事前掘削型PHCエネルギー杭の熱伝達性能と熱機械的性質に関する現地試験

建物の基礎を静かなエネルギー支援装置に変える

都市が建物の暖房・冷房をよりクリーンにする方法を模索する中で、技術者は既に私たちの足元にあるもの――建物を支える基礎――に注目しています。本研究は、構造を支える主要な役割を維持しつつ、静かに地中と熱をやり取りできる新型の杭（エネルギーパイル）を調べます。実物大でこれらの“エネルギーパイル”を試験することで、熱の移動性能と、温度変化がコンクリート内部にもたらす付加的な力（引張・圧縮）を安全に受け止められるかを示しています。

なぜ地中を暖房・冷房に使うのか？

従来の地中熱ヒートポンプシステムは、ボアホールに埋めた長い配管に流体を循環させて建物を冷暖房します。効率的ですが、追加の掘削が必要で地下空間を消費し、工事コストを押し上げます。エネルギーパイルは構造支持と熱交換を一体化した要素で、建物の荷重を担うコンクリート杭自体に熱搬送用のプラスチック配管を設けます。本研究が対象とするのは、事前に掘削しグラウトで満たした孔に高強度コンクリート杭を挿入する「事前掘削PHCエネルギーパイル」です。特徴は配管を杭の内部ではなく外面に固定している点で、この単純な配管位置の変更が性能と耐久性に大きく影響することが分かりました。

配管を守る新しい杭設計

中国の密集地では、従来の掘削杭はスラリー汚泥を発生させ、打設杭は土を過度に締め固めて適用を制限することがあります。事前掘削グラウト植込み（PGP）杭は、孔を掘りセメント化した土で満たした後にプレキャスト杭を挿入することで双方の問題を回避します。著者らはこの手法を改良し、コンクリート杭の外面に熱交換用のプラスチック管を接着してから挿入する「事前掘削PHCエネルギーパイル」を作りました。杭はまだ流動しているセメント化土に滑り込むため、配管はほとんど摩擦を受けず、損傷から保護されます。実プロジェクトで46本の杭を設置したところ、いずれの配管も施工後に圧力変化がなく、破損は確認されませんでした。これは100％の生存率であり、多くの従来方式より明確に優れています。

深部での熱流を計測する

これらの杭がどれだけ熱を移動させるかを調べるため、研究チームは全長45メートルの実物大杭2本に、コンクリート表面に貼り付けた分布型ファイバ光学センサーを設置しました。これらの超細径ガラスファイバは杭の深さ方向に沿って温度とひずみを連続測定します。まず定常熱流試験で周辺地盤の熱伝導率を求め、約1.98 W/(m·°C)という値を得ました。これは湿った粘土やシルトに典型的な値です。次に実際の建物運転を模擬しました。“夏期”条件として、約35°Cの温水を48時間循環させたところ、杭1メートル当たり約77–85 W、平均81.3 W/mの熱を取り出しました。これは多くの従来型エネルギーパイルや標準的な地中熱ボアホールと比べても高い値で、配管が杭内部の冷たいコンクリートに埋まっているのではなく直接周辺地盤と接触していることが有利に働いたと考えられます。

熱による基礎の膨張・収縮がもたらす力

杭が加熱・冷却されると膨張や収縮を起こしますが、周囲の地盤や上部構造が一部を拘束します。この拘束が温度変化をコンクリート内部の機械的応力に変えます。ファイバセンサーは加熱・冷却に伴う微小な伸び縮み（マイクロひずみ）を捉えました。夏期加熱では杭は膨張し、自由頭部と基部で最大のひずみが観測されましたが、内部では中間部で最も大きな圧縮が生じていました。これは地盤による変位制限が最も大きい領域だからです。熱誘起圧縮応力はピークで約2 MPaに達しましたが、コンクリートの圧縮強度約80 MPaに比べて十分に小さい値でした。一方、冬期条件で8°Cの冷水が循環するとコンクリートは収縮し、引張ひずみが現れました。最大引張応力は中間深さ付近で約−1.6 MPaに達しましたが、これは杭の引張強度未満であるものの推定限界の約20%に相当し、季節的な加熱・冷却の繰り返しが長期的に影響を与える可能性を示唆します。

今後の建物にとっての意義

本研究は、事前掘削PHCエネルギーパイルが構造支持と効率的な熱交換を安定して両立できること、施工時の配管生存率が極めて高く、杭当たりの熱取り出し量も一般より高いことを示しました。日常の建物所有者や都市計画者にとって、基礎が追加の地下スペースを必要とせずに静かにエネルギー消費と排出を削減する助けになる可能性を示しています。同時に重要な設計上の懸念も明らかになりました。冷季運転時に杭に顕著な引張応力が発生し、長年の加熱・冷却サイクルを通じて考慮する必要がある点です。将来の研究はこれらの応力が時間とともにどのように蓄積するかに焦点を当てますが、現時点の結論は前向きです—基礎は隠れた長寿命のクリーン冷暖房構成要素として二重の役割を果たし得ます。

引用: 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

キーワード: エネルギーパイル, 地中熱ヒートポンプ, 地熱基礎, 建物の暖房と冷房, 都市地下エネルギー