Feldstudie zur Wärmeübertragungsleistung und thermo-mechanischen Eigenschaften vorgebohrter PHC-Energiepfähle

Fundamente als stille Energiehelfer

Während Städte nach saubereren Wegen suchen, Gebäude zu heizen und zu kühlen, richten Ingenieure ihren Blick auf etwas, das bereits unter unseren Füßen liegt: die Fundamente, die Bauwerke tragen. Diese Studie untersucht eine neue Art von Pfahl, die unauffällig Wärme in den Boden hinein- und herausbewegen kann, während sie gleichzeitig ihre Hauptaufgabe, das Tragen einer Struktur, erfüllt. Durch Tests an Vollskalenpfählen zeigen die Forschenden, wie gut diese „Energiepfähle“ Wärme übertragen und wie sicher sie mit den zusätzlichen mechanischen Belastungen durch Temperaturänderungen im Beton umgehen.

Warum den Boden für Heizung und Kühlung nutzen?

Konventionelle Erdwärmesysteme kühlen und heizen Gebäude, indem Fluid durch lange Rohre in Bohrlöchern zirkuliert. Zwar effizient, erfordern diese Systeme zusätzliche Bohrungen, die unterirdischen Raum beanspruchen und die Baukosten erhöhen. Energiepfähle vereinigen Tragwerk und Wärmeübertrager in einem Element: dieselben Betonpfähle, die das Gewicht eines Gebäudes tragen, enthalten Kunststoffrohre, durch die wärmetransportierendes Wasser fließt. Diese Arbeit konzentriert sich auf eine spezielle Ausführung, den vorgebohrten PHC-Energiepfahl: ein hochfester Betonpfahl, der in ein vorgebohrtes, vergutetes Loch abgesenkt wird, wobei die Wärmetauscherrohre an der Außenseite des Pfahls angebracht sind statt im Inneren. Diese einfache Verlagerung der Rohrposition erweist sich als relevant für Leistung und Dauerhaftigkeit.

Ein neuer Pfahltyp, der die Rohre schützt

In dicht bebauten chinesischen Städten verursachen traditionelle Bohrpfähle schlammige Spülungen, und Ramm- oder Rammpfähle können den Boden übermäßig verdichten, was ihre Anwendung einschränkt. Der vorgebohrte, verfestigte (PGP) Pfahl vermeidet beide Probleme, indem ein Loch gebohrt, mit zementiertem Boden gefüllt und dann der Fertigpfahl in diese weiche Säule eingesetzt wird. Die Autorinnen und Autoren passten diese Methode zum „vorgebohrten PHC-Energiepfahl“ an, indem sie Kunststoff-Wärmetauscherrohre vor dem Einbringen direkt an der Außenseite des Betons anklebten. Da der Pfahl in noch flüssigen, zementierten Boden eingeschoben wird, erfahren die Rohre nur geringe Reibung und sind vor Beschädigung geschützt. In einem realen Projekt mit 46 solchen Pfählen blieb der Druck in allen Rohren nach der Installation unverändert, was darauf hinweist, dass keines gebrochen war — eine 100%ige Überlebensrate, deutlich besser als bei vielen herkömmlichen Verfahren.

Wärmefluss tief unter der Erde messen

Um zu prüfen, wie gut diese Pfähle Wärme übertragen, instrumentierte das Team zwei Pfähle in Vollskala, jeweils 45 Meter lang, mit verteilt angebrachten Faseroptik-Sensoren, die entlang der Betonoberfläche befestigt waren. Diese ultradünnen Glasfasern messen Temperatur und Dehnung kontinuierlich über die Pfahltiefe. Zunächst führten die Forschenden einen Konstantwärmefluss-Test durch, um die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Bodens zu bestimmen; es ergab sich eine Gesamtwärmeleitfähigkeit von etwa 1,98 Watt pro Meter und Grad Celsius — typisch für feuchte Tone und Silte. Danach simulierten sie realen Gebäudebetrieb: Unter „Sommer“-Bedingungen wurde etwa 35 °C warmes Wasser 48 Stunden lang durch die Rohre zirkuliert. Jeder Pfahl lieferte rund 77–85 Watt Wärme pro Meter Länge, im Mittel 81,3 W/m. Das ist höher als typische Werte vieler herkömmlicher Energiepfähle und sogar besser als bei vielen Standard-Erdwärmesonden, vermutlich weil die Rohre direkten Kontakt zum umgebenden Boden haben statt im kühleren Inneren des Betons zu liegen.

Wie Wärme ein Fundament ausdehnen und zusammenziehen lässt

Wann immer der Pfahl beheizt oder gekühlt wird, will er sich ausdehnen bzw. zusammenziehen, wird aber teilweise vom umgebenden Boden und dem darauf stehenden Gebäude gehalten. Diese Einschränkung wandelt Temperaturänderung in mechanische Spannungen im Beton um. Die Faseroptiksensoren erfassten winzige Dehnungen und Stauchungen (gemessen als Mikro-Dehnungen) entlang des Pfahls beim Erwärmen und Abkühlen. Unter Sommerheizung dehnten sich die Pfähle, mit den größten Dehnungen am freien Kopf und Fuß, während innen in der Mitte wegen stärkerer Einschränkung durch den Boden die größte Kompression auftrat. Die daraus resultierende thermisch induzierte Druckspannung erreichte etwa 2 Megapascal (MPa), weit unter der Druckfestigkeit des Betons von ungefähr 80 MPa. Unter Winterbedingungen, als der Pfahl mit 8 °C kaltem Wasser gekühlt wurde, schrumpfte der Beton und es traten Zugdehnungen auf. Die maximale Zugspannung erreichte rund −1,6 MPa in Mittentiefe — ebenfalls unter der Zugfestigkeit des Pfahls, aber bereits bei etwa 20 % der geschätzten Grenze, ein Hinweis darauf, dass wiederkehrende Zyklen über viele Jahre für die Langzeitsicherheit bedeutsam werden könnten.

Was das für zukünftige Gebäude bedeutet

Die Studie zeigt, dass vorgebohrte PHC-Energiepfähle zuverlässig Tragfähigkeit und effizienten Wärmeaustausch vereinen, mit ausgezeichneter Rohrüberlebensrate bei der Installation und höherer als üblicher Wärmeleistung pro Meter. Für Gebäudeigentümer und Stadtplaner bedeutet das: Fundamente könnten unauffällig helfen, Energieverbrauch und Emissionen zu senken, ohne zusätzlichen unterirdischen Raum zu beanspruchen. Gleichzeitig weist die Arbeit auf eine wichtige Planungsfrage hin: Im Kaltbetrieb treten deutliche Zugspannungen auf, die über viele Heiz- und Kühlzyklen berücksichtigt werden müssen. Zukünftige Forschung wird untersuchen, wie sich diese Spannungen im Laufe der Zeit aufbauen; die erste Botschaft ist jedoch vielversprechend — unsere Fundamente können als langlebige, verdeckte Komponenten saubererer Heiz- und Kühlsysteme doppelt genutzt werden.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: Energiepfähle, Wärmepumpe mit Erdwärme, geothermale Fundamente, Gebäudeheizung und -kühlung, städtische unterirdische Energie