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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 직렬연결 매수 증가에 따른 각 집열기의 에너지성능 변화를 정량적으로 분석 평가하였다. 세부적인 연구내용으로, 직렬연결 특성에 따른 단기적 에너지성능은 서로 다른 4가지 기상조건 하에서 직렬 연결된 각 집열기의 순환유체 출구온도, 유효 집열에너지, 집열효율의 변화를, 장기적 에너지 성능은 2가지 일사량 조건하에서의 열효율 곡선 변화와 연간 집열에너지 및 집열효율 변화를 분석 평가하였다.
- 직렬 연결된 배열에 따른 각 집열기의 에너지성능 변화를 보다 장기적이며 정량적으로 파악하기 위한 분석을 실시하였다. 태양열집 열기의 성능은 특정 운전조건하에서 효율곡선으로 파악될 수 있으며, 이에 대한 분석결과는 집열기 제원상의 성능과 실제 운영상의 성능을 비교하는 자료로 활용될 수 있다.
제안 방법
- 본 논문에서는 TRNSYS 프로그램을 이용하여 태양열 집열기의 연결 특성에 따른 집열기의 출구온도와 집열에너지, 집열효율 등 에너지성능 변화에 대해 단기 및 장기적 관점에서 정략적으로 분석 평가하였다. 연구의 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 서로 다른 기상조건 하에서 직렬로 8매 연결된 집열기 배열에서, 연결 매수 증가에 따른 각 집열기 출구 순환유체 온도와 집열에너지량, 집열효율의 단기적 변화를 분석하였으며, 그 결과는 Fig. 4와 같다. 이러한 에너지성능 변화는 부하측 운전 조건의 영향을 제외하고 기상조건에 따른 영향만을 반영하여 분석하였으며, Table 2는 사례별 분석 조건을 나타낸다.
- 이에 본 연구에서는 직렬연결 매수 증가에 따른 각 집열기의 에너지성능 변화를 정량적으로 분석 평가하였다. 세부적인 연구내용으로, 직렬연결 특성에 따른 단기적 에너지성능은 서로 다른 4가지 기상조건 하에서 직렬 연결된 각 집열기의 순환유체 출구온도, 유효 집열에너지, 집열효율의 변화를, 장기적 에너지 성능은 2가지 일사량 조건하에서의 열효율 곡선 변화와 연간 집열에너지 및 집열효율 변화를 분석 평가하였다.
- 연간 급탕부하는 인원수에 의한 방법을 이용하여 산정하였으며, 급탕부하 산정을 위한 1인 1일 급탕량은 4ℓ, 급탕 공급온도 60℃로 설정하였다. 아울러 급탕량은 업무용 건물의 시간별 급탕량 사용비율7)을 반영하여 산출하였다. Fig.
- 본 연구의 대상 시스템은 재실인원 1,000명 규모 업무용 건물의 연간 급탕부하를 약 60%분담할 수 있는 태양열급탕시스템으로 설정하였다. 연간 급탕부하는 인원수에 의한 방법을 이용하여 산정하였으며, 급탕부하 산정을 위한 1인 1일 급탕량은 4ℓ, 급탕 공급온도 60℃로 설정하였다. 아울러 급탕량은 업무용 건물의 시간별 급탕량 사용비율7)을 반영하여 산출하였다.
- 집열기의 직렬연결 매수 증가에 따른 연간 에너지성능 변화를 각 집열기의 집열에너지량과 집열효율을 이용하여 분석하였으며, 그 결과는 Fig. 6와 같다.
- 태양열급탕시스템은 국내에서 일반적으로 적용되고 있는 열교환기 외부설치 축열조 직접 이용 방식의 시스템으로 설정하였다. Table 1은 주요 구성기기인 집열기, 순환펌프, 축열조, 콘트롤러 등의 세부 제원을 나타낸다.
대상 데이터
- 대상 지역은 서울로 설정하였으며, 일사량 및 외기온도 등의 기상 데이터는 한국태양에너지학회의 서울지역 표준년 기상데이터를 이용하였다. Fig.
- 본 연구의 대상 시스템은 재실인원 1,000명 규모 업무용 건물의 연간 급탕부하를 약 60%분담할 수 있는 태양열급탕시스템으로 설정하였다. 연간 급탕부하는 인원수에 의한 방법을 이용하여 산정하였으며, 급탕부하 산정을 위한 1인 1일 급탕량은 4ℓ, 급탕 공급온도 60℃로 설정하였다.
- 분석 평가 대상시스템은 국내 태양열이용시스템의 대표적 이용 분야를 고려하여 태양열급탕시스템으로 설정하였다. 아울러 태양열급탕시스템의 에너지해석은 동적 에너지해석 분야에서 높은 정확성을 인정받아 세계적으로 널리 사용되고 있는 TRNSYS 프로그램을 이용하였다.
이론/모형
- 분석 평가 대상시스템은 국내 태양열이용시스템의 대표적 이용 분야를 고려하여 태양열급탕시스템으로 설정하였다. 아울러 태양열급탕시스템의 에너지해석은 동적 에너지해석 분야에서 높은 정확성을 인정받아 세계적으로 널리 사용되고 있는 TRNSYS 프로그램을 이용하였다.
성능/효과
- (1) 집열기 직렬연결 매수가 증가함에 따라 출구 순환유체의 온도는 증가하지만 각 집열기에서의 온도상승 효과는 일정한 비율로 감소하였다. 아울러 후속 집열기에서 발생하는 온도상승 효과의 감소는 집열기 순환 유체가 고온일수록 더 크게 발생함을 확인하였다.
- (2) 열효율 곡선을 통한 에너지성능 분석결과, 동일 제원의 직렬 연결된 8매의 집열기들에서 후속 집열기일수록 열효율과 열손실율은 모두 감소하는 것으로 분석되었다. 직렬 연결된 첫 번째 집열기 대비 마지막 집열기의 열효율과 열손실율은 일사량이 높은 800 ± 20 W/㎡에서 3.
- (3) 8매의 집열기가 직렬 연결된 배열에서, 집열기 매수 증대에 따른 후속 집열기에서의 연간 집열에너지는 약 60.39 kWh, 연간 집열 효율은 약 2.32% 감소하는 것으로 분석되었다.
- 4(c)에 나타내었다. 높은 일사량 및 외기온도로 인해 집열기 순환유체의 출구온도가 높은 Case 1에서 전반적으로 많은 집열에너지를 보이지만 직렬연결 매수의 증가에 따른 높은 온도상승 저감효과로 인해 집열에너지 감소도 크게 발생함을 확인할 수 있다. 직렬 연결된 집열기 배열에서 후속 집열기에서의 집열에너지 감소는 Case 1～ Case 4에서 모두 발생하나 입·출구 순환 유체 온도차이의 감소폭이 클수록 크게 나타남을 알 수 있다.
- 대상 건물 급탕부하에 대해 약 60%의 태양열 의존율을 담당하기 위해 필요한 집열기의 수량은 약 40개로 산출되었다. 집열기 배열의 경우 직렬로 최대 8매 이내로 설치하도록 하는 산업현장의 일반적인 권고사항을 반영하여, 직렬로 8매 연결하고 5개의 병렬 회로를 갖도록 구성하였다.
- 4(b)는 직렬 연결된 배열에서 각 집열기의 입·출구 순환유체 온도 차이를 나타낸 것이다. 동일한 제원의 집열기임에도 불구하고 각 집열기에서의 순환유체 온도 상승폭은 후속 집열기일수록 점차 감소하는 것으로 나타났다. 일사량 및 외기온도가 높은 조건인 Case 1의 경우 집열기를 직렬로 1매 증가함에 따라 약 0.
- 90%감소하였다. 따라서 일사량이 낮은 조건하에서 직렬연결 매수 증가에 따른 후속 집열기의 성능 저하가 더 크게 나타남을 확인할 수 있다. 아울러 후속 집열기일수록 열손실율이 감소하여 집열에너지의 증가에 긍정적 영향을 미치나 열효율 감소가 집열기 에너지성능에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다.
- 상대적으로 일사량이 낮은 400 ± 20 W/㎡ 조건에서 추정된 열효율과 열손실율은 최초 집열기에서 0.6044와 4.3146 W/㎡℃, 마지막 집열기에서 0.5526과 3.7581 W/㎡℃로 나타나 각각 8.57%와 12.90%감소하였다.
- 32%로 나타났다. 아울러 집열기를 직렬로 1매 증가함에 따른 연간 집열에너지와 집열효율의 상대적인 감소는 약 6.13%의 매우 일정한 비율을 나타내는 것으로 분석되었다.
- (1) 집열기 직렬연결 매수가 증가함에 따라 출구 순환유체의 온도는 증가하지만 각 집열기에서의 온도상승 효과는 일정한 비율로 감소하였다. 아울러 후속 집열기에서 발생하는 온도상승 효과의 감소는 집열기 순환 유체가 고온일수록 더 크게 발생함을 확인하였다.
- 따라서 일사량이 낮은 조건하에서 직렬연결 매수 증가에 따른 후속 집열기의 성능 저하가 더 크게 나타남을 확인할 수 있다. 아울러 후속 집열기일수록 열손실율이 감소하여 집열에너지의 증가에 긍정적 영향을 미치나 열효율 감소가 집열기 에너지성능에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다.
- 8483 W/㎡℃임을 고려할 때, 변화하는 기상조건 및 급탕부하 등의 영향으로 열효율과 열손실율이 전반적으로 감소하는 것으로 나타났다. 아울러, 8매가 직렬 연결된 배열에서 모든 집 열기는 동일한 기상조건에 노출되지만 연결매수의 증가에 따른 각 집열기 입구측 순환유체의 온도 변화 특성으로 인해 상이한 열효율과 열손실율을 보이는 것으로 분석되었다.
- 4(d)는 집열기 에너지성능의 정량적 평가 지표인 집열효율에 대한 분석결과를 나타낸다. 유효 집열에너지 감소의 영향으로 집열기 직렬연결 매수 증가에 따른 후속 집열기의 평균적인 집열효율 저하는 Case 1이 약 3.12%로 가장 높았으며, Case 2 ～ Case 4는 각각 2.90%, 2.8%, 2.10%로 산출되었다. 첫 번째 집열기의 집열효율과 비교하여 마지막 집열기의 집열효율은 Case 1 ～ Case 4에서 각각 21.
- 첫 번째 집열기의 입구 온도가 약 30℃로 일정한 조건에서, 집열기 출구온도의 상승은 Case 1이 가장 높으며 다음으로 Case 2, Case 3, Case 4 순으로 높게 나타났다. 이를 통해 집열 성능은 입사되는 일사량이 많고 외기온도가 높을수록 향상되며, 집열기 출구온도 증가는 외기온도 보다 일사량에 의해 더 큰 영향을 받음을 확인할 수 있다.
- 일사량이 800 ± 20 W/㎡로 높은 조건에서 추정된 열효율과 열손실율의 경우 최초 집열기는 0.6691과 4.6399 W/㎡℃인 반면 마지막 집열기는 0.6445와 4.3272 W/㎡℃로, 각각 3.68%와 6.74% 감소하였다.
- 직렬 연결된 배열에서, 선행하여 배치된 집열기에 비해 후속 집열기의 연간 집열에너지의 정량적인 감소량은 2 번째 집열기부터 8번째 집열기까지 각각 72.58 kWh, 68.14 kWh, 63.96 kWh, 60.03 kWh, 56.35 kWh, 52.89 kWh, 49.66 kWh로 분석되었다. 후속 집열기의 연간 집열효율의 정량적인 감소량은 2 번째 집열기부터 8 번째 집열기까지 각각 2.
- 직렬 연결된 첫 번째 집열기 대비 마지막 집열기의 열효율과 열손실율은 일사량이 높은 800 ± 20 W/㎡에서 3.68%와 6.74%, 일사량이 낮은 400 ± 20 W/㎡에서 8.57%와 12.90%의 감소를 나타내었다.
- 5는 집열기에 입사된 일사량의 강도에 따라 구분된 조건하에서, 직렬 연결된 8매의 각 집열기에서 추정된 효율곡선의 열효율(FR (τα))과 열손실율(FRUL )을 정리하여 나타낸 것이다. 집열기의 제원상 전면적 기준 열효율과 열손실율이 각각 0.7445와 4.8483 W/㎡℃임을 고려할 때, 변화하는 기상조건 및 급탕부하 등의 영향으로 열효율과 열손실율이 전반적으로 감소하는 것으로 나타났다. 아울러, 8매가 직렬 연결된 배열에서 모든 집 열기는 동일한 기상조건에 노출되지만 연결매수의 증가에 따른 각 집열기 입구측 순환유체의 온도 변화 특성으로 인해 상이한 열효율과 열손실율을 보이는 것으로 분석되었다.
- 4(a)는 총 8매의 집열기가 직렬 연결된 배열에서 각 집열기 순환유체의 출구온도를 나타낸다. 첫 번째 집열기의 입구 온도가 약 30℃로 일정한 조건에서, 집열기 출구온도의 상승은 Case 1이 가장 높으며 다음으로 Case 2, Case 3, Case 4 순으로 높게 나타났다. 이를 통해 집열 성능은 입사되는 일사량이 많고 외기온도가 높을수록 향상되며, 집열기 출구온도 증가는 외기온도 보다 일사량에 의해 더 큰 영향을 받음을 확인할 수 있다.
- 10%로 산출되었다. 첫 번째 집열기의 집열효율과 비교하여 마지막 집열기의 집열효율은 Case 1 ～ Case 4에서 각각 21.9%, 20.3%, 19.7%, 14.7%로 감소하였다. 이를 통해 집열기 직렬연결 매수 증대에 따른 후속 집열기의 집열효율 감소가 크게 나타남을 확인할 수 있다.
- 91%로 나타났다. 한편 직렬연결 매수 증가에 따른 각 집열기의 연간 유효 집열에너지와 집열효율의 변화는 Fig. 6에서 확인할 수 있듯이 선형적인 관계를 보이며, 평균적인 감소량은 약 60.39 kWh와 2.32%로 나타났다. 아울러 집열기를 직렬로 1매 증가함에 따른 연간 집열에너지와 집열효율의 상대적인 감소는 약 6.
- 66 kWh로 분석되었다. 후속 집열기의 연간 집열효율의 정량적인 감소량은 2 번째 집열기부터 8 번째 집열기까지 각각 2.79%, 2.62%, 2.46%, 2.31%, 2.17%, 2.03%, 1.91%로 나타났다. 한편 직렬연결 매수 증가에 따른 각 집열기의 연간 유효 집열에너지와 집열효율의 변화는 Fig.
후속연구
- 따라서 집열기 직렬연결은 순환유체 출구온도를 증가시키지만 또한 열손실의 증가도 야기함에 따라 향후 에너지성능 및 경제성을 고려한 합리적인 배열 방안에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
- 직렬 연결된 배열에 따른 각 집열기의 에너지성능 변화를 보다 장기적이며 정량적으로 파악하기 위한 분석을 실시하였다. 태양열집 열기의 성능은 특정 운전조건하에서 효율곡선으로 파악될 수 있으며, 이에 대한 분석결과는 집열기 제원상의 성능과 실제 운영상의 성능을 비교하는 자료로 활용될 수 있다.
- 향후 연구에서는 집열기 직·병렬 배열의 구성 및 이에 따른 유량배분과 압력저하 등을 고려한 정량적 에너지성능 변화에 대한 분석 평가를 지속적으로 실시할 계획이다.
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