Estudo de campo sobre desempenho de transferência de calor e propriedades termo-mecânicas de estaca energética PHC pré-perfurada

Transformando Fundações em Ajudantes Silenciosos de Energia

Enquanto cidades buscam formas mais limpas de aquecer e resfriar edifícios, engenheiros voltam sua atenção para algo que já está sob nossos pés: as fundações que sustentam as estruturas. Este estudo examina um novo tipo de estaca de fundação que pode transferir calor para dentro e fora do solo de forma discreta, mantendo sua função principal de suportar o edifício. Ao testar essas “estacas energéticas” em escala real, os pesquisadores mostram quão bem elas transferem calor e quão seguramente lidam com as forças adicionais que as variações de temperatura geram dentro do concreto.

Por que Usar o Solo para Aquecimento e Resfriamento?

Sistemas convencionais de bomba de calor geotérmica aquecem e resfriam edifícios circulando fluido por longos tubos enterrados em sondagens. Embora eficientes, esses sistemas exigem perfuração adicional que ocupa espaço subterrâneo e aumenta custos de construção. As estacas energéticas combinam suporte estrutural e troca de calor em um único elemento: as mesmas estacas de concreto que carregam o peso do edifício também abrigam tubos plásticos que transportam água que leva o calor. Esta pesquisa foca numa versão particular chamada estaca energética PHC pré-perfurada, em que uma estaca de concreto de alta resistência é inserida em um furo pré-perfurado e preenchido com grout, com os tubos de troca de calor fixados do lado externo da estaca em vez de embutidos no seu interior. Essa mudança simples na localização dos tubos mostra-se importante tanto para o desempenho quanto para a durabilidade.

Um Novo Projeto de Estaca que Protege os Tubos

Em cidades chinesas densas, estacas escavadas tradicionais geram lama problemática e estacas cravadas podem compactar excessivamente o solo, limitando seu uso. A estaca plantada pré-perfurada e groutada (PGP) evita ambos os problemas ao perfurar um furo, preenchê-lo com solo cimentado e então inserir a estaca pré-moldada nessa coluna ainda fluida. Os autores adaptaram esse método para uma “estaca energética PHC pré-perfurada” colando tubos plásticos de troca de calor diretamente na face externa da estaca antes da inserção. Porque a estaca desliza dentro do solo cimentado ainda fluido, os tubos encontram pouca resistência e ficam protegidos contra danos. Em um projeto real com 46 dessas estacas, a pressão em todos os tubos permaneceu inalterada após a instalação, indicando que nenhum foi rompido — uma taxa de sobrevivência de 100%, notavelmente melhor do que muitas abordagens convencionais.

Medindo o Fluxo de Calor em Profundidade

Para avaliar quão bem essas estacas transferem calor, a equipe instrumentou duas estacas em escala real, cada uma de 45 metros de comprimento, com sensores de fibra óptica distribuídos e colados ao longo da superfície do concreto. Essas fibras de vidro ultrafinas medem temperatura e deformação continuamente ao longo da profundidade da estaca. Primeiro, os pesquisadores realizaram um ensaio de fluxo de calor constante para determinar quão prontamente o solo circundante conduz calor, encontrando uma condutividade térmica global de cerca de 1,98 watts por metro por grau Celsius — típico para argilas e siltes úmidos. Em seguida, imitaram a operação real de um edifício. Em condições de “verão”, água quente a cerca de 35 °C foi circulada pelos tubos por 48 horas. Cada estaca entregou cerca de 77–85 watts de calor por metro de comprimento, com média de 81,3 W/m. Isso é superior aos valores típicos de muitas estacas energéticas convencionais e até melhor do que várias sondagens padrão de bomba de calor geotérmica, provavelmente porque os tubos estão em contato direto com o solo circundante em vez de enterrados no interior mais frio do concreto.

Como o Calor Faz uma Fundação Expandir e Contrair

Sempre que a estaca é aquecida ou resfriada, ela tende a expandir ou contrair, mas o solo ao redor e o edifício acima a mantêm parcialmente presa. Essa restrição converte a variação de temperatura em tensão mecânica dentro do concreto. Os sensores de fibra óptica capturaram pequenas extensões e compressões (medidas como microdeformação) ao longo da estaca enquanto ela aquecia e resfriava. Sob aquecimento de verão, as estacas se expandiram, mostrando as maiores deformações na cabeça livre e na base, mas a maior compressão interna no meio, onde o movimento estava mais restrito pelo solo. A tensão compressiva termicamente induzida atingiu pico em cerca de 2 megapascais (MPa), muito abaixo da resistência à compressão do concreto, aproximadamente 80 MPa. Em condições de inverno, quando água a 8 °C resfriou a estaca, o concreto encolheu e apareceram deformações tracionais (de tração). A tensão máxima de tração alcançou cerca de −1,6 MPa próximo ao meio da profundidade — ainda abaixo da resistência à tração da estaca, mas já em torno de 20% do seu limite estimado, sinalizando que ciclos repetidos ao longo de muitas estações podem ser relevantes para a segurança de longo prazo.

O Que Isso Significa para Edifícios Futuros

O estudo mostra que estacas energéticas PHC pré-perfuradas podem combinar de forma confiável suporte estrutural com troca de calor eficiente, com excelente preservação dos tubos durante a instalação e maior produção de calor por metro do que o habitual. Para proprietários e planejadores urbanos, isso significa que as fundações podem contribuir discretamente para reduzir consumo de energia e emissões sem exigir espaço subterrâneo adicional. Ao mesmo tempo, o trabalho aponta uma preocupação de projeto importante: em operação na estação fria, as estacas experimentam tensões de tração notáveis que precisam ser consideradas, especialmente ao longo de muitos anos de ciclos de aquecimento e resfriamento. Pesquisas futuras se concentrarão em como essas tensões se acumulam ao longo do tempo, mas a mensagem inicial é promissora — nossas fundações podem cumprir dupla função como componentes ocultos e duradouros de sistemas de aquecimento e resfriamento mais limpos.

Citação: 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

Palavras-chave: estacas energéticas, bomba de calor geotérmica, fundações geotermais, aquecimento e resfriamento de edifícios, energia subterrânea urbana