浅析能源桩在建筑节能中的应用

浅析能源桩在建筑节能中的应用随着人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调系统已成为普遍的需求，而该部分能耗可占到社会总能耗的25%～30%。我国大部分地区的能源消耗主要来源于煤炭能源，煤炭属于不可再生资源，且燃烧时会产生大量污染物及有害气体，带来了一系列环境问题，因此，工程界需要探求一种新的建筑节能技术，能够结合工程特点，既获取能源，又不会产生环境问题。此时，由地源热泵技术引伸而来的能源桩节能技术开始在工程界崭露头角。

一、能源桩简介1.传统地源热泵技术

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能空调系统，通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现低温位热能向高温位转移。在冬季，地能作为热泵供暖的热源，从中取出热量，用于提升室内温度；在夏季，地热则作为空调的冷源，把室内的热量取出，释放到地下去。

地源热泵技术是近几十年来备受欢迎的一种建筑节能技术，具有经济节能、环保、一机多用、应用范围广、系统维护费用低等诸多优点。通常地源热泵消耗1kW的热量，可以得到4kW以上的热量或冷量。与锅炉供热系统相比，要比电锅炉节约2/3以上的电能，比燃料锅炉节省1/2的能量。因此，该技术近几十年来在全球范围内得到了大力发展与广泛应用，如：美国在1985年全国共有1.4万台地源热泵，而1997年安装了4.5万台，到2001年累计安装了40多万台，且每年以10%的速度在稳步增长，其中新建筑占30%；在中北欧的瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家，根据1999年的统计数字，在家用的供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士占96%，奥地利占38%，丹麦占27%。地源热泵在我国的推广和研究是在20世纪90年代，并以10%～15%的速度推广。虽然地源热泵优点很多，但并非十全十美，其不足主要表现在三个方面：初期投资偏高、占用地下空间、可能存在环境问题。

2.能源桩技术及其优势

在房屋建筑中，桩基础是一种最为普遍的基础形式。在桩内植入地下热交换管路系统，利用其从地层获取浅层地温能，该种新型桩称为能源桩或能量桩，它是由传统地源热泵技术引伸而来的全新建筑节能技术。具有以下优点：可与地下工程结构协同进行，额外工程费用少，不需要占地额外地下空间，可省去室外机或冷却塔，且传热效果好，比传统空调系统节能30%～50%。同时，由于能源桩将地下热交换管与桩基紧密结合，保证了系统的稳定性、耐久性，较一般地下的埋管地源热泵系统造价低。可见，在继承传统地源热泵技术优点的同时，也解决了地源热泵技术在城市推广占地和成本高两个主要障碍。

3.能源桩在国内外的应用现状

利用桩基从地层获得浅层地温能，在国外通常被称为“能源桩基技术”。Nageleban公司于1980年在澳大利亚首次使用这种简单而高效的系统。此后，该类系统被广泛应用于别墅、公寓楼、商业楼、文化中心和工业设施。奥地利从1985年到现在打入能源预制桩总长度已超过100万米，且以每年13万米的速度在增长。德国法兰克福的美茵塔建筑、德国图宾根的KreissparkasseTuebingen银行、德国波鸿市Stadtwerke公司办公楼、日本札幌市立大学一栋建筑均采用了能源桩基技术。瑞士政府在2001年制订的“瑞士十年能源计划”中，大力提倡并以多种形式利用地温能，包括钻孔法、挖井法、能源桩、温泉、深层地下水及输水隧道等。瑞士PAGO公司办公大楼从1996年起利用570个能源桩从地下获得能量用于公司的供暖和供冷，效果非常显著。

国内也有少量能源桩基案例。2006年同济大学的旭日楼工程采用了能源桩基，桩基为现浇钻孔灌注桩，深度达28米，效果十分理想。目前国内规模较大的尝试桩基埋管系统的工程是南京朗诗国际街区，总建筑面积91557平方米，地上建筑面积为68115平方米，2007年夏天已运行反映较好。此外，还有天津市梅江综合办公楼、浙江省温州市会所、吴江中达电子营建处办公楼、塘沽凯华商业广场等均采用了桩埋管地源热泵系统。2010年上海世博会中轴线，采用了能源桩地源热泵系统，通过利用6000多根能源桩，结合黄浦江水源，配合水源热泵实现供冷、采暖。从能源桩在国内外的发展现状可看出，能源桩在全世界大部分地区是适用的，具有广阔发展前景的。

二、能源桩在房屋节能中的适应性由于城市能源紧缺，国家已颁布强制性条文，要求普通住宅在建造过程中必须做保温节能，普遍的做法是在主体结构外墙和饰面板之间设置保温层、在屋顶做隔热层，以降低在使用过程中热量或冷量的消散速度，起到“截流”的效果。要真正做到房屋节能，除了有效“截流”之外，还需开辟获取绿色、环保能源的新通道，才能最大意义上实现节能。

能源桩的核心思想，是把埋在地下的桩基作为热交换构件并从周围地层中获得地表浅层地温能。因此，能源桩的应用需满足两个前提条件：(1)气候条件。地层中温度恒定，且具有较合适的温度值，即地层中需蕴含稳定的地温能。(2)工程条件。地下结构应具有足够埋深，且与周围地层有充分的接触面积，即需要足够的地下换热构件。

能源桩在欧洲地区应用较多。中国与欧洲地区的气候特点、工程水文地质特点基本类似，能源地下工程在欧洲地区具有适用性，通过工程类比法，可初步推断能源地下工程适用于中国大部分地区。

以上海地区为例，将地表传热问题简化为表面温度随时间变化的半无限大固体模型，利用该模型，对上海地区的累年月平均温度进行分析后发现，上海地区地层温度具有以下特点：(1)当地层深度大于5米时，地层温度已基本恒定。(2)恒定的地层温度与地表处平均温度相当。在上海地区，该恒定温度为16.7℃左右。该温度是较理想的地源热泵热源温度值，既利于制热，又利于制冷。(3)随着地层深度的增大，温度响应有大量延迟。当地层深度为3米时，温度响应延迟为68天，即若地表最高温度出现日期在8月，则地下3米处最高温度出现日期在10月，这就意味着8月份存储的热量可在10月份用于制热。这说明能源地下工程的应用在年平均气温波动较大的地区有很大的优势，在某种程度上我们可称之为冬、夏季冷热互为逆储备，从而进一步提升地源温度的利用效率，可见能源地下工程在上海地区的应用具备一定气候优势的。推广至全国，只要该地区具有以上3个特征，也同样适合应用该项技术。

三、能源桩的应用前景和面临的挑战我国对于普通住宅的刚性需求非常大，全国各大中小城市均在大力开发商品房和保障性住房；与经济发展的脚步并进，各个区域由政府规划、不同定位的商务区蓬勃发展，仅上海闵行地区，目前，有虹桥商务区、莘庄商务区和七宝商务区，商务区对于商办楼的使用能耗也提出了相当高的要求。随着能源供应的紧缺，寻求无污染、可再生的新型能源，将势在必行。在我国的房屋建设领域，桩基础是最常见的基础形式，被广泛应用于多层和高层建筑中，设计和施工技术均比较成熟。在此形势下，能源桩的应用必将带来崭新的节能时代。

能源桩作为一种新型节能技术，将环保、节能的概念融入到地下工程中，其经济效益、环境效益和社会效益是不可估量的，在我国有着巨大的发展潜力和广泛的应用前景。能源桩应用在房屋主体结构的深基础中，可为居民或办公楼提供能源，对其进行制热和制冷。且其在继承传统地源热泵技术优点的同时，解决了地源热泵技术在城市推广中占地和成本高两个主要障碍，因此，它在我国城市建设中具有无与伦比的优势。但同时，由于在设计和施工上仍有一些技术难题有待解决。如作为新技术，布设在地下结构中的换热器传热计算理论、计算模型以及埋管优化是该项技术研究和发展的关键。且还没有普遍公认的地埋管换热器的传热分析模型和规范，有待对其做更深入的研究。此外，能源桩在实际应用中，对材料和各种管接件提出了更高的要求，对现浇或预制桩基的工艺、现场作业程序提出了更严格的标准，这对管理、工艺、施工人员的素质都是一种挑战。

四、结语能源地下工程在房屋节能中具有巨