Fältstudie om värmeöverföringsprestanda och termomekaniska egenskaper hos förborrad PHC-energisockel

Att förvandla byggnadsfundament till tysta energihjälpare

När städer söker renare sätt att värma och kyla byggnader riktar ingenjörer blicken mot något som redan ligger under våra fötter: de fundament som bär upp konstruktioner. Denna studie undersöker en ny typ av påle som tyst kan föra värme in och ut ur marken samtidigt som den utför sitt huvuduppdrag att stödja en byggnad. Genom fullskaliga tester visar forskarna hur väl dessa ”energipålar” överför värme och hur säkert de klarar av de extra dragningar och tryck som temperaturväxlingar skapar i betongen.

Varför använda marken för uppvärmning och kylning?

Konventionella bergvärmesystem kyler och värmer byggnader genom att cirkulera vätska genom långa slingor nedgrävda i borrhål. Dessa system är effektiva men kräver extra borrningar som tar upp underjordiskt utrymme och ökar byggkostnaderna. Energipålar kombinerar bärande funktion och värmeväxling i samma element: samma betongpålar som bär byggnadens vikt rymmer plastledningar som transporterar värmebärande vatten. Denna forskning fokuserar på en särskild version kallad förborrad PHC-energipåle, där en höghållfast betongpåle sänks ner i ett förborrat, injekterat hål och där värmeväxlingsrören är fästa på pålens utsida istället för inuti den. Denna enkla förflyttning av rörens placering visar sig ha stor betydelse för både prestanda och hållbarhet.

En ny pålekonstruktion som skyddar rören

I tätt bebyggda kinesiska städer skapar traditionella borrade pålar stökigt borrslam och pålar som slås ned kan överkompaktiera jorden, vilket begränsar deras användning. Den förborrade injekterade planterade (PGP-)pålen undviker båda problemen genom att borra ett hål, fylla det med cementerat material och sedan föra ned den prefabricerade pålen i denna mjuka kolumn. Författarna anpassade denna metod till en ”förborrad PHC-energipåle” genom att limma plastvärmeväxlingsrör direkt på betongpålets utsida före nedsättning. Eftersom pålen glider ner i fortfarande fluidt cementerat material utsätts rören för mycket liten motståndskraft och skyddas från skador. I ett verkligt projekt med 46 sådana pålar förblev trycket i varje rör oförändrat efter installationen, vilket indikerar att inga gick sönder — en överlevnadsgrad på 100 %, märkbart bättre än många konventionella tillvägagångssätt.

Mätning av värmeflöde djupt under mark

För att se hur väl dessa pålar för värme instrumenterade teamet två fullskaliga pålar, vardera 45 meter långa, med distribuerade fiberoptiska sensorer bundna längs betongytan. Dessa ultratunna glasfibrer mäter temperatur och töjning kontinuerligt längs pålens djup. Först genomförde forskarna ett konstant värmeflödestest för att bestämma hur lätt den omgivande jorden leder värme och fann en övergripande termisk ledningsförmåga på cirka 1,98 watt per meter per grad Celsius — typiskt för fuktiga leror och silt. Därefter efterliknade de verklig drift. Under ”sommarförhållanden” cirkulerade varmt vatten på cirka 35 °C genom rören i 48 timmar. Varje påle levererade omkring 77–85 watt värme per meter längd, med ett genomsnitt på 81,3 W/m. Det är högre än typiska värden för många konventionella energipålar och till och med bättre än många standardbergvärmeborrhål, troligen eftersom rören är i direkt kontakt med den omgivande jorden snarare än begravda i betongens kallare inre.

Hur värme får ett fundament att expandera och krympa

När pålen värms eller kyls vill den expandera eller krympa, men den omgivande marken och byggnaden ovan håller den delvis på plats. Denna begränsning förvandlar temperaturförändring till mekanisk spänning i betongen. De fiberoptiska sensorerna fångade upp mycket små töjningar och sammandragningar (mätta som mikrostrain) längs pålen när den värmdes och kyldes. Vid sommaruppvärmning expanderade pålarna, med största töjningarna vid det fria huvudet och botten men den största inre kompressionen i mitten, där rörelsen var mest begränsad av marken. Den termiskt inducerade tryckspänningen nådde som högst cirka 2 megapascal (MPa), långt under betongens tryckhållfasthet på ungefär 80 MPa. Vid vinterdrift, när 8 °C vatten kylde pålen, drog betongen ihop sig och dragspänningar uppträdde. Den maximala dragspänningen nådde cirka −1,6 MPa nära mittdjupet — fortfarande under pålens draghållfasthet men redan omkring 20 % av dess uppskattade gräns, en indikation på att upprepade cykler över många säsonger kan bli viktiga för långsiktig säkerhet.

Vad detta betyder för framtida byggnader

Studien visar att förborrade PHC-energipålar på ett tillförlitligt sätt kan kombinera bärande funktion med effektiv värmeöverföring, med utmärkt röröverlevnad vid installation och högre än vanligt värmeavgivning per meter. För vanliga fastighetsägare och stadsplanerare innebär detta att fundament tyst kan hjälpa till att minska energianvändning och utsläpp utan att kräva extra underjordiskt utrymme. Samtidigt pekar arbetet ut en viktig konstruktionsfråga: i kallsäsongsdrift upplever pålarna märkbara dragspänningar som måste beaktas, särskilt över många år av uppvärmnings- och kylcykler. Framtida forskning kommer att fokusera på hur dessa spänningar byggs upp över tid, men det tidiga budskapet är lovande — våra fundament kan göra dubbel nytta som dolda, långlivade komponenter i renare uppvärmnings- och kylsystem.

Citering: 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

Nyckelord: energipålar, bergvärmepump, geotermiska grundläggningar, uppvärmning och avkylning av byggnader, urban underjordisk energi