자연순환 태양열온수기 유동 및 열성능에 관한 이론해석

• Published in: 설비공학 논문집, 33(5) Vol. 33; no. 5; pp. 209 - 217
• Main Authors: 임희원(Hee Won Lim), 이왕제(Wang Je Lee), 신우철(U Cheul Shin)
• Format: Journal Article
• Language: Korean
• Published: 대한설비공학회 01.05.2021
• Subjects: 기계공학; Flat-plate solar collector(평판형 태양열집열기); Natural circulation(자연순환); Solar fraction(태양 의존율); Thermosyphon(열사이펀); Solar water heater(태양열온수기); TRNSYS(트랜시스)
• ISSN: 1229-6422; 2465-7611
• DOI: 10.6110/KJACR.2021.33.5.209

본 연구에서는 350 liter의 나선형 열교환기 내장형 축열조와 4 ㎡의 평판형 집열기로 구성된 자연순환 태양열온수기의 유동특성을 해석하고 연간 운전성능을 평가하였다. 이를 위해 자연형 태양열온수기의 새로운 해석방법을 제안하고 TRNSYS 컴포넌트로 개발하였으며, 대전지역을 대상으로 이 시스템의 동적 거동을 분석하였다. 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다. (1) 자연순환 태양열온수기의 연간 태양열공급열량과 평균 태양의존율은 각각 2,001 kWh와 75.1%로 나타났다. 가장 낮은 1월의 태양의존율은 50.5%로 그 후 점차 증가하며 5월부터 9월까지는 거의 100%에 도달하였다. 여기서 시스템 과열 하한 온도를 90℃로 설정할 경우 연간 작동시간(약 2,339 시간)의 6.5%에 해당하는 약 153시간 동안 과열 우려구간에 노출되었다. (2) 열사이펀에 의한 순간 최대 질량유량은 0.0174 kg/s로 강제순환식의 일반적인 설계유량 0.0333 kg/s(30 kg/㎡h 기준)에 비해 47% 이상 낮은 수준으로 나타났으며 작동조건에 따라 질량유량이 크게 변화되었다. (3) 자연순환 집열기의 순간 최고 집열효율은 42.3%로 동일한 조건의 집열기 인증시험 성능에 비해 다소 저하 되었으며, 축열조의 열손실이 고려된 연 평균 시스템효율은 36.2%로 나타났다. This study presents a theoretical analysis of the dynamic behavior and thermal performance of a solar water heater with an internal exchanger using a thermosiphon system. The heat exchanger, made of a helical coil, is placed in the horizontally cylindrical storage tank so that the solar hot fluid crosses a significant mass of stored water. In order to analyze the dynamic natural circulation of solar water heaters by thermosiphon, a new TRNSYS component was developed using W-language, based on a detailed mathematical model. As a result of simulation, the solar heat yield and the average solar fraction were 2,001 kWh and 75.1%, respectively. The lowest solar fraction in January was 50.5%, and then gradually increased, reaching almost 100% from May to September. Here, when the system overheating lower limit temperature is set to 90℃, it was exposed to the overheating period for about 153 hours, which is 6.5% of the annual operating time (about 2,339 hours). Secondly, the instantaneous maximum efficiency of the collector was 42.3%, and the annual average system efficiency considering the heat loss of the solar storage tank was 36.2%. KCI Citation Count: 0