Полевое исследование теплопередачи и термомеханических свойств предсверленного PHC-энергопайлa

Превращение фундаментов в тихих помощников по энергоснабжению

В то время как города ищут более чистые способы отопления и охлаждения зданий, инженеры обращают внимание на то, что уже находится под нашими ногами: фундаменты, поддерживающие здания. В этом исследовании рассматривается новый тип свайного фундамента, который может незаметно перемещать тепло в грунт и из грунта, одновременно выполняя свою основную функцию — несущую. Испытания этих «энергопайлов» в полном масштабе показывают их теплопередачу и то, насколько безопасно они воспринимают дополнительные тепловые нагрузки и механические воздействия, возникающие при изменениях температуры в бетоне.

Почему стоит использовать грунт для отопления и охлаждения?

Традиционные системы с тепловыми насосами грунт-вода охлаждают и нагревают здания, прокачивая теплоноситель по длинным трубам, заложенным в скважинах. Хотя такие системы эффективны, они требуют дополнительного бурения, занимают подземное пространство и повышают стоимость строительства. Энергопайлы объединяют несущую функцию и теплообмен в одном элементе: те же бетонные сваи, что воспринимают нагрузку здания, несут пластиковые трубопроводы для циркуляции теплоносителя. В исследовании рассматривается конкретная версия — предсверленный PHC-энергопайл, при которой высокопрочная бетонная свая опускается в предварительно пробуренную, заполненную раствором скважину, а трубы для теплообмена прикреплены с наружной стороны сваи, а не спрятаны внутри нее. Это простое смещение расположения труб существенно влияет на характеристики и долговечность.

Новая конструкция сваи, защищающая трубы

В плотной городской застройке, например в китайских городах, традиционные буронабивные сваи создают грязную шламовую смесь, а забивные сваи могут чрезмерно уплотнять грунт, ограничивая их применимость. Предсверленная цементная (PGP) свая избегает обеих проблем: сначала бурят отверстие, заполняют его цементированным грунтом, а затем вставляют в эту мягкую колонну заранее изготовленную сваю. Авторы адаптировали этот метод в «предсверленный PHC-энергопайл», приклеив пластиковые трубы теплообмена непосредственно к наружной поверхности бетонной сваи перед установкой. Поскольку свая скользит в еще не отвердевающий цементированный грунт, трубы испытывают очень небольшое сопротивление и защищены от повреждений. На реальном объекте с 46 такими сваями давление в каждой трубе осталось неизменным после установки, что указывает на отсутствие разрывов — 100% сохранность, что заметно лучше многих традиционных подходов.

Измерение теплового потока в глубине грунта

Чтобы оценить, насколько эффективно эти сваи передают тепло, команда оснастила две полноразмерные сваи длиной по 45 метров распределенными волоконно-оптическими датчиками, приклеенными вдоль поверхности бетона. Эти ультратонкие стеклянные волокна непрерывно измеряют температуру и деформацию по всей глубине сваи. Сначала исследователи провели испытание с постоянным тепловым потоком, чтобы определить теплопроводность окружающего грунта, получив значение около 1,98 ватта на метр на градус Цельсия — типичное для влажных глин и суглинков. Затем они имитировали реальную эксплуатацию здания. В «летних» условиях примерно 35 °C теплоноситель циркулировал по трубам 48 часов. Каждая свая отдавала около 77–85 ватт тепла на метр длины, в среднем 81,3 Вт/м. Это выше типичных значений для многих традиционных энергопайлов и даже превосходит многие стандартные буровые теплообменные зонды, вероятно потому, что трубы находятся в непосредственном контакте с окружающим грунтом, а не захоронены в более прохладном внутреннем объеме бетона.

Как тепло заставляет фундамент расширяться и сжиматься

При нагреве или охлаждении свая стремится расшириться или сжаться, но окружающий грунт и здание сверху частично сдерживают это движение. Такое ограничение превращает изменения температуры в механические напряжения внутри бетона. Волоконно-оптические датчики зафиксировали крошечные растяжения и сжатия (измеряемые в микроупругости) вдоль сваи при ее нагреве и охлаждении. При летнем нагреве сваи расширялись, показывая наибольшие деформации у свободной торцевой части и у основания, тогда как наибольшее внутреннее сжатие наблюдалось в средней части, где движение наиболее ограничено грунтом. Максимальное термически вызванное сжимающее напряжение достигало примерно 2 мегапаскалей (МПа), что значительно ниже прочности бетона на сжатие — около 80 МПа. В зимних условиях, когда по трубам шло охлаждение водой около 8 °C, бетон уменьшался в объеме и возникали растягивающие деформации. Максимальное растягивающее напряжение составляло около −1,6 МПа вблизи средней глубины — все еще ниже прочности сваи на растяжение, но уже около 20% от оценочного предела, что указывает на то, что многосезонные циклы могут иметь значение для долговременной надежности.

Что это означает для будущих зданий

Исследование демонстрирует, что предсверленные PHC-энергопайлы способны надежно сочетать несущую функцию с эффективным теплообменом: при установке трубы сохраняются в отличном состоянии, а отдача тепла на метр выше обычного. Для владельцев зданий и городских планировщиков это означает, что фундаменты могут незаметно сокращать энергопотребление и выбросы, не требуя дополнительного подземного пространства. Одновременно работа поднимает важный вопрос проектирования: при эксплуатации в холодный сезон сваи подвергаются заметным растягивающим напряжениям, которые следует учитывать, особенно при многолетних циклах нагрева и охлаждения. Будущие исследования будут изучать накопление этих напряжений со временем, но предварительный вывод многообещающий — наши фундаменты могут работать на два фронта как скрытые, долговечные элементы более чистых систем отопления и охлаждения.

Цитирование: 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

Ключевые слова: энергопайлы, тепловой насос грунт-вода, геотермальные фундаменты, отопление и охлаждение зданий, городская подземная энергия