벽체일체형 강제순환 태양열온수기의 열성능 평가 (제1보 : 실증실험) - 최태규(Taegyu Choi); 홍희기(Hiki Hong) (설비공학 논문집, 33(8), 2021)
급탕부하의 경우 에너지 절감이 쉽지 않고 연소 이외의 대안도 마땅치 않아 ZEB 구현을 위해서는 재생 에너지를 통한 공급이 필수이다. 저층이라면 지붕과 상대적으로 넓은 부지 등을 활용할 수 있지만 고층에서 적용할 수 있는 재생에너지는 사실상 전면 벽의 태양에너지가 유일한데, 여기에 적용 가능한 것이 벽체일체형 태양열온수기이다. 태양열온수기는 태양열 획득량이 많은 하절기에 오히려 급탕부하량이 적어, 열수요와 공급의 불균형으로 인하여 과열현상이 빈번하게 발생되고 이 때문에 각종 고장의 원인이 된다. 벽체일체형 태양열온수기는 거의 수직벽체에 밀착되어 설치되기 때문에 수평면이나 최적의 경사각에 비해 집열면에 유입되는 일사량이 줄어들 수밖에 없어 전반적인 열성능이 저하되지만, 태양입사각이 낮은 동절기에는 성능 저하가 적은 것으로 알려져 있다. 또한 하절기에는 태양고도가 높아지고 입사각이 커지면서 획득열량이 현격히 감소하게 되는데, 상대적으로 급탕부하가 작아지기 때문에 그다지 문제가 되지 않으며 과열현상을 막을 수 있는 장점으로 작용할 수 있다. 본 연구에서는 벽체일체형 태양열온수기의 장기적인 실증실험을 통해 이러한 특성을 확인할 수 있었다. (1) 8시와 20시에 간헐적으로 부하를 건 1차 실증실험(2019. 12~2020. 05)의 결과 태양열 의존율은 평균 56.5%(최대 61.2%, 최소 51.2%), 집열효율은 평균 42.7%(최대 49.6%, 최소 36.0%), 이용률은 평균 67.0%(최대 71.3%, 최소 61%)를 나타내었다. 특히 급탕부하가 집중되는 동절기(12월~2월)에도 평균 57.0%의 의존율과 43.9%의 집열효율을 기록하였다. (2) 연속적인 부하를 건 2차 실증실험(2020.08~2020.12)에서는 태양열 의존율은 평균 56.7%(최대 78.5%, 최소 28.7%), 집열효율은 평균 47.4%(최대 52.6%, 최소 26.9%), 이용률은 평균 61.8%(최대 64.3%, 최소 42.4%)를 나타내었다. (3) 부하패턴과 상관없이 거의 유사한 결과값을 보였으며, 특히 급탕부하가 가장 커지는 동절기에 열성능이 양호한 것을 통해 벽체일체형 태양열온수기의 적절성을 확인할 수 있었다. (4) 2020년 8월 18일부터 7일간 무부하운전 상황에서 과열현상의 발생 여부를 관찰하였다. 실험기간 동안 축열조 상부는 최고 66.7℃, 집열기 출구온도는 최고 81.7℃를 기록하여 과열현상이 전혀 발생하지 않음을 확인하였다. 객관적인 평가를 위하여 동일 조건에서 다른 경사각(30°, 45°)을 갖는 집열기와 직접적인 비교가 필요하며, 또한 부하조건을 정형화시킬 필요가 있으나 실증실험으로는 한계가 있으므로 후속연구인 시뮬레이션을 통해 보이기로 한다. With the declaration of carbon neutrality, Zero Energy Building (ZEB) has attracted interest. Since hot water load is not easy to save, supply through renewable energy is essential for ZEB implementation. In fact, solar energy is the most appropriate renewable energy that can be applied to high-rise buildings, with only the front wall receiving sunlight in each household. A building integrated solar water heater developed for that purpose was mainly of a natural circulation type. There were insufficient experiments and verification of overheating phenomenon about a forced circulation type. In this study, thermal performance of a building integrated forced circulation solar water heater was evaluated through one-year demonstration experiments such as acquired energy, efficiency, solar fraction, and solar utilization. Overheating experiments were also conducted without hot water load for 7 days in August, 2020 when solar radiation was high. During three months of winter when hot water load was high, heat collection efficiency was 43.9% and solar fraction was 57.0%, showing good thermal performance. During overheating tests in summer, the system temperature maintained below the water boiling point, thus ensuring safety. KCI Citation Count: 0