Badanie terenowe wydajności wymiany ciepła i właściwości termo‑mechanicznych prefabrykowanej, wcześniej wierconej pala energetycznego PHC

Przekształcanie fundamentów budynków w ciche pomocniki energetyczne

W miarę jak miasta szukają czystszych sposobów ogrzewania i chłodzenia budynków, inżynierowie zwracają uwagę na coś, co już znajduje się pod naszymi stopami: fundamenty podtrzymujące konstrukcje. W tym badaniu przyjrzano się nowemu rodzajowi pala fundamentowego, który potrafi dyskretnie przepompowywać ciepło do i z gruntu, jednocześnie pełniąc swoją podstawową funkcję nośną. Testując takie „pale energetyczne” w skali rzeczywistej, badacze pokazują, jak skutecznie przekazują ciepło oraz jak bezpiecznie wytrzymują dodatkowe naprężenia wywołane zmianami temperatury w betonie.

Dlaczego wykorzystywać grunt do ogrzewania i chłodzenia?

Konwencjonalne systemy gruntowych pomp ciepła chłodzą i ogrzewają budynki poprzez krążenie czynnika przez długie rury umieszczone w odwiertach. Choć efektywne, systemy te wymagają dodatkowego wiercenia, co zajmuje przestrzeń podziemną i podnosi koszty budowy. Pale energetyczne łączą funkcję nośną i wymianę ciepła w jednym elemencie: te same betonowe pale, które przenoszą ciężar budynku, mają też plastikowe przewody do przepływu wody przenoszącej ciepło. Badanie koncentruje się na konkretnym wariancie — prefabrykowanym pala PHC montowanym w uprzednio wywierconym otworze i zatykanym zaprawą (pre‑bored PHC energy pile), gdzie przewody wymiany ciepła są przymocowane na zewnętrznej powierzchni pala, a nie schowane wewnątrz betonu. Ta prosta zmiana położenia rur okazuje się mieć duże znaczenie dla wydajności i trwałości.

Nowy projekt pala, który chroni rury

W gęsto zaludnionych chińskich miastach tradycyjne pale wiercone generują nieporządny płyn wiertniczy, a pale wbijane mogą nadmiernie zagęszczać grunt, ograniczając ich stosowanie. Prefabrykowany pala zakładany w uprzednio wywierconym, zaprawionym otworze (pre‑bored grouted planted, PGP) unika obu problemów: najpierw wierci się otwór, wypełnia się go zaprawionym gruntem, a następnie wprowadza prefabrykowany pal do miękkiego słupa. Autorzy zaadaptowali tę metodę do „prefabrykowanego pala PHC z rurami” przez przyklejenie plastikowych przewodów wymiany ciepła bezpośrednio na zewnętrznej powierzchni betonu przed włożeniem pala. Ponieważ pal wsuwa się w wciąż płynną zaprawę, rury napotykają niewielki opór i są chronione przed uszkodzeniem. W realnym projekcie z 46 takimi palami ciśnienie w każdej rurze pozostało niezmienione po montażu, co wskazuje na brak uszkodzeń — 100% wskaźnik przetrwania, zauważalnie lepszy niż w wielu konwencjonalnych rozwiązaniach.

Pomiary przepływu ciepła głęboko pod ziemią

Aby sprawdzić, jak dobrze pale przekazują ciepło, zespół wyposażyl dwa pale w pełnej skali, każdy o długości 45 metrów, w rozproszone czujniki światłowodowe przymocowane wzdłuż powierzchni betonu. Te ultracienkie włókna szklane mierzą temperaturę i odkształcenia ciągłe wzdłuż głębokości pala. Najpierw przeprowadzono test stałego przepływu ciepła, by określić, jak dobrze otaczający grunt przewodzi ciepło, uzyskując ogólną przewodność cieplną około 1,98 wata na metr na stopień Celsjusza — wartość typową dla wilgotnych glin i mułów. Następnie odtworzono warunki rzeczywistej pracy budynku. W „letnich” warunkach przez rury przepuszczano przez 48 godzin ciepłą wodę o temperaturze około 35 °C. Każdy pal oddawał około 77–85 watów ciepła na metr długości, dając średnio 81,3 W/m. To wartość wyższa niż typowe dla wielu konwencjonalnych pal energetycznych i nawet lepsza niż dla wielu standardowych odwiertów pomp ciepła grunt‑woda, prawdopodobnie dlatego, że rury są bezpośrednio w kontakcie z otaczającym gruntem, a nie zanurzone w chłodniejszym wnętrzu betonu.

Jak ciepło sprawia, że fundament się rozszerza i kurczy

Za każdym razem, gdy pal jest ogrzewany lub chłodzony, dąży do rozszerzenia lub skurczenia, ale otaczający grunt i nadbudowa częściowo go blokują. To ograniczenie przekształca zmianę temperatury w naprężenia mechaniczne w betonie. Czujniki światłowodowe zarejestrowały drobne rozciągnięcia i ściskania (mierzone jako mikroodkształcenia) wzdłuż pala podczas nagrzewania i chłodzenia. W trakcie letniego ogrzewania pale się rozszerzały, z największymi odkształceniami przy wolnej głowicy i u podstawy, podczas gdy największe ściskanie wewnętrzne występowało w środku pala, gdzie ruch był najbardziej ograniczony przez grunt. Spowodowane termicznie naprężenie ściskające osiągnęło szczyt około 2 megapaskali (MPa), znacznie poniżej wytrzymałości betonu na ściskanie wynoszącej około 80 MPa. W zimowych warunkach, gdy przez pal przepływała chłodna woda o temperaturze 8 °C, beton kurczył się i pojawiały się naprężenia rozciągające. Maksymalne naprężenie rozciągające osiągnęło około −1,6 MPa w rejonie środkowej głębokości — nadal poniżej wytrzymałości betonu na rozciąganie, ale stanowiąc już około 20% szacowanego limitu, co sugeruje, że powtarzające się cykle przez wiele sezonów mogą mieć znaczenie dla długoterminowego bezpieczeństwa.

Co to oznacza dla przyszłych budynków

Badanie pokazuje, że prefabrykowane, wcześniej wiercone pale PHC mogą niezawodnie łączyć funkcję nośną z efektywną wymianą ciepła, z doskonałym zachowaniem przewodów podczas instalacji i wyższą niż zwykle mocą cieplną na metr. Dla właścicieli budynków i planistów miejskich oznacza to, że fundamenty mogą potajemnie pomagać zmniejszać zużycie energii i emisje bez zajmowania dodatkowej przestrzeni podziemnej. Jednocześnie praca wskazuje na istotny problem projektowy: w trybie zimowym pale doświadczają zauważalnych naprężeń rozciągających, które należy uwzględnić, zwłaszcza przy wieloletnich cyklach ogrzewania i chłodzenia. Przyszłe badania będą skupiać się na tym, jak te naprężenia kumulują się w czasie, ale wstępny wniosek jest obiecujący — nasze fundamenty mogą pełnić podwójną rolę jako ukryte, trwałe elementy czystszych systemów ogrzewania i chłodzenia.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: pale energetyczne, pompa ciepła grunt‑woda, fundamenty geotermalne, ogrzewanie i chłodzenie budynków, miejskie podziemne źródła energii