지원 열 펌프 시스템이 얕은 층의 지열 에너지를 얻는 방법은 지하 열 전달 시스템을 이용하는 것이다. 그 작동 원리는 열 전달 매체 (주로 물 또는 에틸렌 글리콜) 가 폐쇄된 수직 또는 수평 지상관을 순환하고, 열 전달 매체와 지하암층과 지하수 사이의 온도차를 이용하여 열을 전달함으로써 얕은 층의 지열 에너지를 이용하는 목적을 달성한 다음 열 펌프 기술을 통해 건물을 가열하고 냉각시키는 것이다. 작업 구조도는 3- 1 1 및 그림 3 을 참조하십시오.
그림 3- 1 1 여름 매설 지열 열 펌프 작동 회로도
그림 3- 12 겨울 매설 파이프 지열 열 펌프 작동 회로도
지열 열 펌프의 모든 특성 외에도 지열 열 펌프에는 다음과 같은 중요한 특성이 있습니다.
(1) 공사는 냉열 부하에 따라 대량의 구멍을 뚫어 강도, 내식성, 열 전달 성능이 좋은 폐쇄 순환관을 내려온 다음 모든 순환관을 기계실과 호스트에 연결해야 한다.
(2) 지원 열 펌프 시스템은 전도와 지하암체 및 지하수열 (흡열) 을 통해 지하수 지원 열 펌프 시스템이 주로 대류를 통해 열을 방출하는 것과는 달리, 열 전달 효율이 지하수 지원 열 펌프 시스템보다 낮다.
(3) 기존 에어컨 시스템에 비해 지원 열 펌프 시스템의 주요 단점은 지원 열 교환기의 초기 투자가 높고 일반적으로 지원 열 펌프 시스템보다 높다는 점이다. 이는 지원 열 펌프 시스템의 발전을 가로막는 주요 원인 중 하나다.
(4) 지열 열 펌프 시스템에 비해 지열 열 교환기가 지원 열 펌프 시스템보다 점유 면적이 크다. 이것은 인구 밀집 및 건축 밀집 지역에서 지열 열 펌프 시스템의 발전을 방해하는 또 다른 중요한 원인이다. 지하 열교환기는 일반적으로 녹지, 도로, 주차장, 광장, 학교 운동장 등 아래에 배치된다. , 그리고 건물의 기초 아래와 건물의 말뚝 기초.
(5) 지원 열펌프 시스템에 비해 지원 열펌프 시스템이 지하에서 물을 채취하지 않아 지하공간 환경에 미치는 영향이 적고, 프로그램도 지원 열펌프 시스템보다 간단하다.
(6) 환경 보호, 에너지 효율성, 운영 비용 절감, 기계 다목적, 기술 성숙, 적용 범위 확대 (원칙적으로 모든 지층과 건물에 적용), 지하수 추출 불필요 등의 특징을 갖추고 있어 향후 적용 전망이 넓다.
(7) 수문지질의 관점에서 볼 때, 느슨한 구멍 지하수의 풍부한 수성은 주로 수층 입자 크기의 영향을 받는다. 입자 크기가 클수록 구멍 틈새가 커질수록 물의 풍도가 좋아지고 지층의 침투성이 강해집니다. 따라서 지하수 원 열 펌프 및 지열 열 펌프 프로젝트는 수문 지질 조건에 대한 상호 보완적인 요구 사항을 가지고 있습니다. 즉, 지하수에 적합하지 않은 지역은 종종 지열 열 펌프에 적합합니다. 베이징을 예로 들면, 지원 열펌프는 주로 영정강 충적 중상부의 해정과 풍대구에 분포되어 있으며, 지원 열펌프는 주로 순의 창평 조양 해정 산간 지역, 즉 온유강 영정강 조백강 충적팬의 중하부의 광대한 지역에 분포한다.
지열 열 펌프 시스템의 구성과 기본 상황을 소개합니다.
지원 열 펌프 시스템은 지원 열 펌프 시스템과 유사하며 지원 열 교환 시스템, 기계실 시스템 및 터미널 시스템의 세 부분으로 구성됩니다. 전문 기술의 관점에서 볼 때, 터미널 시스템의 설계와 시공은 난방 전공에 속한다. 기계실 시스템은 주로 호스트, 전기 자동 제어 시스템 및 물 흐름 제어 시스템으로 구성되며, 그 핵심은 열펌프 장치 기술입니다. 지하 열 교환 시스템의 설계와 시공은 지질과 수문지질학에 속하며 지질 탐사와 착정 시공 자격을 갖춘 전문 부서에서 완성해야 한다. 따라서 지열 열 펌프 시스템의 핵심은 실제로 별도의 난방 에어컨 기술, 열 펌프 장치 기술 및 지질 조사 기술에 의해 지원되며, 다 분야 시너지 및 유기적으로 구성된 포괄적 인 신형, 친환경 에너지 절약 기술입니다.
지하 파이프 매설 방식에 따라 지하 열 교환기 시스템은 그림 3- 13 과 그림 3- 14 와 같이 수평 지하 열 교환기와 수직 지하 열 교환기로 나눌 수 있습니다. 수평 매몰관은 지하에 파낸 도랑, 도랑 깊이 1.5 ~ 2.5m, 각 도랑에 2, 4, 6 개의 핫 스왑 플라스틱 파이프가 묻혀 있다. 수평 매설 파이프는 수직 매설 관보다 면적이 크고 효율이 수직 매설 관보다 낮기 때문에 우리나라가 건설한 지원 열 펌프 시스템은 대부분 수직 매설 파이프 시스템을 채택하고 있다.
그림 3- 13 수평 매설 튜브 열교환 기
그림 3- 14 수직 매설 튜브 열교환 기
수직 매설 파이프 시스템의 깊이는 일반적으로 50 ~ 150 m 사이이며, 대부분의 드릴 깊이는 약 100m 이고 드릴 지름은 일반적으로120 ~150m 입니다 백필은 드릴링과 매설 파이프 사이의 채우기에 사용되며, 백필 방법은 주로 원래의 펄프 백필, 중간 모래 백필, 일반 토양 백필 및 시멘트 모르타르 백필입니다. 매설 파이프의 재질은 주로 HDPE 파이프이며, 대부분 지름이 φ32mm 입니다.
열교환 구멍에 수직으로 묻힌 U-튜브 수에 따라 시스템은 그림 3- 15 및 그림 3- 16 과 같이 단일 U-튜브 시스템과 이중 U-튜브 시스템으로 나눌 수 있습니다. 매관관과 주변 암토의 열교환방식은 열을 전도하거나 열을 흡수하는 것이다. 열 교환 구멍 간의 상호 간섭을 피하기 위해 점유 공간을 절약하고, 매설 파이프 구멍의 설계 간격은 일반적으로 4 ~ 6m； 입니다. 설계 요구 사항에 따라 매설 파이프 안의 순환 액체 (열 전달 매체) 는 물 또는 부동액일 수 있습니다.
그림 3- 15 단일 u 형 수직 매설 파이프 지열 열 펌프 열교환 시스템
그림 3- 16 이중 u 형 수직 지열 열 펌프 열교환 시스템
3. 지원 열펌프 시스템의 핵심 기술인 단일 구멍 열 교환 분석.
지원 열펌프 기술 보급 과정에서 지역마다 지질과 수문지질조건의 복잡성과 가변성, 특히 지하수위 깊이와 지하수침류 속도의 차이로 인해 지역마다 암석 (토양) 층의 열전도도와 연미터 매설 관당 열 교환의 차이가 크다. 한 지역에서 성공적으로 적용할 수 있는 지하 핫 스왑 시스템은 다른 지역에서는 종종 적용되지 않습니다. 같은 지역에서도 프로젝트 소재지는 강 충적 팬의 위, 중, 하류에 위치해 있다. 따라서 지원 열 펌프 시스템과 마찬가지로 지질 탐사 기술은 여전히 지원 열 펌프 시스템 기술의 핵심이며 얕은 층 지열 개발 활용 프로젝트의 성공적인 응용의 관건이다.
지하 열 교환기는 지열 열 펌프 기술의 핵심이며, 많은 지하 파이프 구멍과 그 U 자형 및 수평 파이프로 구성되어 있습니다. 특정 냉열 부하에서 매설 파이프 구멍 수가 너무 많고 단일 구멍 열 전달 능력이 최적의 단일 구멍 열 전달 능력에 미치지 못하면 프로젝트 초기 투자가 너무 크고 설치 면적이 크며 매설 측 끝 순환 펌프도 크며 운영 경제성이 떨어집니다. 지하 파이프 구멍 수가 적고 단일 구멍 열 교환이 부하 요구 사항을 충족하지 못하면 겨울 순환수 출구 온도가 점점 낮아져' 단냉' 현상이 발생하고 여름 출구 온도가 높아지면서' 단열' 현상이 발생하고 호스트 운영 에너지 효율 비율이 낮아지고 호스트 가동 중지 보호, 시스템이 작동하지 않아 결국 시스템에 영향을 미칠 수 있습니다
매설 튜브 열교환 기의 설계가 합리적인지 여부에 따라 지열 열 펌프 시스템의 경제성 및 작동 신뢰성이 결정됩니다. 따라서 단일 구멍 열 전달 능력 분석은 매설 튜브 열교환 기 설계의 핵심입니다. 지하 열 교환기는 기존 열 교환기와 거의 동일한 방식으로 열 온도 차이를 늘리고 열 전달 영역을 늘리고 열 전달 저항을 줄입니다.
열전달의 온도 차이는 지층 온도, 순환수 온도 및 열 펌프 호스트 매개변수에 의해 제한됩니다. 지층 온도는 모든 지역에서 일정하며 변경할 수 없습니다. 순환액체의 온도는 증발기 또는 냉응기의 출구 온도로 호스트의 성능과 매개변수로 제어됩니다. 수출 온도가 너무 높거나 낮으면 호스트의 에너지 효율이 낮아져 시스템의 경제성에 영향을 줄 수 있다.
열전달 면적을 늘리는 것은 실제로 매설 튜브 열교환 기의 길이를 늘리는 것으로, 공사의 초기 투자를 늘리고 점유 면적을 늘리는 것을 의미한다. 너무 긴 매설 튜브 열교환 기는 시스템의 경제성을 높이지 않고 지열 열 펌프 프로젝트의 경제성을 떨어뜨린다.
따라서 매설 튜브 열교환 기의 열 전달을 강화하는 주요 방법은 열 전달 저항을 줄이는 것입니다. 순환액체와 지하암체와 지하수 사이의 열 전달 과정은 두 가지 요인에 의해 제어됩니다. 하나는 지하열교환기입니다. 두 번째는 암토와 지하수의 열 전달 성능이다. 엔지니어링 실습 과정에서 관련된 공간 영역은 일반적으로 구멍 벽을 경계로 구멍 내부의 매설 파이프, 백필 부분 및 구멍 외부의 암토 부분으로 나뉩니다. 공외열은 두 부분으로 구성됩니다. 하나는 암토층이 구멍 벽에서 끝까지 원상 원격 미디어에 이르는 열 저항으로, 주로 암토의 열전도율에 따라 달라집니다. 둘째, 매설 파이프 사이의 온도 필드 상호 간섭으로 인한 추가 열 저항은 주로 매설 파이프의 배치와 간격, 발열 및 발열 균형에 따라 달라집니다. 드릴링 내 열 전달 열 저항은 주로 튜브 내 열 저항과 튜브 외부 충전재 열 저항으로 구성되며, 엔지니어링 조치에 의해 제어되기 쉬우며 단일 구멍 열 전달 능력을 증가시킬 수 있습니다.
1) 드릴링 외부 열 저항
암토의 열전도도와 열 확산율은 매설 파이프 열 교환기의 설계에 매우 중요하며, 매설 파이프 열 교환기의 길이, 매설 파이프 열 교환기의 배치와 간격 및 점유 면적을 결정합니다. 바위와 토양의 열전도도는 지구를 통과하는 열전도도를 나타냅니다. 열 확산율은 지구의 열 전달 및 저장 능력에 대한 측정이다. 암토의 수분 함량은 암토의 열전도도와 열 확산율에 큰 영향을 미친다. 여름철 지하관 열교환기 내부 순환 액체 온도가 암토 온도보다 높아서 지하관 주변의 암토 수분 확산이 감소하고 암토가 건조되어 열전도율이 낮아져 열 불안정성이 형성된다. 열교환기 길이를 설계할 때 지하수가 부족하거나 더 깊은 지역을 매장할 때 특히 주의해야 한다.
지매관 열 교환기 운행 과정에서 지매관 열 교환기 주변의 암토체의 온도장이 바뀔 수 있다. 지온 변화의 증가와 면적이 확대됨에 따라 인접한 매설 튜브 열교환 기 사이의 열 교환이 영향을 받을 수 있습니다. 지온 변화로 인한 열 교환 저항의 증가와 열 교환의 감소를' 온열 저항' 이라고 한다. 땅속 열교환기가 암토에서 흡수되거나 방출되는 열이 1 년 이내에 불균형하면 여분의 열 (냉에너지) 이 축적되어 지하 항온에 변화가 생겨 열 저항이 커진다.
지하수 누출은 매설 파이프의 열 전달 능력에 매우 중요한 영향을 미친다. 지하수의 열용량이 크기 때문에 대량의 열량을 흡수하거나 방출한다. 지하수가 침투하는 경우, 열이나 냉에너지는 흐르는 지하수에 쉽게 끌려가 또 다른 열유속 통로를 형성하여 열 전달 저항을 크게 감소시킨다. 냉열 부하가 불균형한 지역에서도 지하수류는' 열 저항' 의 영향을 약화시킬 수 있다.
2) 시추공의 열 저항
드릴링 열 저항은 주로 매설 파이프와 백필의 열 전달 성능에 의해 제어됩니다. 매설 파이프는 화학적 안정성이 좋고 강도가 있어야 하며 (주로 매설 파이프가 심할 때 순환액체가 매설 파이프에 대한 압력을 고려), 부식에 내성이 있고, 열전도율이 높고, 흐름 저항이 작은 플라스틱 파이프와 부속이 있어야 한다. 현재의 기술경제 수준에서 기존 공사는 대부분 폴리에틸렌관 (PET) 을 채택하여 상술한 요구를 종합적으로 고려한 결과이다.
현재의 기술 및 경제 수준에서 적절한 백필을 선택하는 것은 대부분의 지열 열 펌프 프로젝트가 투자를 줄이고 시스템 운영 경제를 향상시키는 가장 적합한 수단입니다. 매립관과 공벽 사이에 흙을 메우는 목적은 매관관과 주변 암토의 열교환 능력을 강화하는 동시에 지표수가 시추공을 통해 땅속으로 침투하여 지하수를 오염시키고 서로 다른 수층 지하수 사이의 교차 오염을 방지하는 것이다. 백필 재료의 선택과 올바른 백필 시공은 매설 파이프 열 교환기의 성능을 보장하는 데 중요한 의미가 있다. 열전도율이 낮은 백필 재질을 사용하면 드릴링의 열 저항이 크게 증가하여 같은 경우 드릴링의 총 길이가 증가하고 초기 설정된 투자 및 운영 비용이 증가합니다.
GB50366-2005 (GB50366-2005) 에 따르면 "그라우팅 백필 재료는 벤토나이트와 미세 모래 (또는 시멘트) 의 혼합 슬러리 또는 특수 백필 재료여야 합니다. 국부 매몰 열 교환기가 촘촘하거나 단단한 암토에 있을 때는 시멘트 기반 재료를 사용하여 그라우팅과 백필을 해야 합니다. 백필 재료 및 그 비율은 설계 요구 사항을 충족해야합니다. " 저자는 지하수위 이하의 백필은 굵은 모래와 자갈을, 지하수위 이상의 백필은 시멘트 모르타르를 채택할 것을 건의한다. 그 이유는 다음과 같습니다.
(1) 지하수 수준 이하의 시추공 영역에서 거친 사석 (D2 ~ 4 mm, 원형율이 좋아야 함) 으로 백필하면 지하수의 열용량, 유동성이 좋은 특징을 최대한 활용하여 가능한 한 빨리 생성된 열이나 냉에너지를 빼앗아 대류 (흡입) 열통로를 형성한다. 지하수 교차 오염의 위험이 있기 때문에 지하수층 오염 지역에서는 신중하게 사용해야 한다.
(2) 지하수위 이상의 시추공 지역은 백필이 촘촘하고 완전해야 하며, 공기와 매설 파이프의 접촉을 완전히 차단하여 공기가 백필에 섞이는 것을 완전히 피해야 한다. 이러한 요구 사항은 시멘트 모르타르 백필을 사용하여 이루어지며, 더 중요한 것은 시멘트 모르타르 백필이 열전도도, 경제성 및 내구성이 좋다는 것입니다.
지열 열 펌프 시스템 설계 및 시공 기술 요구 사항
지원 열펌프 시스템의 설계와 시공은' 지원 열펌프 공사 기술 사양' (GB50366—2005) 을 엄격히 준수해야 한다. 다년간의 지원 열펌프 공사 시공 및 운행 모니터링 경험에 근거하여, 다음과 같은 몇 가지 사항을 주의해야 한다.
(1) 현장 조건이 허용하는 경우 지하 열 교환기는 가능한 통제실에 가까이 건설되어 지하 측면의 순환력을 극대화하고 시스템 효율비를 높여야 합니다. 베이징 창평구 모지원 열펌프 공사 여름 운행 중 순환펌프 (말단 순환펌프 포함) 전력 소비량이 총 전력 소비량의 40 ~ 50% 를 차지하며 정상치보다 현저히 높은 것으로 조사됐다. 그 이유는 지원 열 교환기 시공장이 기계실에서 멀리 떨어져 있고 순환 펌프 전력이 너무 크기 때문이다.
(2) 조건부인 경우 지원 열펌프 공사가 완료된 후 냉랭계절을 먼저 운행하는 것이 좋다. 겨울철 운행 효과를 보장하고 순환액 (물인 경우) 착빙의 위험을 방지하는 것이다.
(3) 지하수는 지하 관공의 열 전달 능력에 매우 중요한 영향을 미친다. 그러나 일반적으로 지하수의 침투 속도가 빠른 지역에서는 수층 입자가 크고 지하 관공 시공이 어려워 공사 건설 비용이 늘어났다. 따라서 건축원가와 열 교환의 관계를 종합적으로 고려해야 한다.
(4) 건물이 비교적 분산되어 있고 부지 조건이 허용될 때 분산실을 이용해야 하며 공사의 경제성을 높이는 데 도움이 된다.
(5) 지하 파이프 구멍 깊이는 약100m m m 이며, 지열 열 펌프 시스템이 구축되어 가동되면 지하 공간 (2m 이하 지역) 을 영구적으로 점유하여 지역 계획 (예: 지하철 노선) 및 파이프라인 배치에 영향을 줍니다.
(6) 백필 시공할 때는 반드시 삽으로 백필해야 하며, 속도가 너무 빨라서는 안 되며, 백필이 너무 빨라서 백필이 부실하지 않도록 방지해야 한다. 손수레와 차량 백필은 금지되어 있습니다.
(7) 공사 운행 단계에서 호스트의 공급 환수 온도, 호스트 및 순환 펌프의 전력 소비량을 면밀히 주시하고 기록하여 과학 분석 공사 운행 상황을 위한 토대를 마련해야 한다.
(8) 테스트 시간이 제한되어 있고 (일반적으로 약 65,438+00 일) "온도에 의존하는 열 저항" 의 영향을 고려하지 않기 때문에, 열 물리 결과는 난방 또는 냉방 계절의 작동을 완전히 반영하지 않는 경우가 많습니다. 설계 시 같은 지역, 동수문 지질 조건 하에서 이미 건설된 공사의 경험을 참고할 것을 건의합니다.
(9) 매설 관공의 배치는' 변온저항' 의 영향과 공사 경제성을 종합적으로 고려해야 한다.
(10) 지열 열 펌프 엔지니어링을 설계할 때 각 지역의 매설 파이프 구멍의 수력 균형을 유지하여 각 순환관 내의 유속이 기본적으로 동일하도록 해야 합니다.
(1 1) 매설 파이프의 유속을 정확하게 계산해야 합니다. 유속이 너무 크면 열교환이 늘어나지 않고 오히려 공사의 경제성을 떨어뜨린다. 유속이 너무 작으면 단일 구멍의 열 전달 능력이 낮아진다.
지원 열펌프 공사에는 대량의 지하 매설 시추기가 있기 때문에, 지하 매설 시추기의 비용은 종종 초기 투자의 주요 결정 요인이다. 공사의 난이도와 시공 비용을 파악하고 공사 예산의 기초를 마련하기 위해 공사 논증 단계에서 탐사 실험공의 시공을 반드시 진행할 것을 건의합니다. 지원 열펌프 공학 기술 사양 (GB50366-2005) 에 따르면, 지원 열펌프 시스템 설계를 하기 전에 공사 현장 조건을 조사하고 얕은 층 지열 자원을 조사해야 한다. 지원 열 펌프 시스템 설계를 하기 전에 프로젝트가 있는 곳의 암토 지질 조건을 조사해야 합니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.
(1) 암토층 구조;
(2) 암석 및 토양의 열적 특성;
(3) 지반 온도;
(4) 지하 정지 수위의 깊이, 수온, 수질 및 분포;
(5) 지하수 유출수의 방향과 속도;
(6) 동토 두께.