DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37817-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41656283
تاريخ النشر: 2026-02-08
المؤلف: Jia-jin Zhou وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية وتطبيقاتها
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة نوعًا جديدًا من أكوام الطاقة PHC (الخرسانة عالية القوة مسبقة الإجهاد) المثقوبة مسبقًا، المصممة لتعزيز معدل بقاء أنابيب تبادل الحرارة وتحسين أداء تبادل الحرارة من خلال طريقة تركيب متخصصة. تم إجراء اختبارات ميدانية لتقييم أداء نقل الحرارة والخصائص الحرارية الميكانيكية لأكوام الطاقة PHC المثقوبة مسبقًا، باستخدام حساسات الألياف الضوئية الموزعة (DFOS) لمراقبة تغيرات درجة الحرارة والضغط أثناء الاختبار. أظهرت النتائج أن طريقة التركيب زادت بشكل كبير من معدل بقاء أنابيب تبادل الحرارة، محققة معدل بقاء بنسبة 100% عبر 46 كومة. تم تسجيل متوسط كفاءة نقل الحرارة عند 81.3 واط/م في الصيف و65.8 واط/م في الشتاء، مع أقصى ضغوط حرارية مستحثة تبلغ حوالي 2 ميجا باسكال و-1.6 ميجا باسكال، على التوالي.
تخلص الدراسة إلى أن تقنية التركيب الفريدة تعزز بشكل فعال السلامة الهيكلية وأداء أكوام الطاقة PHC المثقوبة مسبقًا. على وجه الخصوص، كان متوسط قدرة تبادل الحرارة في ظروف الصيف أعلى من تلك الخاصة بأكوام الطاقة التقليدية، مع قيم تبلغ 77.3 واط/م و85.3 واط/م لكومتين الاختبار. ومع ذلك، تسلط الأبحاث الضوء على الحاجة إلى مراعاة تأثير الضغط الشدّي على السلامة الهيكلية لعمود الكومة خلال ظروف الشتاء، حيث أن قوة الشد أقل بكثير من قوة الضغط. تم إجراء الاختبارات على مدى 48 ساعة لكل من ظروف الصيف والشتاء، مما يبرز الآثار العملية للنتائج على التطبيقات الهندسية.
مقدمة
تناقش المقدمة مضخة الحرارة من مصدر الأرض (GSHP) كنظام تكييف هواء فعال من حيث الطاقة وصديق للبيئة يستفيد من الموارد الجيوحرارية الضحلة للتدفئة والتبريد. على عكس أنظمة GSHP التقليدية التي تتطلب مساحة تحت الأرض واسعة لأنابيب تبادل الحرارة، تدمج تقنية أكوام الطاقة هذه الأنابيب داخل الأكوام الهيكلية، مما يقلل من تكاليف التركيب ومتطلبات المساحة. تم تنفيذ هذا النهج المبتكر بنجاح على مستوى العالم، مما دفع إلى إجراء أبحاث موسعة حول أداء نقل الحرارة والخصائص الحرارية الميكانيكية لأكوام الطاقة.
ركزت العديد من الدراسات على قدرة التحمل والسلوك الحراري لأكوام الطاقة، مستخدمة الاختبارات الميدانية لتحليل أنواع مختلفة من مبادلات الحرارة الجيوحرارية لتحقيق الكفاءة المثلى. تشير النتائج إلى أن الضغوط الحرارية الشعاعية المستحثة أثناء التشغيل أقل بكثير من الضغوط الحرارية المحورية، مما يشير إلى تأثير ضئيل على تطوير الحمل الحراري الميكانيكي. تشمل أنواع الأكوام المستخدمة عادة لمبادلات الحرارة الجيوحرارية أكوام الخرسانة عالية القوة مسبقة الإجهاد (PHC)، والأكوام الفولاذية، والأكوام المصبوبة في الموقع. بالإضافة إلى ذلك، تم فحص السلوك الحراري الميكانيكي لأكوام الحصى الرماد الأسمنتية (CFG) من خلال اختبارات على نطاق كامل، إلى جانب اختبارات الطرد المركزي واختبارات نموذج 1g لتقييم آثار التسخين والتبريد الدوري على هذه الأنظمة.
نقاش
في هذا القسم، تناقش الأبحاث أداء وسلوك أكوام الطاقة PHC المثقوبة مسبقًا، مع التركيز على مزاياها مقارنة بالأكوام المثقوبة والدافعة التقليدية في البيئات الحضرية. تسلط الدراسة الضوء على طريقة التركيب الفريدة لأكوام الطاقة PHC المثقوبة مسبقًا، والتي تعزز بشكل كبير من معدل بقاء أنابيب تبادل الحرارة أثناء التركيب، محققة معدل بقاء بنسبة 100% عبر 46 كومة تم اختبارها. تشمل التحقيقات اختبارات على نطاق كامل تقيس كفاءة نقل الحرارة والخصائص الحرارية الميكانيكية تحت ظروف موسمية متغيرة، مما يكشف أن قدرة تبادل الحرارة للوحدة في ظروف الصيف بلغت في المتوسط 81.3 واط/م، متجاوزة تلك الخاصة بأكوام الطاقة التقليدية.
تشير النتائج أيضًا إلى أنه بينما كانت أقصى الضغوط الحرارية المستحثة للأكوام الاختبارية منخفضة نسبيًا (2.06 ميجا باسكال و1.83 ميجا باسكال)، يجب إيلاء اهتمام خاص للضغوط الشدّية، خاصة تحت ظروف الشتاء، حيث تم تسجيل أقصى ضغط شد يبلغ -1.6 ميجا باسكال. يقترب مستوى هذا الضغط من قوة الشد النهائية لعمود كومة PHC، مما يشير إلى مخاوف محتملة بشأن السلامة الهيكلية تحت أحمال درجات الحرارة الدورية على المدى الطويل. تؤكد الأبحاث على الحاجة إلى مزيد من الدراسات لاستكشاف الآثار طويلة المدى للدورات الحرارية على السلامة الهيكلية لأكوام الطاقة PHC المثقوبة مسبقًا.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37817-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41656283
Publication Date: 2026-02-08
Author(s): Jia-jin Zhou et al.
Primary Topic: Geothermal Energy Systems and Applications
Overview
This paper presents a novel pre-bored PHC (Prestressed High-strength Concrete) energy pile designed to enhance the survival rate of heat exchange pipes and improve heat exchange performance through a specialized installation method. Field tests were conducted to evaluate the heat transfer performance and thermo-mechanical properties of the pre-bored PHC energy piles, utilizing distributed fiber optic sensors (DFOS) to monitor temperature and strain variations during testing. Results indicated that the installation method significantly increased the survival rate of heat exchange pipes, achieving a 100% survival rate across 46 piles. The average heat transfer efficiency was recorded at 81.3 W/m in summer and 65.8 W/m in winter, with maximum thermally induced stresses of approximately 2 MPa and -1.6 MPa, respectively.
The study concludes that the unique installation technique effectively enhances the structural integrity and performance of pre-bored PHC energy piles. Specifically, the average heat exchange power under summer conditions was higher than that of conventional energy piles, with values of 77.3 W/m and 85.3 W/m for the two test piles. However, the research highlights the need to consider the impact of tensile stress on the structural safety of the pile shaft during winter conditions, as the tensile strength is significantly lower than the compressive strength. The tests were conducted over a 48-hour period for both summer and winter conditions, emphasizing the practical implications of the findings for engineering applications.
Introduction
The introduction discusses the ground source heat pump (GSHP) as an energy-efficient and environmentally friendly air-conditioning system that leverages shallow geothermal resources for heating and cooling. Unlike traditional GSHP systems that require extensive underground space for heat exchange pipes, energy pile technology integrates these pipes within structural piles, thereby reducing installation costs and space requirements. This innovative approach has been successfully implemented globally, prompting extensive research into the heat transfer performance and thermo-mechanical properties of energy piles.
Numerous studies have focused on the bearing capacity and thermal behavior of energy piles, utilizing field tests to analyze various geothermal heat exchanger types for optimal efficiency. Findings indicate that radial thermal stresses induced during operation are significantly lower than axial thermal stresses, suggesting minimal impact on thermo-mechanical load development. Commonly used pile types for geothermal heat exchangers include pre-stressed high-strength concrete (PHC) piles, steel piles, and cast-in-place piles. Additionally, the thermo-mechanical behavior of cement fly-ash gravel (CFG) piles has been examined through full-scale tests, alongside centrifuge and 1g model tests to assess the effects of cyclic heating and cooling on these systems.
Discussion
In this section, the research discusses the performance and behavior of pre-bored PHC energy piles, emphasizing their advantages over conventional bored and driven piles in urban settings. The study highlights the unique installation method of pre-bored PHC energy piles, which significantly enhances the survival rate of heat exchange pipes during installation, achieving a 100% survival rate across 46 piles tested. The investigation includes full-scale tests that measure heat transfer efficiency and thermo-mechanical properties under varying seasonal conditions, revealing that the unit heat exchange power for summer conditions averaged 81.3 W/m, surpassing that of traditional energy piles.
The findings also indicate that while the maximum thermally induced stresses for the test piles were relatively low (2.06 MPa and 1.83 MPa), attention must be given to tensile stresses, particularly under winter conditions, where a maximum tensile stress of -1.6 MPa was recorded. This stress level approaches the ultimate tensile strength of the PHC pile shaft, suggesting potential structural safety concerns under long-term cyclic temperature loads. The research underscores the need for further studies to explore the long-term effects of thermal cycling on the structural integrity of pre-bored PHC energy piles.