1. 지하관 지열 히트펌프 시스템의 원리와 특성
지하관 지열 히트펌프 시스템은 지하관 열교환 시스템을 이용하여 얕은 지온 에너지를 얻는다. 원리는 밀봉된 수직 또는 수평 지하 파이프에서 열 전달 매체(주로 물 또는 에틸렌 글리콜)가 순환하고 열 전달 매체와 지하 암석 및 토양층과 지하수의 온도 차이를 사용하여 열 교환을 수행한다는 것입니다. 얕은 층의 활용 달성 지열 에너지의 목적은 히트펌프 기술을 통해 건물의 난방 및 냉방을 달성하는 것입니다. 작동 원리 다이어그램은 그림 3-11 및 그림 3-12에 나와 있습니다.
그림 3-11: 여름철 지하관 지열원 히트펌프 작동 원리도
그림 3-12: 겨울철 지하관 지열원 히트펌프 작동 원리도
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지지면 지열 열 펌프의 모든 특성 외에도 매립 파이프 지열 열 펌프에는 다음과 같은 중요한 특징이 있습니다.
(1) 이 프로젝트에는 많은 수의 시추공을 뚫어야 합니다. 냉난방 부하에 따라 일정한 강도, 내식성 및 우수한 열 전달 성능을 갖춘 폐쇄 순환 파이프에서 작동한 다음 모든 순환 파이프를 기계실과 주 엔진에 연결합니다.
(2) 지열원 히트펌프 시스템은 지하암반, 토양, 지하수와의 전도를 통해 열을 소산(흡수)하는 방식으로 주로 대류를 통해 열을 소산(흡수)하는 지열원 히트펌프 시스템과 다르다. 열교환 효율은 지하수 지열 히트 펌프 시스템입니다.
(3) 전통적인 공조 시스템과 비교하여 지하 튜브 지열 열 펌프 시스템의 주요 단점은 지하 튜브 열교환기에 대한 초기 투자가 상대적으로 높고 일반적으로 지하보다 높다는 것입니다. 히트펌프 시스템에 대한 초기 투자 역시 지열원 히트펌프 시스템 개발을 방해하는 주요 원인 중 하나입니다.
(4) 지하수 지열원 히트펌프 시스템에 비해 지하관 열교환기는 지하수 히트펌프 시스템에 비해 더 넓은 면적을 차지한다. 이는 인구 밀집 지역 및 건축물이 밀집된 지역에서 지하 배관 지열 히트펌프 시스템의 개발을 방해하는 또 다른 중요한 이유입니다. 매립형 튜브 열교환기는 일반적으로 녹지 공간, 도로, 주차장, 광장, 학교 운동장 등의 지하에 배치되며, 건물 기초 및 건물의 말뚝 기초 아래에도 배치됩니다.
(5) 지하수 지열원 히트펌프 시스템과 비교하여 지하관 지열원 히트펌프 시스템은 이론적으로 지하공간 환경에 미치는 영향이 적다. 지하수 지열원 열펌프 시스템은 지하수 지열원 열펌프 시스템보다 절차도 간단합니다.
(6) 녹색 환경 보호, 고효율 및 에너지 절약, 낮은 운영 비용, 다목적 기계, 성숙한 기술, 넓은 적용 범위(원칙적으로 모든 지층 및 건물에 적용 가능)라는 특성을 가지고 있습니다. ), 지하수 등을 펌핑할 필요가 없으며 앞으로도 사용될 전망이 밝습니다.
(7) 수문지질학적 관점에서 느슨한 층 공극에 있는 지하수의 수분 풍부도는 주로 대수층의 입자 크기에 영향을 받습니다. 수분의 풍부함과 형성의 투과성이 강해집니다. 따라서 지하수 지열원 히트펌프 프로젝트와 지하 파이프 지열원 히트펌프 프로젝트는 수문지질학적 조건에 대한 특정 보완적 요구 사항을 가지고 있습니다. 즉, 지하수에 적합하지 않은 지역은 종종 지하 파이프에 적합합니다. 베이징 지역을 예로 들면, 지하수 지열원 열펌프는 융딩강 충적 선상지 중상부의 하이뎬과 풍태구에 주로 분포하고, 지하관 지열원 열펌프는 주로 순이, 창핑, 조양에 분포한다. , 하이뎬 산호우 지역은 원유강, 융딩강, 조백강의 충적 선상지 중하부에 위치한 광대한 지역이다.
2. 지열원 히트펌프 시스템의 구성 및 기본정보 소개
지하관 지열원 히트펌프 시스템은 지하수 지열원 히트펌프 시스템과 유사하다. 지하배관 열교환시스템과 전산실로 구성되어 있으며 시스템과 단말시스템의 3개 부분으로 구성되어 있습니다. 전문적이고 기술적인 관점에서 터미널 시스템의 설계 및 구성은 HVAC 직업에 속합니다. 컴퓨터실 시스템은 주로 주 엔진, 전기 자동 제어 시스템 및 물 흐름 제어 시스템으로 구성되며 그 핵심은 열 펌프입니다. 단위 기술, 지하 파이프 열교환 시스템 설계 및 건설은 지질학 및 수문지질학 전공에 속하며 지질 조사 및 유정 시추 건설 자격을 갖춘 전문 부서에서 완료해야 합니다. 따라서 지하관 지열 히트펌프 시스템의 핵심은 사실 독자적인 HVAC 기술, 히트펌프 유닛 기술, 지질조사 기술, 다학제적 협력과 유기적 구성이 뒷받침하는 종합적인 신기술, 환경친화적, 에너지 절약형 기술이다.
지하관을 설치하는 방법에 따라 지하관 열교환 시스템은 수평형 지하관 열교환기와 수직형 지하관 열교환기로 나눌 수 있습니다(그림 3-13 및 그림 3-14 참조). 수평 매설관은 지상 깊이 1.5~2.5m의 도랑을 파고 각 도랑에 2, 4, 6개의 열교환 플라스틱 파이프를 매립합니다. 수평 매설관은 더 넓은 면적을 차지하며 수직 매설관보다 효율적입니다. 배관이 낮기 때문에 우리나라에서 구축한 지중배관 지열히트펌프 시스템은 대부분 수직매설관 방식을 사용하고 있다.
그림 3-13 수평 지하관 열교환기
그림 3-14 수직 지하관 열교환기
수직 지하관 시스템 매설관의 깊이는 일반적으로 50~150m 사이이며, 대부분의 시추공의 깊이는 약 100m입니다. 시추공의 직경은 일반적으로 120~150mm 사이입니다. 대부분의 시추공은 Quaternary 느슨한 층에 건설되며 소수의 프로젝트가 시추됩니다. 베이징 창핑 지구의 Shanshui IKEA 빌라, Fangshan 지구의 Tianhu International Conference Hotel 프로젝트 등과 같은 기반암에는 시추공과 지하 파이프 사이에 되메우기 재료가 사용됩니다. 주요 되메우기 방법에는 원래 슬러리 되메우기, 중간 모래 되메우기가 포함됩니다. , 일반 토양 되메우기 및 시멘트 모르타르 되메우기 등 지하 파이프 재료는 주로 HDPE 파이프이며 직경은 대부분 Φ32mm입니다.
열 교환 구멍에 매설된 U자형 파이프의 수에 따라 시스템은 단일 U 및 이중 U 매설 파이프 시스템으로 나눌 수 있습니다. 그림 3-15 및 그림 3-16을 참조하세요. 지하 파이프와 주변 암석 및 토양 사이의 열 교환 방법은 열 교환 구멍 간의 상호 간섭을 방지하고 공간을 절약하기 위해 설계에 따라 일반적으로 지하 파이프 구멍의 간격은 4 ~ 6m입니다. 요구 사항에 따라 지하 배관의 순환 유체(열 교환 매체)는 물 또는 부동액일 수 있습니다.
그림 3-15 단일 U 수직 매설관 지열 히트펌프 열교환 시스템
그림 3-16 이중 U 수직 매립관 지열 히트펌프 열교환 시스템
3. 지열원 히트펌프 시스템의 핵심기술 - 단공 열전달 능력 분석
지하관 지열원 히트펌프 기술의 실용화를 추진하는 과정에서 지질학적, 기술적 복잡성으로 인해 다양한 지역의 수문지질학적 조건과 변동성, 특히 지하수 수위 깊이와 지하수 침투율의 차이로 인해 암석(토양)층의 열전도도와 선형 미터당 지하 파이프의 열 전달 용량에 큰 차이가 발생합니다. 한 지역에서 성공적으로 적용할 수 있는 지하배관 열교환 시스템은 동일한 지역에서도 프로젝트 위치가 위치하기 때문에 프로젝트 설계의 단일 구멍 열교환 용량이 다릅니다. 강의 충적선상, 중부, 하류에 위치. 따라서 지하수 지열원 히트펌프 시스템과 마찬가지로 지질조사 기술은 여전히 지하관 지열원 히트펌프 시스템 기술의 핵심이며, 천층 지열에너지 개발 및 활용 사업이 국내에 성공적으로 적용될 수 있는지의 관건이기도 하다. 관행.
지하관형 열교환기는 지열히트펌프 기술의 핵심으로 수많은 지하관 구멍과 이를 연결하는 U자형 관과 수평관으로 구성된다. 특정 냉난방 부하 조건에서 지하 배관 구멍 수를 너무 크게 설계하고 단일 구멍의 열 전달 용량이 최적의 단일 구멍 열 전달 용량에 도달하지 못하는 경우 이는 프로젝트의 초기 투자를 의미합니다. 지하 배관 구멍의 수가 너무 적으면 단일 구멍의 열 교환율이 부하 요구 사항을 충족할 수 없으므로 순환 유체의 출구 수온이 높아집니다. 겨울에는 낮을수록 '늦냉' 현상이 발생하며, 여름에는 출구 수온이 점점 높아져 '늦은 더위' 현상이 나타나 에너지 효율이 저하됩니다. 호스트 작동이 중단되고 심지어 보호를 위해 호스트가 종료되어 시스템이 작동할 수 없게 됩니다. 그 결과는 궁극적으로 시스템 경제성과 시스템 안정성에 영향을 미칩니다.
지하관 열교환기의 합리적인 설계는 지열원 히트펌프 시스템의 경제성과 운영 신뢰성을 결정합니다. 따라서 단공 열전달 능력의 분석은 지하관 열교환기 설계의 핵심이다. 지하관 열교환기의 열전달을 향상시키는 방법은 기본적으로 기존 열교환기와 동일합니다. 즉, 열전달 온도차를 늘리고 열전달 면적을 늘리며 열전달 열저항을 높여야 합니다. 줄인.
열전달 온도차의 변화는 형성온도, 순환액 온도, 히트펌프 호스트의 매개변수에 의해 제한됩니다. 형성 온도는 다양한 지역에서 일정하며 변경할 수 없습니다. 순환액 온도는 증발기 또는 응축기 출구 온도로 호스트의 성능 및 매개변수에 의해 제어됩니다. 출구 온도가 너무 높거나 낮으면 호스트의 에너지 효율 비율이 감소하고 시스템 경제성에 영향을 미칩니다. .
전열면적을 늘리는 것은 실제로 지중관 열교환기의 길이를 늘리는 것이므로, 프로젝트의 초기 투자를 늘리고 바닥 면적을 과도하게 늘려도 지중관 열교환기의 길이는 늘어나지 않습니다. 시스템의 경제성은 실제로 지하 파이프 지열 열 펌프 프로젝트의 경제성을 감소시킬 것입니다.
따라서 지하 튜브 열교환기의 열전달을 향상시키는 주요 방법은 열전달의 열저항을 줄이는 것입니다. 순환 유체와 지하 암석, 토양 및 지하수 사이의 열 전달 과정은 다음 두 가지 요소에 의해 제어됩니다. 하나는 지하 파이프 열 교환기이고 다른 하나는 암석과 토양 및 지하수의 열 전달 성능입니다. 공학 실무에서 시추공 벽은 일반적으로 시추공 내부의 매설 파이프, 되메우기 부분, 시추공 외부의 암석 및 토양 부분으로 관련된 공간 영역을 나누는 경계로 사용됩니다.
시추공 외부의 열 전달은 두 부분으로 구성됩니다. 하나는 시추공 벽에서 교란되지 않은 원격 매체까지의 암석 및 토양층의 열 저항입니다. 이 열 저항은 주로 암석 및 토양 질량의 열전도도에 따라 달라집니다. 다른 하나는 다양한 장소의 암석과 토양 덩어리의 열전도도입니다. 열 저항의 이 부분은 주로 레이아웃과 영향을 받습니다. 매설된 파이프의 간격 및 열 방출과 방출의 균형. 시추공 내부 열 전달의 열 저항은 주로 튜브 내부 열 저항과 튜브 외부 백필 재료의 열 저항으로 구성됩니다. 열 저항의 이 부분은 열을 증가시킬 수 있는 공학적 조치를 통해 제어하기 쉽습니다. 단일 구멍의 교환 용량.
1) 시추공 외부의 열저항
암석과 토양의 열전도율과 열확산율은 설계를 결정짓는 지하관 열교환기의 설계에 있어 매우 중요한 요소이다. 지하관 열교환기의 길이, 지하관의 배치 및 간격, 바닥면적. 암석과 토양의 열전도율은 지구를 통한 열전도 능력을 나타냅니다. 열확산율은 지구의 열을 전달하고 저장하는 능력을 측정한 것입니다. 암석과 토양의 수분 함량은 암석과 토양의 열전도도와 열확산율에 큰 영향을 미치며, 여름철 운전 중에는 지하 배관 열교환기의 순환 유체 온도가 암석과 토양의 온도보다 높으며, 결과적으로 암석과 토양 덩어리 내 물의 확산이 감소하고 암석과 토양 덩어리가 건조해져 열전도율이 감소하고 열 불안정성이 형성됩니다. 열교환기의 길이를 설계할 때 지하수가 부족하거나 지하수가 깊게 묻혀 있는 지역에서는 특별한 주의가 필요합니다.
지하관 열교환기 작동 시 지중온도 변화 정도가 증가하고 면적이 확대됨에 따라 지하관 주변의 암석 및 토양의 온도장이 변화하게 되며, 인접한 사이의 온도장은 변화하게 된다. 지하 배관이 변화하게 됩니다. 열 교환 저항이 증가하고 지중 온도 변화로 인한 열 전달 약화를 온도 변화 열 저항이라고 합니다. 지하관 열교환기에 의해 암반 및 토양으로부터 흡수 또는 방출되는 열이 1년 이내에 불균형하게 되면 과잉열(냉기용량)이 축적되어 지하 일정온도의 변화를 초래하여 온도상승을 초래하게 됩니다. 온도와 내열성.
지하수 누출은 지하관의 열전달 능력에 매우 중요한 영향을 미칩니다. 지하수의 열용량이 크기 때문에 많은 양의 열을 흡수하거나 방출합니다. 지하수 누출이 발생하면 흐르는 지하수에 의해 열이나 냉기가 쉽게 빼앗겨 또 다른 열 흐름 채널이 형성되어 열의 열저항이 크게 감소합니다. 옮기다. 냉부하와 열부하가 불균형한 지역에서도 지하수의 흐름은 "열 저항"의 영향을 약화시킵니다.
2) 시추공의 열저항
시추공의 열저항은 주로 지하관과 뒷채움재의 열전달 성능에 따라 결정된다. 매설 파이프는 우수한 화학적 안정성, 특정 강도(매설 파이프가 깊을 때 매설 파이프의 순환 유체 압력을 주로 고려), 내식성, 큰 열전도율 및 낮은 흐름 저항을 갖춘 플라스틱 파이프 및 피팅으로 만들어야 합니다. 현재 기술 및 경제 수준에서 대부분의 건설 프로젝트는 폴리에틸렌 파이프(PE 파이프)를 사용합니다. 이는 위 요구 사항을 종합적으로 고려한 결과입니다.
현재의 기술 및 경제 수준에서 적절한 되메우기 재료를 선택하는 것은 대부분의 지하 파이프 지열 열 펌프 프로젝트에 투자를 줄이고 시스템 운영 경제성을 향상시키는 가장 적절한 수단입니다. 되메우기재는 지하관과 공벽 사이에 위치하여 지하관과 주변 암반, 토양 사이의 열교환 능력을 높이는 동시에 지표수가 시추공을 통해 지하로 스며드는 것을 방지하는 역할을 하며, 지하수를 오염시키고 다른 대수층에서 지하수의 상호작용을 방지합니다. 되메우기 재료 선택과 올바른 되메우기 구성은 지하 파이프 열교환기의 성능을 보장하는 데 매우 중요합니다. 열전도율이 낮은 되메우기 재료를 사용하면 동일한 상황에서 시추공 내부의 열 저항이 크게 증가하게 되며, 이는 필요한 시추공의 전체 길이를 늘리게 되며 이는 또한 초기 투자 및 운영 비용의 증가를 의미합니다. 체계.
'지열 히트 펌프 엔지니어링 기술 사양'(GB50366-2005)에 따르면, '주입 되메우기 재료는 벤토나이트와 고운 모래(또는 시멘트)의 혼합 슬러리 또는 특수 되메우기 재료여야 합니다. 국부 매설 파이프 열교환기 밀도가 높거나 단단한 암석 및 토양에 위치할 경우 시멘트 기반 그라우팅을 되메우기 재료로 사용해야 하며 그 비율은 설계 요구 사항을 충족해야 합니다. 저자는 다음을 권장합니다. 지하수위 아래를 되메우려면 굵은 모래와 자갈을 사용하고 지하수위 위는 시멘트 모르타르를 사용하십시오. 이유는 다음과 같습니다.
(1) 지하수위 아래 시추공 영역에서, 거친 모래와 자갈(D2~4mm, 원형도가 좋아야 함)을 사용하십시오. 되메우기는 지하수의 큰 열용량과 좋은 유동성을 최대한 활용하여 발생된 열이나 냉기를 최대한 빨리 빼앗아 대류를 형성할 수 있습니다( 흡수) 열 채널.
지하수 교차 오염 위험으로 인해 층상 지하수 오염이 있는 지역에서는 주의해서 사용해야 합니다.
(2) 지하수 수준 위의 시추공 지역에서는 되메우기가 조밀하고 완전해야 하며, 그리고 공기와 지하 배관 사이의 접촉을 완전히 차단하여 공기가 뒤채움재에 섞이는 것을 완전히 방지합니다. 시멘트 모르타르 뒤채움재를 사용하면 더 중요한 것은 우수한 열전도율, 경제성 및 충분한 내구성을 가질 수 있다는 것입니다. .
4. 지열원 히트펌프 시스템 설계 및 구축을 위한 기술 요구사항
지열원 히트펌프 시스템의 설계 및 구축은 "지열원 히트펌프 기술 사양"을 엄격히 준수해야 합니다. 엔지니어링 "(GB50366-2005). 지하 파이프 지열 열 펌프 프로젝트의 건설 및 운영 모니터링에 대한 다년간의 경험을 바탕으로 다음 사항에 유의해야 합니다.
(1) 현장 조건이 허용하는 경우 지하 파이프 열 교환기 건설 가능한 한 가까워야 합니다. 제어 기계실은 지하 순환 전력을 최대한 절약하고 시스템의 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 조사에 따르면 북경 창평구 매설관 지열원 열펌프 프로젝트의 하절기 가동 기간 중 순환펌프(말단 순환펌프 포함)의 전력 소모량이 전체 전력 소모량의 40~50%를 차지한다고 한다. 그 이유는 매설관 열교환기의 건설 현장이 기계실에서 멀리 떨어져 있고 순환 펌프의 동력이 너무 크기 때문입니다.
(2) 조건이 허락한다면 지하관 지열 히트펌프 프로젝트가 완료된 후 냉방 시즌을 먼저 실행하는 것이 가장 좋습니다. 그 목적은 겨울철 운영 효과를 보장하고 냉방 발생을 방지하는 것입니다. 순환액(물인 경우)이 동결될 위험이 있습니다.
(3) 지하수는 지하 관공의 열교환 능력에 매우 중요한 영향을 미치지만, 일반적으로 지하수 침투가 빠른 지역은 대수층 입자가 크기 때문에 지하 관공을 건설하기가 더 어렵습니다. 이는 프로젝트의 건설비용을 증가시키므로 건설비용과 열교환능력의 관계를 종합적으로 고려해야 한다.
(4) 건물이 분산되어 있고 현장 여건이 허락하는 경우 분산형 컴퓨터실을 사용해야 하며 이는 프로젝트의 경제성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.
(5) 지하관 구멍의 깊이는 일반적으로 약 100m 정도이다. 지하관 지열원 히트펌프 시스템이 완성되어 가동되면 영구적으로 지하공간(2m 이하 면적)을 점유해야 한다. , 지역 계획(예: 지하철 노선) 및 파이프라인 배치가 수행됩니다.
(6) 되메우기 공사를 수행할 때 반드시 삽을 사용하여 한 번에 한 삽씩 되메우십시오. 과도한 되메움을 방지하기 위해 속도는 너무 빠르지 않아야 합니다. 되메우기로 인해 부정확한 되메우기 재료가 발생합니다. 작은 카트를 사용하여 차량 전체를 백필에 붓는 것은 엄격히 금지되어 있습니다.
(7) 사업 운영 단계에서는 본체의 공급 및 환수 온도와 본체 및 순환펌프의 전력사용량을 면밀히 모니터링하고 기록하여 과학적 분석의 기반을 마련해야 한다. 프로젝트 운영의.
(8) 지하 배관 구멍의 단일 구멍 교환 능력 테스트의 제한된 테스트 시간(일반적으로 약 10일)과 "온도 변화 열저항"의 영향을 고려하지 못함으로 인해, 열적 물리적 특성 결과는 난방 또는 냉방 시즌의 운영 조건을 완전히 반영하지 못하는 경우가 많습니다. 설계 시 동일한 지역 및 동일한 수문학적 조건을 가진 기존 프로젝트의 경험 값을 참조하는 것이 좋습니다.
(9) 지하 파이프 구멍의 배치는 "온도 변화 열 저항"과 프로젝트 경제성의 영향을 종합적으로 고려해야 합니다.
(10) 지하관 지열원 히트펌프 프로젝트를 설계할 때 다양한 장소의 매설관 구멍의 수력학적 균형을 확보하고 각 순환관의 유량이 기본적으로 같은.
(11) 지하 파이프의 유속은 정확하게 계산되어야 합니다. 유속이 과도하면 열 전달량이 증가하지 않지만, 유속이 너무 작으면 프로젝트의 경제적 효율성이 감소합니다. 단일 구멍의 열교환 용량.
지하관 지열 히트펌프 프로젝트에는 지하관 드릴이 많기 때문에 지하 파이프 드릴의 건설 비용이 초기 투자의 주요 결정 요인인 경우가 많습니다. 프로젝트의 실증단계에서 실시하며, 프로젝트의 공사난이도와 공사비를 파악하고, 사업예산의 기반을 마련한다. "지열원 히트펌프 엔지니어링 기술 사양"(GB50366-2005)의 요구 사항에 따라 지열원 히트펌프 시스템 구성을 설계하기 전에 프로젝트 현장 조건도 조사해야 하며 얕은 지열 에너지 자원을 조사해야 합니다. 지하 파이프 지열 열 펌프 시스템을 설계하기 전에 프로젝트 지역의 암석 및 토양의 지질 상태를 조사해야 합니다. 조사 내용에는 다음이 포함됩니다.
(1) 암석 및 토양층 구조; p>
( 2) 암석과 토양의 열적 물리적 특성,
(3) 암석과 토양의 온도,
(4) 지하수 정수위 깊이, 수온 , 수질 및 분포,
(5) 지하수 유출 방향 및 속도,
(6) 동결된 토양층의 두께.