기호 및 약어 설명

A : Area [m²]

C_p : Specific heat of air [J/kg·K]

G : Irradiation [W/m²]

m˙ : Mass flow rate [kg/s]

Q : Heat gain [W]

T : Temperature [℃]

그리스 기호 설명

ρ : Density [kg/m³]

η : Thermal efficiency [-]

하첨자 설명

a : Air

c : Collector

i : Inlet

o : Outlet

t : Total

w : Water

1. 서 론

2030 국가 온실가스 감축 로드맵에 따라 화석연료의 의존율이 높았던 건축물의 냉·난방 부하에 신재생에너지 설비의 비중이 의무적으로 늘어나게 되는 추세이다. 신축, 증축 또는 개축하는 건축 연면적 1,000 m² 이상 공공건축물에 대하여 2020년부터 적용되고 있으며, 2025년에는 연면적 1,000 m² 이상 민간 건물에도 적용될 예정이다¹⁾. 국내 건축물 에너지 부하 중 40%가량이 냉난방 부하에 사용되고 있으며, 대부분 화석연료를 사용하여 열원을 보충한다²⁾. 화석연료 비중을 낮추기 위해 신재생에너지 설비사용에 대한 정책적 보조가 활성화되고 있다. 신재생에너지 시스템 중 태양열 설비는 온수 급탕 및 난방 공기 생산 등 건축물 난방 부하 절감에 기여가 가능한 설비이다. 태양열 설비에서 열에너지 생산은 집열기에서 이뤄지며, 일반적으로 집열 시스템은 공기를 가열하는 공기식 태양열 집열기와 온수만을 가열하는 액체식 태양열 집열기로 나뉘게 된다. 반면 태양열 공기-물 가열기는 공기와 물을 동시에 가열할 수 있는 집열기로 동일 면적에서 급탕 및 공기 난방 설비에 모두 적용될 수 있으며, 기존 태양열 온수기와 달리 흡수판 상부로 손실되는 열의 일부를 공기로 전달시키므로 집열 효율을 높일 수 있다. 따라서, 공기 측 열효율 상승 시 집열기의 공기 가열 성능 향상뿐만 아니라 공기-물 동시에 운전에서의 집열 효율 향상도 가능하다.

국내에서는 Choi et al.³⁾ 가 공기 채널 하부 단열재 위에 유동 방향에 수직인 저항체를 설치한 공기-물 태양열 가열기의 공기 가열 성능을 평가하였다. 그 결과, 저항체가 설치된 취출 공기 온도는 최대 60℃, 열효율 최대 73%의 결과를 보였다. Choi et al.⁴⁾는 삼각저항체를 덕트에 설치한 공기 가열기 모델을 수치해석을 통해 저항체가 설치되지 않은 덕트와 비교하여 삼각저항체의 높이, 길이 설치간격에 따른 열전달 성능 향상정도를 평가하였고, 최대 3.374배 증가되는 것을 확인할 수 있었다. Kim et al.^5,6)은 ISO 9806 기준에 근거하여 공기식 태양열 집열기를 제작하고 다양한 공기 풍량 조건에 따른 성능 분석을 진행하였으며, 풍량 조건에 따라 최대 72% 열효율을 보였다. 또한 외기 온도에 따른 공기식 태양열 집열기 성능 평가 연구를 진행하였으며, 외기 조건에 따라 최소 63.8%에서 최대 68.5%로 그 영향이 미미함을 확인하였다. 국외의 경우 Assari et al.⁷⁾는 공기 채널 내 여러 가지 형상의 핀이 부착된 태양열 공기-물 가열기에 관한 수치해석 연구를 진행하고 풍량 조건에 따른 성능 분석을 수행하였다. 사각형 핀이 설치된 경우 가장 높은 열전달 성능을 보였으며, 풍량이 증가할수록 열 전달량 또한 증가하는 결과를 보였다. Aneesh et al.⁸⁾는 흡수판 하부에 배관 대신 액체를 저장할 수 있는 사각 탱크가 설치된 태양열 공기-물 가열기를 제작하여 성능 평가를 수행하고, 실험데이터를 기반으로 한 수치해석 연구를 진행하였다. Jinwei et al.⁹⁾은 흡수판 상부에 L-shape 핀이 부착된 태양열 공기-물 가열기에 대한 수치해석 연구를 수행하였으며, 실제 실험 결과를 토대로 타당성 검토를 진행하였다. 그 결과, 단독 운전 시 공기 가열 성능은 52 ~ 55%, 물 가열 성능은 50% 값을 보였다. Rajaseenivasan et al.¹⁰⁾은 반원형 난류체가 설치된 태양열 공기-물 가열기가 연계된 제습/재생 시스템의 성능 평가를 진행하였으며, 난류체가 설치되어 있을 때 출구 공기 온도 상승으로 시스템 효율은 약 68%까지 향상되었다.

선행 연구로부터 아직 태양열 공기-물 가열기에 관한 연구가 많이 이뤄지지 않았으며, 나아가 풍량 및 유량 변화에 따른 공기-물 가열기의 집열 성능을 확인한 연구는 거의 없는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 공기 측 효율 향상을 위해 공기 채널에 삼각저항체를 설치한 태양열 공기-물 가열기를 제작하고 실제 기상 조건에서 공기와 온수를 동시에 가열할 때의 집열기 성능을 평가하였다. 또한 풍량 및 유량을 변경하여 집열 성능을 분석하고 각 열 유체의 유량 조건이 집열 성능에 미치는 영향을 확인해보았다.

2. 실험장치 및 방법

2.1 실험 장치

본 연구에서 실험을 위해 제작된 태양열 공기-물 가열기는 2 m × 1 m의 크기를 가지며, Fig. 1에 실제 제작한 집열기의 모습을 나타내었다. 기존의 평판형 태양열 집열기 하부에 덕트 부착하여 공기 및 온수 모두 제조가 가능하도록 제작하였고, 덕트 바닥 면에는 단열재 및 삼각저항체가 부착되어있다. 종래 연구에서 발열부를 갖는 공기 채널 내에 삼각저항체가 설치될 시 유체 속도 증가 및 공기 혼합으로 열전달 성능 향상이 가능하다 보고된 바 있으며⁴⁾, 본 연구에서는 해당 연구를 참고하여 태양열 공기-물 가열기 내 흡수판에서 유동 공기로의 열전달 성능을 향상을 목적으로 해당 저항체를 설치하였다. 공기 채널 간의 거리는 98 mm, 공기 덕트 바닥 면에서 흡수판 배면까지의 높이는 70 mm이며, Fig. 2에는 태양열 공기-물 가열기 제작에 사용된 공기 덕트의 개략도와 삼각저항체의 상세 치수를 나타내었고, Table 1에는 공기 덕트를 포함한 태양열 공기-물 가열기의 상세 치수를 나타내었다.

Fig. 1

Experimental apparatus and actual view of air duct of the solar air-water heater

Fig. 2

Schematic diagram of the air duct used to fabricate solar air-water heater with dimensions

2.2 실험조건 및 방법

본 연구의 목적은 태양열 공기-물 가열기에서 온풍을 얻기 위한 공기 가열과 온수를 얻기 위한 물 측 가열이 동시에 이뤄질 때, 풍량 및 유량에 따른 집열 성능을 평가하는 데 있다. 해당 실험은 구름이 비교적 적은 청명한 날에 일사량이 안정적인 오전 10시 30분부터 오후 2시 30분까지 진행하였으며, 본 실험에서 수행된 풍량 및 유량 조건의 경우 선행연구^7,11)를 참고하여 선정하였다. 유량 2.5 L/min, 풍량 70 CMH (Mode 1), 유량 2.5 L/min에 풍량 160 CMH (Mode 2), 유량 4 L/min에 풍량 160 CMH (Mode 3)인 3가지 조건에 대해 성능을 평가하였다. Table 2에는 실험 수행 조건을 나타내었다.

실험 중 일사는 집열기와 동일한 각도로 일사계를 설치하여 측정하였고, 공기 입·출구, 액체 배관 입·출구에서의 유체 온도는 T-type 열전대, 액체 순환 유량은 터빈식 유량계를 통해 측정하였다. 공기 풍량은 대한설비 공학회 SAREK A101-2011¹²⁾에서 제시한 동일 면적 분할법 기준을 참고하여 집열기 취출구 원형 덕트에서의 12개 측정점에서 각 풍량을 측정한 뒤 평균값을 활용하였다. 측정된 데이터는 데이터로거에 집록되었으며, Table 3에는 실험에 사용된 측정기기를 나타내었다.

실험데이터를 분석에는 다음과 같은 식들을 사용하였으며, 유량 및 풍량에 따른 액체 측과 공기 측 열 획득량은 아래 나타난 식(1), (2)를 사용하였다.

집열기에서 총 획득한 열량은 공기 및 액체가 획득한 열량의 합은 다음 식(3)과 같다.

공기 측과 물 측의 열효율은 각 열매체가 획득한 열량에 단위 면적당 유입된 일사와 집열 면적을 나눠 구하였으며, 아래 식(4)와 (5)를 이용하였다.

태양열 공기-물 가열기 총 열효율은 단위 면적당 유입된 일사와 공기 및 액체가 획득한 총열량의 비로써 아래 식(6)과 같이 나타낼 수 있다.

3. 결과 및 토의

3.1 온도 변화

Fig. 3에는 실험을 수행하였을 때의 일사와 외기 온도를 나타내었으며, 비교적 유사한 일사조건에서 실험이 수행되었음을 알 수 있다. 외기 온도는 Mode C에서 타 조건과 비교하였을 때 평균적으로 3.4 ~ 4.8℃ 정도 높은 경향을 보였으나, 시간에 따른 변화는 일정한 모습을 나타내었다.

Fig. 3

Irradiation and ambient temperature according to operating conditions

Fig. 4에는 태양열 공기-물 가열기에서 공기 가열과 액체 가열이 동시에 이뤄질 때 각 열매체 입·출구 온도와 온도차를 운전 조건에 따라 나타내었다. Fig. 4(a)에 각 운전조건에서의 공기의 출구온도를 나타내었으며, 평균적으로 Mode A에서 38.4℃, Mode B에서 35.3℃, Mode C에서 42.0℃로 시간 변화에 따라 온도변화가 일정한 것을 확인할 수 있었다. Fig. 4(b)에서 볼 수 있듯이, 공기 측 온도차는 Mode A인 경우 10.3℃에서 13.7℃, Mode B에서 7.8℃에서 10.8℃, Mode C에서 8.4℃에서 12.6℃를 보였다. 앞선 결과에서, 동일한 풍량 조건에서는 유량이 높은 조건인 경우 공기 온도차가 더 높은 경향을 보임을 확인하였다. 이는 Mode C의 외기 온도 조건이 높아 열 손실률이 낮아져서 공기 측 입·출구 온도차가 비교적 높았던 것으로 사료되었다. 위와 같은 이유로 13:00 ~ 14:00의 시간에 Mode C가 Mode A보다 높았던 것으로 판단되었다. 또한 13:30 이후 Mode B에서 다른 조건보다 공기 온도가 좀 더 감소하는 모습을 보였다. 이는 13:30 이후 일사가 지속적으로 감소하면서, 다른 조건보다 외기 온도가 낮아 열손실이 컸기 때문으로 사료되었다. 동일한 유량 조건에서는 풍량이 증가할수록 공기 측 온도 상승이 더 적어지는 모습을 보였다. 이는 여러 연구에서 확인된 바와 같이 덕트 내 공기 풍량이 증가할수록 덕트에서 공기의 열전달 시간이 짦아졌기 때문으로 판단되었다^3,13). Fig. 4(c)는 액체 측 입·출구 온도를 나타내었다. 시간변화에 따라 각 운전조건에서 입구 및 출구 온도는 상승하나 온도차는 감소하는 것을 확인 할 수 있었으며, 13:00 ~ 14:00 이후로 액체 측 입·출구 온도는 거의 일정한 값을 유지하는 것을 확인 할 수 있었다. Fig. 4(d)에는 액체 측 입·출구 온도차를 나타내었으며, Mode A일 때 액체 측 온도차 1.5℃에서 4.3℃, Mode B일 때 온도차 1.5℃에서 4.1℃, Mode C일 때 0.4℃에서 2.9℃를 보였다. Mode B의 경우 13:30 이후에 입·출구 온도가 다른 조건보다 더 감소하는 모습을 보였으며, 이는 앞서 공기 측과 마찬가지로 일사 감소와 낮은 외기 온도에 의한 것으로 사료되었다. 유량이 동일한 조건인 경우 풍량이 낮은 조건에서 액체 측 입·출구 온도차가 좀 더 높은 모습을 보였으나, 그 차이는 미미하였다. 동일 풍량 조건에서는 유량 증가에 따라 액체 측 입·출구 온도차가 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는 공기 측과 마찬가지로 유량이 증가하는 경우 배관 내에서 순환 액체로의 열전달 시간이 감소하였기 때문으로 판단하였다.

Fig. 4

Comparison of temperature difference according to operating conditions

3.2 열 획득량

Fig. 5은 운전조건에 따른 각 작동 유체의 열 획득량을 나타내었다. Fig. 5(a)은 풍량 및 유량에 따른 공기 측 열 획득량을 나타내었으며, 공기 획득 열량은 유량 Mode A일 때 245.9 W에서 326.5 W, Mode B일 때 425.2 W에서 585.6 W, Mode C일 때 458.5 W에서 686.4 W를 보인다. 동일 풍량 조건에서는 높은 유량 조건에서 평균적으로 더 높은 공기 측 열 획득량을 보임을 알 수 있었다. 반면, 동일 유량 조건에서는 풍량이 클수록 더 높은 공기 획득 열량을 보였다. 이는 풍량이 증가할수록 공기 채널 내 유속 증가에 따른 흡수판에서 유동 공기로의 전열 성능이 향상되었기 때문으로 판단되었으며, 풍량 증가에 따른 공기 측 열 생산량은 Mode A보다 Mode B가 평균적으로 2.44 W/CMH로 증가하였다.

Fig. 5(b)는 액체 측에서 열 획득량을 비교하여 나타냈다. 액체 측 획득 열량은 Mode A일 때 239.8 W에서 711.5 W, Mode B일 때 235.9 W에서 668.3 W, Mode C일 때 110 W에서 809.3 W를 보였다. 풍량 증가에 따른 액체 측 열 생산량은 Mode A 보다 Mode B가 평균적으로 0.46 W/CMH로 감소하였으며, 동일 유량 조건인 경우 낮은 풍량 조건에서 평균적으로 더 높은 액체 측 획득 열량을 보였다. 이는 풍량이 높을수록 배관 내 액체에서 유동 공기로의 전열량이 증가하여 액체 측에서의 손실로 작용하였을 것으로 판단되었다. 또한 유량 증가에 따른 액체 측 열 생산량은 Mode B보다 Mode C가 평균적으로 69.34 W/L로 증가하는 경향을 보이며, 동일 풍량 조건에서는 유량 조건이 높을수록 더 높은 열 획득량을 보였다. 이는 유량 증가로 배관 내 유속이 증가하면서 전열 성능이 향상되었기 때문으로 판단되었다. 액체 측의 경우 풍량 변화보다는 유량 변화에 의한 열 획득량 변화가 더 큰 것을 알 수 있었다. Fig. 5(c)에는 공기 측 열량과 액체 측 열량을 합한 총 열 획득량을 나타내었다. 가장 높은 열 획득량은 풍량 및 유량이 높은 조건인 Mode C에서 확인되었다. 이는 풍량과 유량이 증가할수록 흡수판에서 액체 및 공기로의 전열량이 증가하기 때문으로 판단되었다. Mode A 조건에서는 실험 조건 중 가장 낮은 집열기 총 열 획득량을 보였으며, 결과적로 유량과 풍량이 높을수록 태양열 공기-물 가열기의 열 획득량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 5

Comparison of heat gain according to operating conditions

3.3 집열기 효율

Fig. 6에는 각 운전조건에서의 열효율을 나타내었다. 공기 측의 열효율은 Fig. 6(a)에서 볼 수 있듯이 Mode A일 때 12.72%에서 21.02%, Mode B일 때 21.9%에서 32.12%, Mode C일 때 23.59%에서 47.59%를 보였다. 동일 풍량 조건인 경우 유량이 높을수록 공기 측 열효율이 높은 모습을 보였지만 동일 유량 조건일 때 풍량이 높을수록 공기 측의 열효율이 높은 경향을 보였다. 이는 앞서 확인한 바와 같이 풍량 증가에 따른 유동 공기에서의 전열 성능이 향상되어서 동일 면적에서의 일사량 대비 열 획득량이 증가하였기 때문으로 판단되었다.

Fig. 6(b)에는 액체 측 열효율을 나타내었으며, Mode A일 때 17.61%에서 36.8%, Mode B일 때에는 14.52%에서 33.55%, Mode C일 때는 8.87%에서 40.67% 값을 보였다. 동일 유량 조건인 경우 낮은 풍량 조건에서 평균적으로 더 높은 열효율을 보였다. 이는 풍량 증가 시 배관에서 공기로의 전열량이 증가하기 때문으로 사료되었으나, 큰 차이는 보이지 않았다. 동일 풍량 조건에서는 유량이 높은 조건이 더 높은 열효율을 보였다. 이는 앞서 확인한 바와 같이 액체 측 열 획득량이 높은 유량 조건에서 더 높은 값을 보였기 때문으로 판단되었다. Fig. 6(c)에는 총 열효율을 나타내었으며, 평균 열효율은 Mode C에서 63.05%, Mode B에서 52.51%, Mode A에서 44.15%로 유량 및 풍량 조건이 높은 Mode C에서 가장 높은 집열 효율을 나타내었다. 이는 풍량과 유량이 증가할수록 공기-물 가열기에 얻어지는 각 열매체에서의 열 획득량이 증가하였기 때문으로 판단되었다.

Fig. 6

Comparison of thermal efficiency of the solar air-water heater

또한 운전이 진행되면서 공기 측 열효율은 증가하고, 액체 측 열효율은 감소하는 경향을 보인다. 일반적으로 집열기에 유입되는 액체 온도가 상승할 시 주변으로의 열손실량이 증가하여 동일 일사 조건에서 획득하는 열량이 줄어들게 된다. Fig. 4(c)의 액체 측 입·출구 온도에서 볼 수 있듯이 운전이 진행되면서 집열기로 유입되는 액체 온도가 상승하여 시간이 지날수록 집열기에서의 액체 측 열효율이 감소한 것으로 판단되었다. 또한 유입되는 액체 온도가 증가하면서 손실 열의 일부가 유동 공기로 전달되어 공기 측 열효율은 지속적으로 증가한 것으로 사료되었다. 이러한 이유로 시간이 지남에 따라 액체 측 열효율은 감소하고, 공기 측 열효율은 증가하는 운전 특성을 보인 것으로 판단되었다.

4. 결 론

본 연구에서 삼각저항체가 설치된 태양열 공기-물 가열기를 제작하고, 풍량 및 유량 조건 변화에 따른 집열 성능을 실험을 통해 평가하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 공기 측의 입·출구 온도차는 동일 유량 조건에서 풍량이 낮은 Mode A조건이 풍량이 높은 Mode B보다 2.8℃ 높은 값을 나타내었다. 동일 풍량 조건인 경우에는 유량이 높은 Mode C가 Mode B보다 1.6℃ 높은 값을 보였으나, 이는 비교적 유사한 일사 조건에서 외기 온도가 Mode C에서 평균적으로 다른 조건에 비해 3.4 ~ 4.8℃ 높아 열손실이 낮았기 때문으로 판단되었다. 액체 측 입·출구 온도차는 유량과 풍량이 낮을수록 더 커지는 모습을 보였으나 풍량보다는 유량에 의한 차이가 더 크게 나타나는 것을 알 수 있었다.

(2) 공기 측에서의 열 획득량은 동일 유량 조건에서 풍량이 낮은 Mode A보다 풍량이 높은 Mode B가 평균적으로 2.44 W/CMH의 열을 더 획득하였다. 액체 측 열 획득량은 유량이 높을수록, 풍량이 낮을수록 더 높은 값을 보였으며, 동일 풍량 조건에서 유량이 낮은 Mode B보다 유량이 높은 Mode C가 하루 평균 69.34 W/L의 열을 더 획득하였다. 반면, 동일 유량 조건에서 풍량이 증가할 시 풍량이 낮은 Mode A보다 풍량이 높은 Mode B에서 액체 측 열획득량이 평균적으로 0.46 W/CMH 감소하였으며, 이는 풍량 증가에 따라 배관 내 액체 측에서 유동 공기로의 열손실이 증가하였기 때문으로 판단되었다.

(3) 공기 측에서의 열효율은 풍량과 유량 변화에 따라 운전 중 21.02%에서 47.59%를 보였으며, 열 획득량과 같이 유량 및 풍량이 높을수록 높은 열효율을 보였다. 액체 측에서의 열효율은 풍량 및 유량에 따라 운전 중 33.55%에서 40.67%를 보였고, 유량이 높을수록, 풍량이 낮을수록 더 높은 열효율을 보였다. 집열기 총 열효율은 풍량 및 유량에 따라 운전 중 49.8%에서 65.67%를 보였고 높은 유량 및 풍량 조건에서 더 높은 집열 효율을 보임을 알 수 있었다.

(4) 본 연구에서는 제안한 집열기의 열적 성능을 실제 기상조건에서 유량 및 풍량을 변경하며 평가하였으나, 기상 특성상 외기 및 일사 등의 조건이 완전히 동일하게 조성하는 데에는 어려움이 있다. 따라서 향후 연구에서는 본 연구에서 얻어진 결과를 토대로, 수치 모델링 등을 통한 더 넓은 유량 및 풍량 조건에서의 성능 평가 및 동일 조건에서 각 인자의 영향도 분석을 수행하고자 하며, 송풍기와 펌프의 소요 동력을 포함한 최적 운전조건 모색 및 성능 무차원화가 필요할 것으로 판단된다.