現(xiàn)代茶室建筑主動節(jié)能技術應用探討
——以能源樁為例

（浙江農林大學 風景園林與建筑學院，浙江 杭州 311300）

茶文化是中國傳統(tǒng)文化的重要組成部分，茶室作為茶文化的重要表現(xiàn)載體之一，一直受到社會各界的關注。隨著技術的不斷發(fā)展和進步，現(xiàn)代茶室已經不僅僅局限于傳統(tǒng)的建筑小品形式，越來越多的建筑師在保留了靜寂和頓悟禪宗氛圍的同時，用簡潔的設計語言打造了現(xiàn)代的都市茶室，但這類的茶室背后往往都存在著不小的建筑能耗問題。

1 茶室建筑的能耗問題及可行的解決方式

茶室自古以來都與禪宗有著密切的聯(lián)系，因此在現(xiàn)代茶室的設計中，建筑師通常會采用建筑與自然融合的表現(xiàn)手法，從而期望能更好的符合茶道文化，體現(xiàn)茶文化的意境和精神。其中，最常見的手法就是采用大玻璃幕墻作為圍護結構，或者采用半圍合的灰空間設計，國內比較優(yōu)秀的作品有上海的例園茶室、杭州的西溪茶室以及麗水的大木山茶室等。但是，通透式的圍護結構必然會降低建筑的保溫性能，給建筑帶來較大的能耗負荷和碳排放，這一方面與茶道、禪道的初衷相左，另一方面也造成了能源的浪費，不利于可持續(xù)發(fā)展。因此，關注茶室建筑能耗問題就顯得尤為必要。

建筑的節(jié)能方式主要可以分為被動式節(jié)能和主動式節(jié)能兩種。被動式節(jié)能是通過建筑自身的圍護結構來實現(xiàn)保溫隔熱，以達到節(jié)能的目的。例如增加墻體的厚度、減少開窗面積、將建筑表皮設計為淺色以減少吸收輻射等。主動式節(jié)能主要通過使用可再生能源達到減少外部電能需求的目的，例如使用太陽能、風能、地熱能等為建筑提供能源。具體的利用技術有太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)等。

由于茶室建筑的圍護結構是建筑師表達理念的重要元素，因此一般不宜更改，所以相對更適合使用主動式建筑節(jié)能技術。但與此同時，不同的可再生能源利用技術也有著各自的使用條件限制，并非所有技術都適用于茶室建筑。例如：太陽能光伏發(fā)電技術需要建筑能獲得較長的日照時間，且建筑本體需要有足夠多的空間來鋪設光伏發(fā)電板，但光伏發(fā)電板對建筑的外立面影響較大，會嚴重破壞原有的設計風格。風能和水能對自然環(huán)境的依賴程度較高，在城市中一般無法有效的直接利用該類能源。相對而言，地熱能有著較好的易用性。我國的地熱能資源豐富，在大部分地區(qū)均有淺層地熱能可以利用，尤其在夏熱冬冷地區(qū)最為適合使用該項技術。同時由于換熱管道一般都會埋設在地下，且換熱機組體積較小，因此不會對建筑師的方案設計產生較大影響。淺層地熱能是相對最適合茶室建筑使用的可再生能源，使用地源熱泵技術可以有效的減少建筑對外部能源的消耗。

2 茶室建筑的地熱能利用方式

地熱能是一種清潔、高效的可再生能源。地熱能按縱向深度的不同可以分為淺層地熱能、中層地熱能和深層地熱能三類。淺層地熱能由于開采難度較低、成本適中，非常適合作為建筑設備運行能耗來源。

目前較為成熟的淺層地熱能的利用方式主要為土壤源地源熱泵系統(tǒng)，根據(jù)地下?lián)Q熱器的不同可以分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)與能源樁地源熱泵系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)的運行原理是通過利用少量的高品位能（電能），將地下土壤或水中的低品位能（地熱能）置換出來。具體的表現(xiàn)形式為：在夏季時，地源熱泵系統(tǒng)將地下的冷量通過水等媒介運送到空調系統(tǒng)中，為室內制冷；在冬季時，地源熱泵系統(tǒng)將地下的熱量以同樣的方式運送到空調系統(tǒng)中，為室內制熱。

傳統(tǒng)的地埋管地源熱泵系統(tǒng)存在著運行穩(wěn)定性差、初始成本高、占用土地資源等缺點，為了克服這些不足，能源樁技術應運而生。能源樁系統(tǒng)是將原本獨立鉆孔布置的地下埋管換熱器安裝在建筑的樁基礎中，避免了額外鉆孔的成本，使得樁基礎在滿足常規(guī)力學功能的同時還能實現(xiàn)淺層地熱能的交換。能源樁技術的出現(xiàn)使得全面利用淺層地熱能資源有了切實可行的路線。

能源樁（Energy Pile）也可稱為能量樁或熱交換樁（Heat Exchanger Pile），其與能源連續(xù)墻、能源隧道同屬能源地下結構。由于目前新建建筑幾乎都有樁基礎，且能源樁的每延米換熱量明顯高于鉆孔埋管換熱器，所以能源樁技術的應用前景十分廣闊，具有較高的科研價值。能源樁是將地埋管換熱器埋設在建筑物的樁基礎中，其工作原理與地埋管地源熱泵系統(tǒng)非常相似，也是由地下?lián)Q熱器系統(tǒng)、熱泵機組以及建筑暖通系統(tǒng)三個部分組成。由于建筑物樁基礎的自有特點，使得能源樁與巖土的接觸比傳統(tǒng)地下埋管為緊密，從而減少了接觸熱阻，強化了循環(huán)介質與大地巖土的傳熱性能。

能源樁適用于大多數(shù)的常見樁型，其根據(jù)樁型的不同可分為：現(xiàn)澆鋼筋混凝土樁、預制樁、鋼管樁以及攪拌樁等。研究表明，現(xiàn)澆混凝土樁在熱量儲存能力、傳熱性能、應用范圍等多個方面都有一定優(yōu)勢。現(xiàn)澆混凝土樁的施工過程是首先在樁體的鋼筋籠上綁扎換熱管，再將換熱管隨鋼筋籠一起放入樁孔之中并澆筑成混凝土成樁。能源樁運行時，通過水泵使換熱管內熱交換液（通常是添加了防凍劑的純水）循環(huán)流動，從而達到樁體與周圍巖土換熱的目的。

在地埋管地源熱泵系統(tǒng)中，埋管鉆孔直徑一般約為110mm～150mm，由于受到直徑的限制，因此埋管形式多為單U或雙U。能源樁的直徑遠大于地埋管鉆孔直徑，一般約為300mm～1500mm，因此能源樁的埋管形式也更為多樣。目前常見的能源樁埋管形式主要有五種：單U型、W型、并聯(lián)雙U型、并聯(lián)三U型以及螺旋形。

不同埋管形式的能源樁在換熱效率上也有所差異，單U型樁換熱效率最低，不能充分發(fā)揮樁基的換熱能力。W型能源樁也可稱作串聯(lián)雙U型，其換熱能力較好，但是樁頂管道內若有空氣則較難排出。并聯(lián)雙U及三U型能源樁換熱能力較強，但是由于單樁內埋管較多，間距較小，容易出現(xiàn)熱短路情況。螺旋型能源樁埋管長度最長，因此換熱能力也最好，但由于其結構較復雜，因此施工難度偏大。

由于能源樁的首要功能是作為承重結構承載上部建筑荷載，因此必須考慮傳熱對樁體力學性能的影響。在加熱或制冷工況中，樁身材料由于熱脹冷縮進而會在樁周產生阻力：樁體受熱時，樁身會膨脹擠壓樁身周邊巖土，在上部樁側產生向下的阻力，在下部樁側產生向上的阻力以及樁底阻力。樁體受冷時會向內收縮，產生與加熱工況時相反的摩擦阻力及樁底拉伸阻力。

總體而言，能源樁相較于傳統(tǒng)地埋管換熱器有以下幾個方面的優(yōu)勢：1.能源樁的換熱效率比傳統(tǒng)地埋管更高且更為節(jié)能；2.能源樁的施工較為便利，無需額外鉆孔，縮短了工期降低了成本；3.減少了地下?lián)Q熱器所需的地面面積，節(jié)約了建筑用地。4.避免了后續(xù)擴建對地下?lián)Q熱器產生的影響，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 能源樁地源熱泵系統(tǒng)的運行效果

目前，現(xiàn)有使用能源樁地源熱泵技術的茶室建筑相對較少，但是我們可以通過了解能源樁在其他相似建筑中的使用情況，從側面明確能源樁地源熱泵技術對于茶室建筑節(jié)能可能產生的影響。

該案例位于日本北海道札幌市，建筑建成于2000年，占地面積92.70平方米，建筑面積247.53平方米。建筑屬于小型辦公住宅混用建筑，建筑本體為鋼筋混凝土框架結構，東向有全立面的玻璃窗，如下圖1、圖2所示。該建筑在面積與形態(tài)上和常見的小型茶室建筑有著高度的相似性，因此該案例對茶室建筑的節(jié)能設計有著較高的參考價值。

圖1

圖2

建筑的地下能源樁換熱器部分采用了26根300mm樁徑的摩擦樁，通過在樁內安裝U型換熱管實現(xiàn)對地下熱量的置換。方案充分的考慮了熱響應半徑，并在地下10米處設置了5個傳感器，便于精確測量地下溫度。

室內的散熱器通過設置屋頂和地板雙重方式，巧妙的利用了冷空氣和熱空氣的特性：當能源樁地源熱泵系統(tǒng)運行在制冷工況下時，冷量通過屋頂?shù)纳崞鹘禍乜臻g，并由于冷空氣下沉的特點實現(xiàn)冷量自循環(huán)覆蓋；在加熱工況時，熱量通過地板上的散熱器散發(fā)，并上浮擴散至整個室內。有效的節(jié)約了空氣循環(huán)需要的能源量。

經過實際測量，結果表明平均制冷系數(shù)高于3.9。建筑在使用了能源樁地源熱泵系統(tǒng)后，比傳統(tǒng)空調制冷的方案節(jié)能23.2%。據(jù)此可知：能源樁地源熱泵系統(tǒng)確實可以有效的提高建筑節(jié)能效率。

綜上所述，在當今能源緊缺且溫室效應嚴重的時代背景下，節(jié)能已經是建筑設計中重點關注的話題。對于窗墻比較高的茶室建筑來說，節(jié)能更是日后發(fā)展的重中之重。本文從技術的角度出發(fā)，給出了對于茶室建筑節(jié)能的思考并討論了可行的技術實現(xiàn)方式，為日后的設計提供了參考。在茶室建筑的設計中，一方面要從藝術的角度出發(fā)，考慮人文、生態(tài)、環(huán)境等，另一方面也要著眼于實際的建筑運行能耗，保持建筑的可持續(xù)發(fā)展。只有兼顧藝術與技術，才能更好的實現(xiàn)茶道精神的展現(xiàn)。