지열 히트펌프 공조 애플리케이션 설계?
지열 히트 펌프 에어컨의 적용 설계는 매우 중요하며 설계 품질은 후속 사용에 직접적인 영향을 미치며 각 세부 사항을 처리하는 방식에 따라 다른 결과가 나타납니다. Zhongda Consulting은 지열 열 펌프 에어컨의 응용 설계를 소개합니다.
1. 서론
경제가 발전하고 국민생활수준이 향상되면서 공공건물과 주거시설의 냉난방은 일반화된 수요가 되었다. 사람들의 건강과 편안함 요구 사항을 충족한다는 전제하에 천연 자원의 합리적인 사용, 환경 보호 및 기존 에너지 소비 감소는 HVAC 산업이 직면해야 하는 중요한 문제가 되었습니다. 지열원 히트펌프 공조시스템은 지중의 냉열(토양, 우물물, 호수 등)을 흡수하여 겨울에는 지중의 열을, 여름에는 지중의 냉열을 흡수하여 에너지 절약을 실현하는 시스템입니다. 히트펌프 장치를 사용하여 건물에 냉난방을 제공하는 신재생 에너지를 사용하는 새로운 유형의 에어컨 시스템으로, 에너지 효율적이고 무공해이며 난방과 냉방 모두에 사용할 수 있습니다.
2. 지열원 히트펌프 공조 시스템
지열원 히트펌프(Ground source heat Pump)는 얕은 지하 지열자원을 활용하는 고효율, 에너지 절약형 에어컨입니다. 냉난방 시스템을 모두 제공합니다. 이 시스템은 지열원 히트펌프를 통해 환경으로부터 열에너지를 추출하여 건물을 가열하거나 건물 내부의 열에너지를 환경으로 방출하여 건물을 냉각시킵니다. 여름에는 잉여 열에너지를 땅에 저장하여 겨울에 사용할 수 있습니다. ; 겨울에는 초과된 냉기 에너지를 여름용으로 땅에 저장할 수 있습니다. 이처럼 지층 자체의 특성을 활용하여 건물과 환경 사이의 에너지 교환이 이루어지며, 그 원리는 그림 1과 같다.
3. 지열원 열펌프의 장점 및 적용 현황
지열원 열펌프의 홍보는 주로 에너지 절약 및 환경 보호 이점을 가지고 있습니다. 다음과 같은 장점이 있습니다. (1) 지열원 열펌프 시스템은 기존 에어컨 시스템보다 약 40% 더 효율적이므로 에너지를 절약하고 운영 비용이 낮습니다. (2) 지열원 열펌프 시스템은 난방, 냉방 및 가정용 온수를 제공할 수 있습니다. 하나의 시스템은 원래의 두 세트의 보일러 및 냉방 장치를 대체할 수 있습니다. (3) 지열원 히트펌프 공조기술의 개발 및 보급은 연소, 폐기물, 오염이 없고 환경질에 영향을 주지 않고 중소형 석탄화력 보일러실을 완전히 폐지할 수 있다. (4) 표면 얕은 지열 자원은 널리 퍼져 있으며 깨끗하고 재생 가능한 에너지원입니다.
지열원 열펌프 기술의 발전으로 2000년 말까지 미국 내 가정, 학교, 상업용 건물에서 사용되는 지열원 열펌프 시스템은 40만 개 이상으로 약 8,000개에 달한다. 매년 터미널 에너지는 11,000Gwh에 달합니다. 우리나라의 지열원 열펌프 공조 시스템 설계는 주로 두 부분으로 구성됩니다. 하나는 건물의 워터 루프 공조 시스템 설계이고, 다른 하나는 지열원 열펌프 공기의 지하 부분 설계입니다. 공조 시스템, 즉 지하 결합형 히트펌프 시스템의 지하 히트펌프 교환기 설계, 지표수 히트펌프 시스템용 지표수 열교환기, 지하수 히트펌프 시스템용 우물 시스템. 지하 커플링 히트펌프 시스템은 1989년 10월 가동에 들어간 상하이 민항개발구 사무용 건물(4305m2, 냉방부하 4532kW, 난방부하 231kW)에 최초로 적용됐다. 좋은 상태로. 현재 우리나라의 지하수 히트펌프 시스템은 기술이 상대적으로 성숙하고 활용 가능성이 높으며 더 많은 엔지니어링 프로젝트를 구현하고 있습니다. 현재 국내에는 수원히트펌프 제조업체가 20~30개 정도 있다. 국내 수원히트펌프 생산에 관한 기술표준이 아직 공표되지 않았기 때문에 국내 제조업체에서 생산하는 제품의 품질은 크게 차이가 난다. 일부 제조업체의 제품 샘플에는 기술 매개변수가 불완전하고 부정확합니다.
4. 지열원 히트펌프 공조 시스템 설계
1. 지열원 히트펌프 시스템 분류. 지열 히트펌프 시스템은 순환 형태에 따라 개방형 순환 시스템, 폐쇄 순환 시스템, 혼합 순환 시스템으로 나눌 수 있습니다. (1) 개방형 순환 시스템. 개방형 사이클 시스템은 파이프의 물이 호수, 강 또는 수로의 수원에서 나오는 시스템으로, 폐쇄형 사이클과 마찬가지로 건물과 열교환을 한 후 물을 원래 위치로 되돌리거나 배출합니다. 다른 적절한 위치로. (2) 폐쇄 순환 시스템. 폐쇄 사이클 시스템은 냉(열)원 측의 순환수가 장치의 실외 열 교환기와 지열 열 교환기 사이에 폐쇄 사이클을 형성한다는 것을 의미합니다. 파이프는 수직 우물을 통해 지하 150~200피트, 수평으로 4~6피트에 묻거나 연못 바닥에 설치할 수 있습니다. 겨울에는 파이프에 있는 유체가 땅에서 열을 추출하여 건물 내부로 가져옵니다. 여름에는 건물의 열에너지를 파이프를 통해 지하로 보내 저장합니다. 사용되는 파이프는 고밀도 폴리에틸렌 파이프입니다. 운송 및 지열 열 교환기 재료로서의 기타 부식 방지 파이프. 폐쇄순환시스템은 지하수와 지하환경을 오염시키지 않는 상대적으로 안정적이고 신뢰성 있는 기존 순환시스템으로서 전반적인 설계에 있어서 우선순위를 두어야 한다. (3) 혼합 순환 시스템. 혼합 순환 시스템의 지하 열교환기는 일반적으로 열부하를 기준으로 계산되며, 여름철에 필요한 추가 냉방 부하는 기존 냉각탑에서 제공됩니다. 지하 열 교환 공간이 부족하거나 수직 배관 매설이 어려운 등 특수한 지하 조건의 경우 혼합 순환 시스템의 설계를 고려할 수 있습니다.
2. 시스템 설계 매개변수에 대한 논의. (차가운) 열원 측의 물 유량은 최대 열 획득 및 최대 열 방출에 의해 결정됩니다. 매설관의 수위 선택은 매설관 순환 과정의 길이, 매설관 재료, 관 직경, 국지적 지반 공급원 조건 및 장치 특성에 따라 달라집니다.
일반적으로 물의 유속을 높이면 열전달계수를 적절하게 높이고, 열전달량을 강화하며, 열교환면적과 열교환관의 소모품을 줄일 수 있다. 그러나 유속이 너무 빠르면, 순환 워터 펌프의 에너지 소비를 증가시킵니다. 일반적으로 유량은 0.65~1.5m/s입니다. 구체적으로, 최적설계에서 고려되는 매개변수 관계는 다음과 같다. 복합 에너지 소비량 N = f(길이 LLT, 매설 관재 Ma, 관 직경 D, 지열 온도 Te, 지열 열 지수 Ke, 단위 특성 Type)에 따라 지하 관 입구 수온을 설정합니다. 측정 우물에서 측정된 유입수와 유출수의 온도차를 이용하여 지하관의 유출수 온도를 계산한 후 겨울철 히트펌프 장치 작동매체의 증발온도와 응축온도를 결정합니다. 요컨대 우리나라는 영토가 넓고 온대에 위치하고 있으며 지역에 따라 기후 조건이 크게 다르며 부하도 매우 다릅니다. 그러므로 외국의 기술 성과를 모방할 수 없고, 우리나라 기후 특성에 적합한 기술을 개발해야 합니다.
3. 유닛 디자인. 지열원 히트펌프에는 다양한 형태가 있으며, 그 중 가장 널리 상용화된 것은 증기압축형 히트펌프이다. 수-수 시스템을 예로 들면 실외기와 다수의 실내기로 구성됩니다. 이 시스템은 각 에어컨실의 요구 사항을 충족하도록 각 에어컨실을 개별적으로 조정할 수 있으며 우수한 에너지 절약 효과를 제공합니다. 가변 주파수 가정용 지열 히트 펌프 공조 시스템과 독립된 신선한 공기 시스템은 발전 전망이 큰 이상적인 에너지 절약형 및 편안한 가정용 중앙 공조 시스템이므로 최적화된 설계는 매우 중요한 가치가 있습니다. 전통적인 냉동 시스템 설계 방법은 주로 경험과 실험을 기반으로 합니다. 일반적으로 경험적 설계 방법은 간단하고 구현이 쉽고 이론적 지식과 실험 조건에 대한 의존도가 상대적으로 적습니다. 그러나 경험적 설계 방식은 필연적으로 직접성, 신뢰성이 낮고 안정성이 떨어지는 단점이 있어 제품의 예비 개발에만 적합합니다. 이론적 예측을 기반으로 한 최적의 설계 기법이 효과적일 수 있습니다.
최적화 방법은 가능한 모든 솔루션 중에서 가장 좋은 솔루션을 선택하는 방법입니다. 최적설계에서는 계획을 특징짓는 모든 독립변수가 설계변수이며, 이러한 변수를 합리적으로 결정하는 방법을 연구하는 것이 최적화 방법이다. 프로그램의 품질을 평가하기 위한 지수는 프로그램의 선택된 설계 변수에 의해 결정됩니다. 즉, 지수는 설계 변수의 함수인 목적 함수입니다. 시스템 최적화 설계에서는 다양한 조건, 즉 제약조건에 의해 설계변수의 값이 제한되는 경우가 많다. 가변 주파수 가정용 지열 열 펌프 에어컨 시스템은 가변 주파수 압축기, 응축기, 증발기, 전자 팽창 밸브, 실내기, 냉매 파이프 라인 및 워터 펌프 파이프 라인 시스템으로 구성됩니다. 냉동 시스템의 열역학 이론에 따르면, 시스템의 각 구성요소의 수학적 모델과 작동 매개변수의 동적 방정식을 매개변수 동적 분포 및 상호관계의 방법을 사용하여 확립하고, 시스템 작동 매개변수에 대한 방정식 시스템을 형성하며, 시스템의 동적 시뮬레이션이 수행됩니다. 시스템의 동적 특성을 시뮬레이션하여 최적 설계를 위한 기반을 제공합니다. 공조 시스템의 에너지 절약, 열 쾌적성 및 우수한 냉난방 효과를 충족하려면 공조 시스템의 에너지 효율 비율, 온도 강하(상승) 비율 및 온도 강하(상승) 진폭이 지수 요구 사항을 충족해야 합니다. . 따라서 설계를 최적화할 때 에너지 효율비, 온도 감소(가열) 속도 및 온도 감소(상승) 진폭의 목적 함수로 다목적 최적화 방법을 선택합니다. 동시에 응축기 및 증발기 구조, 면적 범위, 정면 풍속 범위, 시스템 온도 및 압력 변화 범위, 물 및 냉매 흐름 범위, 과냉각 및 과열 범위, 실내기 수와 같은 제약 조건의 요구 사항 다양한 지역의 지열원 히트펌프 시스템의 최적 설계 목적을 달성하기 위해 위의 목적에 대해 다중 목표 최적화 계산을 수행합니다.
4. 지열 히트펌프의 지하 열교환기 형태 및 배치. 토양 열교환기는 지열 펌프 장치 설계의 핵심입니다. 지열 토양 열교환기에는 수평 매설관, 수직 매설관 등 다양한 형태가 있습니다. 이 두 가지 매설관 유형은 각각 고유한 특성과 적용 환경을 가지고 있습니다. 중국에서 수직 매설 파이프를 사용하면 토지 면적을 절약하고 열 교환 성능이 우수하며 상부의 사용 기능에 영향을 주지 않고 건물 기초, 도로, 녹지, 광장, 운동장 등에 설치할 수 있다는 장점이 있습니다. 건축물의 기초, 도로, 녹지, 광장, 놀이터 등의 지하에도 설치가 가능합니다. 매설관은 건물의 말뚝 기초에 설치하여 토지 이용 가능 면적을 최대한 활용합니다. 다음은 수직 매립관 열교환기의 설계에 대해 간략하게 설명합니다.
(1) 수직 매설관의 재질 및 깊이. 매설 파이프의 재료로 플라스틱 파이프를 사용하는 것이 가장 좋습니다. 금속 파이프와 비교하여 플라스틱 파이프는 내식성, 가공 용이성, 열 교환 요구 사항을 충족할 수 있는 열 전달 성능 및 저렴한 가격 등의 장점을 가지고 있습니다. -밀도 폴리에틸렌 파이프 (PE 파이프), 알루미늄 플라스틱 파이프 등 수직 매립 파이프의 파이프 직경은 DN20, DN25, DN32, DN50 등과 같은 다양한 크기로 선택할 수도 있습니다. 수직 매설관은 현지 지질 조건에 따라 결정될 수 있으며 20m에서 200m까지 다양합니다. 깊이를 결정할 때는 바닥 공간, 시추 장비, 시추 비용 및 프로젝트 규모를 고려해야 합니다. 표토층이 매우 두껍고 굴착 비용이 상대적으로 저렴한 경우 더 깊은 수직 매설 파이프를 사용하는 것이 좋으며 그렇지 않으면 얕은 매설 파이프를 사용해야 합니다. 매설관 사이의 거리는 일반적으로 5~6미터 이상이며, 국지적 지질과 토양 열전달 조건을 종합적으로 고려해야 합니다.
(2) 수직 매립형 튜브 열교환기의 백필 및 민감도. 수직 매립형 튜브 열교환기의 구성은 지면에서 예상 깊이까지 구멍을 뚫고 준비된 U자형 튜브를 구멍 안으로 내린 후 구멍을 다른 재료로 채우는 것이다. 수평 집수관과 배수관을 이용하여 모든 U자형 관을 지표면 가까이 평행하게 연결하여 지하 열교환기를 구성합니다. 지질 구조에 따라 되메우기 재료는 주조 콘크리트, 되메우기 모래와 자갈 또는 되메우기 토양이 될 수 있습니다. 자재 선택은 프로젝트 비용, 열 전달 성능, 시공 편의성 등의 요소를 고려해야 합니다. 실제 테스트에 따르면, 타설 콘크리트는 열전달 성능이 가장 우수하지만 비용이 비싸고 시공이 어렵다. 그러나 건물 말뚝 기초와 함께 시공할 수 있다.
(3) 수직 매립형 튜브 열 교환기의 열 전달 감쇠. 수직매설관 열교환기에 흐르는 순환수의 온도는 끊임없이 변화하고 있습니다. 여름에 냉방 조건이 진행되면 축열된 지면 온도의 상승으로 인해 장치가 작동 중일 때 수온이 계속 상승하고 건물의 열 취득이 최대에 도달하면 물의 온도가 떨어집니다. 온도가 최고점까지 올라갑니다. 겨울철 난방운전 시에는 난방지온의 저하로 인해 건물이 가장 많은 열을 손실하게 되면서 열교환기의 수온이 최저점에 도달하게 됩니다. 이는 매설된 튜브의 경우 특히 심각합니다. 설계시에는 열교환기 매설관의 순환수의 최고온도와 최저온도를 먼저 설정해야 합니다. 매립관 열교환기의 표면 스케일링 및 기타 영향으로 인해 설계 시 감쇠량을 고려해야 하며, 최적의 상태점을 선택하기 위해서는 경제성 있는 비교를 통해 설정값을 선택해야 합니다.
V. 결론
지열 히트펌프는 환경친화적이고 에너지 절약형 공조방식으로서, 전문직간, 학제간 종합적 에너지 활용기술이다. 관련 전문 및 기술 인력 교육 지열 열 펌프 장치의 설계, 설치, 작동 및 유지 관리의 모든 측면을 완료하기 위해 협력합니다. 지난 10년, 특히 지난 5년 동안 지열원 열펌프 공조 시스템은 미국, 캐나다, 프랑스, 스위스, 스웨덴 및 중국의 지열원 열펌프 시장 등 북미에서 급속한 발전을 이루었습니다. 또한 이 기술은 21세기 가장 효과적인 냉난방 기술이 될 것으로 예상됩니다.
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