现代茶室建筑主动节能技术应用探讨——以能源桩为例

（浙江农林大学 风景园林与建筑学院，浙江 杭州 311300）

茶文化是中国传统文化的重要组成部分，茶室作为茶文化的重要表现载体之一，一直受到社会各界的关注。随着技术的不断发展和进步，现代茶室已经不仅仅局限于传统的建筑小品形式，越来越多的建筑师在保留了静寂和顿悟禅宗氛围的同时，用简洁的设计语言打造了现代的都市茶室，但这类的茶室背后往往都存在着不小的建筑能耗问题。

1 茶室建筑的能耗问题及可行的解决方式

茶室自古以来都与禅宗有着密切的联系，因此在现代茶室的设计中，建筑师通常会采用建筑与自然融合的表现手法，从而期望能更好的符合茶道文化，体现茶文化的意境和精神。其中，最常见的手法就是采用大玻璃幕墙作为围护结构，或者采用半围合的灰空间设计，国内比较优秀的作品有上海的例园茶室、杭州的西溪茶室以及丽水的大木山茶室等。但是，通透式的围护结构必然会降低建筑的保温性能，给建筑带来较大的能耗负荷和碳排放，这一方面与茶道、禅道的初衷相左，另一方面也造成了能源的浪费，不利于可持续发展。因此，关注茶室建筑能耗问题就显得尤为必要。

建筑的节能方式主要可以分为被动式节能和主动式节能两种。被动式节能是通过建筑自身的围护结构来实现保温隔热，以达到节能的目的。例如增加墙体的厚度、减少开窗面积、将建筑表皮设计为浅色以减少吸收辐射等。主动式节能主要通过使用可再生能源达到减少外部电能需求的目的，例如使用太阳能、风能、地热能等为建筑提供能源。具体的利用技术有太阳能光伏发电系统、地源热泵系统等。

由于茶室建筑的围护结构是建筑师表达理念的重要元素，因此一般不宜更改，所以相对更适合使用主动式建筑节能技术。但与此同时，不同的可再生能源利用技术也有着各自的使用条件限制，并非所有技术都适用于茶室建筑。例如：太阳能光伏发电技术需要建筑能获得较长的日照时间，且建筑本体需要有足够多的空间来铺设光伏发电板，但光伏发电板对建筑的外立面影响较大，会严重破坏原有的设计风格。风能和水能对自然环境的依赖程度较高，在城市中一般无法有效的直接利用该类能源。相对而言，地热能有着较好的易用性。我国的地热能资源丰富，在大部分地区均有浅层地热能可以利用，尤其在夏热冬冷地区最为适合使用该项技术。同时由于换热管道一般都会埋设在地下，且换热机组体积较小，因此不会对建筑师的方案设计产生较大影响。浅层地热能是相对最适合茶室建筑使用的可再生能源，使用地源热泵技术可以有效的减少建筑对外部能源的消耗。

2 茶室建筑的地热能利用方式

地热能是一种清洁、高效的可再生能源。地热能按纵向深度的不同可以分为浅层地热能、中层地热能和深层地热能三类。浅层地热能由于开采难度较低、成本适中，非常适合作为建筑设备运行能耗来源。

目前较为成熟的浅层地热能的利用方式主要为土壤源地源热泵系统，根据地下换热器的不同可以分为地埋管地源热泵系统与能源桩地源热泵系统。地源热泵系统的运行原理是通过利用少量的高品位能（电能），将地下土壤或水中的低品位能（地热能）置换出来。具体的表现形式为：在夏季时，地源热泵系统将地下的冷量通过水等媒介运送到空调系统中，为室内制冷；在冬季时，地源热泵系统将地下的热量以同样的方式运送到空调系统中，为室内制热。

传统的地埋管地源热泵系统存在着运行稳定性差、初始成本高、占用土地资源等缺点，为了克服这些不足，能源桩技术应运而生。能源桩系统是将原本独立钻孔布置的地下埋管换热器安装在建筑的桩基础中，避免了额外钻孔的成本，使得桩基础在满足常规力学功能的同时还能实现浅层地热能的交换。能源桩技术的出现使得全面利用浅层地热能资源有了切实可行的路线。

能源桩（Energy Pile）也可称为能量桩或热交换桩（Heat Exchanger Pile），其与能源连续墙、能源隧道同属能源地下结构。由于目前新建建筑几乎都有桩基础，且能源桩的每延米换热量明显高于钻孔埋管换热器，所以能源桩技术的应用前景十分广阔，具有较高的科研价值。能源桩是将地埋管换热器埋设在建筑物的桩基础中，其工作原理与地埋管地源热泵系统非常相似，也是由地下换热器系统、热泵机组以及建筑暖通系统三个部分组成。由于建筑物桩基础的自有特点，使得能源桩与岩土的接触比传统地下埋管为紧密，从而减少了接触热阻，强化了循环介质与大地岩土的传热性能。

能源桩适用于大多数的常见桩型，其根据桩型的不同可分为：现浇钢筋混凝土桩、预制桩、钢管桩以及搅拌桩等。研究表明，现浇混凝土桩在热量储存能力、传热性能、应用范围等多个方面都有一定优势。现浇混凝土桩的施工过程是首先在桩体的钢筋笼上绑扎换热管，再将换热管随钢筋笼一起放入桩孔之中并浇筑成混凝土成桩。能源桩运行时，通过水泵使换热管内热交换液（通常是添加了防冻剂的纯水）循环流动，从而达到桩体与周围岩土换热的目的。

在地埋管地源热泵系统中，埋管钻孔直径一般约为110mm～150mm，由于受到直径的限制，因此埋管形式多为单U或双U。能源桩的直径远大于地埋管钻孔直径，一般约为300mm～1500mm，因此能源桩的埋管形式也更为多样。目前常见的能源桩埋管形式主要有五种：单U型、W型、并联双U型、并联三U型以及螺旋形。

不同埋管形式的能源桩在换热效率上也有所差异，单U型桩换热效率最低，不能充分发挥桩基的换热能力。W型能源桩也可称作串联双U型，其换热能力较好，但是桩顶管道内若有空气则较难排出。并联双U及三U型能源桩换热能力较强，但是由于单桩内埋管较多，间距较小，容易出现热短路情况。螺旋型能源桩埋管长度最长，因此换热能力也最好，但由于其结构较复杂，因此施工难度偏大。

由于能源桩的首要功能是作为承重结构承载上部建筑荷载，因此必须考虑传热对桩体力学性能的影响。在加热或制冷工况中，桩身材料由于热胀冷缩进而会在桩周产生阻力：桩体受热时，桩身会膨胀挤压桩身周边岩土，在上部桩侧产生向下的阻力，在下部桩侧产生向上的阻力以及桩底阻力。桩体受冷时会向内收缩，产生与加热工况时相反的摩擦阻力及桩底拉伸阻力。

总体而言，能源桩相较于传统地埋管换热器有以下几个方面的优势：1.能源桩的换热效率比传统地埋管更高且更为节能；2.能源桩的施工较为便利，无需额外钻孔，缩短了工期降低了成本；3.减少了地下换热器所需的地面面积，节约了建筑用地。4.避免了后续扩建对地下换热器产生的影响，保证了系统的稳定性。

3 能源桩地源热泵系统的运行效果

目前，现有使用能源桩地源热泵技术的茶室建筑相对较少，但是我们可以通过了解能源桩在其他相似建筑中的使用情况，从侧面明确能源桩地源热泵技术对于茶室建筑节能可能产生的影响。

该案例位于日本北海道札幌市，建筑建成于2000年，占地面积92.70平方米，建筑面积247.53平方米。建筑属于小型办公住宅混用建筑，建筑本体为钢筋混凝土框架结构，东向有全立面的玻璃窗，如下图1、图2所示。该建筑在面积与形态上和常见的小型茶室建筑有着高度的相似性，因此该案例对茶室建筑的节能设计有着较高的参考价值。

图1

图2

建筑的地下能源桩换热器部分采用了26根300mm桩径的摩擦桩，通过在桩内安装U型换热管实现对地下热量的置换。方案充分的考虑了热响应半径，并在地下10米处设置了5个传感器，便于精确测量地下温度。

室内的散热器通过设置屋顶和地板双重方式，巧妙的利用了冷空气和热空气的特性：当能源桩地源热泵系统运行在制冷工况下时，冷量通过屋顶的散热器降温空间，并由于冷空气下沉的特点实现冷量自循环覆盖；在加热工况时，热量通过地板上的散热器散发，并上浮扩散至整个室内。有效的节约了空气循环需要的能源量。

经过实际测量，结果表明平均制冷系数高于3.9。建筑在使用了能源桩地源热泵系统后，比传统空调制冷的方案节能23.2%。据此可知：能源桩地源热泵系统确实可以有效的提高建筑节能效率。

综上所述，在当今能源紧缺且温室效应严重的时代背景下，节能已经是建筑设计中重点关注的话题。对于窗墙比较高的茶室建筑来说，节能更是日后发展的重中之重。本文从技术的角度出发，给出了对于茶室建筑节能的思考并讨论了可行的技术实现方式，为日后的设计提供了参考。在茶室建筑的设计中，一方面要从艺术的角度出发，考虑人文、生态、环境等，另一方面也要着眼于实际的建筑运行能耗，保持建筑的可持续发展。只有兼顾艺术与技术，才能更好的实现茶道精神的展现。