Veldonderzoek naar warmteoverdrachts­prestaties en thermo-mechanische eigenschappen van vooraf geboord PHC-energiefundering

Gebouwfunderingen als stille energiehulpen

Nu steden zoeken naar schonere manieren om gebouwen te verwarmen en te koelen, richten ingenieurs hun blik op iets dat al onder onze voeten ligt: de funderingen die constructies dragen. Deze studie bekijkt een nieuw type funderingspaal dat stilletjes warmte in en uit de grond kan verplaatsen en tegelijk zijn hoofdtaak—het ondersteunen van een gebouw—blijft vervullen. Door deze “energiefunderingen” op volledige schaal te testen laten de onderzoekers zien hoe goed ze warmte overdragen en hoe veilig ze omgaan met de extra trek- en drukbelasting die temperatuurveranderingen in het beton veroorzaken.

Waarom de grond gebruiken voor verwarming en koeling?

Conventionele systemen met bodemwarmtepompen koelen en verwarmen gebouwen door een vloeistof rond te pompen door lange leidingen in geboord boorgaten. Hoewel efficiënt, vergen die systemen extra boringen die ondergrondruimte innemen en de bouwkosten opdrijven. Energiefunderingen combineren structurele ondersteuning en warmte-uitwisseling in één element: dezelfde betonnen palen die het gebouw dragen bevatten kunststofleidingen die warmtedragend water vervoeren. Dit onderzoek richt zich op een specifieke variant, de vooraf geboorde PHC-energiefundering, waarbij een hoogwaardig betonnen paal in een voorgeboord, met grout gevuld gat wordt geplaatst en de warmtewisselleidingen aan de buitenzijde van de paal zijn bevestigd in plaats van binnenin. Die eenvoudige verplaatsing van de leidingen blijkt veel uit te maken voor zowel prestatie als duurzaamheid.

Een nieuw paalontwerp dat de leidingen beschermt

In dichtbebouwde Chinese steden zorgen traditionele geboorde palen voor modderige slurry en ramppalen kunnen de grond te sterk verdichten, waardoor hun gebruik beperkt is. De vooraf geboorde met grout geplaatste (PGP) paal vermijdt beide problemen door eerst een gat te boren, dat te vullen met gecementeerde grond, en vervolgens de prefab paal in deze zachte kolom te plaatsen. De auteurs pasten deze methode aan tot een “vooraf geboorde PHC-energiefundering” door kunststof warmtewisselleidingen rechtstreeks aan de buitenzijde van de betonnen paal te lijmen vóór het plaatsen. Omdat de paal in nog vloeibare gecementeerde grond schuift, ondervinden de leidingen weinig weerstand en worden ze tegen beschadiging beschermd. In een praktijkproject met 46 dergelijke palen bleef de druk in alle leidingen na plaatsing onveranderd, wat aangeeft dat geen enkele leiding was gebroken—een overlevingspercentage van 100%, duidelijk beter dan veel conventionele benaderingen.

Warmtestroming meten diep onder de grond

Om te beoordelen hoe goed deze palen warmte verplaatsen, voorzag het team twee full-scale palen van elk 45 meter lengte van gedistribueerde glasvezelsensoren die langs het betonnen oppervlak waren gelijmd. Deze ultradunne glasvezels meten continu temperatuur en vervorming langs de paaldiepte. Eerst voerden de onderzoekers een constante warmtestroomtest uit om te bepalen hoe goed de omringende grond warmte geleid; ze vonden een globale thermische geleidbaarheid van ongeveer 1,98 watt per meter per graad Celsius—typisch voor vochtige klei en silt. Daarna imiteerden ze de werking van een echt gebouw. Onder “zomer”-condities werd gedurende 48 uur warm water van circa 35 °C door de leidingen gecirculeerd. Elke paal leverde ongeveer 77–85 watt warmte per meter lengte, met een gemiddelde van 81,3 W/m. Dat is hoger dan typische waarden voor veel conventionele energiefunderingen en zelfs beter dan veel standaard boorgaten voor bodemwarmtepompen, waarschijnlijk omdat de leidingen direct contact hebben met de omliggende grond in plaats van ingebed in het koelere betoninterieur.

Hoe warmte een fundering laat uitzetten en krimpen

Telkens wanneer de paal wordt verwarmd of gekoeld, wil hij uitzetten of krimpen, maar de omringende grond en het gebouw houden hem deels op zijn plek. Die belemmering zet temperatuurverandering om in mechanische spanningen in het beton. De glasvezelsensoren registreerden kleine rekken en drukken (gemeten als microstrain) langs de paal terwijl deze opwarmde en afkoelde. Bij zomerse verwarming zetten de palen uit, met de grootste vervormingen bij de vrije kop en de voet maar de hoogste interne compressie in het midden, waar beweging het meest door de grond werd beperkt. De daardoor ontstane thermisch geïnduceerde drukspanning piekte rond 2 megapascal (MPa), ver onder de druksterkte van het beton van ongeveer 80 MPa. Bij winterse omstandigheden, toen 8 °C water de paal koelde, kromp het beton en ontstonden trekkrachten. De maximale trekspanning bereikte circa −1,6 MPa nabij mid-diepte—nog steeds onder de treksterkte van de paal maar al ongeveer 20% van de geschatte limiet, wat erop wijst dat herhaalde cycli over vele seizoenen belangrijk kunnen worden voor langetermijnveiligheid.

Betekenis voor toekomstige gebouwen

De studie toont aan dat vooraf geboorde PHC-energiefunderingen op betrouwbare wijze structurele ondersteuning kunnen combineren met efficiënte warmte-uitwisseling, met uitstekende overlevingskansen voor leidingen tijdens de plaatsing en een hoger dan gebruikelijk warmtevermogen per meter. Voor dagelijkse gebouweigenaren en stadsplanners betekent dit dat funderingen stilletjes kunnen bijdragen aan lagere energieconsumptie en uitstoot zonder extra ondergrondruimte te vragen. Tegelijkertijd wijst het onderzoek op een belangrijk ontwerpaspect: bij koude-bedingingen ervaren de palen merkbare trekspanningen die moeten worden meegenomen, vooral over vele jaren van verwarmings- en koelcycli. Toekomstig onderzoek zal zich richten op hoe deze spanningen zich in de loop van de tijd ophopen, maar de vroege boodschap is veelbelovend—onze funderingen kunnen dubbel dienstdoen als verborgen, duurzame onderdelen van schonere verwarmings- en koelsystemen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: energiefunderingen, bodemwarmtepomp, geothermische funderingen, verwarming en koeling van gebouwen, stedelijke ondergrondse energie