能源樁在茶室節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用討論

童夢(mèng)鈺

（浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 杭州 311300）

1 茶文化的發(fā)展與茶室建筑遇到的問(wèn)題

茶文化在我國(guó)是重要的國(guó)粹之一，在不同時(shí)期它都掀起過(guò)我國(guó)文化對(duì)外傳播的熱潮。20世紀(jì)以來(lái)，伴隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和改革開(kāi)放，整個(gè)社會(huì)對(duì)茶文化的需求和關(guān)注也在蓬勃發(fā)展。5G時(shí)代的到來(lái)更是為茶文化的傳播帶來(lái)了新的載體，創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)，如2014年由長(zhǎng)江日?qǐng)?bào)推出的大型跨國(guó)文化探源性節(jié)目，報(bào)道了萬(wàn)里茶道上24個(gè)相關(guān)城市的茶人茶事，促進(jìn)了中俄兩國(guó)的茶文化交流，擴(kuò)大了中華茶文化在國(guó)際上的影響力。此外，一些茶文化紀(jì)錄片如《茶，一片樹(shù)葉的故事》等，提高了國(guó)內(nèi)外民眾對(duì)茶文化的關(guān)注度，讓茶文化更加深入人心。國(guó)家的一系列舉措推動(dòng)茶文化以更快速、更新穎、更直接的方式傳達(dá)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(duì)國(guó)家文化軟實(shí)力的影響力，推進(jìn)了茶文化創(chuàng)新性的發(fā)展以及創(chuàng)造性的轉(zhuǎn)化。

茶室對(duì)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(nèi)涵，還要在茶文化中展現(xiàn)建筑的張力與美，所以茶室建設(shè)始終受社會(huì)不同領(lǐng)域的關(guān)注。隨著人們?cè)絹?lái)越關(guān)注茶文化的傳播與發(fā)展，對(duì)茶室環(huán)境與意境的要求也在不斷提高。傳統(tǒng)建筑小品形式的茶室建筑已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)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?kù)o意境以及禪宗環(huán)境，并且要打造符合當(dāng)代需求的茶室，這也使得茶室建筑的規(guī)模和結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，導(dǎo)致很多茶室無(wú)法通過(guò)被動(dòng)式方式實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的舒適，這類(lèi)茶室的背后往往存在著不小的建筑能耗問(wèn)題。如何平衡茶室建筑的實(shí)用性與目前社會(huì)的能源問(wèn)題，是茶文化傳播與發(fā)展需解決的問(wèn)題之一。

2 茶室建筑的新機(jī)遇

2021年9月22日，中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》。意見(jiàn)提出：“大力發(fā)展節(jié)能低碳建筑。持續(xù)提高新建建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，加快推進(jìn)超低能耗、近零能耗、低碳建筑規(guī)?；l(fā)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(nèi)環(huán)境，是符合綠色建筑基本要求的建筑。根據(jù)超低能耗建筑的要求，為茶室建筑的未來(lái)發(fā)展方向提供了方案。合理利用可再生能源，并借助相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備以及電氣設(shè)備，打造綠色可再生的茶室建筑。

3 茶室建筑對(duì)地?zé)崮艿睦?/h2>

由于水電和核能我國(guó)已接近飽和，太陽(yáng)能和風(fēng)能受氣候的影響較大，強(qiáng)度不穩(wěn)定。而地?zé)崮懿皇軞夂蛴绊?，且具有穩(wěn)定、可再生和利用率高等特點(diǎn)。所以開(kāi)發(fā)利用地?zé)崮苁悄壳拜^好的選擇之一。根據(jù)深度不同，地?zé)崮芊譃樯顚拥責(zé)崮芘c淺層地?zé)崮埽瑴\層地?zé)崮芤话阒傅乇硐?00米深度內(nèi)的地?zé)崮?，深度大?00米稱(chēng)深層地?zé)崮埽钌羁蛇_(dá)數(shù)千米。

3.1 地源熱泵技術(shù)

深層地?zé)衢_(kāi)發(fā)主要采用干熱巖技術(shù)，淺層地?zé)衢_(kāi)發(fā)主要采用地源熱泵技術(shù)，它是利用地下土壤、江河湖海等介質(zhì)四季溫度較為穩(wěn)定的特點(diǎn)，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(shù)較深層地?zé)岬拈_(kāi)發(fā)技術(shù)具有技術(shù)難度低、成本低、適用區(qū)域廣等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于建筑節(jié)能、機(jī)場(chǎng)防凍、現(xiàn)代林業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中。與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比，地埋管地源熱泵系統(tǒng)更能體現(xiàn)能源的合理應(yīng)用，符合能源的分級(jí)利用原則。

由于地源熱泵技術(shù)在環(huán)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(shù)可成為茶建筑節(jié)能的一種優(yōu)先選擇。并且該技術(shù)只使用較少的電能與機(jī)械能，即可簡(jiǎn)單地將室內(nèi)空氣同大地巖土層之間的熱能進(jìn)行交換，進(jìn)而起到調(diào)節(jié)溫度、實(shí)現(xiàn)室內(nèi)冬暖夏涼的效果。地源熱泵技術(shù)在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)提高了人們的生活水平，在建筑供暖及制冷等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

3.2 能源樁地源熱泵技術(shù)

能源樁是一種新的地源熱泵技術(shù)，最早是上世紀(jì)末由奧地利科學(xué)家提出，它將換熱管預(yù)先埋置在建筑樁基內(nèi)形成地?zé)峤粨Q器，從而實(shí)現(xiàn)與樁體、樁周土進(jìn)行熱交換。較之地埋管地源熱泵技術(shù)，它不需要鉆孔，也不占用場(chǎng)地，大大降低了建造成本，應(yīng)用前景廣闊。

能源樁是利用建筑樁基或其他工程樁（支護(hù)樁、錨桿）作為地下?lián)Q熱器的統(tǒng)稱(chēng)，其直徑一般為300mm—1500mm，埋管形式有單U型、W型、并聯(lián)雙U型、并聯(lián)三U型和螺旋形等。與傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)相比，能源樁不僅要承受上部建筑傳給的荷載，還要承擔(dān)地下?lián)Q熱器的作用，為建筑物供暖和制冷。與此同時(shí)，樁內(nèi)換熱管中的流體介質(zhì)向樁及其周?chē)馏w釋放冷量和熱量，引起樁及其周?chē)馏w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(zhì)的土層組成，土層中還會(huì)存在地下水的滲流，工程場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件會(huì)對(duì)能源樁的換熱性能起著重要影響。我國(guó)現(xiàn)行《樁基地?zé)崮芾眉夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T438-2018）和《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2005）將土體視為均勻常熱物性介質(zhì)，沒(méi)有考慮土層分層和地下水滲流的影響，難以準(zhǔn)確計(jì)算能源樁運(yùn)行過(guò)程中樁及其周?chē)馏w的溫度分布，這在一定程度上給能源樁強(qiáng)度計(jì)算和換熱量計(jì)算留下隱患，不利于樁基工程安全和能源樁系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此準(zhǔn)確分析能源樁及其周?chē)馏w溫度場(chǎng)的變化不僅是能源樁熱工設(shè)計(jì)也是力學(xué)分析的基礎(chǔ)。

3.3 建筑樁基能源樁傳熱模型

建筑樁基位于樁基承臺(tái)下，埋深通常大于5米，分端承樁和摩擦樁兩種類(lèi)型。端承樁是指當(dāng)樁體處于極限承載時(shí)，主要由樁端阻力承擔(dān)樁頂荷載，樁側(cè)阻力忽略不計(jì)。地表至樁頂（承臺(tái)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(zhì)較硬，承受上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)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(cè)阻力承擔(dān)，樁端阻力忽略不計(jì)。從傳熱的角度，當(dāng)取樁身和樁底土層材料相同時(shí)，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(duì)象。為簡(jiǎn)化計(jì)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(tái)底）土層，第二層為樁身范圍內(nèi)土層，第三層為樁底土層。各土層為均勻各向同性介質(zhì)；

（2）忽略樁身的幾何尺寸，將樁體近似為軸線上的有限長(zhǎng)線熱源，熱源長(zhǎng)度與樁身相同，并以恒定功率持續(xù)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(guò)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(wèn)題的數(shù)學(xué)描述如下：

導(dǎo)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(guò)余溫度：

第二層土層（樁身）過(guò)余溫度：

第三層土層（樁底）過(guò)余溫度：

式中，()為余誤差函數(shù)， ζ 為兩層土層導(dǎo)熱性能關(guān)系的比值，

模型驗(yàn)證：

取三層土層介質(zhì)相同，式（3.2）退化為：

式（3.3）為樁頂有覆土情況下均勻介質(zhì)內(nèi)有限長(zhǎng)線熱源解析解，從而驗(yàn)證了本文解的正確性。

取三層土層，樁頂土層厚6m，樁徑600mm，計(jì)算參數(shù)選取參照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176-2016）和《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2005），如表3.1。本文模型與均勻介質(zhì)模型計(jì)算得樁壁處過(guò)余溫度沿豎向分布結(jié)果如圖3.2。

表3.1 計(jì)算參數(shù)

圖3.2 樁壁過(guò)余溫度

從圖3.2中可以看出，在樁身范圍內(nèi)樁壁過(guò)余溫度與均質(zhì)模型計(jì)算結(jié)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(jì)算值較均質(zhì)模型小，這是由于均質(zhì)模型土層傳熱系數(shù)小于樁頂和樁底土層傳熱系數(shù)的緣故，這種差值隨土層熱物性參數(shù)變化增大而增加。以及土層熱物理性能的變化僅對(duì)土層交界面處的溫度變化有影響。圖3.3為本文模型與數(shù)值解的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算參數(shù)同表3.1。從圖3.3可以看出，本文模型與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果吻合非常好，驗(yàn)證了本文模型的正確性。

圖3.3 本文模型與數(shù)值計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，低能耗的綠色建筑為茶室建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)提供了思路，即采用能源樁技術(shù)為茶室建筑供暖和制冷。本文以建筑樁基能源樁為研究對(duì)象，根據(jù)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(duì)方程進(jìn)行了求解，在大量計(jì)算分析基礎(chǔ)上，得到了土壤內(nèi)過(guò)余溫度的半解析半經(jīng)驗(yàn)解，為茶室節(jié)能設(shè)計(jì)中能源樁的應(yīng)用提供了可行性方法。