧壁或埋设在钢管桩外侧壁；传热管埋管形式为单U形、双U形、W形或螺旋型中的任意一种或者几种组合形式。6.根据权利要求1所述的新型钢管能量桩，其特征在于，所述的传热管套管由6～10mm厚的钢板制作而成，其横截面形状为梯形或长方形或圆形中的一种，截面尺寸根据传热管大小确定；传热管套管布置形式根据传热管埋管形式确定，布置在钢管桩内侧壁或外侧壁，为单U形、双U形、W形或螺旋型中的任意一种或者几种组合形式。7.根据权利要求1所述的新型钢管能量桩，其特征在于，所述的水泵I位于地表，其功率为0.55～1.2kw；所述的阀门为电动二通阀门；所述的换热设备为空调设备中的风机盘管。8.根据权利要求2所述的新型钢管能量桩，其特征在于，所述的半导体...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟珍珠，孔纲强，周杨，李春红，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32