[논문]자연형태양열 트롬월 축열벽 시스템의 열성능 특성 실측 분석 연구

윤종호; 백남춘; 신우철

문제 정의

따라서 본 연구에서는 제로에너지 태양열 주택 개발을 위한 1단계 연구결과인 KIER ZeSH I 데모 주택에 자연형태양열 트롬월 축열벽 시스템을 설계 적용하고, 이를 대상 으로 난방기에 걸쳐 열성능 측정 실험을 수 행하여, 다양한 통계적 기법을 통해 축열벽 시스템의 열거동 특성을 분석함으로서, 국내 기후조건에 적합한 개선모델 개발을 위한 기 초데이터 수립에 연구의 주 목적이 있다.
본 연구에서는 대표적 자연형 태양열 시스 템인 트롬월 축열벽 시스템을 대상으로 장기 간의 열성능 측정 및 분석을 통해 집열창 및 축열매스를 통한 열류의 거동특성을 규명하 였다. 트롬월을 통한 월간 단위면적당 집열 량에 대한 실측데이터를 도출하였으며, 시간 대별 열류의 방향을 각 월별로 규명함으로서 향후 축열벽의 규모결정에 효과적으로 활용 될 수 있을 것으로 판단된다.

제안 방법

1층 동측침실의 경우 상하부 벤트를 통해 자연대류가 가능한 대표적 축열벽 시스템인 트롬월을 설치하였으며, 1층 거실은 직접획 득방식의 개념을 도입하여 바닥에 태양흡수 율 및 축열성능이 좋은 바닥축열체와 집열창 을 적용하였다. 그림 1은 실험대상 축열벽 시스템의 전경이다.
적용된 자연형태양열 시스템 중 정밀 열성 능 계측은 상대적으로 성능효과가 가장 큰 트롬월 시스템에 대해 수행하였다, 1층 남측 침실의 트롬월 설치면적은 7.35nf로, 이는 남 측면 외벽 전체 면적에서 창호를 제외한 면 적이다.
트롬월에는 하절기 과열방지 및 난방기의 난방효과를 극대화시키기 위해 축열벽 상하 부에 각기 2개의 자연대류용 벤트 환기구를 설치하였다. 또한 야간 열손실을 줄이기 위 해 시스템의 최외부에 자동으로 작동 가능한 야간 단열 시스템을 설치하였다.
따라서 시스템 시공 후 첫해 난방기 실험에 해당하는 본 연구의 실험에서는 1차적으로 자연대류에 의한 영향을 최대한 억제한다는 목적과, 벤트조작의 어려움에 따른 자연방치 상황을 재현한다는 측면에서 트롬월 상하부 의 벤트를 폐쇄시킨 상황에서 트롬월 중간의 공기층과 실내공간사이의 자연대류가 없는 상태로 실험을 실시하였다. 야간단열 또한 첫해 난방기 실험기간 동안에는 기본적으로 가동하지 않는 것을 원칙으로 하였다.
본 연구에서는 실험초기인 2003년 11월22 일 - 2003년 11월 24일까지의 실측결과를 대 상으로 트롬월 시스템 집열 및 축열과정에 대한 열거동 파악을 위해 수직 및 수평 단면 상의 각 부위별 온도분포에 대한 정밀 해석 을 수행하였다.
한편 국내 기후조건에서 트롬월 시스템의 일반적 거동특성을 규명하기 위해 장기간의 성 능측정데이 터를 근거해 혹한기 및 중간기 를 포함한 월별 트롬월 거동특성 분석, 축열 체의 시간별 거동특성 등에 대한 분석을 수 행하였다. 측정데이터는 2003년 12월1일 - 2004년 5월 27일까지 약 6개월에 걸친 장기 성능 실측결과를 대상으로 통계처리하여 분 석하였다.
더구나 실험 적 방법을 통해 획득량을 정밀 측정한다는 것은 더욱 복잡하고 어려운 과정이다. 본 연 구에서는 트롬월의 상하부 벤트를 통한 공기 층과 실내와의 자연대류가 없는 경우 난방에 너지 절감효과에 직접적으로 영향을 주는 부 분은 축열벽 내표면온도(그림 2의 5B, 5C, 5D)라는 가정하에, 실내와 접한 축열벽 내표 면온도와 실내온도와의 온도차 및 이론적 수 직 내표면열전달율을 이용하여 다음 식으로 시간당 발생하는 열손실량과 열취득량을 계 산하였다. 이 때 수직벽 내표면 열전달율(Cli) 은 8.
표면 열전달계수를 고정된 상수값으로 적 용한다는 점에서 다소간의 오차가 수반되겠 지만, 트롬월의 월별, 시간별 세부 거동특성 을 상대적으로 비교 평가한다는 측면에서 본 연구에서는 이들 측정 온도차를 이용한 열획 득량 산출방법을 적용해 트롬월의 난방성능 을 분석하였다.
본 장에서는 2003년 11월 22일 - 11월 24일 까지 3일(72시간)동안 측정한 단기간의 계측 결과를 대상으로 트롬월 시스템의 수평 및 수직 온도변화를 비교함으로서 트롬월 시스 템의 열적 거동특성을 분석하였다. 이때 난 방설정온도는 26°C로 고정하고 24시간 연속 난방을 공급하였다.
본 장에서는 2003년 12월1일 - 2004년 5월 27일까지 약 6개월에 걸친 장기간 트롬월 열 성능 실측결과를 대상으로, 통계처리를 통해 트롬월의 시간별 월별 거동 특성을 분석하였 다. 6개월간에 걸친 장기간의 트롬월 각 부 위별 시간별 온도 계측결과를 분석하기 위해 서는 단순히 시간별 단면별 온도변화의 비교 를 통해서는 불가능하다.
6개월간에 걸친 장기간의 트롬월 각 부 위별 시간별 온도 계측결과를 분석하기 위해 서는 단순히 시간별 단면별 온도변화의 비교 를 통해서는 불가능하다. 따라서 본 연구에 서는 전체 계측 데이터를 우선 각 월별로 1 차 그룹화하고, 2차로 각 시간대별로 그룹화 하여 산술평균 및 표준편차, 최대 및 최소값 에 대한 통계처리를 함으로서 각 월을 대표 할 수 있는 하루 중의 시간별 변동특성 그래 프의 형태로 분석을 수행하였다.

대상 데이터

한편 KIER ZeSH I 트롬월 시스템에 대한 첫해의 난방기 성능평가는 2003년 10월초부 터 시작되었으나, 초기 보정실험 및 다양한 변수 조작 실험을 거쳐 본격적 데이터 수집 은 2003년 11월말부터 착수되었으며 그림 2 에 도식된 지점의 온도 데이터를 매 1분 간 격으로 평균을 기록하였다. 측정 시스템에 대한 세부사항은 선행연구를 참고한다.
한편 국내 기후조건에서 트롬월 시스템의 일반적 거동특성을 규명하기 위해 장기간의 성 능측정데이 터를 근거해 혹한기 및 중간기 를 포함한 월별 트롬월 거동특성 분석, 축열 체의 시간별 거동특성 등에 대한 분석을 수 행하였다. 측정데이터는 2003년 12월1일 - 2004년 5월 27일까지 약 6개월에 걸친 장기 성능 실측결과를 대상으로 통계처리하여 분 석하였다.

성능/효과

그림에 도식된 바와 같이 실내온도를 26°C 로 설정, 운영한 경우 일사가 없는 야간이나 새벽의 축열벽 내표면온도는 실내온도보다 최대 2.8°C 이상 낮게 나타났으며, 일사에 의 해 축열벽이 최대로 가열될 경우 축열벽 내 표면 온도는 실내온도보다 최대 6.2℃이상 상승하였으며, 17시부터 다음날 오전 7시까 지 총 15시간 동안 축열벽에 축열된 열이 실 내로 유입되고 있는 것으로 나타났다. 이에 대한 세부적 특성 분석은 다음 장의 장기 성 능데이터를 중심으로 분석 제시하였다.
이를 통해 각 월별 평균온도의 일간 시간별 변동이 월 변화에 따라 어떻게 변화되는지의 변동특성을 파악할 수 있으며, 특히 최대 최 소의 변화범위 또한 동시에 판정가능하기 때 문에 시스템의 거동특성을 매우 효과적으로 비교 분석할 수 있다.
획득량은 오후 7시까지 지속적으로 증가하 여 7-8시 사이에 최대 획득량을 보이며 이 시간 이후부터는 획득량이 감소하기 시작한 다. 결과적으로 오전 4시 - 오후 3시까지 12 시간은 실내에서 축열벽측으로 손실, 나머지 12시간은 축열벽에서 실내측으로 열획득이 이루어지는 것으로 분석되었다.
.본 실험 조건에서 2월 평균 축열벽을 통 해 순수히 획득할 수 있는 일일 집열량은 309 Wh/H.day로 평가되었다.
본 실험결과 자연형 태양열 축열벽 시스템 의 경우 열류흐름의 패턴분석을 통해 시스템 의 구성을 최적화할 경우 보다 높은 효율을 발휘할 수 있는 큰 잠재성이 있는 것으로 입 증되 었다.

후속연구

본 연구에서는 대표적 자연형 태양열 시스 템인 트롬월 축열벽 시스템을 대상으로 장기 간의 열성능 측정 및 분석을 통해 집열창 및 축열매스를 통한 열류의 거동특성을 규명하 였다. 트롬월을 통한 월간 단위면적당 집열 량에 대한 실측데이터를 도출하였으며, 시간 대별 열류의 방향을 각 월별로 규명함으로서 향후 축열벽의 규모결정에 효과적으로 활용 될 수 있을 것으로 판단된다. 본 실험을 통해 도출된 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
향후 고효율의 축열벽 시스템 개발을 위해 야간단열 및 상하부 벤트의 운영방식에 따른 후속연구를 지속적으로 진행할 예정이며, 장 기간의 실험데이터를 기반으로 이론해석 모 델의 검증 및 다양한 변수평가를 통한 트롬월 최적구성에 관한 연구도 진행할 예정이다.

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