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문제 정의
- 2005년 8월부터 광주 서구문화센터에 설치된 태양열 흡수식 냉난방 시스템은 하절기 냉방모드와 동절기 난방모드로 운전되고 있다. 본 논문에서는 2007년 8월 25일의 데이터를 근거로 하절기 냉방모드 가동시 태양열 냉방과 급탕에너지에 대한 운전 결과를 정리하였다. 본 논문에서 사용된 일사량 및 획득량 데이터는 광주서구문화 센터에서 측정된 오전 8시부터 오후6시까지 데이터를 사용하였으며, 냉방데이터의 경우 열람실 개장시간인 오전 8시부터 오후 10시까지의 데이터를 사용하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 공공 문화기반시설인 광주서구 문화센터 열람실 1, 2에 동절기에는 난방 시스템, 하절기에는 냉방 시스템으로 독립적으로 운영되도록 설계되었다. 10 RT급 태양열 흡수식 냉・난방 시스템으로 하절기 기간인 2007 년 8 월 25일의 냉방 일일 열성능 과 냉방에 사용되고 남은 잉여열원을 통한 급탕 일일 열성능에 대하여 기술하였다.
- Fig 2는 태양열 냉난방 및 급탕 시스템의 개략 도를 나타낸 것이다. 광주서구문화센터 열람실 1, 2에 설치된 태양열 냉・난방 시스템은 태양에너지와 도시가스에 의해 독립적으로 냉・난방 되도록 설계되었으며, 태양에너지를 최대한 사용하고 태양에너지가 없거나 부족할 경우 보조열원(도시가스)에 의해 운전되도록 설계되었다.
- 국내 처음으로 광주 서구문화센터에 설치된 태양열 냉・난방 및 급탕 실증시스템을 운전하면서 하절기 기간인 2007년 8월 25일의 냉방 일일 열성능 및 잉여열원을 통한 태양열 급탕 열성능을 분석하였다.
- 본 논문에서는 공공 문화기반시설인 광주서구 문화센터 열람실 1, 2에 동절기에는 난방 시스템, 하절기에는 냉방 시스템으로 독립적으로 운영되도록 설계되었다. 10 RT급 태양열 흡수식 냉・난방 시스템으로 하절기 기간인 2007 년 8 월 25일의 냉방 일일 열성능 과 냉방에 사용되고 남은 잉여열원을 통한 급탕 일일 열성능에 대하여 기술하였다.
- Table 1은 하절기 냉방 기간의 태양열 냉방 및 급탕 시스템의 제어조건을 나타낸 것이다. 열람실에 냉방을 공급하기 위한 제어조건은 축열조 온도가 83℃이상 높거나, 열람실 실내온도가 27℃이상인 경우에 공급되도록 설계하였다. 또한 축열조 온도가 흡수식 냉동기에 열원을 공급하고 있음에도 불구하고 88℃ 이상 높아졌을 경우에는 잉여열원을 급탕으로 자동 전환되도록 제어 하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 2007년 8월 25일의 데이터를 근거로 하절기 냉방모드 가동시 태양열 냉방과 급탕에너지에 대한 운전 결과를 정리하였다. 본 논문에서 사용된 일사량 및 획득량 데이터는 광주서구문화 센터에서 측정된 오전 8시부터 오후6시까지 데이터를 사용하였으며, 냉방데이터의 경우 열람실 개장시간인 오전 8시부터 오후 10시까지의 데이터를 사용하였다.
성능/효과
- (1) 2007년 8월 25일 일일 평균 일사량은 606 W/㎡(1,212 kWh)이며 진공관형 집열기를 통해 태양으로부터 획득한 열량은 671 kWh로 집열효율은 55%로 분석되었다.
- (2) 오전 8시부터 오후 9시까지 83℃의 온수를 공급하여 냉방한 결과 총 13시간 중 태양열 축열조에 의해 8.8시간 냉방되었고 보조보일러를 통해 4.2 시간 냉방되는 것으로 나타났다.
- (3) 8월 25일 냉방에 사용된 에너지양은 226 kWh로 나타났으며 이중 태양열 냉방이 179 kWh, 보조 보일러 사용량은 47 kWh로 태양열 냉방 의존율이 79.2%로 분석되었다.
- (4) 태양열 냉방에 사용되고 남은 잉여열원을 통해 급탕에 전환된 에너지양은 201 kWh(25일 서구문화센터에서 사용된 급탕량 3,805 ℓ를 급탕 시수 온도인 60℃까지 올리는데 사용한 에너지)로 나타났다.
- 2007년 8월 25일 평균일사량은 606 W/㎡(1,212 kWh)이며, 671 kWh의 열량을 획득한 것으로 나타났으며 집열 효율은 55%로 분석되었다. 획득열량 671 kWh 중 사용된 열량은 380 kWh로 태양열 냉방 179 kWh, 냉방에 사용되고 남은 잉여열원을 통한 급탕 사용량 201 kWh로 나타났으며, 일사량이 적은 오전 시간 보조 보일러 사용량은 47 kWh로 나타났다.
- Fig 9는 8월 25일 에너지 사용 분포를 나타낸 것이다. 냉방에 사용된 에너지는 226 kWh이며 이중 태양열 냉방이 179 kWh로 냉방에 사용된 에너지의 79.2%로 나타났으며, 보조열원 사용량은 47 kWh로 20.8%로 나타났다. 냉방에 사용되고 남은 잉여열원으로 급탕에 전환된 태양에너지는 201 kWh로 나타났다.
- 진공관형 집열기는 평판형 집열기와 달리 진공기술을 사용함으로써 대류 열손실(대류)을 획기적으로 줄일 수 있으며, 열 응답성이 빠르고 열수송 능력이 탁월한 히트파이프를 사용하여 60℃ 이상의 온도영역에서 높은 효율을 나타냈다. 따라서 60℃ 이상의 온도를 필요로 하는 태양열 흡수식 냉방 시스템에 단일 진공관형 집열기의 사용이 효율적이라고 사료된다.
- 따라서 8월 25일 태양열 냉방 의존율은 79.2%로 분석되었으며 열람실 운영 시간인 오전 8시부터 오후9시까지 총 13시간 중 8.8시간을 태양열을 통해 냉방이 가동된 것으로 분석되었다.
- 냉동기 가동시간은 오전 8시부터 오후 9시까지 13시간 연속 가동되었다. 오전 8시부터 오전 10시의 냉동기공급온수 온도가 불안정한 현상을 볼 수 있는데 이것은 태양열 축열조 상단의 온도가 냉방작동 설정온도인 83℃보다 낮아 보조열원을 통한 냉방공급이 이루진 것을 나타났다. 오전 10시부터 냉동기 공급 온수 온도가 높아지는 것을 볼 수 있으며, 이는 축열조의 온도가 83℃이상 높아짐에 따라 오전 10시부터 태양열 냉방(태양열 축열조의 상단 온도가 83℃이상이 되면 보조보일러의 작동이 멈추고 축열조로 부터 열원을 냉동기 에 공급함)이 가동된 것을 나타났다.
- 평판형 집열기는 비교적 낮은 온도영역에서 효율이 높으나 60℃ 이상의 온도 영역에서는 많은 열손실에 의해 효율이 급격히 감소한다. 진공관형 집열기는 평판형 집열기와 달리 진공기술을 사용함으로써 대류 열손실(대류)을 획기적으로 줄일 수 있으며, 열 응답성이 빠르고 열수송 능력이 탁월한 히트파이프를 사용하여 60℃ 이상의 온도영역에서 높은 효율을 나타냈다. 따라서 60℃ 이상의 온도를 필요로 하는 태양열 흡수식 냉방 시스템에 단일 진공관형 집열기의 사용이 효율적이라고 사료된다.
- 2007년 8월 25일 평균일사량은 606 W/㎡(1,212 kWh)이며, 671 kWh의 열량을 획득한 것으로 나타났으며 집열 효율은 55%로 분석되었다. 획득열량 671 kWh 중 사용된 열량은 380 kWh로 태양열 냉방 179 kWh, 냉방에 사용되고 남은 잉여열원을 통한 급탕 사용량 201 kWh로 나타났으며, 일사량이 적은 오전 시간 보조 보일러 사용량은 47 kWh로 나타났다.
후속연구
- 태양열의 경우 냉방부하가 큰 하절기에 일사강도가 높아 사용상의 이점이 있고 집열기 과열문제 해소가 기대되어 IEA 참여국에서 널리 연구 및 상용화가 추진되고 있다. 태양열을 이용한 공기조화는 하절기 전력 수급의 부담을 줄이고 작동유체에 의한 지구온난화의 우려가 없어 환경문제에도 기여할 것이다.
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