Studio sul campo sulle prestazioni di trasferimento termico e sulle proprietà termo-meccaniche delle pali energetiche PHC pre-perforate

Trasformare le fondazioni degli edifici in silenziosi aiutanti energetici

Mentre le città cercano modi più puliti per riscaldare e raffrescare gli edifici, gli ingegneri guardano a qualcosa che è già sotto i nostri piedi: le fondazioni che sostengono le strutture. Questo studio esamina un nuovo tipo di palo di fondazione che può trasferire calore dentro e fuori dal terreno senza disturbare la sua funzione principale di supporto. Testando in scala reale questi “pali energetici”, i ricercatori mostrano quanto efficacemente trasferiscono calore e come gestiscono in sicurezza le sollecitazioni aggiuntive generate dalle variazioni di temperatura nel calcestruzzo.

Perché usare il terreno per riscaldare e raffrescare?

I sistemi convenzionali a pompa di calore geotermica riscaldano e raffreddano gli edifici facendo circolare un fluido attraverso lunghe tubazioni poste in sonde nel sottosuolo. Pur essendo efficienti, questi sistemi richiedono perforazioni aggiuntive che occupano spazio sotterraneo e aumentano i costi di costruzione. I pali energetici combinano supporto strutturale e scambio termico in un unico elemento: gli stessi pali in calcestruzzo che sopportano il peso dell’edificio ospitano tubazioni in plastica che trasportano acqua termovettore. Questa ricerca si concentra su una variante chiamata palo energetico PHC pre-perforato, in cui un palo in calcestruzzo ad alta resistenza viene calato in un foro pre-trivellato riempito di malta, con le tubazioni di scambio termico fissate all’esterno del palo piuttosto che all’interno. Questo semplice spostamento della posizione delle tubazioni si rivela importante sia per le prestazioni sia per la durabilità.

Un nuovo progetto di palo che protegge le tubazioni

Nelle città cinesi dense, i pali trivellati tradizionali producono fanghi disordinati e i pali battuti possono compattare eccessivamente il terreno, limitandone l’uso. Il palo piantato pre-perforato con incrustazione di malta (PGP) evita entrambi i problemi: si trivella un foro, lo si riempie con terreno cementato e poi si inserisce il palo prefabbricato in questa colonna morbida. Gli autori hanno adattato questo metodo in un “palo energetico PHC pre-perforato” incollando tubazioni in plastica per lo scambio termico direttamente all’esterno del palo prima dell’inserimento. Poiché il palo scivola in un terreno cementato ancora fluido, le tubazioni incontrano pochissima resistenza e sono protette da danni. In un progetto reale con 46 pali di questo tipo, la pressione in ogni tubazione è rimasta invariata dopo l’installazione, indicando che nessuna era rotta — un tasso di sopravvivenza del 100%, notevolmente migliore rispetto a molte soluzioni convenzionali.

Misurare il flusso di calore nel sottosuolo profondo

Per valutare quanto bene questi pali trasferiscono calore, il team ha strumentato due pali in scala reale, ciascuno di 45 metri di lunghezza, con sensori a fibra ottica distribuiti e incollati lungo la superficie del calcestruzzo. Queste fibre di vetro ultrafini misurano continuamente temperatura e deformazione lungo la profondità del palo. Innanzitutto i ricercatori hanno eseguito un test a flusso termico costante per determinare la conducibilità termica del terreno circostante, trovando una conducibilità complessiva di circa 1,98 watt per metro per grado Celsius — valore tipico per argille e limi umidi. Poi hanno simulato il funzionamento reale degli edifici. In condizioni “estive”, acqua calda a circa 35 °C è stata fatta circolare nelle tubazioni per 48 ore. Ogni palo ha fornito circa 77–85 watt di calore per metro di lunghezza, con una media di 81,3 W/m. Questo valore è superiore a quello tipico di molti pali energetici convenzionali e addirittura migliore rispetto a molte sonde per pompe di calore geotermiche standard, probabilmente perché le tubazioni sono a diretto contatto con il terreno circostante piuttosto che sepolte nell’interno più freddo del calcestruzzo.

Come il calore fa espandere e contrarre una fondazione

Ogni volta che il palo viene riscaldato o raffreddato tende ad espandersi o contrarsi, ma il terreno circostante e la struttura soprastante lo vincolano in parte. Questo vincolo trasforma la variazione di temperatura in sollecitazione meccanica all’interno del calcestruzzo. I sensori in fibra ottica hanno registrato piccole dilatazioni e compressioni (misurate come microstrain) lungo il palo durante i cicli di riscaldamento e raffreddamento. Durante il riscaldamento estivo i pali si sono espansi, mostrando le massime deformazioni alla testa libera e alla base, ma la maggiore compressione interna si è verificata al centro, dove il movimento era più limitato dal terreno. La sollecitazione di compressione indotta termicamente ha raggiunto un picco di circa 2 megapascal (MPa), ben al di sotto della resistenza a compressione del calcestruzzo, di circa 80 MPa. In condizioni invernali, quando acqua a 8 °C ha raffreddato il palo, il calcestruzzo si è contratto e sono emerse deformazioni in trazione. La massima sollecitazione di trazione ha raggiunto circa −1,6 MPa in prossimità della mezza profondità — ancora sotto la resistenza a trazione del palo ma già intorno al 20% del suo limite stimato, segnale che cicli ripetuti nel corso di molte stagioni potrebbero diventare rilevanti per la sicurezza a lungo termine.

Cosa significa per gli edifici del futuro

Lo studio dimostra che i pali energetici PHC pre-perforati possono combinare in modo affidabile il supporto strutturale con uno scambio termico efficiente, con un’eccellente sopravvivenza delle tubazioni durante l’installazione e una resa termica per metro superiore alla media. Per i proprietari di edifici e i pianificatori urbani ciò significa che le fondazioni potrebbero contribuire silenziosamente a ridurre consumi ed emissioni senza richiedere ulteriore spazio sotterraneo. Allo stesso tempo, il lavoro evidenzia un’importante questione di progetto: durante il funzionamento invernale i pali sperimentano sollecitazioni di trazione significative che devono essere considerate, specialmente nel lungo periodo con molti cicli di riscaldamento e raffreddamento. La ricerca futura si concentrerà su come queste sollecitazioni si accumulano nel tempo, ma il messaggio iniziale è promettente — le nostre fondazioni possono svolgere un doppio ruolo come componenti nascoste e durature di sistemi di riscaldamento e raffrescamento più puliti.

Citazione: 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

Parole chiave: pali energetici, pompa di calore geotermica, fondazioni geotermiche, riscaldamento e raffrescamento degli edifici, energia sotterranea urbana