[논문]지역 및 에너지소비패턴에 따른 태양열 집열기의 최적설치각 해석

전용준; 박경순

doi:10.17664/ksgee.2018.14.4.061

[국내논문] 지역 및 에너지소비패턴에 따른 태양열 집열기의 최적설치각 해석
Optimum Installation Angle of Solar Collectors according to Region and Energy Consumption Patterns 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.14 no.4, 2018년, pp.61 - 67

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

Abstract ▼ AI-Helper

Solar energy depends on the altitude and azimuth of the sun, and the amount of energy collected on the slope depends on the latitude of the area being installed. However, since most solar heating systems are fixed to the ground, it is necessary to analyze the optimal installation angle from the early design stage. However, problems arise when energy consumption is not considered together because heating systems are not used in the summer In this study, the optimum installation angles of the solar collectors according to the latitude of the installation area are not simply determined by the amount of energy collected, but because the system is overheated due to climate change or energy usage patterns, And the amount of additional energy input.

Keyword

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. 부산지역의 월 평균일사량 대비 평균온도차
그림 Fig. 2. 방위각에 따른 일사량(Radiation by solar azimuth)
그림 Fig. 3. 태양열 온수 급탕 시스템 에너지 흐름도
표 Table 1. 태양열 시스템 개요
표 Table 2. 태양열 시스템 운전 기간
표 Table 3. 용도에 따른 시간별 사용율
그림 Fig. 4. 병원 건물의 월별 시스템 에너지 분포
표 Table 4. 집열량에 따른 최적설치각도
표 Table 5. 유효집열량의 관점에서 최적설치각도
표 Table 6. 집열량과 유효집열량의 설치각도차이

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 태양열 시스템의 태양적위 추적을 통한 집열량 계산 및 시스템 에너지 방정식을 제안하고 시간별 온도를 계산하였다. 매시간 계산된 온도를 바탕으로 시스템의 정상작동 여부 및 과열방출 상황을 시뮬레이션하고 집열량 및 방열량, 유효 사용에너지를 도출하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 급탕사용량이 다른 건축물 용도(사무실, 초등학교, 대학교, 병원)를 설정하고 지역별(서울, 인천, 대전, 대구, 울산, 광주, 부산, 제 주)로 태양열 급탕 시스템의 시뮬레이션 수행 및 분석을 통해 과열방열 에너지를 제외한 유효에너지의 관점에서 태양열 집열기의 최적 설치각도를 제안하였다.
본 연구에서는 태양열 시스템의 태양적위 추적을 통한 집열량 계산 및 시스템 에너지 방정식을 제안하고 시간별 온도를 계산하였다. 매시간 계산된 온도를 바탕으로 시스템의 정상작동 여부 및 과열방출 상황을 시뮬레이션하고 집열량 및 방열량, 유효 사용에너지를 도출하였다.
이때 위도에 따른 일사량의 차이로 인한 지역적 차별성을 시뮬레이션하기 위해서는 지역별 기상데이터에 기반한 일사량 도출 시뮬레이션 상관식이 필요한데, 기존의 연구에서는 관찰자의 주관적인 의견으로 결정되는 운량에 따른 기존의 일사량 분석 방법을 사용하여 시뮬레이션 결과와 실측 결과의 정량적인 차이를 보였다. 이에 본 연구에서는 비교적 정확한 기상데이터(풍속, 상대습도, 일조시간, 건구온도)만을 이용하여 지역적 일사량 자원을 시뮬레이션 가능한 상관식을 본 연구의 목적에 맞도록 수정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구에서는 대상건물의 용도를 대표적인 에너지 다사용 시설인 병원, 사무실과 학교 용도로 나누었으며 사용기간은 사무실과 병원일 경우 1~12월, 초등학교일 경우 9~1월, 3~7월, 대학교일 경우 3~6 월, 9~12월로 설정하였다.
급탕 사용량은 건축물 용도에 따라 시간별 사용량이 다르며 이에 따라 태양열 급탕 시스템 전체 효율은 달라지게 된다. 시간별 급탕최대 사용량을 400 l/ h으로 하였으며 시간별 사용율에 따라 비례하도록 급탕사용량을 설정하였다. 시간별 사용율은 디자인 빌더 프로그램의 재실율을 적용하여 산출하였고 사 무실, 초등학교, 대학교, 병원 용도로 급탕 사용패턴을 고려하여 Table 3과 같이 설정하였다.
시뮬레이션을 이용하여 경사각별 효율, 경사면 일사량, 집열량, 방열량을 산출하였고 이때 집열량에서 방열량을 제거한 값을 유효 집열량이라 정의하였으며 지역별 일사량대비 집열량 및 유효집열량에 따른 지역별 최적각도를 분석하였다.
4와 같다. 대표적 에너지 다사용 시설인 병원건축물에서 기존 연구에서 가장 많이 제안되고 있는 태양열 집열기를 30도로 설치하였을 때의 월 별 집열량과 방열에너지를 검토하였다.
이를 위하여 지역별·용도별로 같은 규모의 건축물에 용도별 사용시간·가동시기를 고려하여 시뮬레이션 가능한 에너지 방정식 및 알고리즘을 제안하였다.
2) 본 연구는 기존의 태양열원을 이용하는 시스템의 효율 분석에 대한 관점에서 지역 뿐만 아니라 용도를 전혀 고려하지 않는 문제점을 지적하고 용도별 급탕사용량을 파악하여 하절기 발생하는 방열량 고려한 유효집열량을 기준으로 태양열 집열기의 최적각도를 산출하였다. 이를 위하여 지역별·용도별로 같은 규모의 건축물에 용도별 사용시간·가동시기를 고려하여 시뮬레이션 가능한 에너지 방정식 및 알고리즘을 제안하였다.

대상 데이터

건축물의 용도별 특성에서 기인하는 하절기 시스템의 과열 방열에 따른 효율 변화를 파악하기 위해 서로 다른 급탕사용 패턴 및 방학시즌을 갖는 사무실, 초등학교 및 대학교, 호텔을 대상건축물로 선정하였다.
table 1과 같이 대상 건물의 태양열 집열판 형식은 낮은 온도에서 효율이 높은 평판형을 적용하였으며 매수는 40장으로 장당 면적은 2.0 m²의 면적으로 총 80.0 m²으로 구성되어 있다.
1) 일사량을 정확히 산출하기 위해 최근 7년 (2010~2016)의 기상자료(일사, 일조, 기온, 습도, 풍속요소)를 지역별(서울, 인천, 대전, 대구, 광주, 부산, 제주)로 적용하였다.

이론/모형

경사면으로 입사되는 일사량은 태양열 집열기의 효율에 따라 집열기에서 흡수되고 태양열 시스템의 열원으로 변환된다. 따라서 태양열 시스템의 입력 에너지로 경사면 집열량을 환산하기 위해서는 집열기의 효율계산이 필요한데 효율산출식은 태양열 집 열기의 KS기준을 적용하였다. 이때 매 시간별 집열기 입출구의 평균온도(T_m)와 기온(T_a)이 계산되어 대입하였다.

성능/효과

전체적으로 지역 별·용도별 최적각도는 30~40도 인 것으로 나타났으며 이는 태양광 발전, 태양열 급탕 시스템의 최적 설치각도에 대한 기존의 선행연구 결과와도 유사한 것을 알 수 있다.
전체적으로 지역별·용도별 최적각도는 40~65도 범위로 도출되었다.
3) 시뮬레이션은 사무실, 초등학교, 대학교, 병원으로 건축물의 용도를 나누었고 최적각도를 산출하는 기준은 집열량기준, 하절기 방열량을 고려한 유효집열량이 최대가 되는 것으로 산출하였다. 집열량 기준 최적각도는 30~40도로 이는 지역별 일사량 차이와 건축물 용도별로 사용하는 계절, 사용시간의 차이로 발생하는 것으로 기존의 선행연구결과와 유사한 경향을 보였다.
집열량 기준 최적각도는 30~40도로 이는 지역별 일사량 차이와 건축물 용도별로 사용하는 계절, 사용시간의 차이로 발생하는 것으로 기존의 선행연구결과와 유사한 경향을 보였다. 하지만 건축물별 용도별 급탕 부하에 따른 방열량이 고려되지 않았으므로 집열량에서 방열량을 제거한 유효 집열량을 기준으로 분석하였을 때 최적 집열기 설치각도는 40~65도인 것으로 분석되었다. 또한 동일 지역에서 용도별로 최적각도가 차이는 발생하였는데 이는 급탕사용량에 따른 방열량 때문인 것으로 판단된다.
4) 주간시간에 급탕 사용량이 집중되어 있는 사무실, 초등학교, 대학교와는 달리 야간과 주간에 급탕 사용량이 고루 분포되어 있는 병원 건물의 경우 단순 집열량과 유효 집열량의 관점에서의 최적 설치 각도가 큰 차이를 보이는 것을 알 수 있는데, 이는 급탕사용량이 고루 분포될 경우 동절기 유효하게 사용할 수 있는 에너지의 사용량이 많아지기 때문인 것으로 판단된다.
5) 시간별 급탕 사용율이 동일한 사무실과 대학교 건물의 경우 대학교 건물에서의 유효 집열량 기준 최적설치각도가 더 낮은 것을 알 수 있는데, 이는 동절기 방학으로 인한 급탕사용량의 감소가 더 큰 영향을 미치기 때문인 것으로 판단된다.

후속연구

신재생에너지 중에서도 에너지 밀도가 비교적 높은 태양열 에너지는 이용효율이 높은 편에 속하므로, 비교적 이른 시기부터 다른 신재생에너지에 비해 관련기술개발 및 실제적용시스템과 관련된 다수의 응용방법이 제안되었다. 그러나 건축물의 특성 및 사용패턴 등 사용상의 특성으로 인해 발생하는 축열/방열, 설치각도 등과 같은 성능개선과 관련된 연구도 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고정식 설치방법의 단점은 무엇인가?	따라서 연중 최대로 열에너지를 집열가능한 각도로 집열기의 설치각도를 고정하고 설치하는 고정식 설치방법이 주로 사용되고 있다. 고정식 설치방법의 경우 추적식에 비해 효율이 낮은 단점뿐만 아니라 Fig. 1 과 같이 태양열원 밀도가 가장 높은 하절기의 경우에는 급탕, 난방부하가 최저로 떨어지게 되므로 집 열한 에너지를 외부로 방열하지 않을 경우 장비의 과열로 인한 안전, 내구성의 문제 역시 발생하게 되므로 관련 문제점의 해결방법에 대한 연구가 필요하다.
	추적식 설치방법의 문제점은 무엇인가?	태양열을 열원으로 이용하기 위해서는 집열기 등의 열을 수집하는 장치가 필요한데, 태양의 일사고 도 및 방위각도는 시시각각 변화하며 이로 인한 열원의 효율 역시 그에 따라 변화한다. 태양열 에너지를 최대로 수집하기 위해서는 태양빛의 방향과 집 열기의 각도가 수직이 되는 것이 가장 효율적이므로 집열기의 집열면이 태양의 방향을 추적하는 방식이 개발되었으나, 추적식 설치방법은 태풍 등으로 인한 고장 발생 등의 문제가 지적되고 있다. 따라서 연중 최대로 열에너지를 집열가능한 각도로 집열기의 설치각도를 고정하고 설치하는 고정식 설치방법이 주로 사용되고 있다.
	태양열 에너지를 응용할 때 어떠한 것의 성능개선이 필요한가?	신재생에너지 중에서도 에너지 밀도가 비교적 높은 태양열 에너지는 이용효율이 높은 편에 속하므로, 비교적 이른 시기부터 다른 신재생에너지에 비해 관련기술개발 및 실제적용시스템과 관련된 다수의 응용방법이 제안되었다. 그러나 건축물의 특성 및 사용패턴 등 사용상의 특성으로 인해 발생하는 축열/방열, 설치각도 등과 같은 성능개선과 관련된 연구도 필요하다.

참고문헌 (10)

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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
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Jun, Y. J., Song, Y. H., Kim, D. Y., and Park, K. S. (2017). Analysis of the Optimum Solar Collector Installation Angle from the Viewpoint of Energy Use Patterns. Energies, 10(11), 1753.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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