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``<br />
“<strong>지열</strong> 전문가 교육”<br />
<strong>지열</strong> <strong>열펌프</strong> <strong>기기</strong><br />
2006. 11. 22<br />
임 효 재<br />
호서대학교 기계공학과
1. 냉난방설비의 형식<br />
2. <strong>지열</strong>원 펌프의 원리<br />
3. <strong>지열</strong>원 <strong>열펌프</strong> 시스템의 형식<br />
4. <strong>지열</strong>원 <strong>열펌프</strong> 시스템의 구성요소<br />
2
1. 냉난방설비의 형식<br />
냉난방설비의 종류<br />
연소형 시스템<br />
화석연료를 연소시켜 열에너지를<br />
생성 ▪ 공급<br />
비연소형 시스템<br />
화석연료를 전혀 사용하지 않음<br />
3
연소형 시스템 (Combustion-Based System)<br />
장점<br />
가정용이나 산업용으로 오래전<br />
부터 이용<br />
단점<br />
설치 후 부대시설이나 배관등을<br />
소홀히 관리할 시에 화재나 폭발<br />
의위험<br />
연소 시 생성되는 매연으로 인한<br />
환경문제<br />
초기설치비가 적절<br />
추가적인 유지, 보수비 소요<br />
4
비연소형 시스템 (Heat Transfer System)<br />
<strong>열펌프</strong><br />
(Heat Pump)<br />
일종의 열교환기 (Heat Exchanger)<br />
냉방과 난방을 동시에 수행<br />
온도가 낮은 곳에서 열을 추출하여 온도가 높은 곳<br />
으로 이동시켜 필요한 곳에서 열에너지 이용<br />
<strong>지열</strong>펌프<br />
(Geothermal Heat Pump)<br />
열원으로 <strong>지열</strong> 및 지하수를 이용<br />
공기열원 <strong>열펌프</strong>에 비해 훨씬 효율적인 시스템<br />
운영, 관리 및 유지비가 저렴<br />
각 시스템 비교<br />
내용시설<br />
안정성<br />
설치비<br />
운영비<br />
유지관리비<br />
전과정비용<br />
비고<br />
연소형시설<br />
-<br />
중<br />
중<br />
대<br />
중<br />
<strong>열펌프</strong><br />
최대<br />
중<br />
중<br />
중<br />
중<br />
<strong>지열</strong>원 <strong>열펌프</strong><br />
최대<br />
대<br />
소<br />
소<br />
소<br />
최적<br />
5
<strong>열펌프</strong>의 종류<br />
<strong>열펌프</strong>의 종류<br />
분류<br />
1) 공기 대 공기 <strong>열펌프</strong> (Air To Air Heat Pump)<br />
2) 물 대 물 <strong>열펌프</strong> (Water To Water Heat Pump)<br />
3) 공기 대 물 <strong>열펌프</strong> (Air To Water Heat Pump)<br />
4) <strong>지열</strong>원 <strong>열펌프</strong> (Geothermal Heat pump)<br />
열원<br />
공기<br />
물<br />
공기<br />
<strong>지열</strong>, 지하수<br />
<strong>열펌프</strong>는 열원 매체에 따라 구분<br />
6
2. <strong>지열</strong>원 <strong>열펌프</strong>의 원리<br />
지중을 히트싱크(Heat Sink)나 히트소스(Heat Source)로 이용<br />
순환유체를 지중 열교환기를 통하여 순환시켜 지중과 열전달<br />
난방시<br />
겨울철에는 차가운 순환유체 ( ( 5℃ 55℃ 이하 )를 )를지중 열교환기를 통해 15±5 ℃<br />
로 가열하여 실내로 유입함으로써 실내에서 열을 취득<br />
냉방시<br />
여름에는 외부의 따뜻한 순환유체 ( ( 24℃ 이상 )) 를 지중 열교환기를 통해<br />
15±5℃로 냉각하여 실내로 유입함으로써 실내에서 열을 제거<br />
7
냉방과 난방의 원리<br />
냉방 사이클<br />
8
난방 사이클<br />
9
<strong>열펌프</strong>의 효율<br />
성적계수<br />
난방 난방시 사용한 전력과 이로 이로인해 인해새로이 생성된 열에너지와의 비를 비를<strong>열펌프</strong>의<br />
성적계수(COP)라고함<br />
함<br />
COP = 생성된열에너지/소비전력<br />
(KWh)<br />
<strong>열펌프</strong>는 실외온도가 낮은 동절기에 전열기를 이용한 난방<br />
시 필요한 열에너지에 비해 약 2/3의 에너지를 절약<br />
<strong>열펌프</strong> 산업에서는 이를 난방효율 또는 성능계수<br />
(Coefficiency<br />
of Performance, COP)라 한다<br />
10
3. <strong>지열</strong>원 <strong>열펌프</strong> 시스템의 형식<br />
12
<strong>지열</strong>원 <strong>열펌프</strong> 시스템의 장점<br />
경제적인 시스템<br />
(상용공기열원대비44%<br />
(상용공기열원대비44%<br />
절감<br />
절감<br />
에어컨과,<br />
에어컨과,<br />
전열기<br />
전열기<br />
사용<br />
사용<br />
냉/난방시<br />
냉/난방시<br />
72%까지<br />
72%까지<br />
에너지<br />
에너지<br />
절감,<br />
절감,<br />
EPA)<br />
EPA)<br />
저렴한 유지 비용<br />
친환경적인 시스템<br />
(CO2 발생량 저감)<br />
편리한 시스템<br />
(존 별 냉난방 가능)<br />
<strong>지열</strong>원 <strong>열펌프</strong><br />
시스템의 장점<br />
급탕비용 절감<br />
유연한 설계 적용<br />
연간 쾌적한 환경 조성<br />
높은 내구성 및<br />
안전성 구비<br />
13
<strong>지열</strong>원 <strong>열펌프</strong> 시스템의 종류<br />
토양 이용 <strong>열펌프</strong> 시스템<br />
( Ground Coupled Heat Pump, GCHP )<br />
지하수 이용 <strong>열펌프</strong> 시스템<br />
<strong>지열</strong>원 <strong>열펌프</strong><br />
시스템<br />
(GSHP)<br />
( Ground Water Heat Pump, GWHP )<br />
지표수 이용 <strong>열펌프</strong> 시스템<br />
( Surface Water Heat Pump, SWHP )<br />
복합 <strong>지열</strong>원 <strong>열펌프</strong> 시스템<br />
( Hybrid Ground Source Heat Pump )<br />
14
토양이용 <strong>열펌프</strong> 시스템<br />
Hot water tank<br />
Ground Heat<br />
Exchanger<br />
Heat pump<br />
수직형 시스템<br />
¾, , 1 inch GHE<br />
1 ½, , 2 inch header<br />
보어홀 깊이 100~300m<br />
보어홀 직경 100~150mm<br />
40~60 m/RT<br />
초기 시설비 과다 소요<br />
중대형 건물에 적합<br />
열교환기 설치 면적 축소가능<br />
외기온도에 영향을 적게 받음<br />
15
토양이용 <strong>열펌프</strong> 시스템<br />
Single-<br />
Pipe<br />
Two-<br />
Pipe<br />
Four-<br />
Pipe<br />
수평형 시스템<br />
Single Pipe<br />
100~150 m/RT<br />
트렌치 깊이 1~2 m<br />
Two Pipe<br />
트렌치 길이<br />
파이프 길이<br />
Four Pipe<br />
트렌치 길이<br />
파이프 간격 30cm<br />
Multi-pipe<br />
열교환기 설치면적 과다<br />
Enhanced Plate Slinky GHE 중▪소형<br />
건물에 적합<br />
트렌치 길이 60~90 m/RT<br />
파이프 길이 130~200 m/RT<br />
트렌치 길이 50~70 m/RT<br />
초기투자비용 적절<br />
외기온도에 영향을 받음<br />
16
지하수이용 <strong>열펌프</strong> 시스템<br />
Ground surface<br />
Static water level<br />
SCW (Standing Column Well)<br />
암반과 지하수의 직접 열교환<br />
암반이 잘 발달된 지역<br />
수위 및 수량이 풍부하여야 함<br />
Lineshaft pump<br />
Drawdown<br />
Pumping water level<br />
Grout<br />
Screen<br />
특징<br />
보어홀 직경 150mm<br />
보어홀 깊이 500m 내외<br />
심정펌프 및 스크린 설치<br />
수량및수질테스트및 수질 암반층까지 케이싱 및 그라우트 설치<br />
17
지하수이용 <strong>열펌프</strong> 시스템<br />
복수정 <strong>열펌프</strong> 시스템<br />
취수정 (Production Well)에서<br />
뽑아 올<br />
린 지하수를 사용후 배수정 (Injection<br />
Well)으로<br />
회수하여 재사용하는 시스템<br />
특징<br />
지하수 재 사용으로 고갈 및 환경오염<br />
방지<br />
지리적 제한이 따름<br />
관정에 대한 주기적인 관리 필요<br />
사용 지하수 재압입 기술 필요<br />
18
설치형태별 특성비교<br />
구분<br />
주요장비<br />
핵심기술<br />
필요면적<br />
소요비용<br />
토양이용<strong>열펌프</strong>시스템<br />
- 히트펌프<br />
- 지중열교환기<br />
- 순환유체<br />
- 지중 열교환기 설계<br />
- 천공 hole간 연결<br />
- 그라우팅 작업<br />
- 3RT/150m, 1 hole/5평<br />
-전체비용의<br />
40% 수준의 지중열교<br />
환기 설치 비용<br />
지하수이용<strong>열펌프</strong> 시스템<br />
- 히트펌프<br />
- 열교환기<br />
- 지하수 관정<br />
- 수중펌프 설치<br />
- 지하수 관정 설치<br />
- 양수시험<br />
- 1.5~2.0 gpm/RT<br />
- 전체비용의 25% (지하수량(<br />
확보 여부)<br />
비고<br />
- 복수정의 경우 재압입 시키는 배수정 설치에 대한 기술적 노하우와 양수량의<br />
사전 점검 필수<br />
- 지하수 이용 시스템은 토양이용시스템 에 비해 설치 면적이 감소하고 천공갯<br />
수가 줄어 투자비 감소<br />
19
지표수이용 <strong>열펌프</strong> 시스템<br />
밀폐형 <strong>열펌프</strong> 시스템<br />
저수지 바닥에 설치한 폐회로형 순환회<br />
로에 <strong>열펌프</strong>를 연결하고 코일내 순환수<br />
를 이용하여 수원과 열전달을 통하여<br />
냉난방<br />
특징 (Slim Jim)<br />
스테인레스나 티타늄 이용<br />
수중 열교환기 설치 길이 절감<br />
겨울철 저수지 온도가 4.4℃ 이하일<br />
때추천<br />
순환수 온도가 저수지온도에 비해<br />
2~7℃ 낮을 때 <strong>열펌프</strong> 성능은 현저히<br />
떨어짐<br />
20
지표수이용 <strong>열펌프</strong> 시스템<br />
개방형 <strong>열펌프</strong> 시스템<br />
저수지 바닥부근에서 여과시킨 지표수<br />
를 채수하여 <strong>열펌프</strong>로 인입, 열교환을<br />
한후다시저수지로재방류후 재 Filter-screen<br />
Lake<br />
Return<br />
특징<br />
펌프는 저수지의 수면보다 약간 높거<br />
나낮은곳에설치<br />
온난한 지역과 난방부하 요구량이 적<br />
거나 난방만이 필요한 추운 기후조건<br />
하에 국한<br />
수원의 크기가 충분한 열용량을 가진<br />
규모에 적용<br />
21
복합<strong>지열</strong>원 <strong>열펌프</strong> 시스템<br />
축열식 <strong>열펌프</strong> 시스템<br />
심야전력으로 <strong>열펌프</strong>를 가동하여 냉온<br />
열을 발생시켜 수축열조에 냉수 또는<br />
온수 를 저장하여 건물의 냉난방에 이<br />
용하는 시스템<br />
`<br />
특징<br />
물의 밀도차를 이용하여 고온의 물은<br />
축열조 상부로 저온의 물은 하부에 유<br />
지하는 특성 활용<br />
건물부하의 급격한 상승시에 순간부하<br />
공급가능력을 향상<br />
효율적인 에너지 관리<br />
22
복합<strong>지열</strong>원 <strong>열펌프</strong> 시스템<br />
복합<strong>지열</strong>원 시스템<br />
피크 부하시 냉각탑이나 보조열원을 이<br />
용하여 지중 열교환기의 길이 및 개수<br />
등을 줄임<br />
`<br />
특징<br />
일정한 수준의 부하는 지중열교환기 이<br />
용, 설정부하를 넘어서는 부하에 대해서<br />
는 냉각탑이용<br />
보일러 또는 태양열 집열판을 추가로<br />
설치하여 난방시 이용<br />
냉난방의 부하 적절한 조정<br />
23
4. <strong>지열</strong>원 <strong>열펌프</strong> 시스템 구성요소<br />
<strong>지열</strong>펌프(Geothermal Heat pump)<br />
증발기<br />
응축기<br />
4방밸브<br />
<strong>지열</strong>펌프<br />
(Geothermal Heat Pump )<br />
압축기<br />
팽창밸브<br />
24
압축기(Compressor)<br />
Rolling Piston<br />
Type<br />
왕복동식<br />
Rotary<br />
Rotary Vane<br />
Type<br />
용적형<br />
회전형식<br />
Screw<br />
압축기<br />
멤브레인형<br />
Scroll<br />
원심식<br />
터보형<br />
축류식<br />
압축기의 종류<br />
25
왕복식 압축기<br />
압축기별 특징<br />
압축기는 단일 작동이며 실린더는 하나 혹은 여러 개<br />
여러 개의 실린더의 경우 V형, W형, 방사형, 직선형으로 배열<br />
피스톤의 흡입작용 동안 저압의 냉매가스가 피스톤이나 헤드에 있는 흡입 밸브를<br />
통해 유입, 배출작용을 하는 동안 피스톤은 냉매를 압축하고 실린더 헤드에 있는<br />
배출밸브를 통해 냉매를 흘려 보냄<br />
회전식 스크류 압축기<br />
토출량은 비교적 균일하고 큰 진동이나 서징현상이 없음<br />
송출유량이 비교적 균일하고 큰 맥동이나 서징현상이 없음<br />
원심식 압축기<br />
효율적, 저가, 많은 양의 작동유체 취급<br />
진동이 적으며 용량제어가 간단하고 범위가 넓으며 정밀한 제어 가능<br />
축류식 압축기<br />
원심압축기보다 많은 유량을 처리할 수 있으며 사용영역이 광범위<br />
가볍고 소형이며, 효율이 높음<br />
26
열교환기(응축기<br />
응축기, 증발기)<br />
일명 에어코일(Air Coil)<br />
<strong>지열</strong>펌프에 사용되는 컨덴서는 냉매코일과 외부공기가 서로 접촉하여 열이 교환되도<br />
록 핀으로 구성된 판형-핀코일<br />
형이 주종을 이룸<br />
난방시<br />
압축기에서 생성된 고온 고압의 냉매 가스는 4방 밸브를 통하여 응축기로 전달되어<br />
실내공기 또는 난방 순환수와 열교환을 한후난방또는온수를생성후 저온의 액체 냉매는 증발기에서 지중 열교환기를 순환한 순환수로 부터 열을 흡수하<br />
고증기냉매상태로상변화한후다시압축기로보내져고온고압의 상변화 한 후 고온고압의 가스상태가 되는<br />
사이클을 반복<br />
냉방시<br />
난방 사이클과는 반대로 작동되며 압축기에서 생성된 고온고압의 냉매 가스는 4방 밸<br />
브를 통해 응축기에 투입되고 지중 열교환기 순환 매체로 열을 방출하고, 액체 냉매상<br />
태로 상변화 한 후 증발기에서 실내공기 또는 순환수와 열교환하여 냉방운전을 수행<br />
27
교축장치 (팽창밸브)<br />
Throtting Device 및 Expansion Valve<br />
응축기에서 액화된 고압의 액 냉매를 좁은 통로로 통과시켜서 저항을 가하여 압력을 강<br />
하 시키고, 냉매의 유량을 제어하는 역할<br />
구경이 작은 구리관으로 이루어져 있고 냉매의 흐름을 제어하는 특정길이를 가지고 있음<br />
모세관은 관내에 흐르는 냉매에 작용하는 저항으로서 냉매를 교축시켜 팽창하는 역할<br />
팽창밸브는 액체 냉매의 압력을 강하시키고 증발기로 들어가는 냉매의 흐름을 조절하는<br />
2가지<br />
목적이 있다.<br />
팽창밸브의 종류<br />
모세관(캐필러리튜브)<br />
정압 팽창밸브<br />
과열조절팽창밸브<br />
28
팽창밸브의 종류<br />
모세관 (캐필러리튜브)<br />
부하변동이 적은 소형 시스템에 적용하며, 구조가 간단하고 고장이 없음<br />
이물질, 수분의 동결로 인하여 막힐 우려가 있음<br />
수액기를 설치하지 않고 입구에 여과기 및 드라이어를 설치<br />
냉매의 양을 적게하여 정확하게 함<br />
정압 팽창 밸브<br />
증발기의 입구에서 일정한 압력을 유지<br />
증발기의 압력을 감지하고 압력이 제어점 이하로 떨어질 때 그 밸브는 열리고 압력이<br />
제어점 이상으로 상승할 때 밸브는 부분적으로 닫힘<br />
만일 냉동부하가 떨어지면 흡입온도와 압력이 떨어지려고 하지만, 밸브는 더 많이 열<br />
림으로써 압력강하를 막음<br />
과열조절팽창밸브<br />
과열 팽창 밸브는 증발기에서 증발속도에 비례하여 증발기 출구에 부착된 감온통에<br />
의해 액체 냉매의 유량을 조절<br />
내부균압형은 증발기의 압력강하가 적을 때, 외부균압형은 심할 때 사용<br />
증발기 가까이에 설치하고 팽창밸브직전 스트레이너를 설치<br />
29
4방밸브(Reversing Valve)<br />
4방 밸브는 냉매의 흐름을 역전시켜 실내와 실외에 각각 설치되는 증발기와 응축<br />
기의 역할을 바꿔줌<br />
압축기를 통과한 증기냉매는 고온고압이기 때문에 열을 방열시킬 수 있는 열에너<br />
지가 낮은 응축기 방향으로 이동<br />
4방밸브를<br />
통과한 고온고압의 증기냉매가 실내에 설치된 컨덴서로 이동하면 <strong>지열</strong><br />
펌프는 난방모드가 되고, 지중 열교환기로 이동하면 냉방형식이 됨<br />
4방밸브<br />
모식도<br />
30
Accumulator<br />
어큐뮬레이터는 증발기와 압축<br />
기 사이에 설치되어 흡입 냉매<br />
가스 속의 액냉매를 분리하여<br />
가스상의 냉매만을 압축기에<br />
흡입시키는 용기<br />
31
Desuperheater<br />
디슈퍼히터의 코일은 coax-coil형으로서coil형으로서<br />
고온의 냉매와 물이 열교환이 되도록하<br />
여 온도를 높이는 장치<br />
디슈퍼히터는 압축기와 4방밸브<br />
사이에 설치되어 시스템의 냉난방 모드와는 무<br />
관하게 필요한 온수를 생산 가능<br />
하절기의 냉방주기에서는 고온의 증기냉매가 디슈퍼히터내의 코일을 통과하므로 이로부터 열을 흡<br />
수하여 온수를 사용할 수 있음<br />
32
지중열교환기 (Ground Heat Exchanger)<br />
지중열교환기의 구성<br />
Supply, Return Header<br />
트렌치에 설치되어 Loop에 순환유<br />
체를 동일한 유속으로 분배<br />
Loop<br />
보어홀에 설치된 PE 파이프<br />
Reverse Return<br />
순환유체의 입출구 압력을 동일하<br />
게 하기 위한 파이프 정렬법<br />
U – tube<br />
유체가 흐르는 방향을 역으로 변환<br />
시킴, 보어홀 바닥에 사용<br />
33
열교환 파이프<br />
폴리에틸렌 파이프 (Polyethylene Pipe)<br />
장점<br />
폴리에틸렌수지를 원료로 하여 압출성형기로 제조한 관<br />
화학적, 전기적 성질은 염화비닐관 보다 우수<br />
비중 0.92~0.96 (염화비닐의(<br />
약 2/3) 으로 가볍고 유연성이 있음<br />
약 90도에서<br />
연화하지만 저온에서 강하고 영하 60도에서는<br />
취하하지 않으<br />
므로 한냉지 배관으로 적합<br />
단점<br />
표면이 부드럽기 때문에 외상을 받기 쉬움<br />
인장강도가 작음<br />
34
PE 파이프의 특징<br />
내식성<br />
어떤 토질에도 부식이 없으며 해수나 습지 배관으로 최적<br />
내한성<br />
영하 80도까지 물성변화가 없으며 동파되지 않음<br />
내약품성<br />
산, 알칼리, 유류 등에 대한 저항성이 우수, 약품에 침식되지 않음<br />
위생성<br />
수질에 의한 오염이 전혀 일어나지 않으며 무독, 무취<br />
작업성<br />
중량이 강관 1/7, 연관 2/3 으로 운반과 취급 시공이 간편<br />
연결의 간편성<br />
조임 연결은 조임 부속에다 관을 밀어넣고 45도 조여준다<br />
유연성<br />
유연성이 뛰어나 배관이 용이하고 무거운 하중에도 압착 후 다시 복원<br />
완벽한 연결<br />
접착제 등을 사용하지 않고 융착을 하거나 소켓 조임으로 관의 연결이 완벽<br />
35
36<br />
36<br />
6<br />
32.3<br />
28.9<br />
321.3<br />
318.0<br />
300<br />
6<br />
26.8<br />
24.3<br />
270.1<br />
267.0<br />
250<br />
6<br />
3.0<br />
2.0<br />
21.7<br />
19.5<br />
218.8<br />
216.0<br />
200<br />
6<br />
17.0<br />
15.3<br />
167.6<br />
165.0<br />
150<br />
6<br />
14.2<br />
12.7<br />
142.3<br />
140.0<br />
125<br />
6<br />
11.7<br />
10.4<br />
115.9<br />
114.0<br />
100<br />
6<br />
2.0<br />
1.4<br />
9.2<br />
8.1<br />
90.5<br />
89.0<br />
75<br />
6<br />
7.5<br />
6.6<br />
77.3<br />
76.0<br />
65<br />
40<br />
6.3<br />
5.5<br />
61.1<br />
60.0<br />
50<br />
60<br />
5.2<br />
4.5<br />
48.9<br />
48.0<br />
40<br />
90<br />
1.8<br />
1.2<br />
4.7<br />
4.0<br />
42.8<br />
42.0<br />
30<br />
90<br />
4.1<br />
3.5<br />
34.7<br />
34.0<br />
25<br />
120<br />
3.5<br />
3.0<br />
27.6<br />
27.0<br />
20<br />
120<br />
1.2<br />
0.8<br />
3.0<br />
2.5<br />
22.0<br />
21.5<br />
16<br />
최대<br />
최대<br />
최소<br />
최소<br />
최대<br />
최대<br />
최소<br />
최소<br />
최대<br />
최대<br />
최소<br />
길이<br />
길이(m)<br />
(m)<br />
기준치수<br />
기준치수<br />
바깥층두께<br />
바깥층두께<br />
두 께(mm)<br />
(mm)<br />
외 경(mm)<br />
(mm)<br />
호칭지름<br />
호칭지름<br />
폴리에틸렌<br />
폴리에틸렌 파이프의<br />
파이프의 규격<br />
규격
지중 열교환기 파이프 직경 선정<br />
파이프 직경은 마찰수두손실을 최소화 시켜 순환수의 순환동결비가<br />
최소가 되도록 한다.<br />
순환유체와 파이프 내부벽면의 원활한 열전달을 위해 난류 유동을<br />
만들어야 하기 때문에 파이프 직경은 작아야 한다.<br />
지중열교환기 내부로 흐르는 유체의 유량은 Re > 2500 이상의 난류<br />
사용가능한 파이프의 크기, 재질, 직경 및 설치비용을 고려해야 한다.<br />
순환수의 마찰수두손실을 최소화 시키면서 열전도를 촉진해야 함<br />
37
파이프의 규격<br />
파이프의 두께와 강도는 SCH 나 SDR로 표현<br />
※SDR = 상당 파이프의 외경 / 파이프의 두께<br />
SDR이 클수록 파이프의 두께는 얇아지고 내경은 커진다<br />
파이프의 경우 지중열교환기는 두께가 얇은 것 즉, , SDR이 큰 파이프를 지중 순환회로에<br />
이용하고 두꺼운 것은 파이프의 상부의 연결관에 이용한다.<br />
38
그라우트 (Grout)<br />
그라우팅<br />
지중열교환기 U자관을<br />
보어홀에 삽<br />
입<br />
U자관과<br />
보어홀 사이의 빈공간을 그<br />
라우트로 다시 채우는 작업<br />
그라우트의 역할<br />
지중열교환기 파이프와 지중의 토양<br />
이나 암반 등과 열전달 촉진<br />
지표수및 지하수 유입 방지<br />
지중의 수맥으로부터 보어홀 내부로<br />
지하수 흐름 방지<br />
시멘트계열, 벤토나이트계열의 그라<br />
우트 사용<br />
Grouting<br />
machine<br />
Soil<br />
Rock<br />
Grouting Pipe<br />
Geothermal Loop<br />
Borehole 4”~6”<br />
Grout<br />
Surface<br />
39
그라우트의 목적<br />
그라우팅이란 적절한 열전도 계수를 가지며 동시에 투수도가 작은 그라우트로<br />
보어홀과 지중 열교환기 파이프 사이의 빈공간을 채우는 일련의 시공과정<br />
환경적<br />
영향<br />
열교환기 누수에 의한 지하수 오염 방지<br />
농작물보호및우물등의수질보호<br />
및 열교환기를 따라 지하수가 지표로 누수 됨을 방지<br />
열교환기를 따라 지표 오염물이 지하로 침투됨을 방지<br />
열전달<br />
문제<br />
지중의 토양/암반과<br />
열교환기의 원활한 열전달<br />
장기적인 보어홀 내부의 자립 유지<br />
열교환기와 보어홀 간의 이격 방지를 위해 건조수축이 없는 그라우트 사용<br />
40
그라우팅 재료가 갖추어야 할 특성<br />
지중 열교환기 설치 후 그라우트 내에서 수분의 이동이 거의 없을 만큼 낮은 투과계수 (Permeability)<br />
높은 열전도 계수(thermal conductivity)<br />
지중 열교환기 파이프와 보어홀 벽면과의 높은 접착력<br />
그라우트 구성 재료간 또는 지하수와 접촉했을 때 화학적으로 안정함<br />
혼합이 용이 하며 작업의 편리성<br />
저렴한 가격으로 구입<br />
일정한 점도를 유지<br />
지중 환경에 무해<br />
41
보어홀 (Borehole) 내부의 구성<br />
42
상용 그라우트 재료의 장/단점<br />
종류<br />
시멘트류<br />
벤토나이트류<br />
- 수화작용에 의한 열 발생<br />
이 없음<br />
장점<br />
- 즉시 이용 가능함<br />
- 혼합이송이 용이함<br />
- 투수도가 적절함<br />
- 첨가제를 혼합하였을 때,<br />
기본 물성치가 쉽게 바뀜<br />
- 공정시간이 짧음<br />
- 밀도가 작고, 수축이 없으<br />
며 투수도 또한 적절함<br />
단점<br />
- 수화열은 토양의 물성을<br />
변화시킬 수 있음<br />
- 양생에 시간이 필요<br />
- 밀도가 크고,수축<br />
가능성<br />
을 내포하고 있어, 파이프<br />
와 밀착되지 않을 수 있음<br />
- 혼합이나 이송이 어려움<br />
- 주변토양에 수분이 작을<br />
경우 크랙이 발생<br />
- 염기나 유기산에 영향을<br />
받음<br />
- 각 제품들마다 시공지침이<br />
상이함<br />
43
대수층간의 상호 영향<br />
Topsoil<br />
Downward Leakage<br />
Borehole wall<br />
Static Water<br />
Level<br />
Water<br />
Table<br />
Aquifer<br />
Trench<br />
Ungrouted or<br />
Improperly Grouted<br />
Annular Space<br />
Around GHEX<br />
일반 보어홀의 경우 자유면 대수층과<br />
하부의 피압 대수층을 수직으로 관통<br />
하여 보어홀이 굴착된 형상<br />
이때 지중 열교환기 주위에 우물이 설치되<br />
어 있지 않으면 피압 대수층의 수중 열교환<br />
기 주위에 우물이 설치 되어있지 않으면 피<br />
압 대수층의 수위는 영향을 받지 않음<br />
Confining Bed<br />
44
대수층간의 상호 영향<br />
피압 대수층의 지하수는 그라우트로<br />
채워지지 않은 보어홀의 빈 공간으로<br />
침투하여 상부의 자유면 대수층으로<br />
이동<br />
45
대수층간의 상호 영향<br />
지하수가 상수원으로 사용하는 인접<br />
우물의 피압 대수층으로 침투<br />
오염된 자유면 대수층의 지하수가 대수층으<br />
로 침투하게 되면 상수원을 오염시킬 수 있<br />
으므로이점을고려이 46
대수층간의 상호 영향<br />
보어홀 내로 유입된 지표수가 자유면<br />
대수층으로 침투<br />
오염된 지표수가 자유면 대수층으로 침투하<br />
였을 경우, 이는 자유면 대수층의 지하수 오<br />
염으로 이루어 질 수 있다.<br />
47
순환펌프<br />
순환펌프는 지중 열교환기의 길이, 순환유체의 유량 및 허용 압력손실 등을 고려하<br />
여선정<br />
냉방시 순환펌프의 효율적인 설계기준과 순환펌프 등급<br />
순환펌프의 동력/냉방부하<br />
50 이하<br />
50~75 이하<br />
75~100<br />
100~150<br />
150 이상<br />
순환펌프의 마력/냉방부하<br />
100RT<br />
5 이하<br />
5~7.5 이하<br />
7.5~10 이하<br />
10~15<br />
15 이상<br />
등급<br />
A 급: 우수<br />
B 급: 양호<br />
C 급: 보통<br />
D 급: 보통이하<br />
F 급: 불량<br />
48
냉난방 부하에 대한 펌프동력이 상위등급에 속하기 위한 지침<br />
최대 블록 부하당 필요유량은 1RT당 11.34 lpm 이하<br />
배관의 마찰수두손실을 최소화<br />
순환펌프는 최대효율의 5% 이내에서 운영될 수 있는 것을 사용<br />
순환펌프에서 발생하는 수두손실은 3.6m 이하여야 한다.<br />
조절밸브의 C v (lpm)는 <strong>지열</strong>펌프의 유량보다 커야함<br />
Gate Valve, Butterfly valve, 볼밸브를 위시한 각종 밸브류 에서의 수두손실<br />
은 최소가 되도록 함<br />
펌프 모터는 에너지 효율적인 모델로 해야 하고 부동액을 과다하게 사용하면<br />
안됨<br />
한 개의 대규모 중앙 집중식 로프보다는 여러 개의 분리된 소규모 루프를 사<br />
용하는 것이 바람직하다.<br />
49
순환유체<br />
지중 열교환기를 통과하는 유체의 경우 아래 표와 같은 종류의 부동액<br />
을 첨가하는데 이에 따른 압력강하 특성이 변하므로 이를 고려하여 적정<br />
용량의 순환펌프를 선정한다.<br />
각 유체의 물성치<br />
Solution<br />
Water<br />
Calcium Chloride<br />
Propylene Glycol<br />
Methanol<br />
Fluid Properties<br />
Temperature<br />
(℃)<br />
40<br />
25<br />
25<br />
25<br />
Viscosity<br />
(centipoise)<br />
1.55<br />
4.0<br />
5.2<br />
3.5<br />
Density<br />
(kg/m 2 )<br />
62.4<br />
74.3<br />
63.6<br />
60.8<br />
50
주로 사용되는 부동액의 특성<br />
종류<br />
동결온도<br />
점도 cP<br />
밀도[kg/m<br />
3 ]<br />
0 [℃][<br />
15 [℃][<br />
30 [℃][<br />
0 [℃][<br />
15 [℃][<br />
30 [℃][<br />
물<br />
- 0 [℃][<br />
1.79<br />
1.14<br />
0.80<br />
999.6<br />
998.1<br />
994.8<br />
10%에탄올<br />
-3.9 [℃][<br />
3.00<br />
1.67<br />
1.09<br />
-<br />
983.6<br />
-<br />
20%에탄올<br />
-8.3 [℃][<br />
4.62<br />
2.32<br />
1.42<br />
-<br />
972.4<br />
-<br />
10%에틸렌글리콜<br />
-3.9 [℃][<br />
2.09<br />
1.37<br />
0.97<br />
1018.9<br />
1015.7<br />
1010.9<br />
20%에틸렌글리콜<br />
-8.9 [℃][<br />
3.03<br />
1.89<br />
1.31<br />
1036.5<br />
1033.3<br />
1026.9<br />
10%메탄올<br />
-5.6 [℃][<br />
2.44<br />
1.48<br />
0.99<br />
-<br />
983.6<br />
-<br />
20%메탄올<br />
-11.7 [℃][<br />
3.02<br />
1.77<br />
1.15<br />
-<br />
975.6<br />
-<br />
10%프로틸렌글리콜<br />
-3.3 [℃][<br />
2.70<br />
1.63<br />
1.11<br />
1015.7<br />
1010.9<br />
1006.1<br />
20%프로필렌글리콜<br />
-7.2 [℃][<br />
4.07<br />
2.37<br />
1.52<br />
1026.9<br />
1022.1<br />
1015.7<br />
51
감사합니다<br />
52
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