能源樁在茶室節能設計中的應用討論

童夢鈺

（浙江農林大學，浙江 杭州 311300）

1 茶文化的發展與茶室建筑遇到的問題

茶文化在我國是重要的國粹之一，在不同時期它都掀起過我國文化對外傳播的熱潮。20世紀以來，伴隨著經濟的高速發展和改革開放，整個社會對茶文化的需求和關注也在蓬勃發展。5G時代的到來更是為茶文化的傳播帶來了新的載體，創造了新的機會，如2014年由長江日報推出的大型跨國文化探源性節目，報道了萬里茶道上24個相關城市的茶人茶事，促進了中俄兩國的茶文化交流，擴大了中華茶文化在國際上的影響力。此外，一些茶文化紀錄片如《茶，一片樹葉的故事》等，提高了國內外民眾對茶文化的關注度，讓茶文化更加深入人心。國家的一系列舉措推動茶文化以更快速、更新穎、更直接的方式傳達給新一代的年輕人。在盛興茶俗茶禮的文化氛圍下，不斷提高著茶文化對國家文化軟實力的影響力，推進了茶文化創新性的發展以及創造性的轉化。

茶室對于茶文化而言，是不可缺少的載體其一，它需要在建筑中融入茶的文化內涵，還要在茶文化中展現建筑的張力與美，所以茶室建設始終受社會不同領域的關注。隨著人們越來越關注茶文化的傳播與發展，對茶室環境與意境的要求也在不斷提高。傳統建筑小品形式的茶室建筑已經無法滿足現代茶室想要追求的文化包容之美。大多建筑師不僅需要留有茶室寧靜意境以及禪宗環境，并且要打造符合當代需求的茶室，這也使得茶室建筑的規模和結構日趨復雜，導致很多茶室無法通過被動式方式實現室內環境的舒適，這類茶室的背后往往存在著不小的建筑能耗問題。如何平衡茶室建筑的實用性與目前社會的能源問題，是茶文化傳播與發展需解決的問題之一。

2 茶室建筑的新機遇

2021年9月22日，中共中央、國務院發布了《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》。意見提出：“大力發展節能低碳建筑。持續提高新建建筑節能標準，加快推進超低能耗、近零能耗、低碳建筑規?；l展?！?/p>

其中超低能耗建筑提倡減少能源消耗，且充分利用可再生能源以提供宜人的室內環境，是符合綠色建筑基本要求的建筑。根據超低能耗建筑的要求，為茶室建筑的未來發展方向提供了方案。合理利用可再生能源，并借助相應的機械設備以及電氣設備，打造綠色可再生的茶室建筑。

3 茶室建筑對地熱能的利用

由于水電和核能我國已接近飽和，太陽能和風能受氣候的影響較大，強度不穩定。而地熱能不受氣候影響，且具有穩定、可再生和利用率高等特點。所以開發利用地熱能是目前較好的選擇之一。根據深度不同，地熱能分為深層地熱能與淺層地熱能，淺層地熱能一般指地表下200米深度內的地熱能，深度大于200米稱深層地熱能，最深可達數千米。

3.1 地源熱泵技術

深層地熱開發主要采用干熱巖技術，淺層地熱開發主要采用地源熱泵技術，它是利用地下土壤、江河湖海等介質四季溫度較為穩定的特點，向其中提取或釋放熱量以用于建筑物的供暖或制冷。地源熱泵技術較深層地熱的開發技術具有技術難度低、成本低、適用區域廣等特點，可以廣泛應用于建筑節能、機場防凍、現代林業和現代農業領域中。與傳統的空調系統相比，地埋管地源熱泵系統更能體現能源的合理應用，符合能源的分級利用原則。

由于地源熱泵技術在環保的必要前提下為建筑供能，且能夠大幅降低建筑能源消耗，因此地源熱泵技術可成為茶建筑節能的一種優先選擇。并且該技術只使用較少的電能與機械能，即可簡單地將室內空氣同大地巖土層之間的熱能進行交換，進而起到調節溫度、實現室內冬暖夏涼的效果。地源熱泵技術在保護環境的同時提高了人們的生活水平，在建筑供暖及制冷等領域發揮著重要作用。

3.2 能源樁地源熱泵技術

能源樁是一種新的地源熱泵技術，最早是上世紀末由奧地利科學家提出，它將換熱管預先埋置在建筑樁基內形成地熱交換器，從而實現與樁體、樁周土進行熱交換。較之地埋管地源熱泵技術，它不需要鉆孔，也不占用場地，大大降低了建造成本，應用前景廣闊。

能源樁是利用建筑樁基或其他工程樁（支護樁、錨桿）作為地下換熱器的統稱，其直徑一般為300mm—1500mm，埋管形式有單U型、W型、并聯雙U型、并聯三U型和螺旋形等。與傳統樁基礎相比，能源樁不僅要承受上部建筑傳給的荷載，還要承擔地下換熱器的作用，為建筑物供暖和制冷。與此同時，樁內換熱管中的流體介質向樁及其周圍土體釋放冷量和熱量，引起樁及其周圍土體溫度的變化。此外，能源樁深埋于地下，樁周土通常是由不同性質的土層組成，土層中還會存在地下水的滲流，工程場地的水文地質條件會對能源樁的換熱性能起著重要影響。我國現行《樁基地熱能利用技術標準》（JGJ/T438-2018）和《地源熱泵系統工程技術規范》（GB50366-2005）將土體視為均勻常熱物性介質，沒有考慮土層分層和地下水滲流的影響，難以準確計算能源樁運行過程中樁及其周圍土體的溫度分布，這在一定程度上給能源樁強度計算和換熱量計算留下隱患，不利于樁基工程安全和能源樁系統的運行穩定性。因此準確分析能源樁及其周圍土體溫度場的變化不僅是能源樁熱工設計也是力學分析的基礎。

3.3 建筑樁基能源樁傳熱模型

建筑樁基位于樁基承臺下，埋深通常大于5米，分端承樁和摩擦樁兩種類型。端承樁是指當樁體處于極限承載時，主要由樁端阻力承擔樁頂荷載，樁側阻力忽略不計。地表至樁頂（承臺底）為上覆土層，樁身范圍通常為軟弱土層，樁底土層為持力層，土質較硬，承受上部結構傳來的荷載。如圖3.1所示。摩擦樁地表至樁頂為上覆土層，樁身及樁底土層較均勻，樁頂荷載由樁側阻力承擔，樁端阻力忽略不計。從傳熱的角度，當取樁身和樁底土層材料相同時，端承樁能源樁即退化為摩擦樁能源樁。本文以端承樁能源樁傳熱為研究對象。為簡化計算，作如下假定：

圖3.1 端承樁能源樁傳熱模型示意

（1）土壤沿豎直方向分為三層，第一層為地表至樁頂（承臺底）土層，第二層為樁身范圍內土層，第三層為樁底土層。各土層為均勻各向同性介質；

（2）忽略樁身的幾何尺寸，將樁體近似為軸線上的有限長線熱源，熱源長度與樁身相同，并以恒定功率持續放熱；

（3）能源樁與土層之間接觸良好，忽略其接觸熱阻；

（4）假定三層土層初始溫度均為 0，地表溫度等于土層初始溫度；

（5）土層過余溫度為土層溫度減去土層初始溫度。T=θ -，表示第層土層，(=1,2,3)；θ 為層土層溫度。

控制方程：

圖3.1傳熱問題的數學描述如下：

導熱方程：

初始條件：

方程求解：

求解式（3.1）得；

第一層土層（樁頂）過余溫度：

第二層土層（樁身）過余溫度：

第三層土層（樁底）過余溫度：

式中，()為余誤差函數， ζ 為兩層土層導熱性能關系的比值，

模型驗證：

取三層土層介質相同，式（3.2）退化為：

式（3.3）為樁頂有覆土情況下均勻介質內有限長線熱源解析解，從而驗證了本文解的正確性。

取三層土層，樁頂土層厚6m，樁徑600mm，計算參數選取參照《民用建筑熱工設計規范》（GB50176-2016）和《地源熱泵系統工程技術規范》（GB50366-2005），如表3.1。本文模型與均勻介質模型計算得樁壁處過余溫度沿豎向分布結果如圖3.2。

表3.1 計算參數

圖3.2 樁壁過余溫度

從圖3.2中可以看出，在樁身范圍內樁壁過余溫度與均質模型計算結果基本相同，僅在樁頂和樁底土層交界面附近略有不同，本文模型計算值較均質模型小，這是由于均質模型土層傳熱系數小于樁頂和樁底土層傳熱系數的緣故，這種差值隨土層熱物性參數變化增大而增加。以及土層熱物理性能的變化僅對土層交界面處的溫度變化有影響。圖3.3為本文模型與數值解的計算結果，計算參數同表3.1。從圖3.3可以看出，本文模型與數值計算的結果吻合非常好，驗證了本文模型的正確性。

圖3.3 本文模型與數值計算結果

4 結語

綜上所述，低能耗的綠色建筑為茶室建筑的節能設計提供了思路，即采用能源樁技術為茶室建筑供暖和制冷。本文以建筑樁基能源樁為研究對象，根據能量守恒原理建立能源樁傳熱微分方程，采用拉普拉斯變換和分離變量法對方程進行了求解，在大量計算分析基礎上，得到了土壤內過余溫度的半解析半經驗解，為茶室節能設計中能源樁的應用提供了可行性方法。