淺析能源樁在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

淺析能源樁在建筑節(jié)能中的應(yīng)用隨著人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱和空調(diào)系統(tǒng)已成為普遍的需求，而該部分能耗可占到社會(huì)總能耗的25%～30%。我國大部分地區(qū)的能源消耗主要來源于煤炭能源，煤炭屬于不可再生資源，且燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量污染物及有害氣體，帶來了一系列環(huán)境問題，因此，工程界需要探求一種新的建筑節(jié)能技術(shù)，能夠結(jié)合工程特點(diǎn)，既獲取能源，又不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境問題。此時(shí)，由地源熱泵技術(shù)引伸而來的能源樁節(jié)能技術(shù)開始在工程界嶄露頭角。

一、能源樁簡介1.傳統(tǒng)地源熱泵技術(shù)

地源熱泵是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，通過輸入少量的高品位能源(如電能)，實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。在冬季，地能作為熱泵供暖的熱源，從中取出熱量，用于提升室內(nèi)溫度；在夏季，地?zé)釀t作為空調(diào)的冷源，把室內(nèi)的熱量取出，釋放到地下去。

地源熱泵技術(shù)是近幾十年來備受歡迎的一種建筑節(jié)能技術(shù)，具有經(jīng)濟(jì)節(jié)能、環(huán)保、一機(jī)多用、應(yīng)用范圍廣、系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)。通常地源熱泵消耗1kW的熱量，可以得到4kW以上的熱量或冷量。與鍋爐供熱系統(tǒng)相比，要比電鍋爐節(jié)約2/3以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省1/2的能量。因此，該技術(shù)近幾十年來在全球范圍內(nèi)得到了大力發(fā)展與廣泛應(yīng)用，如：美國在1985年全國共有1.4萬臺(tái)地源熱泵，而1997年安裝了4.5萬臺(tái)，到2001年累計(jì)安裝了40多萬臺(tái)，且每年以10%的速度在穩(wěn)步增長，其中新建筑占30%；在中北歐的瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家，根據(jù)1999年的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，在家用的供熱裝置中，地源熱泵所占比例，瑞士占96%，奧地利占38%，丹麥占27%。地源熱泵在我國的推廣和研究是在20世紀(jì)90年代，并以10%～15%的速度推廣。雖然地源熱泵優(yōu)點(diǎn)很多，但并非十全十美，其不足主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：初期投資偏高、占用地下空間、可能存在環(huán)境問題。

2.能源樁技術(shù)及其優(yōu)勢

在房屋建筑中，樁基礎(chǔ)是一種最為普遍的基礎(chǔ)形式。在樁內(nèi)植入地下熱交換管路系統(tǒng)，利用其從地層獲取淺層地溫能，該種新型樁稱為能源樁或能量樁，它是由傳統(tǒng)地源熱泵技術(shù)引伸而來的全新建筑節(jié)能技術(shù)。具有以下優(yōu)點(diǎn)：可與地下工程結(jié)構(gòu)協(xié)同進(jìn)行，額外工程費(fèi)用少，不需要占地額外地下空間，可省去室外機(jī)或冷卻塔，且傳熱效果好，比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能30%～50%。同時(shí)，由于能源樁將地下熱交換管與樁基緊密結(jié)合，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、耐久性，較一般地下的埋管地源熱泵系統(tǒng)造價(jià)低?？梢?，在繼承傳統(tǒng)地源熱泵技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也解決了地源熱泵技術(shù)在城市推廣占地和成本高兩個(gè)主要障礙。

3.能源樁在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀

利用樁基從地層獲得淺層地溫能，在國外通常被稱為“能源樁基技術(shù)”。Nageleban公司于1980年在澳大利亞首次使用這種簡單而高效的系統(tǒng)。此后，該類系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于別墅、公寓樓、商業(yè)樓、文化中心和工業(yè)設(shè)施。奧地利從1985年到現(xiàn)在打入能源預(yù)制樁總長度已超過100萬米，且以每年13萬米的速度在增長。德國法蘭克福的美茵塔建筑、德國圖賓根的KreissparkasseTuebingen銀行、德國波鴻市Stadtwerke公司辦公樓、日本札幌市立大學(xué)一棟建筑均采用了能源樁基技術(shù)。瑞士政府在2001年制訂的“瑞士十年能源計(jì)劃”中，大力提倡并以多種形式利用地溫能，包括鉆孔法、挖井法、能源樁、溫泉、深層地下水及輸水隧道等。瑞士PAGO公司辦公大樓從1996年起利用570個(gè)能源樁從地下獲得能量用于公司的供暖和供冷，效果非常顯著。

國內(nèi)也有少量能源樁基案例。2006年同濟(jì)大學(xué)的旭日樓工程采用了能源樁基，樁基為現(xiàn)澆鉆孔灌注樁，深度達(dá)28米，效果十分理想。目前國內(nèi)規(guī)模較大的嘗試樁基埋管系統(tǒng)的工程是南京朗詩國際街區(qū)，總建筑面積91557平方米，地上建筑面積為68115平方米，2007年夏天已運(yùn)行反映較好。此外，還有天津市梅江綜合辦公樓、浙江省溫州市會(huì)所、吳江中達(dá)電子營建處辦公樓、塘沽凱華商業(yè)廣場等均采用了樁埋管地源熱泵系統(tǒng)。2010年上海世博會(huì)中軸線，采用了能源樁地源熱泵系統(tǒng)，通過利用6000多根能源樁，結(jié)合黃浦江水源，配合水源熱泵實(shí)現(xiàn)供冷、采暖。從能源樁在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀可看出，能源樁在全世界大部分地區(qū)是適用的，具有廣闊發(fā)展前景的。

二、能源樁在房屋節(jié)能中的適應(yīng)性由于城市能源緊缺，國家已頒布強(qiáng)制性條文，要求普通住宅在建造過程中必須做保溫節(jié)能，普遍的做法是在主體結(jié)構(gòu)外墻和飾面板之間設(shè)置保溫層、在屋頂做隔熱層，以降低在使用過程中熱量或冷量的消散速度，起到“截流”的效果。要真正做到房屋節(jié)能，除了有效“截流”之外，還需開辟獲取綠色、環(huán)保能源的新通道，才能最大意義上實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

能源樁的核心思想，是把埋在地下的樁基作為熱交換構(gòu)件并從周圍地層中獲得地表淺層地溫能。因此，能源樁的應(yīng)用需滿足兩個(gè)前提條件：(1)氣候條件。地層中溫度恒定，且具有較合適的溫度值，即地層中需蘊(yùn)含穩(wěn)定的地溫能。(2)工程條件。地下結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠埋深，且與周圍地層有充分的接觸面積，即需要足夠的地下?lián)Q熱構(gòu)件。

能源樁在歐洲地區(qū)應(yīng)用較多。中國與歐洲地區(qū)的氣候特點(diǎn)、工程水文地質(zhì)特點(diǎn)基本類似，能源地下工程在歐洲地區(qū)具有適用性，通過工程類比法，可初步推斷能源地下工程適用于中國大部分地區(qū)。

以上海地區(qū)為例，將地表傳熱問題簡化為表面溫度隨時(shí)間變化的半無限大固體模型，利用該模型，對上海地區(qū)的累年月平均溫度進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，上海地區(qū)地層溫度具有以下特點(diǎn)：(1)當(dāng)?shù)貙由疃却笥?米時(shí)，地層溫度已基本恒定。(2)恒定的地層溫度與地表處平均溫度相當(dāng)。在上海地區(qū)，該恒定溫度為16.7℃左右。該溫度是較理想的地源熱泵熱源溫度值，既利于制熱，又利于制冷。(3)隨著地層深度的增大，溫度響應(yīng)有大量延遲。當(dāng)?shù)貙由疃葹?米時(shí)，溫度響應(yīng)延遲為68天，即若地表最高溫度出現(xiàn)日期在8月，則地下3米處最高溫度出現(xiàn)日期在10月，這就意味著8月份存儲(chǔ)的熱量可在10月份用于制熱。這說明能源地下工程的應(yīng)用在年平均氣溫波動(dòng)較大的地區(qū)有很大的優(yōu)勢，在某種程度上我們可稱之為冬、夏季冷熱互為逆儲(chǔ)備，從而進(jìn)一步提升地源溫度的利用效率，可見能源地下工程在上海地區(qū)的應(yīng)用具備一定氣候優(yōu)勢的。推廣至全國，只要該地區(qū)具有以上3個(gè)特征，也同樣適合應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)。

三、能源樁的應(yīng)用前景和面臨的挑戰(zhàn)我國對于普通住宅的剛性需求非常大，全國各大中小城市均在大力開發(fā)商品房和保障性住房；與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的腳步并進(jìn)，各個(gè)區(qū)域由政府規(guī)劃、不同定位的商務(wù)區(qū)蓬勃發(fā)展，僅上海閔行地區(qū)，目前，有虹橋商務(wù)區(qū)、莘莊商務(wù)區(qū)和七寶商務(wù)區(qū)，商務(wù)區(qū)對于商辦樓的使用能耗也提出了相當(dāng)高的要求。隨著能源供應(yīng)的緊缺，尋求無污染、可再生的新型能源，將勢在必行。在我國的房屋建設(shè)領(lǐng)域，樁基礎(chǔ)是最常見的基礎(chǔ)形式，被廣泛應(yīng)用于多層和高層建筑中，設(shè)計(jì)和施工技術(shù)均比較成熟。在此形勢下，能源樁的應(yīng)用必將帶來嶄新的節(jié)能時(shí)代。

能源樁作為一種新型節(jié)能技術(shù)，將環(huán)保、節(jié)能的概念融入到地下工程中，其經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益是不可估量的，在我國有著巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景。能源樁應(yīng)用在房屋主體結(jié)構(gòu)的深基礎(chǔ)中，可為居民或辦公樓提供能源，對其進(jìn)行制熱和制冷。且其在繼承傳統(tǒng)地源熱泵技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，解決了地源熱泵技術(shù)在城市推廣中占地和成本高兩個(gè)主要障礙，因此，它在我國城市建設(shè)中具有無與倫比的優(yōu)勢。但同時(shí)，由于在設(shè)計(jì)和施工上仍有一些技術(shù)難題有待解決。如作為新技術(shù)，布設(shè)在地下結(jié)構(gòu)中的換熱器傳熱計(jì)算理論、計(jì)算模型以及埋管優(yōu)化是該項(xiàng)技術(shù)研究和發(fā)展的關(guān)鍵。且還沒有普遍公認(rèn)的地埋管換熱器的傳熱分析模型和規(guī)范，有待對其做更深入的研究。此外，能源樁在實(shí)際應(yīng)用中，對材料和各種管接件提出了更高的要求，對現(xiàn)澆或預(yù)制樁基的工藝、現(xiàn)場作業(yè)程序提出了更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，這對管理、工藝、施工人員的素質(zhì)都是一種挑戰(zhàn)。

四、結(jié)語能源地下工程在房屋節(jié)能中具有巨