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문제 정의
- 2)3)4) 본 연구에서는 동일한 집열면적을 갖는 자연형 및 설비형 태양열 온수기를 각각 설치하고 실증 시험을 수행하면서, 각 태양열 온수기의 동작 특성을 실험적으로 살펴보고 비교하고자 하였다.
제안 방법
- 온도의 측정은 정확도를 높이기 위해서 RTD를 이용하였으며, 설치 전 보상선이 연결된 상태에서 정밀 항온조와 표준 온도계를 이용하여 ±0.1℃ 이내의 오차를 갖도록 교정하였다.
- 집열기와 축열조 사이를 순환하는 집열 매체의 유량과 축열조에 공급되는 시수의 유량을 측정하기 위해서는 ±0.2%의 오차를 갖는 전자기 유량계를 이용하였다.
- 자연형과 설비형 태양열 온수기의 동작특성을 관찰하고 비교분석하기 위해서, 자체 제작한 설비형을 그림 1과 같이 자연형과 동일한 장소(대전 소재 한국에너지기술연구원)에 함께 설치하였다. 이 때, 태양열 온수기의 성능에 영향을 미치는 주요 부품인 집열기(집열면적 6 m2)와 축열조(축열조 내용량 280 Liter)는 자연형과 설비형 모두 같은 회사(K사)의 제품을 이용함으로써, 동일한 조건 하에서 두 태양열 온수기에 대한 실증시험이 이루어지도록 하였다.
- 각 태양열 온수기의 집열성능 등을 확인하기 위해서, 집열과정이 끝난 후 축열조 내 저장된 물을 순환시키거나 축열조에 시수공급이 이루어지면서 온수가 배수될 수 있도록 그림 2와 같이 태양열 온수 시스템을 구성하였다. 시스템에는 각 태양열 온수기의 동작상태와 열적성능 등을 측정하여 확인할 수 있도록 각종 센서를 설치하였다.
- 2%의 오차를 갖는 전자기 유량계를 이용하였다. 그러나 유량이 너무 적은 경우 측정의 정확도가 다소 떨어지는 문제점이 있기 때문에, 차압계를 이용하여 검증하였다. 일사량계는 집열기와 같은 경사각을 갖도록 설치하였다.
- 본 연구에서는 ΔTON과 ΔTOFF를 일단 6℃와 2℃로 고정시킨 상태에서 설비형을 운전하였다.
- 전술한 제어 및 운전조건 하에서 설비형 태양열 온수기를 동작시키면서,그 결과를 자연형의 그것과 비교하였다. 그림 3은 비교적 청명한 날(누적 일사량 19.
- 두 태양열 온수기의 열적성능을 비교하기 위하여 집열과정이 시작되기 전인 오전 6시경 축열조 내 물을 15분간 순환시켜 온도를 측정하였으며, 집열과정이 종료된 후인 오후 7시경 다시 15분간 순환시켜 온도를 측정하는 교반시험을 수행하였다. 그 결과 설비형의 경우는 축열조 내 물 온도가 20.
- 청명한 날과 마찬가지로 집열과정이 진행되기 전과 그 이후에 축열조 내 물을 순환시키면서 온도를 측정하여, 집열과정을 통해 각 태양열 온수기가 얻은 열량을 비교하였다. 그 결과 설비형은 17.
- 동일한 집열기와 축열조로 구성된 자연형 및 설비형 태양열 온수기를 같은 장소에 함께 설치하고, 대표적인 외부조건에 따른 동작특성을 측정하고 비교하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 각 태양열 온수기에 이용된 축열조는 2중 탱크형의 열교환기 일체형 축열조로써, 온수가 저장되는 내통의 외부와그 바깥쪽 외통 사이의 환상공간으로 집열매체가 순환하면서 축열조 내부에 있는 물의 온도를 상승시키는 방식이다. 집열매체로는 에틸렌글리콜 50% 수용액을 이용하였다.3)
- 자연형과 설비형 태양열 온수기의 동작특성을 관찰하고 비교분석하기 위해서, 자체 제작한 설비형을 그림 1과 같이 자연형과 동일한 장소(대전 소재 한국에너지기술연구원)에 함께 설치하였다. 이 때, 태양열 온수기의 성능에 영향을 미치는 주요 부품인 집열기(집열면적 6 m2)와 축열조(축열조 내용량 280 Liter)는 자연형과 설비형 모두 같은 회사(K사)의 제품을 이용함으로써, 동일한 조건 하에서 두 태양열 온수기에 대한 실증시험이 이루어지도록 하였다.
성능/효과
- 집열펌프는 오후 4시가 조금 못된 시간에 일사량의 감소로 집열기 출구에서의 집열매체 온도가 낮아져 정지조건(Tout-Tin<ΔTOFF =2℃)이 되어 멈추었다가, 오전과 같은 이유로 몇 차례 더 동작과 정지가 반복하였으며, 4시 40분 이후에는 더 이상 동작하지 않고 집열과정을 멈추었다. 따라서 이 실험에서는 집열펌프가 약 11시간의 일사 조건 중에서 약 7시간 동안 지속적으로 동작하면서 집열과정이 진행되었음을 알 수 있다.
- 이상의 과정을 살펴볼 때 설비형 태양열 온수기의 집열과정은 일사량이 적은 경우에는 간헐적으로, 일사량이 어느 정도 이상 유지되는 경우(본 실험조건에서는 약 400W/m2 이상)에는 지속적으로 진행되는 것을 알 수 있었다. 물론 집열과정이 계속 지속되는 조건은 각 설정 온도와 집열매체의 유량, 외기온 등의 영향도 받으므로 일률적으로 말할 수는 없다.
- 두 태양열 온수기의 열적성능을 비교하기 위하여 집열과정이 시작되기 전인 오전 6시경 축열조 내 물을 15분간 순환시켜 온도를 측정하였으며, 집열과정이 종료된 후인 오후 7시경 다시 15분간 순환시켜 온도를 측정하는 교반시험을 수행하였다. 그 결과 설비형의 경우는 축열조 내 물 온도가 20.5℃에서 63.1℃로 42.6℃ 상승하였고, 자연형의 경우는 20.9℃에서 60.6℃로 39.7℃ 상승한 것을 알 수 있었다. 즉, 위와 같은 외기조건과 제어조건 하에서는, 설비형이 자연형에 비해 약 7% 정도 열적성능이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
- 7℃ 상승한 것을 알 수 있었다. 즉, 위와 같은 외기조건과 제어조건 하에서는, 설비형이 자연형에 비해 약 7% 정도 열적성능이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
- 청명한 날과 마찬가지로 집열과정이 진행되기 전과 그 이후에 축열조 내 물을 순환시키면서 온도를 측정하여, 집열과정을 통해 각 태양열 온수기가 얻은 열량을 비교하였다. 그 결과 설비형은 17.7℃에서 28.9℃로 11.2℃가 상승한 반면, 자연형의 경우는 18.2℃에서 32.4℃로 14.2℃ 상승한 것을 알 수 있었다. 따라서 설비형은 자연형에 비해 약 21% 정도 태양열을 적게 획득했다는 것을 확인하였다.
- 2℃ 상승한 것을 알 수 있었다. 따라서 설비형은 자연형에 비해 약 21% 정도 태양열을 적게 획득했다는 것을 확인하였다.
- 이와 같은 두 결과를 비교해 볼 때, 일사량이 충분한 청명한 날에는 설비형이 열적성능면에서 우수하지만, 흐린 날에는 오히려 자연형의 성능이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 본 연구의 조건 하에서는 설비형의 집열펌프가 계속 동작할 수 있는 조건은 일사량이 약 400W/m2 이상이어야 함도 알 수 있었다.
- 이와 같은 두 결과를 비교해 볼 때, 일사량이 충분한 청명한 날에는 설비형이 열적성능면에서 우수하지만, 흐린 날에는 오히려 자연형의 성능이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 본 연구의 조건 하에서는 설비형의 집열펌프가 계속 동작할 수 있는 조건은 일사량이 약 400W/m2 이상이어야 함도 알 수 있었다. 물론 각 설정온도와 집열매체의 유량 등에 따라 그 정도는 다르겠지만, 각 태양열 온수기가 대체로 위와 같은 경향을 갖는다는 것은 확실한 것으로 판단되었다.
- (1)설비형의 경우 일사량이 적은 경우 집열펌프의 동작과 정지를 반복하였으며, 이로 인해 이 조건에서 획득하는 집열량이 매우 적었다.
- (2)그러나 일사량이 양호한 경우 안정적인 동작에 따라 상대적으로 집열량이 증가하고 열손실은 감소한 것으로 판단되었다.
- (3)반면, 자연형의 경우 일사량이 적은 경우에도 꾸준한 집열과정이 진행됨으로써, 이 조건에서는 설비형보다 우수한 특성을 나타내었다.
- (4)그러나 일사량이 양호한 경우에도 집열매체 순환유량이 상대적으로 적어 집열기 온도 상승에 따른 집열성능 저하가 나타났다.
후속연구
- 펌프에 의한 집열 매체의 순환이 이루어지므로 축열조를 집열기의 위치와 상관없이 자유롭게 설치할 수 있으며, 따라서 외부로는 집열기만 노출시킬 수 있어 외관을 미려하게 꾸밀 수 있고 축열된 열이 외기로 손실되는 것도 줄일 수 있다. 또한 집열기 내를 흐르는 집열매체의 유속이 자연형에 비해 상대적으로 크므로, 내부 열전달 계수의 증가로 인한 열적성능의 향상도 기대된다. 그러나 설비형은 집열매체 순환을 위한 별도의 펌프가 필요하며 이를 동작시키기 위한 전력소비가 필수적이라는 단점을 갖는다.
- 물론 집열과정이 계속 지속되는 조건은 각 설정 온도와 집열매체의 유량, 외기온 등의 영향도 받으므로 일률적으로 말할 수는 없다. 한편 이와 같은 집열과정 결과에서 아쉬운 점은 일사량이 적은 시간대에 집열펌프의 동작시간이 너무 짧다는 점이며, 경우에 따라서는 이 시간대에 집열펌프가 좀 더 긴 시간동안 동작되도록 제어방식을 수정하는 것이 필요하다고 판단되었다.5)
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