[논문]에너지 수요처의 사용특성에 따른 태양열 급탕시스템의 효율분석

전용준; 박경순

doi:10.7836/kses.2017.37.5.039

에너지 수요처의 사용특성에 따른 태양열 급탕시스템의 효율분석
Analysis of Efficiency of Solar Hot Water System based on Energy Demand 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.37 no.5, 2017년, pp.39 - 47

전용준 (동의대학교 건축공학과 대학원) , 박경순 (동의대학교 건설공학부 건축공학전공)

Abstract ▼ AI-Helper

In a hot water system using solar energy, solar heat is not simply collected by the heat collecting plate, but by heat exchange between the solar collector (flat or vacuum type) and the hot water storage tank. Therefore, the amount of collected solar energy depends on the hot water usage patterns that determine the temperature of the thermal storage tank. Also, if the temperature of the hot water stored in the storage tank exceeds the dangerous temperature during the summer, the heat must be released for safety. If the temperature of the hot water in the storage tank is low, it is necessary to heat by the auxiliary heat source. In this study, three buildings are defined as hotel, swimming pool, and school facilities. And we calculated the released heat energy, auxiliary heat source, and pure storage heat energy based on different hot water usage patterns and installation angle of the solar collectors.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 에너지 사용패턴에 따른 최적 태양열 집열기의 설치 각도를 연구하기 위하여 각기 다른 급탕사용패턴을 가진 세 가지 용도의 건물을 정하고, 이에 따른 태양열 과열 방열에너지, 추가 보조 에너지, 순수하게 사용되는 태양열 축열 에너지를 구분하여 시뮬레이션을 수행하였다.

제안 방법

본 연구에서는 에너지 사용패턴이 다른 세 가지의 건물을 모델로 하여 태양열 에너지의 집열 및 사용 패턴에 대한 에너지 시뮬레이션을 수행하였다. 그리고 태양열 집열기로 집열 되는 전체 태양열 집열량에서 유효하게 사용되는 에너지만을 산출하여 설치 용도건물 별 최고의 성능을 낼 수 있는 태양열 집열기의 설치각도를 도출하였다.
본 연구를 위해 고안된 시스템 계통도는 Fig. 1과 같으며 태양열 집열을 위한 태양열 집열기, 태양열을 급탕 또는 난방으로 사용하기 위해 열을 저장하기 위한 태양열 축열조, 태양열 축열조의 온도가 허용온도 이상으로 과열될 경우 과열 에너지를 배출시키기 위한 방열팬 등으로 구성되며 에너지방정식은 아래와 같다.
본 연구에서는 시스템의 과열온도(TSF)를 65℃로 계산하였으며 축열조의 평균온도가 위험온도보다 높을경우(Tm > TSF) 태양열 시스템이 과열된 것으로 판단하여, 시스템 외부로 방열기 또는 고온수를 배출하여 에너지를 방열한다.
본 연구에서는 에너지 사용패턴이 다른 세 가지의 건물을 모델로 하여 태양열 에너지의 집열 및 사용 패턴에 대한 에너지 시뮬레이션을 수행하였다. 그리고 태양열 집열기로 집열 되는 전체 태양열 집열량에서 유효하게 사용되는 에너지만을 산출하여 설치 용도건물 별 최고의 성능을 낼 수 있는 태양열 집열기의 설치각도를 도출하였다.
1047º)에 위치한 학교, 수영장, 호텔 건축물을 대상건축물로 가정하였으며 시스템 용량 및 용도별 사용인원은 Table 2와 같다. 에너지 사용량에 대한 정량적인 비교를 위하여 학교, 수영장, 호텔 건축물의 일일 급탕사용량은 3,000 l로 통일하였으며 용도별 부하용량은 사용 용도에 맞게 변환하였다¹⁰⁾

대상 데이터

본 연구에서는 부산(위도 35.1047º)에 위치한 학교, 수영장, 호텔 건축물을 대상건축물로 가정하였으며 시스템 용량 및 용도별 사용인원은 Table 2와 같다.

이론/모형

5배가 되는 온도가 65℃이기 때문이다. 급탕 사용온도는 40℃를 고려하였으며 시간에 따른 재실율(x_day)은 Table 1과 같으며 이는 상용 에너지 해석 프로그램인 Design Builder의 Occupancy library를 사용하였다.
수평면 전 일사량의 기하학적 해석을 통한 경사면 일사량의 도출, 태양열 집열기의 집열 효율식 계산 등은 본 연구의 선행연구⁹⁾의 알고리즘을 사용하였다

성능/효과

(1) 태양열 집열 시간과 사용시간의 간격이 클수록 태양열 집열 효율이 떨어지는 것으로 나타났다. 태양열 집열 효율은 부산지역의 위도에서 약 30°일 때가 가장 높은 것으로 나타났다.
(2) 보조에너지의 사용량은 야간 에너지 사용이 집중된 호텔 건물에서 가장 높게 나타났으며, 태양열 집열기의 설치각도가 45°일 때가 가장 낮게 나타났다.
(3) 과열 방열 에너지는 호텔일 경우 45°, 학교 및 수영장은 15°일 때가 가장 높은 것으로 나타났다.
(4) 유효하게 사용가능한 태양열 집열량은 학교와 수영장의 경우 비슷한 것으로 나타났으나 호텔 건물의 경우 최대값 대비 최대 22% 이상 낮은 것으로 나타났다. 태양열 집열기는 호텔 건물은 30°, 학교 및 수영장은 45° 각도로 설치하였을 때 가장 효율이 높은 것으로 나타났다.
6에 나타난 바와 같이 집열된 태양열 에너지에서 순수하게 사용된 태양열 에너지 사용량을 나타낸다. 주간 태양열 사용량이 많은 학교와 수영장 건물이 태양열에너지를 집열하여 순수하게 사용할 수 있는 용량이 가장 많은 것으로 나타났으며, 호텔의 경우는 태양열 에너지의 집열 시간은 낮인데 반하여 에너지의 사용시간은 야간에 집중되어 있어 효율이 떨어지는 것으로 나타났다. 이때 최적 설치각도는 호텔의 경우 30°, 학교와 수영장은 45°인 것으로 나타났다.
태양열 집열 효율은 부산지역의 위도에서 약 30°일 때가 가장 높은 것으로 나타났다.
(4) 유효하게 사용가능한 태양열 집열량은 학교와 수영장의 경우 비슷한 것으로 나타났으나 호텔 건물의 경우 최대값 대비 최대 22% 이상 낮은 것으로 나타났다. 태양열 집열기는 호텔 건물은 30°, 학교 및 수영장은 45° 각도로 설치하였을 때 가장 효율이 높은 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	신재생에너지 중에 태양열 에너지의 장점은?	신재생에너지 중에 태양열 에너지는 태양의 복사에너지를 바로 활용할 수 있기 때문에 효율이 높고 사용이 간편하다. 그러나 한국과 같은 사계절이 존재하는 국가의 경우 동절기의 에너지 수요에 맞추어 시스템을 설계할 경우 난방 및 급탕사용량이 급감하는 하절기에는 태양열 축열 시스템이 과열되게 되고, 시스템을 보호하기 위하여 태양열 집열판을 차광막으로 가리거나 축열조의 과열된 물을 강제배출 하거나 방열팬의 가동이 불가피하다.
	태양열 시스템이 태양광 발전 시스템과 다른 점은?	또한 태양열 시스템은 태양광 발전 시스템과는 달리 태양열 축열조와 태양열 집열기 사이의 열교환을 통해 에너지를 저장하기 때문에 태양열 집열기의 효율은 태양열 축열조의 온도변화와 직결되므로 Lee et al. (2014)은 축열조의 온도변화와 태양열 집열기의 효율에 대한 연구를 수행하였다8).
	호텔의 경우에는 에너지 집열량이 낮은 이유는?	학교와 수영장의 경우 비슷한 태양열 집열량을 보이고 있으나 호텔의 경우에는 에너지 집열량이 낮은 것을 알 수 있다. 이는 태양열 축열 시스템의 원리가 태양열 집열기의 온도가 태양열 집열기의 축열조의 온도보다 높을 때에만 열교환이 가능하기 때문에 태양열이 집열 되는 낮 시간 동안 급탕사용량이 낮은 호텔의 경우에는 상대적으로 태양열 축열조의 온도가 높고, 그에 따라 집열 되는 태양열 에너지의 양이 낮은 것으로 판단된다. 에너지의 집열량이 가장 많은 설치각도는 30도인 것으로 나타났다.

참고문헌 (10)

Bai, S. E., Bai, C. H., Nam, H. K., and Shin, K. Y., A Study on Reducing Temperature Rise of Twin-glass Evacuated Tube Solar Collector During Summer Time, Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 33, No. 3, pp. 36-41, 2013.

원문보기 상세보기
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Jun, Y. J., Song, Y. H., and Park, K. S., A Study on the Prediction of the Optimum Performance of a Small-scale Desalination System Using Solar Heat Energy, Energies, Vol. 10, No. 9, 1274, 2017.

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The Society of Air-conditioning and Refrigerating Engineers of Korea. Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea; SAREK: Seoul, Korea, 2011; ISBM 978-89-98049-01-0.

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