[논문]벽체일체형 자연순환 태양열온수기의 동적거동과 열성능에 관한 실증연구

백남춘; 김성범; 신우철

doi:10.7836/kses.2016.36.6.025

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In this study, the evaluation of the dynamic behavior and thermal performance of the "Façade integrated Natural circulation Solar Water Heating System" installed in the residential house was carried out. Experimental tests were performed during the all year around in the rural houses of ...

In this study, the evaluation of the dynamic behavior and thermal performance of the "Façade integrated Natural circulation Solar Water Heating System" installed in the residential house was carried out. Experimental tests were performed during the all year around in the rural houses of $166m^2$ in size. Facade integrated solar collector of $5m^2$ were installed on the south-facing. Electrical heater of 1 kW capacity as an auxiliary heater was installed at the upper part of the heat storage tank. The analyzing results are as follows. (1) Monthly average solar fraction was 51 to 87% and yearly average value is 64%. (2) Hot water supply temperature in December which has the lowest solar altitude is 37 to $76^{\circ}C$. The highest working fluid temperature of solar collector in this period was below $84^{\circ}C$. The temperature difference of working fluid between the collector inlet and outlet has been shown to be around 9 to $26^{\circ}C$. (3) Overheating which is one of the biggest problems during summer did not appear at all, but rather had hot water supply temperature is rather low as $30{\sim}47^{\circ}C$ in summer than winter, which is supplied by a small solar load. The solar collecting temperature has been shown to maintain below $55^{\circ}C$. (5) The thermal performance of Facade integrated solar collector can be increase due to the reduction of heat loss to the back of the collector wall integration of the collector is reduced. As a conclusion, Facade integrated natural circulation type Solar Water Heating System is a well-functioning without any pumps or controllers, and it was found that the disadvantages of conventional solar water heaters, hot water or hot water system can be greatly improved.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 벽체일체형 자연순환식 태양열 급탕시스템의 효용성을 평가하기 위해, 국내 최초로 이 시스템이 적용된 실증주택을 대상으로 시스템의 동적거동과 열성능을 분석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 실제 거주하는 주택에 설치된 벽체일체형 자연순환 태양열 온수급탕시스템에 대한 동적거동 및 열성능을 평가하였다. 이를 위해 실증주택을 대상으로 웹기반 원격모니터링시스템을 통해 수집된 1분 간격의 연간 데이터를 분석하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
태양열시스템의 동적거동과 열성능을 분석하기 위해 웹 기반 원격 모니터링시스템을 구축하였다. 데이터는 TCP/IP 통신을 통해 1분 간격으로 서버컴퓨터에 전송 및 저장되며 사용자는 인터넷통신망을 이용하여 실시간으로 데이터를 확인 할 수 있다.

대상 데이터

실증주택은 충청남도 공주시에 위치하고 있으며 상수도 공급이 되지 않는 지역으로 지하수를 사용하고 있다. 100 m의 관정을 취수된 지하수 온도는 연간 평균 15℃를 유지하고 있다.
태양열 급탕시스템 분석기간은 2014년 1월부터 2014년 12월까지 1년을 기준으로 하였다.

성능/효과

(2) 태양고도가 가장 낮은 12월 급탕공급온도는 37~76℃로 나타났으며, 집열 열매체 순간 최고온도는 84℃ 미만, 그리고 집열기 열매체의 집열기 입출구 온도차는 9~26℃ 정도로 집열매체가 원활하게 순환되는 것으로 나타났다.
(3) 태양열시스템의 큰 문제점 중에 하나인 하절기 과열현상이 본 시스템에서는 전혀 발생하지 않았으며, 오히려 하절기 태양열에 의해 공급되는 급탕공급온도는 동절기 보다 낮은 30~47℃로 나타났다. 또한 집열 열매체의 온도는 55℃ 이하를 유지하였다.
결론적으로 벽체일체형 태양열 온수기는 순환펌프 및 제어기가 없는 상태에서 적절하게 작동하였으며, 기존의 태양열 온수기가 갖는 하절기 과열이나 시스템고장 등의 문제점을 개선할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RTD 및 T-type 온도센서는 어디에 몇개 설치하는가?	Table 2는 데이터 측정항목을 나타낸 것이다. RTD 및 T-type 온도센서 총 9(축열조 상단 온수출구(1), 급수 배관(1), 열매체 배관 입․ 출구(2), 집열기 후면(3), 벽체 내부(2))개와 열매체 순환유량용 적산유량계, 보조열원용 전력량계 등을 설치하였다.
	국내 태양열시스템 보급은 어느 정도인가?	신재생에너지 가운데 풍력에너지 865 TWhel에 이은 두 번째로 태양광발전량 275 TWhel보다 약 30% 많았으며, 국가별로 연 평균 9~34%의 보급 증가율을 보이고 있다1) . 이에 반해 국내 태양열시스템 보급은 2009년 90 천 m2 (집열기 설치면적)으로 피크를 기록한 이후 2014년까지 매년 평균 -18%의 감소세를 보이고 있다2). 특히 보급대상은 집열면적 10 m2 이상의 중소규모 급탕시스템이 80%를 차지하고 있으며, 4~8 m2 규모의 가정용 태양열 급탕시스템(또는 태양열온수 기)은 20%에 머무르고 있다.
	국내 태양열시스템 보급 대상은?	이에 반해 국내 태양열시스템 보급은 2009년 90 천 m2 (집열기 설치면적)으로 피크를 기록한 이후 2014년까지 매년 평균 -18%의 감소세를 보이고 있다2). 특히 보급대상은 집열면적 10 m2 이상의 중소규모 급탕시스템이 80%를 차지하고 있으며, 4~8 m2 규모의 가정용 태양열 급탕시스템(또는 태양열온수 기)은 20%에 머무르고 있다. 이와 같이 국내 주거용 건물에 대한 보급 부진에 대한 원인을 살펴보면, 동절기 태양열의존율 저하와 하절기 시스템 과열에 따른 빈번한 고장발생이 주요 문제점3) 으로 지적되고 있다.

참고문헌 (8)

Franz, M., Werner, W., and Monika, S. -D., Solar Heat Worldwide: Markets and Contribution to the Energy Supply 2014, IEA Solar Heating & Cooling Programme, 2016.
NEW & RENEWABLE ENERGY Statistics 2014, Korea Energy Agency New & Renewable Energy Center, 2015.
http://www.koenergy.co.kr/news/articleView.html?idxno71591
Sohn, J. -G., Performance Analysis of Solar Heating System for High Solar Fraction using TRNSYS, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 32, No. 3, pp. 59-67, 2012.
Baek, N. -C., Han, S. -H., Lee, W. -J., Shin, U. -C., An Evaluation of the Solar Thermal Performance of the Solar/Geo Thermal Hybrid Hot Water System for a Detached House, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 27, No. 11, pp. 581-586, 2015.

원문보기 상세보기
Stephen, H. and Cynthia A. C., A Review of Strategies for the Control of High Temperature Stagnation in Solar Collectors and Systems, Energy Procedia, Vol. 30, pp. 793-804, 2012.

상세보기
Autodesk, Ecotect Analysis, 2011.
Yoo, J. -H., Hwang, H. -J., and Lee, J. -E., A Comprehensive Validation for Energy Performance of Houses through the Occupant Behavior 1st The Evaluation of Energy consumption and Derive of Reference housing model, Land & Housing Institute, 2016.

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