현재 인류가 직면한 에너지 부문의 큰 난제는 화석연료의 한정된 매장량으로 인한 수급불안과 그 사용에 따른 환경오염이다. 이러한 에너지 문제의 심각성은 불안한 국제유가 상황에서 여실히 드러나고 있으며, 특히 에너지의 97%이상을 해외에서 수입하고 있는 우리나라의 경우 그 어려움은 더욱 심각해질 것이다.
또한, 온실가스 배출을 규제하는 기후변화협약이 더욱 강화되고 있으며, 2013년부터 모든 나라가 온실가스 배출 감축이 의무화되는 등 온실가스 감축 의무가 선진국뿐 아니라 신흥경제국으로까지 확대되는 것이 가시화고 있다. 급변하는 에너지 환경에 대하여 에너지 저소비형 사회시스템 마련, 에너지공급루트의 다변화와 함께 대체에너지원의 개발이 절실히 필요한 시기이다.
신재생에너지원인 태양열은 ...
현재 인류가 직면한 에너지 부문의 큰 난제는 화석연료의 한정된 매장량으로 인한 수급불안과 그 사용에 따른 환경오염이다. 이러한 에너지 문제의 심각성은 불안한 국제유가 상황에서 여실히 드러나고 있으며, 특히 에너지의 97%이상을 해외에서 수입하고 있는 우리나라의 경우 그 어려움은 더욱 심각해질 것이다.
또한, 온실가스 배출을 규제하는 기후변화협약이 더욱 강화되고 있으며, 2013년부터 모든 나라가 온실가스 배출 감축이 의무화되는 등 온실가스 감축 의무가 선진국뿐 아니라 신흥경제국으로까지 확대되는 것이 가시화고 있다. 급변하는 에너지 환경에 대하여 에너지 저소비형 사회시스템 마련, 에너지공급루트의 다변화와 함께 대체에너지원의 개발이 절실히 필요한 시기이다.
신재생에너지원인 태양열은 전기에너지 생산을 위주로 하는 신재생에너지 3대 핵심분야(수소·연료전지, 태양광, 풍력)에는 포함되지 않으나, 변환형태가 열에너지인 태양열 시스템의 집중적인 보급과 확대의 필요성에 대해서 새삼 강조할 필요는 없을 것이다.
태양열온수급탕시스템은 대체로 작동 유체의 순환에 동력의 사용 여부로 자연형 태양열온수시스템과 설비형 태양열온수시스템으로 분류한다. 즉, 동력을 사용하여 열 매체나 물을 강제순환시켜 온수를 얻는 시스템이 설비형 시스템이고, 동력의 사용없이 비중차에 의해 자연대류를 순환원리로 하는 시스템이 자연형 시스템이다.
현재 국내외에 보급되어 있는 자연순환형 태양열온수시스템은 집열기의 상부에 축열조가 밀착되어 있는 간단한 구조와 비교적 우수한 효율성으로 태양열시스템의 90%정도를 차지하나, 혹한기를 거치는 우리나라의 중부지방에서는 동파문제가 심각한 상황이었다. 영하로 기온이 내려가면 배관내의 물이 어는 것을 방지하기 위해 배관 주위의 열선이 가열되지만, 빈번한 작동으로 열선이 끊어져 동파로 이어지거나 과다한 전기사용료로 보급에 장애가 되어 왔다.
이에 본 연구에서 자연순환형 태양열온수기의 옥외 배관에 대한 동파문제를 해결하고자 하며, 그 결과 태양열 에너지의 경쟁력 강화 및 보급에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 현재 적용되고 있는 동파방지기술에 대한 각각의 장단점을 기술하였으며, 가장 보편적으로 적용되고 있는 전열선 가열법 이외에 배관접합에 의한 온수가열법을 제안하고, 기초실험과 해석 그리고 실증실험을 통해 성능 평가를 수행하였다.
기초실험은 일반적으로 사용되는 탄소강관 2종류로 배관경은 15 A, 20 A에 대한 단일 배관내 외기온도에 대한 물의 냉각특성을 파악하고, 1차원 비정상상태 해석 후 실험결과와 비교 검증하여 배관경, 보온재 두께, 외기온도, 외기풍속 그리고 물의 초기온도가 배관내 수온 강하 및 동결에 미치는 영향을 분석하였다.
실증실험에 앞서 본 연구의 핵심 기술인 온수트레이싱법에 의한 동파방지의 원리에 대한 설명과 배관결합 기초실험을 통해 온수관의 수도관 가열 현상을 분석하였다.
실증실험에서는 온수트레이싱법을 적용한 자연순환형 태양열온수시스템을 설치하면서 배관결합과 온도제어 감지센서 부착위치 등 각각의 문제점을 확인할 수 있었다.
결론에서는 온도제어기와 온수관측 자동배수밸브로 구성되는 단순한 시스템을 구현할 수 있었으며, 특히 축열조에 유입되는 수도관과 유출되는 온수관이 맞닿은 형태로 열교환이 이루어지기 때문에 시수의 온도가 매우 낮은 경우에도 옥외배관의 동파를 방지하고 자동배수밸브의 개폐 빈도수를 줄일 수 있어 온수 유출량을 감소시킬 수 있었다.
현재 인류가 직면한 에너지 부문의 큰 난제는 화석연료의 한정된 매장량으로 인한 수급불안과 그 사용에 따른 환경오염이다. 이러한 에너지 문제의 심각성은 불안한 국제유가 상황에서 여실히 드러나고 있으며, 특히 에너지의 97%이상을 해외에서 수입하고 있는 우리나라의 경우 그 어려움은 더욱 심각해질 것이다.
또한, 온실가스 배출을 규제하는 기후변화협약이 더욱 강화되고 있으며, 2013년부터 모든 나라가 온실가스 배출 감축이 의무화되는 등 온실가스 감축 의무가 선진국뿐 아니라 신흥경제국으로까지 확대되는 것이 가시화고 있다. 급변하는 에너지 환경에 대하여 에너지 저소비형 사회시스템 마련, 에너지공급루트의 다변화와 함께 대체에너지원의 개발이 절실히 필요한 시기이다.
신재생에너지원인 태양열은 전기에너지 생산을 위주로 하는 신재생에너지 3대 핵심분야(수소·연료전지, 태양광, 풍력)에는 포함되지 않으나, 변환형태가 열에너지인 태양열 시스템의 집중적인 보급과 확대의 필요성에 대해서 새삼 강조할 필요는 없을 것이다.
태양열온수급탕시스템은 대체로 작동 유체의 순환에 동력의 사용 여부로 자연형 태양열온수시스템과 설비형 태양열온수시스템으로 분류한다. 즉, 동력을 사용하여 열 매체나 물을 강제순환시켜 온수를 얻는 시스템이 설비형 시스템이고, 동력의 사용없이 비중차에 의해 자연대류를 순환원리로 하는 시스템이 자연형 시스템이다.
현재 국내외에 보급되어 있는 자연순환형 태양열온수시스템은 집열기의 상부에 축열조가 밀착되어 있는 간단한 구조와 비교적 우수한 효율성으로 태양열시스템의 90%정도를 차지하나, 혹한기를 거치는 우리나라의 중부지방에서는 동파문제가 심각한 상황이었다. 영하로 기온이 내려가면 배관내의 물이 어는 것을 방지하기 위해 배관 주위의 열선이 가열되지만, 빈번한 작동으로 열선이 끊어져 동파로 이어지거나 과다한 전기사용료로 보급에 장애가 되어 왔다.
이에 본 연구에서 자연순환형 태양열온수기의 옥외 배관에 대한 동파문제를 해결하고자 하며, 그 결과 태양열 에너지의 경쟁력 강화 및 보급에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 현재 적용되고 있는 동파방지기술에 대한 각각의 장단점을 기술하였으며, 가장 보편적으로 적용되고 있는 전열선 가열법 이외에 배관접합에 의한 온수가열법을 제안하고, 기초실험과 해석 그리고 실증실험을 통해 성능 평가를 수행하였다.
기초실험은 일반적으로 사용되는 탄소강관 2종류로 배관경은 15 A, 20 A에 대한 단일 배관내 외기온도에 대한 물의 냉각특성을 파악하고, 1차원 비정상상태 해석 후 실험결과와 비교 검증하여 배관경, 보온재 두께, 외기온도, 외기풍속 그리고 물의 초기온도가 배관내 수온 강하 및 동결에 미치는 영향을 분석하였다.
실증실험에 앞서 본 연구의 핵심 기술인 온수트레이싱법에 의한 동파방지의 원리에 대한 설명과 배관결합 기초실험을 통해 온수관의 수도관 가열 현상을 분석하였다.
실증실험에서는 온수트레이싱법을 적용한 자연순환형 태양열온수시스템을 설치하면서 배관결합과 온도제어 감지센서 부착위치 등 각각의 문제점을 확인할 수 있었다.
결론에서는 온도제어기와 온수관측 자동배수밸브로 구성되는 단순한 시스템을 구현할 수 있었으며, 특히 축열조에 유입되는 수도관과 유출되는 온수관이 맞닿은 형태로 열교환이 이루어지기 때문에 시수의 온도가 매우 낮은 경우에도 옥외배관의 동파를 방지하고 자동배수밸브의 개폐 빈도수를 줄일 수 있어 온수 유출량을 감소시킬 수 있었다.
The big problem humankind is facing now result in unstable supply and demand and environmental pollution due to limited deposit of fossil fuel. This energy problem appears in case of unstable international oil price situation. Especially in our country importing over 97% of energy from abroad, the d...
The big problem humankind is facing now result in unstable supply and demand and environmental pollution due to limited deposit of fossil fuel. This energy problem appears in case of unstable international oil price situation. Especially in our country importing over 97% of energy from abroad, the difficulty will be severe. Also, climatic change convention which control emission of greenhouse gases is getting strict. from 2013, all countries are obligated to reduce emission of greenhouse gases and developing countries as well as developed ones also implement obligation for reducing them. In this quickly changing energy environment it is necessary to make society system of low energy consume style and develop alternative energy with a variety of energy supply route.
Solar energy, renewable energy resource, is not included in the third core parts of renewable energy(hydrogen fuel cell, solar cell and wind power generation). But its conversion type don't need to be emphasized well in terms of necessity of intensive supply and expansion in solar system, thermo energy.
Now natural circulation solar heating water system which is popularized in international and domestic countries occupies 90% of solar thermo system with simple structure and efficiency very close to heat storage on the upper side of solar collectors. But the problem of freeze and burst is at severe situation in the middle of our country which have free-up season. When temperature go down up to below zero temperatures, heating wire around pipes are operated to prevent water in the pipes from freezing. on the other hand, heating wires are cut by the frequent operation or excessive electric fees. Which have been obstacle of supply.
In this study, the freeze and burst problem about out pipes of natural circulation solar heating water system is solved and competitiveness reinforcement and distribution of solar energy are expected to be a big rule.
This study describe each advantage and disadvantage regarding the present applying freeze and burst prevention technology and suggest so popular applying heating tracing method in addition to heating wire tracing method. It also access performance through elementary experiment and analysis and verification experiment.
Elementary experiment finds freezing property of water about outdoor temperature in a single pipe of generally using two kinds of carbon steel(15A, 20A) and analyze how effect pipe size, thickness of thermal insulator, outdoor temperature, outdoor wind velocity and the primary temperature of water have on water in pipes after interpretation of one-dimensional normal state.
Before verification experiment, the explanation regarding heating tracing anti-freezing principle the core technology of this study and heating situation in water pipe of heating water pipe through elementary experiment of pipe bond were analyzed.
In verification experiment each problem such as space time pipe bond and position setup to temperature control detection sensor by installing natural circulation solar heating water system which take up heating tracing method could be verified.
This research could make simple system consisting of temperature control and heating water observation auto drip valve. Especially because water pipe flowing to heat storage and heating water pipe flowing out from it exchange heat as the connecting type, in event that city water temperature is too low, open and shut period of valve is available to be expanded so discharge of heating water could be reduced.
The big problem humankind is facing now result in unstable supply and demand and environmental pollution due to limited deposit of fossil fuel. This energy problem appears in case of unstable international oil price situation. Especially in our country importing over 97% of energy from abroad, the difficulty will be severe. Also, climatic change convention which control emission of greenhouse gases is getting strict. from 2013, all countries are obligated to reduce emission of greenhouse gases and developing countries as well as developed ones also implement obligation for reducing them. In this quickly changing energy environment it is necessary to make society system of low energy consume style and develop alternative energy with a variety of energy supply route.
Solar energy, renewable energy resource, is not included in the third core parts of renewable energy(hydrogen fuel cell, solar cell and wind power generation). But its conversion type don't need to be emphasized well in terms of necessity of intensive supply and expansion in solar system, thermo energy.
Now natural circulation solar heating water system which is popularized in international and domestic countries occupies 90% of solar thermo system with simple structure and efficiency very close to heat storage on the upper side of solar collectors. But the problem of freeze and burst is at severe situation in the middle of our country which have free-up season. When temperature go down up to below zero temperatures, heating wire around pipes are operated to prevent water in the pipes from freezing. on the other hand, heating wires are cut by the frequent operation or excessive electric fees. Which have been obstacle of supply.
In this study, the freeze and burst problem about out pipes of natural circulation solar heating water system is solved and competitiveness reinforcement and distribution of solar energy are expected to be a big rule.
This study describe each advantage and disadvantage regarding the present applying freeze and burst prevention technology and suggest so popular applying heating tracing method in addition to heating wire tracing method. It also access performance through elementary experiment and analysis and verification experiment.
Elementary experiment finds freezing property of water about outdoor temperature in a single pipe of generally using two kinds of carbon steel(15A, 20A) and analyze how effect pipe size, thickness of thermal insulator, outdoor temperature, outdoor wind velocity and the primary temperature of water have on water in pipes after interpretation of one-dimensional normal state.
Before verification experiment, the explanation regarding heating tracing anti-freezing principle the core technology of this study and heating situation in water pipe of heating water pipe through elementary experiment of pipe bond were analyzed.
In verification experiment each problem such as space time pipe bond and position setup to temperature control detection sensor by installing natural circulation solar heating water system which take up heating tracing method could be verified.
This research could make simple system consisting of temperature control and heating water observation auto drip valve. Especially because water pipe flowing to heat storage and heating water pipe flowing out from it exchange heat as the connecting type, in event that city water temperature is too low, open and shut period of valve is available to be expanded so discharge of heating water could be reduced.
주제어
#태양열에너지(Solar thermal energy)
#온수가열방식(Heating tracing method)
#동파방지(Freezing prevention)
#자연순환형 태양열온수시스템(Natural circulation solar water heating system)
#전열선방식(Heating wire tracing method)
학위논문 정보
저자
김종현
학위수여기관
경희대학교
학위구분
국내석사
학과
기계공학과
지도교수
홍희기
발행연도
2011
총페이지
59 p.
키워드
태양열에너지(Solar thermal energy),
온수가열방식(Heating tracing method),
동파방지(Freezing prevention),
자연순환형 태양열온수시스템(Natural circulation solar water heating system),
전열선방식(Heating wire tracing method)
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