[논문]단독주택용 태양열/지열 융복합시스템의 태양열 급탕성능 평가

백남춘; 한승현; 이왕제; 신우철

doi:10.6110/kjacr.2015.27.11.581

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In this study, an analysis was performed on the performance of the solar water heating system with geo-thermal heat pump for a detached house. This system has a flat plate solar collector ($8\;m^2$) and a 3 RT heat pump. The heat pump acts as an auxiliary heater of the solar water heating...

In this study, an analysis was performed on the performance of the solar water heating system with geo-thermal heat pump for a detached house. This system has a flat plate solar collector ($8\;m^2$) and a 3 RT heat pump. The heat pump acts as an auxiliary heater of the solar water heating system. These systems were installed at four individual houses with the same area of $100\;m^2$. The monitoring results for one year are as follows. (1) The average daily operating time of the solar system appeared to be 313 minutes in spring (intermediate season), and 135 minutes and 76 minutes in winter and summer respectively. The reason for the short operating time in summer is the high storage temperature due to low water heating load. The high storage temperature is caused by a decrease in collecting efficiency as well as by overheating. (2) The geothermal heat pump as an auxiliary heater mainly operates on days of poor insolation during the winter season. (3) Despite controlling for total house area, hot water consumption varies greatly according to the number of people in the family, hot water usage habits, etc. (4) The yearly solar fraction was 69.8 to 91.5 percent, which exceeds the maximum value of 80% as recommended by ASHRAE. So the solar collector area of $8\;m^2$ appeared to be somewhat greater for the house with an area of $100\;m^2$. (5) The observed annual efficiency of solar systems was relatively low at 13.5 to 23.6%, which was analyzed to be due to the decrease in thermal efficiency and the overheating caused by a high solar fraction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 실제 거주하는 단독주택(이하, 실증주택) 4세대를 대상으로 태양열/지열 융복합 급탕시스템의 태양열 성능분석과 열적거동을 분석했으며, 이를 통해 향후 주거건물의 태양열 급탕시스템의 성능개선 및 시스템 보완과 보급 촉진을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 단독주택의 지열히트펌프 보조열원방식의 태양열 급탕시스템의 적용 타당성을 평가하기 위해 동일한 규모의 단독주택 4세대에 설치된 태양열 시스템에 대한 작동특성과 성능분석을 수행하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

대상 데이터

실증주택의 태양열 급탕시스템 열적 거동을 알아보기 위해 A주택(1개 세대)을 대상으로 2013년 08월 01일부터 2014년 07월 31일까지 1년간의 모니터링 자료를 분석하였다.
1은 전라북도 고창군에 위치한 주거단지의 전경으로, 이는 동일한 규모(연면적 100 ㎡)의 단독주택 100세대와 커뮤니티센터 1개동으로 구성되어 있다. 이중 29세대에 태양열/지열 융복합 급탕시스템이 적용되었지만 본 연구에서는 원격 웹 모니터링 시스템이 설치된 4개 주택(정밀측정 세대)을 대상으로 급탕시스템의 열적거동을 분석하였다.

성능/효과

(1) 태양열 시스템의 일 평균 작동시간은 중간기가 313분로 가장 길었으며, 동절기와 하절기는 각각 135분과 76분으로 나타났다. 일조시간이 가장 긴 하절기 작동시간의 감소는 급탕부하 감소로 인한 축열 탱크의 온도상승에서 기인(시스템 효율저하 및 과열방지 조건)하는 것으로 분석되었다.
(2) 보조열원인 GSHP의 작동시기는 동절기 일사량이 좋지 않은 날로, 이 때 축열탱크의 온도는 50℃ 이하가 된다. 낮은 일사조건이 장기간 지속될 경우 레지오넬라균 생육조건이 유지될 수 있어 향후 이를 위한 대책도 강구되어야 할 것으로 사료된다.
(5) 연간 태양열 시스템 효율은 13.5～23.6%로 비교적 낮게 나타났다. 이는 높은 태양의존율과 높은 작동온도로 인한 효율저하와 과열조건에서 기인하는 것으로 분석되었다.

후속연구

(2) 보조열원인 GSHP의 작동시기는 동절기 일사량이 좋지 않은 날로, 이 때 축열탱크의 온도는 50℃ 이하가 된다. 낮은 일사조건이 장기간 지속될 경우 레지오넬라균 생육조건이 유지될 수 있어 향후 이를 위한 대책도 강구되어야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 태양열 시스템의 문제점은?	그러나 국내 태양열 시스템의 보급현황을 살펴보았을 때, 기존 주택의 옥상이나 지붕면에 추가로 설치되는 집열기로 인해 건축 구조나 의장 측면에서 문제점이 지적되고 있다. 또한, 동․하절기 열수요와 공급의 불균형과 과다용량 설계에 따른 하절기 과열현상, 고장발생 등이 주요 현안으로 대두되고 있다.
	부하저감 기술에 따른 주거건물의 에너지 절감 효과는?	주거건물의 에너지는 용도별로 난방 및 냉방, 급탕, 조명, 환기, 조리, 플러그 등으로 구분된다. 냉․난방 및 조명, 환기 등의 부하는 부하저감 기술에 따른 절감효과가 뚜렷한데 반해 급탕부하의 절감은 한계가 있는 실정으로 재생에너지를 통한 에너지 급탕공급이 전제되어야 절감 및 제로화가 가능하다. 현재 주거용 건물에 적용 가능한 재생에너지는 태양광 및 태양열, 지열 시스템으로 한정되어 있는데 이중 급탕부하 공급과 관련하여 태양열 시스템이 현실적인 대안으로 제기되고 있다.
	용도별 주거건물의 에너지 구분은?	주거건물의 에너지는 용도별로 난방 및 냉방, 급탕, 조명, 환기, 조리, 플러그 등으로 구분된다. 냉․난방 및 조명, 환기 등의 부하는 부하저감 기술에 따른 절감효과가 뚜렷한데 반해 급탕부하의 절감은 한계가 있는 실정으로 재생에너지를 통한 에너지 급탕공급이 전제되어야 절감 및 제로화가 가능하다.

참고문헌 (8)

Mauthner, F. and Weiss, W., 2014, Solar Heat Worldwide 2012, SHC, IEA.
Baek, N. C., Jeong, S. Y., Yoon, E. S., and Lee, K. H., 2012, The Development and Performance Analysis of Compact Type Solar Thermal/Ground Coupled Heat Pump Hybrid System For Heating, Cooling and Hot water, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 32, No. 5, pp. 59-67.
Shin, U. C., Baek, N. C., and Kim, J. H., 2006, Experimental Study on the Thermal Behavior of Solar Space Heating and Hot Water System in Apartment, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 26, No. 4, pp. 127-134.
Kim, J. H., Kim, S. S., Kang, B. S., and Hong, H. K., 2004, Verification Experiment and Analysis for 6 kW Solar Water Heating System(Part 1 : Verification Experiment), Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 16, No. 2, pp. 128-134.
Choi, B. S., Kim, J. H., Kang, Y. T., and Hong, H. K., 2004, Verification Experiment and Analysis for 6kW Solar Water Heating System(Part 2 : Modeling and Simulation), Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 16, No. 6, pp. 556-565.
Jang, H. Y., Chung, K. T., Lee, S. B., and Suh, J. S., 2007, Performance and Economic Analysis of a Lowtemperature Solar Domestic Heating System in a Single-Family House of 4-household, Proceeding of SAREK, pp. 1125-1130.
Shin, U. C. and Baek, N. C., 2005, Thermal Performance of Solar Thermal System by On-Off Differential Temperature of Differential Temperature Controller, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 25, No. 2, pp. 1-8.
Mathys, W., Stanke, J., Harmuth, M., and Junge-Mathys, E., 2008, Occurrance of Legionella in hot water systems of single-family residences in suburbs of two German cities with special reference to solar and district heating, Int. Journal of Hygiene and Environmental Health, Vol. 211, No. 2, pp. 179-185.

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