Estudio de campo sobre el rendimiento de transferencia de calor y las propiedades termo-mecánicas de pilotes energéticos PHC pre-perforados

Convertir los cimientos de los edificios en ayudantes energéticos silenciosos

Mientras las ciudades buscan formas más limpias de calentar y enfriar los edificios, los ingenieros ponen la vista en algo que ya está bajo nuestros pies: los cimientos que sostienen las construcciones. Este estudio analiza un nuevo tipo de pilote que puede transferir calor hacia y desde el suelo de forma silenciosa, manteniendo al mismo tiempo su función principal de soporte. Al ensayar estos “pilotes energéticos” a escala real, los investigadores muestran cuán bien transfieren calor y cómo gestionan con seguridad las solicitaciones adicionales que los cambios de temperatura generan dentro del hormigón.

¿Por qué usar el subsuelo para calefacción y refrigeración?

Los sistemas convencionales de bomba de calor geotérmica calientan y enfrían edificios haciendo circular un fluido por tuberías largas enterradas en sondeos. Aunque son eficientes, requieren perforaciones adicionales que ocupan espacio subterráneo y aumentan los costes de construcción. Los pilotes energéticos combinan soporte estructural e intercambio térmico en un solo elemento: los mismos pilotes de hormigón que sostienen el peso del edificio también alojan tuberías de plástico por las que circula agua portadora de calor. Esta investigación se centra en una versión concreta llamada pilote energético PHC pre-perforado, en la que un pilote de hormigón de alta resistencia se coloca en un hueco previamente perforado y relleno de lechada, y las tuberías de intercambio térmico se fijan al exterior del pilote en lugar de ir embebidas en su interior. Ese simple cambio de ubicación de las tuberías resulta determinante tanto para el rendimiento como para la durabilidad.

Un nuevo diseño de pilote que protege las tuberías

En las densas ciudades chinas, los pilotes perforados tradicionales generan lodos desordenados y los pilotes hincados pueden compactar en exceso el suelo, limitando su uso. El pilote plantado pre-perforado grouted (PGP) evita ambos problemas: se perfora un hueco, se rellena con suelo cementado y luego se inserta el pilote prefabricado en esta columna blanda. Los autores adaptaron este método a un “pilote energético PHC pre-perforado” pegando tuberías plásticas de intercambio térmico directamente al exterior del pilote de hormigón antes de su inserción. Dado que el pilote se desliza en un suelo cementado todavía fluido, las tuberías encuentran muy poca resistencia y quedan protegidas frente a daños. En un proyecto real con 46 pilotes de este tipo, la presión en cada tubería se mantuvo sin cambios tras la instalación, lo que indica que ninguna resultó rota —una tasa de supervivencia del 100%, notablemente mejor que muchos enfoques convencionales.

Midiendo el flujo de calor en profundidad

Para evaluar la eficacia térmica de estos pilotes, el equipo instrumentó dos pilotes a escala real, de 45 metros de longitud cada uno, con sensores de fibra óptica distribuidos pegados a la superficie del hormigón. Estas fibras de vidrio ultra‑finas miden temperatura y deformación de forma continua a lo largo de la profundidad del pilote. Primero, los investigadores realizaron una prueba de flujo térmico constante para determinar la conductividad térmica del suelo circundante, obteniendo un valor global de aproximadamente 1,98 vatios por metro y grado Celsius —típico de arcillas y limos húmedos. Después simularon el funcionamiento real de un edificio. En condiciones de “verano”, se hizo circular agua caliente a unos 35 °C durante 48 horas. Cada pilote entregó alrededor de 77–85 vatios de calor por metro de longitud, con un promedio de 81,3 W/m. Ese valor es superior al de muchos pilotes energéticos convencionales e incluso mejor que el de muchos sondeos estándar para bombas de calor geotérmicas, probablemente porque las tuberías están en contacto directo con el suelo circundante en lugar de estar enterradas en el interior más frío del hormigón.

Cómo el calor hace que un cimiento se expanda y contraiga

Siempre que el pilote se calienta o enfría tiende a expandirse o contraerse, pero el suelo circundante y el edificio que soporta lo mantienen parcialmente en su sitio. Esta restricción convierte el cambio de temperatura en esfuerzos mecánicos dentro del hormigón. Los sensores de fibra óptica registraron pequeños estiramientos y comprimidos (medidos como microdeformaciones) a lo largo del pilote al calentarse y enfriarse. Bajo la acción del calentamiento veraniego, los pilotes se expandieron, mostrando las mayores deformaciones en la cabeza libre y en la base, pero la mayor compresión interna se detectó en la zona media, donde el movimiento quedaba más restringido por el suelo. El esfuerzo compresivo inducido térmicamente alcanzó un pico de aproximadamente 2 megapascales (MPa), muy por debajo de la resistencia a compresión del hormigón, de alrededor de 80 MPa. En condiciones invernales, cuando se hizo circular agua a 8 °C para enfriar el pilote, el hormigón se contrajo y aparecieron deformaciones tensiles (de tracción). El esfuerzo tensil máximo llegó a unos −1,6 MPa cerca de la mitad de la profundidad —aún por debajo de la resistencia a tracción del pilote, pero ya en torno al 20% de su límite estimado, lo que indica que los ciclos repetidos a lo largo de muchas estaciones podrían ser relevantes para la seguridad a largo plazo.

Qué significa esto para los edificios del futuro

El estudio demuestra que los pilotes energéticos PHC pre-perforados pueden combinar con fiabilidad soporte estructural e intercambio térmico eficiente, con una excelente supervivencia de las tuberías durante la instalación y una producción de calor por metro superior a la habitual. Para propietarios y planificadores urbanos eso significa que los cimientos podrían ayudar discretamente a reducir el consumo energético y las emisiones sin requerir espacio subterráneo adicional. Al mismo tiempo, el trabajo señala una preocupación de diseño clave: en el funcionamiento en época fría los pilotes experimentan esfuerzos tensiles notables que deben contemplarse, sobre todo tras muchos años de ciclos de calefacción y refrigeración. Investigaciones futuras se centrarán en cómo se acumulan estos esfuerzos con el tiempo, pero el mensaje inicial es prometedor: nuestros cimientos pueden realizar una doble función como componentes ocultos y duraderos de sistemas de calefacción y refrigeración más limpios.

Cita: 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

Palabras clave: pilotes energéticos, bomba de calor geotérmica, cimientos geotérmicos, calefacción y refrigeración de edificios, energía subterránea urbana