دراسة ميدانية حول أداء نقل الحرارة والخصائص الحرارية-الميكانيكية لركائز الطاقة PHC المثقوبة مسبقًا

تحويل أساسات المباني إلى مساعدين طاقيين صامتين

بينما تبحث المدن عن طرق أنظف لتدفئة وتبريد المباني، يتجه المهندسون إلى شيء يوجد بالفعل تحت أقدامنا: الأساسات التي تحمل المباني. تبحث هذه الدراسة في نوع جديد من الركائز يمكنه أن ينقل الحرارة إلى داخل الأرض وخارجها بصمت بينما يظل يؤدي وظيفته الأساسية في دعم المبنى. من خلال اختبار هذه «ركائز الطاقة» على مقياس كامل، يبيّن الباحثون مدى كفاءتها في نقل الحرارة وكيفية تحملها الإضافي للضغوط الميكانيكية الناتجة عن تغيّر درجات الحرارة داخل الخرسانة.

لماذا استخدام الأرض للتدفئة والتبريد؟

تعتمد أنظمة المضخات الحرارية التقليدية بمصدر أرضي على تدوير سائل عبر أنابيب طويلة مدفونة في ثقوب حفر. ورغم كفاءتها، تتطلب هذه الأنظمة حفرًا إضافيًا يشغل مساحة تحت الأرض ويرفع تكاليف البناء. تجمع ركائز الطاقة بين الدعم الهيكلي وتبادل الحرارة في عنصر واحد: فالركائز الخرسانية نفسها التي تحمل وزن المبنى تستضيف أيضاً أنابيب بلاستيكية تنقل الماء الحامل للحرارة. تركز هذه الدراسة على نسخة معينة تسمى ركائز الطاقة PHC المثقوبة مسبقًا، حيث تُخفض ركائز خرسانية عالية القوة إلى داخل ثقب مُثَقَّب ومملوء بالمونة، وتُثبت أنابيب تبادل الحرارة على الخارج بدلاً من وضعها داخل الخرسانة. يؤثر هذا التغيير البسيط في موقع الأنابيب بشكل كبير على الأداء والمتانة.

تصميم ركائز جديد يحمي الأنابيب

في المدن الصينية الكثيفة، تتسبب الركائز التقليدية المثقوبة في طين رخو فوضوي بينما قد تضغط الركائز الدافعة التربة بشكل مفرط، ما يحد من استخدامها. تتجنب الركيزة المغروسة والمملوءة بالمونة (PGP) كلا المشكلتين عن طريق حفر ثقب، وملئه بتربة مسمنتة، ثم إدخال الركيزة مسبقة الصنع في هذا العمود الطري. حول المؤلفون هذه الطريقة إلى «ركيزة طاقة PHC مثقوبة مسبقًا» بلصق أنابيب بلاستيكية لتبادل الحرارة مباشرة على سطح الركيزة الخارجي قبل الإدخال. وبما أن الركيزة تنزلق داخل التربة المملوءة بالمونة وهي لا تزال سائلة، تتعرض الأنابيب لمقاومة ضئيلة ويتم حمايتها من التلف. في مشروع حقيقي شمل 46 ركيزة من هذا النوع، ظل الضغط في كل أنبوب دون تغيير بعد التركيب، مما يدل على عدم تلف أي منها — معدل نجاة 100%، وهو أفضل بشكل ملحوظ من العديد من الطرق التقليدية.

قياس تدفق الحرارة في أعماق الأرض

لمعرفة مدى جودة نقل هذه الركائز للحرارة، جهز الفريق ركزتين مقياسيتين كاملتي الطول، كل منهما بطول 45 مترًا، بألياف بصرية موزعة ملتصقة على سطح الخرسانة. تقيس هذه الألياف الزجاجية فائقة النحافة درجة الحرارة والانفعال باستمرار على طول عمق الركيزة. أولاً، أجرى الباحثون اختبار تدفق حراري ثابت لتحديد مدى توصيل التربة المحيطة للحرارة، فوجدوا موصلية حرارية كلية حوالي 1.98 واط/م/°م — قيمة نمطية للطين والرواسب الرطبة. ثم حاكوا تشغيلًا فعليًا للمبنى. في شروط «الصيف»، تم تدوير ماء دافئ عند حوالي 35 °م عبر الأنابيب لمدة 48 ساعة. قدّمت كل ركيزة نحو 77–85 واطًا من الحرارة لكل متر طول، بمتوسط 81.3 واط/م. هذه القيم أعلى من القيم التقليدية للعديد من ركائز الطاقة وحتى أفضل من كثير من ثقوب مضخات الحرارة بمصدر أرضي الاعتيادية، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن الأنابيب على تماس مباشر مع التربة المحيطة بدلاً من كونها مدفونة داخل داخلية أبرد من الخرسانة.

كيف تجعل الحرارة الأساس يتمدد وينكمش

كلما سخنت الركيزة أو برّدت، فإنها تميل للتمدد أو الانكماش، لكن التربة المحيطة والمبنى العلوي تقيد حركتها جزئيًا. هذه القيود تحول تغيّر درجة الحرارة إلى إجهاد ميكانيكي داخل الخرسانة. التقطت الألياف البصرية تغيرات صغيرة في الشد والانضغاط (تقاس بالميكرواستن) على طول الركيزة أثناء التسخين والتبريد. تحت تأثير التسخين الصيفي، تمددت الركائز، وظهرت أكبر الانفعال عند الرأس الحر والقاع، لكن أكبر انضغاط داخلي كان في الوسط، حيث كانت الحركة مقيدة أكثر بالتربة. بلغ ذروة الإجهاد الانضغاطي الناتج عن الحرارة نحو 2 ميغاباسكال (MPa)، وهو أقل بكثير من مقاومة الخرسانة للضغط التي تبلغ نحو 80 MPa تقريبًا. في ظروف الشتاء، عندما برد الماء الركيزة إلى 8 °م، انكمشت الخرسانة وظهرت انفعال شد (سحبي). وصل أقصى إجهاد شد إلى نحو −1.6 MPa بالقرب من منتصف العمق — لا يزال أقل من مقاومة الركيزة للشّد لكنه يصل إلى نحو 20% من الحد المقدر، ما يشير إلى أن التكرار الموسمي الطويل قد يصبح مهمًا للسلامة على المدى البعيد.

ما دلالات هذا للمباني المستقبلية

تُظهر الدراسة أن ركائز الطاقة PHC المثقوبة مسبقًا يمكنها الجمع بين الدعم الهيكلي وتبادل الحرارة بكفاءة وبموثوقية، مع نجاة ممتازة للأنابيب أثناء التركيب وإنتاج حراري أعلى من المعتاد لكل متر. بالنسبة لمالكي المباني والمخططين الحضريين، يعني هذا أن الأساسات قد تساعد بصمت في تقليل استهلاك الطاقة والانبعاثات دون الحاجة إلى مساحة تحت أرضية إضافية. في الوقت نفسه، تشير النتائج إلى مسألة تصميمية مهمة: أثناء التشغيل في الفصول الباردة تتعرض الركائز لإجهادات شد ملحوظة يجب أخذها بعين الاعتبار، خصوصًا على مدى سنوات عديدة من دورات التدفئة والتبريد. ستركز الأبحاث المستقبلية على كيفية تراكم هذه الإجهادات مع الزمن، لكن الرسالة الأولية مبشرة — إذ يمكن لأساساتنا أن تؤدي دورًا مزدوجًا كمكوّنات مخفية وطويلة العمر لأنظمة تدفئة وتبريد أنظف.

الاستشهاد: Zhou, Jj., Zhang, Rh., Yu, Jl. et al. Field study on heat transfer performance and thermo-mechanical properties of pre-bored PHC energy pile. Sci Rep 16, 7781 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37817-z

الكلمات المفتاحية: ركائز الطاقة, مضخة حرارية بمصدر أرضي, أساسات جيولوجية حرارية, تدفئة وتبريد المباني, طاقة تحت أرضية حضرية