能源桩在茶室节能设计中的应用讨论

童梦钰

（浙江农林大学，浙江 杭州 311300）

1 茶文化的发展与茶室建筑遇到的问题

茶文化在我国是重要的国粹之一，在不同时期它都掀起过我国文化对外传播的热潮。20世纪以来，伴随着经济的高速发展和改革开放，整个社会对茶文化的需求和关注也在蓬勃发展。5G时代的到来更是为茶文化的传播带来了新的载体，创造了新的机会，如2014年由长江日报推出的大型跨国文化探源性节目，报道了万里茶道上24个相关城市的茶人茶事，促进了中俄两国的茶文化交流，扩大了中华茶文化在国际上的影响力。此外，一些茶文化纪录片如《茶，一片树叶的故事》等，提高了国内外民众对茶文化的关注度，让茶文化更加深入人心。国家的一系列举措推动茶文化以更快速、更新颖、更直接的方式传达给新一代的年轻人。在盛兴茶俗茶礼的文化氛围下，不断提高着茶文化对国家文化软实力的影响力，推进了茶文化创新性的发展以及创造性的转化。

茶室对于茶文化而言，是不可缺少的载体其一，它需要在建筑中融入茶的文化内涵，还要在茶文化中展现建筑的张力与美，所以茶室建设始终受社会不同领域的关注。随着人们越来越关注茶文化的传播与发展，对茶室环境与意境的要求也在不断提高。传统建筑小品形式的茶室建筑已经无法满足现代茶室想要追求的文化包容之美。大多建筑师不仅需要留有茶室宁静意境以及禅宗环境，并且要打造符合当代需求的茶室，这也使得茶室建筑的规模和结构日趋复杂，导致很多茶室无法通过被动式方式实现室内环境的舒适，这类茶室的背后往往存在着不小的建筑能耗问题。如何平衡茶室建筑的实用性与目前社会的能源问题，是茶文化传播与发展需解决的问题之一。

2 茶室建筑的新机遇

2021年9月22日，中共中央、国务院发布了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》。意见提出：“大力发展节能低碳建筑。持续提高新建建筑节能标准，加快推进超低能耗、近零能耗、低碳建筑规模化发展。”

其中超低能耗建筑提倡减少能源消耗，且充分利用可再生能源以提供宜人的室内环境，是符合绿色建筑基本要求的建筑。根据超低能耗建筑的要求，为茶室建筑的未来发展方向提供了方案。合理利用可再生能源，并借助相应的机械设备以及电气设备，打造绿色可再生的茶室建筑。

3 茶室建筑对地热能的利用

由于水电和核能我国已接近饱和，太阳能和风能受气候的影响较大，强度不稳定。而地热能不受气候影响，且具有稳定、可再生和利用率高等特点。所以开发利用地热能是目前较好的选择之一。根据深度不同，地热能分为深层地热能与浅层地热能，浅层地热能一般指地表下200米深度内的地热能，深度大于200米称深层地热能，最深可达数千米。

3.1 地源热泵技术

深层地热开发主要采用干热岩技术，浅层地热开发主要采用地源热泵技术，它是利用地下土壤、江河湖海等介质四季温度较为稳定的特点，向其中提取或释放热量以用于建筑物的供暖或制冷。地源热泵技术较深层地热的开发技术具有技术难度低、成本低、适用区域广等特点，可以广泛应用于建筑节能、机场防冻、现代林业和现代农业领域中。与传统的空调系统相比，地埋管地源热泵系统更能体现能源的合理应用，符合能源的分级利用原则。

由于地源热泵技术在环保的必要前提下为建筑供能，且能够大幅降低建筑能源消耗，因此地源热泵技术可成为茶建筑节能的一种优先选择。并且该技术只使用较少的电能与机械能，即可简单地将室内空气同大地岩土层之间的热能进行交换，进而起到调节温度、实现室内冬暖夏凉的效果。地源热泵技术在保护环境的同时提高了人们的生活水平，在建筑供暖及制冷等领域发挥着重要作用。

3.2 能源桩地源热泵技术

能源桩是一种新的地源热泵技术，最早是上世纪末由奥地利科学家提出，它将换热管预先埋置在建筑桩基内形成地热交换器，从而实现与桩体、桩周土进行热交换。较之地埋管地源热泵技术，它不需要钻孔，也不占用场地，大大降低了建造成本，应用前景广阔。

能源桩是利用建筑桩基或其他工程桩（支护桩、锚杆）作为地下换热器的统称，其直径一般为300mm—1500mm，埋管形式有单U型、W型、并联双U型、并联三U型和螺旋形等。与传统桩基础相比，能源桩不仅要承受上部建筑传给的荷载，还要承担地下换热器的作用，为建筑物供暖和制冷。与此同时，桩内换热管中的流体介质向桩及其周围土体释放冷量和热量，引起桩及其周围土体温度的变化。此外，能源桩深埋于地下，桩周土通常是由不同性质的土层组成，土层中还会存在地下水的渗流，工程场地的水文地质条件会对能源桩的换热性能起着重要影响。我国现行《桩基地热能利用技术标准》（JGJ/T438-2018）和《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）将土体视为均匀常热物性介质，没有考虑土层分层和地下水渗流的影响，难以准确计算能源桩运行过程中桩及其周围土体的温度分布，这在一定程度上给能源桩强度计算和换热量计算留下隐患，不利于桩基工程安全和能源桩系统的运行稳定性。因此准确分析能源桩及其周围土体温度场的变化不仅是能源桩热工设计也是力学分析的基础。

3.3 建筑桩基能源桩传热模型

建筑桩基位于桩基承台下，埋深通常大于5米，分端承桩和摩擦桩两种类型。端承桩是指当桩体处于极限承载时，主要由桩端阻力承担桩顶荷载，桩侧阻力忽略不计。地表至桩顶（承台底）为上覆土层，桩身范围通常为软弱土层，桩底土层为持力层，土质较硬，承受上部结构传来的荷载。如图3.1所示。摩擦桩地表至桩顶为上覆土层，桩身及桩底土层较均匀，桩顶荷载由桩侧阻力承担，桩端阻力忽略不计。从传热的角度，当取桩身和桩底土层材料相同时，端承桩能源桩即退化为摩擦桩能源桩。本文以端承桩能源桩传热为研究对象。为简化计算，作如下假定：

图3.1 端承桩能源桩传热模型示意

（1）土壤沿竖直方向分为三层，第一层为地表至桩顶（承台底）土层，第二层为桩身范围内土层，第三层为桩底土层。各土层为均匀各向同性介质；

（2）忽略桩身的几何尺寸，将桩体近似为轴线上的有限长线热源，热源长度与桩身相同，并以恒定功率持续放热；

（3）能源桩与土层之间接触良好，忽略其接触热阻；

（4）假定三层土层初始温度均为 0，地表温度等于土层初始温度；

（5）土层过余温度为土层温度减去土层初始温度。T=θ -，表示第层土层，(=1,2,3)；θ 为层土层温度。

控制方程：

图3.1传热问题的数学描述如下：

导热方程：

初始条件：

方程求解：

求解式（3.1）得；

第一层土层（桩顶）过余温度：

第二层土层（桩身）过余温度：

第三层土层（桩底）过余温度：

式中，()为余误差函数， ζ 为两层土层导热性能关系的比值，

模型验证：

取三层土层介质相同，式（3.2）退化为：

式（3.3）为桩顶有覆土情况下均匀介质内有限长线热源解析解，从而验证了本文解的正确性。

取三层土层，桩顶土层厚6m，桩径600mm，计算参数选取参照《民用建筑热工设计规范》（GB50176-2016）和《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005），如表3.1。本文模型与均匀介质模型计算得桩壁处过余温度沿竖向分布结果如图3.2。

表3.1 计算参数

图3.2 桩壁过余温度

从图3.2中可以看出，在桩身范围内桩壁过余温度与均质模型计算结果基本相同，仅在桩顶和桩底土层交界面附近略有不同，本文模型计算值较均质模型小，这是由于均质模型土层传热系数小于桩顶和桩底土层传热系数的缘故，这种差值随土层热物性参数变化增大而增加。以及土层热物理性能的变化仅对土层交界面处的温度变化有影响。图3.3为本文模型与数值解的计算结果，计算参数同表3.1。从图3.3可以看出，本文模型与数值计算的结果吻合非常好，验证了本文模型的正确性。

图3.3 本文模型与数值计算结果

4 结语

综上所述，低能耗的绿色建筑为茶室建筑的节能设计提供了思路，即采用能源桩技术为茶室建筑供暖和制冷。本文以建筑桩基能源桩为研究对象，根据能量守恒原理建立能源桩传热微分方程，采用拉普拉斯变换和分离变量法对方程进行了求解，在大量计算分析基础上，得到了土壤内过余温度的半解析半经验解，为茶室节能设计中能源桩的应用提供了可行性方法。