매설 파이프 지열 열 펌프 시스템
1. 땅매관지원 열펌프 시스템 원리, 특징 < P < P > 그림 3-11 여름 매설 파이프 지열 열 펌프 작업 구조도 < P > 그림 3-12 겨울 매설 파이프 지열 열 펌프 작업 구조도 < P > 매설 파이프 지열 열 펌프는 지열 열 펌프의 모든 특성 외에도 다음과 같은 중요한 특징을 가지고 있습니다.
(1) 프로젝트가 따라야 할 냉랭함
(2) 지원 열펌프 시스템과 지하암토체, 지하수 사이에는 전도분산 (흡입) 열을 통해 지하수 지원 열펌프 시스템이 주로 대류 (흡입) 열을 통해 열교환효율이 지하수 지원 열펌프 시스템보다 낮은 것으로 나타났다.
(3) 기존 에어컨 시스템에 비해 지열 열 펌프 시스템의 주요 단점은 지열 열 교환기의 초기 투자가 높고 일반적으로 지하수 지열 열 펌프 시스템의 초기 투자보다 높다는 점이다. 이는 지열 열 펌프 시스템의 발전을 가로막는 주요 원인 중 하나이다.
(4) 지하수 지원 열펌프 시스템에 비해 땅속 열교환기 점유 면적이 지하 지하수 열펌프 시스템보다 크다. 이는 매설 파이프 지열 열 펌프 시스템이 인구, 건물 밀집 지역에서 발전하는 것을 방해하는 또 다른 중요한 원인이다. 매설 파이프 열 교환기는 일반적으로 녹지 공간, 도로, 주차장, 광장, 학교 운동장 등 아래에 배치되고 건물 기초와 건물의 말뚝 기초 안에 배치된다.
(5) 지하수지원 열펌프 시스템에 비해 지하에서 물을 채취하지 않기 때문에 이론적으로 지하공간 환경에 미치는 영향이 지하수지원 열펌프 시스템보다 작고, 처리 절차도 지하수지원 열펌프 시스템보다 간단하다.
(6) 친환경, 에너지 효율성, 운영 비용 절감, 1 기 다목적, 기술 성숙, 적용 범위 확대 (원칙적으로 어떤 지층과 건물에도 적용), 지하수 추출 불필요 등의 특징을 갖추고 있어 향후 응용 전망이 넓다.
(7) 수문 지질 관점에서 볼 때, 느슨한 구멍 지하수의 부수성은 주로 수층의 입자 크기에 의해 영향을 받습니다. 입자 크기가 클수록 구멍 틈새가 커질수록 지층의 부수성이 좋아지고 침투성이 강해집니다. 따라서 지하수지원 열펌프와 지관지원 열펌프 프로젝트는 수문지질조건 요구 사항에 어느 정도 보완성이 있다. 즉 지하수에 적합하지 않은 지역은 종종 지관관에 적합하다. 베이징 지역을 예로 들면 지하수지원 열펌프는 주로 영정강 충적팬의 중상부에 있는 해정 풍대 양구에 분포하고, 지원 열펌프는 주로 순의 창평, 조양, 해전구 지역, 즉 온유강, 영정강, 조백강 충적팬의 중하부에 분포한다.
2. 지열 열 펌프 시스템의 구성 및 기본 상황 소개 < P > 지열 열 펌프 시스템은 지하수 지열 열 펌프 시스템과 유사하며, 매설 파이프 열교환 시스템, 기계실 시스템 및 터미널 시스템의 세 부분으로 구성됩니다. 전문 기술의 관점에서 볼 때, 터미널 시스템의 설계와 시공은 난방 에어컨 전공에 속한다. 기계실 시스템은 주로 호스트, 전기 제어 시스템 및 수류 제어 시스템으로 구성되며, 그 핵심은 열펌프 장치 기술입니다. 매설 튜브 열교환 시스템의 설계 및 시공은 지질 및 수문 지질 전공에 속하며 지질 조사 및 시추 시공 자격이 있는 전문 부서에서 수행해야 합니다. 따라서, 매장 된 튜브 지열 열 펌프 시스템의 핵심은 실제로 별도의 HVAC 기술, 열 펌프 장치 기술 및 지질 조사 기술에 의해 뒷받침되고, 다 분야 상호 협력 및 유기적 인 새로운 통합, 환경 보호 및 에너지 절약 기술입니다. < P > 근거지 매설 파이프 매설 방식에 따라 매설 파이프 열 전달 시스템은 수평 매설 파이프 열 교환기와 수직 매설 파이프 열 교환기로 나눌 수 있습니다 (그림 3-13 과 그림 3-14 참조). 수평 매몰관은 지면에 1.5～2.5m 깊이의 도랑을 파는데, 각 도랑에 2, 4, 6 개의 열 교환식 플라스틱 파이프를 매설하는데, 수평 매설 관지의 면적이 수직 매설 관보다 크고 효율이 수직 매설 관보다 낮기 때문에 우리나라가 건설한 매설 관지원 열 펌프 시스템은 대부분 수직 매설 파이프 시스템을 채택하고 있다.
그림 3-13 수평 매설 파이프 열교환 기
그림 3-14 수직 매설 파이프 열교환 기
수직 매설 파이프 시스템 매설 파이프 깊이는 일반적으로 5 ~ 15m 사이이며, 약 1m 깊이의 드릴링은 대부분 12～15mm 사이입니다. 드릴링과 매설 파이프 사이에는 주로 원래의 펄프 백필, 중사 백필, 일반 토양 백필, 시멘트 모르타르 백필 등이 있습니다. 매설 파이프 소재는 HDPE 파이프 위주로 직경이 절대다수인 φ32mm 입니다. < P > 수직 매설 파이프가 열교환 구멍에 묻혀있는 U 자형 튜브의 수에 따라 시스템은 그림 3-15 와 그림 3-16 에 나와 있는 단일 U 와 이중 U 매설 파이프 시스템으로 나눌 수 있습니다. 매설 파이프와 주변 암토체의 열 전달 방식은 열전도 열 또는 흡열로, 열전구 구멍 간의 상호 간섭과 공간 절약을 피하기 위해 매설 파이프 구멍 설계 간격은 일반적으로 4 ~ 6M 입니다. 설계 요구 사항에 따라 매설 파이프 내의 순환액 (열 전달 매체) 은 물이나 부동액일 수 있습니다. < P > 그림 3-15 단일 U 수직 매설 파이프 지열 열 펌프 열교환 시스템 < P > 그림 3-16 이중 U 수직 매설 파이프 지열 열 펌프 열교환 시스템
3. 지열 열 펌프 시스템 핵심 기술 각 지역의 암석 (토양) 층의 열전도도와 매설 파이프 단연 미터 열 전달 능력의 차이가 크며, 한 지역에서 성공적으로 적용할 수 있는 지하 열 전달 시스템은 다른 지역에서는 종종 적용되지 않습니다. 같은 지역에서도 프로젝트 위치가 수로 충적팬의 위, 중, 하류에 따라 프로젝트 설계의 단일 구멍 열 전달 능력이 다릅니다. 따라서 지하수 지원 열펌프 시스템과 마찬가지로 지질조사 기술은 여전히 지원 열펌프 시스템 기술의 핵심이며, 얕은 층 지온에너지 개발 활용 공사가 실천에 성공적으로 적용될 수 있는지의 관건이다. < P > 지열 교환기는 지열 열 펌프 기술의 핵심이며, 수많은 매설 파이프 구멍과 이를 연결하는 U 형 파이프, 수평 파이프로 구성되어 있습니다. 일정한 냉방, 난방 부하 시, 매설 파이프 구멍 수 설계가 많다면, 단일 구멍 열 교환이 최적의 단일 구멍 열 전달 능력에 미치지 못하면, 프로젝트 초기 투자가 크게 되고, 점유 면적도 커질수록, 매설 측 끝 순환 펌프도 커질수록 운행의 경제성이 떨어지는 것을 의미한다. 매설 파이프 구멍 수 설계가 적고 단일 구멍 열 교환이 부하 요구 사항을 충족하지 못하면 순환액이 겨울철 유출 온도가 점점 낮아지고,' 말한' 현상이 나타나고, 여름철 유출 온도가 높아지며,' 말열' 현상이 나타나고, 호스트 운행의 에너지 효율을 낮추고, 심지어 호스트 가동 중지 보호를 초래하고, 시스템이 작동하지 않는 것을 의미한다. < P > 지열 교환기 설계가 합리적인지 여부에 따라 지원 열 펌프 시스템의 경제성 및 운영 안정성이 결정됩니다. 따라서 단일 구멍 열 전달 능력 분석은 매설 튜브 열 교환기 설계의 핵심입니다. 매설 튜브 열교환 기의 열 전달을 향상시키는 방법은 기존의 열교환 기와 거의 동일합니다. 즉, 열전달의 온도 차이를 높이고, 열 전달 영역을 늘리고, 열 전달 열 저항을 줄여야합니다. < P > 열전달의 온도 차이는 지층 온도, 순환수 온도 및 열 펌프 호스트의 매개변수에 의해 제한됩니다. 지층 온도는 각 지역에서 일정하여 바꿀 수 없다. 순환액 온도는 증발기 또는 냉응기 출구 온도로, 호스트 성능 및 매개변수로 제어되며, 너무 높거나 낮은 출구 온도는 호스트 작동의 에너지 효율을 떨어뜨려 시스템 경제에 영향을 줍니다. < P > 열전달 면적을 늘리는 것은 실제로 매설 튜브 열교환 기의 길이를 늘리는 것입니다. 즉, 프로젝트 초기 투자를 늘리고 점유 면적을 늘리고 과도한 매설 튜브 열교환 기의 길이는 시스템의 경제성을 높이지 않을 뿐만 아니라 매설 파이프 지열 열 펌프 프로젝트의 경제성을 떨어뜨립니다. < P > 따라서 매설 튜브 열교환 기의 열 전달을 향상시키는 방법은 주로 열 전달 열 저항을 줄이는 것입니다. 순환액과 지하암토체, 지하수 사이의 열 전달 과정은 두 가지 요인에 의해 제어됩니다. 하나는 매설 파이프 열 교환기입니다. 둘째, 암석 및 토양, 지하수 열 전달 성능. 엔지니어링 관행에서는 일반적으로 드릴링 벽을 경계로 관련 공간 영역을 드릴 내부의 매설 파이프, 충전재 부분 및 드릴 외부의 암석 부분으로 나눕니다. 드릴링 이외의 부분의 열 전달은 두 부분으로 구성됩니다. 하나는 드릴링 벽부터 끝까지 방해받지 않는 원격 미디어까지의 암토층 열 저항으로, 이 열 저항은 주로 암토체 열 전도율에 따라 달라집니다. 둘째, 각지의 매설 파이프 간 온도 필드의 상호 간섭으로 형성된 추가 온도 열 저항으로, 이 부분의 열 저항은 주로 매설 파이프의 배치 형태와 간격, 그리고 방출, 열 방출의 균형 정도에 따라 달라집니다. 드릴 내부의 열 전달 열 저항은 주로 튜브 내부 열 저항과 튜브 외부 충전재의 열 저항으로 구성되며, 이 열 저항은 엔지니어링 조치를 통해 쉽게 제어되며 단일 구멍 열 전달 능력을 증가시킬 수 있습니다.
1) 시추공 외부 열 저항 < P > 암토의 열전도율 및 열 확산율은 매설 파이프 열교환 기 설계에 매우 중요하며 매설 파이프 열교환 기의 길이, 매설 파이프의 배치 형태 및 간격, 설치 면적을 결정합니다. 암토체의 열전도도는 대지를 통과하는 열전도 능력을 나타낸다. 열 확산율은 지구의 전송과 열 저장 능력을 측정하는 척도이다. 암토체의 함습량은 암토체의 열전도도와 열 확산율에 큰 영향을 미친다. 여름철 작동 시 매설 튜브 열교환 기 내 순환액 온도가 암토체 온도보다 높아 매설 튜브 주변의 암토체 수분 확산이 줄고 암토체가 건조해지고 열전도율이 낮아져 열 불안정성이 형성된다. 열교환기 길이를 설계할 때 지하수가 부족하거나 지하수가 깊은 곳에 묻혀 있는 경우 특히 주의해야 한다. < P > 매설 튜브 열교환 기 작동 중 매설 튜브 주변의 암토체 온도 필드가 변경되며, 지온 변화 정도가 증가하고 지역이 확대됨에 따라 인접한 매설 파이프 간 열 교환이 영향을 받게 됩니다. 지온 변화로 인한 열 교환 저항의 증가와 열 교환의 감소를 온도 변화 열 저항이라고 합니다. 1 년 이내에 매설 튜브 열교환 기가 암토에서 흡수되거나 방출되는 열의 불균형이 발생하면 과도한 열 (냉량) 축적이 발생하여 지하 항온 변화가 일어나 온도 열 저항이 증가합니다. < P > 지하수 누출은 매설 관의 열 전달 능력에 매우 중요한 영향을 미친다. 지하수의 열용량이 커서 열을 흡수하거나 방출하는 것도 크기 때문에 지하수 누출이 있을 경우, 열이나 냉량이 흐르는 지하수에 쉽게 끌려가 또 다른 열유속 통로를 형성하여 열전도열 저항을 크게 낮출 수 있다. 냉난방 부하가 불균형한 지역이라도 지하수 흐름은' 온열 저항' 의 영향을 약화시킬 수 있다.
2) 드릴링 내 열 저항 < P > 드릴링 내 열 저항은 주로 매설 파이프 및 충전재의 열 전달 성능에 의해 제어됩니다. 매설 파이프는 화학적 안정성이 좋아야 하며, 강도 (주로 매설 파이프가 깊을 때 순환액이 매설 파이프에 미치는 압력), 내식성, 열전도율이 크고 흐름 저항이 작은 플라스틱 파이프와 부속이 있어야 합니다. 현재 기술, 경제 수준의 경우 대부분 건설된 공사는 폴리에틸렌 파이프 (PET) 를 채택하고 있는데, 이는 위의 각 요구 사항을 종합적으로 고려한 선택 결과이다. < P > 현재 기술, 경제 수준의 경우 적절한 회필러를 선택하는 것이 대부분의 매설 지열 열 펌프 프로젝트가 투자를 줄이고 시스템 운영 경제성을 높이는 가장 적합한 수단이다. 회필러는 매설 파이프와 공벽 사이에 있으며, 그 목적은 매설 파이프와 주변 암토체의 열 전달 능력을 강화하는 동시에 지표수가 시추공을 통해 지하로 침투하는 것을 방지하고 지하수를 오염시키고 서로 다른 수층 지하수 사이의 교차 오염을 피하는 것이다. 백필 재료의 선택과 올바른 백필 시공은 매설 파이프 열 교환기의 성능을 보장하는 데 중요한 의미가 있다. 열전도 성능이 좋지 않은 백필 재질을 사용하면 드릴링 내의 열 저항이 크게 증가하여 필요한 드릴링의 총 길이가 증가할 수 있으며, 시스템 초기 투자 및 운영 비용이 증가한다는 의미도 있습니다. < P >' 지원 열펌프 공학 기술 사양' (GB5366—25) 에 따르면' 그라우팅백필 재료는 벤토나이트와 세사 (또는 시멘트) 의 혼합장 또는 전용 백필 재료를 사용해야 한다. 현지의 매관 열 교환기가 촘촘하거나 단단한 암토에 설치될 때는 시멘트 기반 그라우팅으로 되메우는 것이 좋다. 백필 재료 및 그 비율은 설계 요구 사항을 충족해야합니다. " 필자는 지하수위 이하에는 굵은 모래, 자갈 백필, 지하수위 위에는 시멘트 모르타르 백필을 추천한다. 그 이유는
(1) 지하수위 아래 시추공 영역에서 굵은 모래, 자갈 (D2 ~ 4mm, 미세도 필요) 백필을 사용하면 지하수 열용량을 최대한 활용할 수 있기 때문이다. 지하수 교차 오염의 위험으로 지하수에 층층 오염 상황이 있는 지역에서는 신중하게 채택한다.
(2) 지하수위 위의 드릴 영역에서는 되메우기가 촘촘하고 완전해야 하며, 공기와 매설 파이프 사이의 접촉을 완전히 차단해야 하며, 공기가 다시 충전재에 섞이지 않도록 완전히 피해야 합니다. 시멘트 모르타르 백필을 사용하면 이러한 요구 사항을 충족시킬 수 있습니다. 더욱 중요한 것은 시멘트 모르타르 백필이 열전도도, 경제성, 충분한 내구성 등을 갖추고 있다는 것입니다.
4. 지원 열 펌프 시스템 설계 및 시공 기술 요구 사항 < P > 지원 열 펌프 시스템 설계 및 시공은' 지원 열 펌프 엔지니어링 기술 사양' (GB5366—25) 을 엄격히 준수해야 합니다. 다년간의 지열 열 펌프 프로젝트 시공 및 운영 모니터링 경험에 따르면,
(1) 현장 조건이 허가된 경우, 매설 파이프 열 교환기의 시공이 가능한 한 가까운 제어실에 접근하여 매몰 측 순환 전력을 최대한 절약하고 시스템의 효능 비율을 높여야 합니다. 베이징 창평구 모지원 열펌프 프로젝트가 여름철 운행할 때 순환펌프 전력 소비량 (말단 순환펌프 포함) 이 총 전력 소비량의 4 ~ 5% 를 차지하는 것으로 조사됐다. 이는 매장관 열교환기 시공장이 기계실에서 멀리 떨어져 있고 순환펌프 전력이 너무 높기 때문이다.
(2) 조건허가 하에 매관지원 열펌프 프로젝트가 완공된 후 냉동시즌을 먼저 운영하는 것이 좋다. 겨울철 운행효과를 보장하고 순환액 (물인 경우) 냉동의 위험을 방지하는 것이다.
(3) 지하수는 매설 관공의 열 전달 능력에 매우 중요한 영향을 미치지만, 일반적으로 지하수 침투 속도가 빠른 지역은 수층 입자가 크고, 시공지 매설 관공이 난이도가 높아 프로젝트의 시공 비용이 늘어나므로 시공원가와 열 전달 능력의 관계를 종합적으로 고려해야 한다.
(4) 건물이 분산되어 있고 부지 조건이 허가된 경우 분산실실을 채용하여 프로젝트의 경제성을 높이는 것이 좋다.
(5) 매설 파이프 구멍의 일반적인 깊이는 약 1m 정도이며, 매설 파이프 소스 열 펌프 시스템이 완공되어 가동되면 지하 공간 (2m 이하 지역) 을 영구적으로 점유하여 지역 계획 (예: 지하철 노선) 및 파이프라인 배치에 영향을 줄 수 있습니다.
(6) 충전재 백필 시공을 할 때는 삽으로 한 삽씩 백필하는 것이 급박하며, 속도가 너무 빨라서는 안 되며, 너무 빠른 백필로 인한 백필이 부실한 상황을 방지해야 한다. 카트 차량 주입식 백필을 엄금한다.
(7) 프로젝트 운영 단계에서는 호스트의 공급 환수 온도, 호스트 및 순환 펌프 전력 소비량을 면밀히 주시하고 기록하여 과학적 분석 프로젝트의 운영 기반을 마련해야 합니다.
(8) 매설 파이프 구멍의 단일 구멍 교체 능력 테스트 시간이 제한되어 있기 때문에 (보통 1 일 왼쪽)