기호 및 약어 설명

∆T : 집열기 입출구 온도차[℃]

Ta : 외기온도, 집열기 입구 온도[℃]

To : 집열기 출구 온도[℃]

G : 표면 전일사량[W/m²]

A : 집열기 전면적[m²]

W : 외기풍속[m/s]

m· : 집열기 단위면적당 공기 질량 유량[kg/(s·m²)]

CP : 공기 정압 비열[J/(kg·℃)]

η : 집열기 열효율[%]

1. 연구 배경 및 목적

정부는 2030년까지 우리나라 온실가스 배출 저감 목표를 배출전망치(Business As Usual) 대비 37% 달성하기 위해 다양한 청정에너지 정책(Nationally Determined Contribution)을 발표하였다. 이에 따라 건물 에너지 정책으로 연면적 1,000 m² 이상의 공공건축물에 제로에너지건축물 인증 의무화 정책을 2020년부터 적용하고 있으며, 2025년에는 연면적 1,000 m² 이상의 민간 건물에도 적용될 예정이다¹⁾. 제로에너지건축물 달성을 위해 신·재생에너지 기술 도입이 확대되고 있다. 신·재생에너지 기술 중 하나인 공기식 태양열 집열기는 열매체인 공기를 이용하여 태양에너지를 활용하는 기술로, 액체식 태양열 집열기에 비해 별도의 대용량 설비 없이 건물의 온수 급탕 및 난방에너지에 활용이 가능하다^2,3). 이러한 공기식 집열기는 집열 패널 전면부 창의 여부에 따라 유창형과 무창형으로 구분된다. 무창형 공기식 집열기는 유창형 대비 구조가 단순하여 설치 및 유지보수에 용이하나, 외부 환경 조건의 영향을 직접적으로 받아 열 손실이 크다는 단점이 있다. 반면, 유창형 공기식 집열기는 투명한 덮개(창)를 사용하여 태양에너지를 효과적으로 흡수하며, 무창형 대비 열효율이 평균 7.5 ~ 10% 높게 나타난다⁴⁾. 유창형 공기식 태양열 집열기는 전면 창, 흡열판, 단열재 등으로 구성되며, 유입구, 집열기 내부 구조 등 집열기 형상에 따라 열성능이 상이하게 나타난다. 특히 집열기 내부 흡열판은 난류를 형성하여 공기를 균일하게 분포시키며, 이에 따라 열전달 성능을 향상시킨다⁵⁾. 또한 공기 유로, 흡열판 형상 등 집열기 구조적 특성도 열성능에 중요한 영향을 미친다. 이에 따라 유량 및 집열기 형상 등에 따른 공기식 집열기의 열성능에 관한 연구가 활발히 진행되었다.

Kim et al. (2021)⁶⁾은 외기 온도 변화에 대한 유창형 공기식 태양열 집열기의 열성능을 평가하였다. 공기식 태양열 집열기의 열성능은 2월에 68.1%, 3월에 68.5% 그리고 4월에 63.8%로 외기 온도 변화에 따른 열성능 변화는 다소 미미한 차이를 보였다. Kim et al. (2021)⁷⁾은 국제 표준인 ISO 9806 (International Standard Organization, 2017)⁸⁾ 기준에서 제시한 일사량 및 외기 풍속 조건을 충족하여 개방형(Open loop) 타입의 집열기로 실험을 진행하였다. 최소 열효율은 유량 36.6 m³/(hr·m²)에서 36.06%, 최대 열효율은 유량 182.9 m³/(hr·m²)에서 72.02%로 나타났다. 이를 통해 유량이 증가할수록 열효율도 함께 증가하는 것을 확인하였다. Lee et al. (2021)⁹⁾는 공기식 태양열 집열기의 흡열판(fin) 형상에 따른 열전달 성능을 분석하였다. 동일한 조건의 입구 유속, 입구 공기 온도, 집열판의 온도, 출구 압력, 레이놀즈수를 설정하여 해석한 결과, 기존 in-line 배열 대비 Staggered 배열이 fin과 fin 사이의 유속 정체 구간을 해소하면서 열전달계수가 6.5% 향상되는 것을 확인하였다. Lee et al. (2018)¹⁰⁾는 PVT (Photovoltaic Thermal) 집열판 형상에 따른 열 유동해석을 진행하였으며, 입·출구 형상이 같은 조건에서 집열판 fin 높이와 간격에 차이를 주어 CFD 시뮬레이션 분석을 통해 유동해석을 진행하였다. 가로형(fin 높이 : 50 mm, fin 간격 : 150 mm)에서 세로형(fin 높이 : 80 mm, fin 간격 : 50 mm) 대비 6~7℃의 높은 열회수 성능을 보였다. 이는 가로 형상 fin이 공기 유동의 와류를 형성하여 열교환 효율이 상승한 것을 확인하였다. Yu et al. (2021)¹¹⁾는 옥외 실험을 통해 새로운 디자인의 타공형 베플판이 적용된 공기식 PVT 컬렉터의 열 및 전기 성능을 측정하였다. 개발된 공기식 PVT 컬렉터는 일사량 800 ~ 950 W/m²의 조건에서 컬렉터의 열효율은 유량 100 m³/h에서 평균 28.1%, 유량 200 m³/h에서 평균 47%로 나타났으며, 유량이 증가함에 따라 컬렉터 내부의 열매체 이동을 증가시켜 열효율이 40% 향상한 것을 확인하였다. Nelwan et al. (2020)⁴⁾은 무창형 공기식 집열기와 유창형 공기식 집열기의 열효율을 비교하였다. 대체적으로 유창형 집열기의 효율이 높았으며, 일사량이 낮은 조건(350 W/m²)에서 유창형 공기식 집열기의 효율이 약 9% 높은 것을 확인하였다. Farhan and Sahi (2017)¹²⁾은 3 mm, 6 mm 직경의 구멍이 있는 타공형 공기식 집열기를 사용하여 열성능 실험을 진행하였다. 0.1 m³/s 유량에서 3 mm 타공형 집열기, 6 mm 타공형 집열기, 무타공 집열기의 최대 효율은 각각 67%, 64%, 56%로 나타났다. 이를 통해 타공형 흡열판이 적용된 공기식 집열기의 집열 효율이 최대 약 11% 높은 것을 확인하였다.

이처럼 집열기 내부 공기 유동이 균일할수록 공기와 흡열판 사이의 열교환이 활발해지고, 공기가 정체되는 구역이 감소하여 집열기의 열성능이 향상된다. 또한, 공기식 집열기 내 공기 유로는 집열기 유입구와 흡열판 형상 등과 같은 집열기의 구조적인 특성에 영향을 받는다. 이에 따라 적절한 유입구 설계를 통해 집열기 내 공기 유동을 균일하게 형성하는 것이 필요하다.

본 연구에서 사용하는 집열기는 타공형 흡열판이 적용된 유창형 공기식 집열기로 공기 유입 방식에 따른 열효율을 비교·분석하였다. 집열기 열효율 분석을 위해 ISO 9806 열성능시험 조건에 따라 옥외 실험을 수행하였다. 실험을 위해 집열기 유입구의 유형을 세 가지로 구분하여 비교하였으며, 공기 유입 방식에 따라 폐루프 시험방법(Closed loop test circuit), 오픈루프 시험방법(Open to ambient test circuit)으로 시험하며 비교하였다. 폐루프 및 오픈루프 시험방법은 건물 내 집열기 적용 방식에 따라 달라지므로, 집열기 열성능 평가 시 실험 조건으로 함께 고려해야 한다.

2. 유창형 타공 태양열 집열기

2.1 실험 방법

본 연구에서는 유창형 타공 태양열 집열기를 사용하여 열성능 평가를 수행하였다. 태양열 집열기는 Fig. 1, Table 1과 같이 980 mm × 2,000 mm × 220 mm의 크기이며, 전면에 3 mm 두께의 폴리카보네이트 플라스틱 창을 적용하였다. 흡열판(Absorber) 배면에는 135 mm 공기 유로와 20 mm Polyurethane Foam으로 구성되어 있다. 집열기 내에는 공기 유로 형성을 위해 직경 2 mm의 구멍으로 타공된 흡열판이 절곡된 형상으로 적용되었으며, 검은색 아연도금 강판이 사용되었다. 타공된 흡열판은 집열기의 무게를 감소시킬 수 있고, 집열기 내 공기 흐름을 균일하게 하는 특징이 있다.

Fig. 1

Glazed perforated solar collector configuration

2.2. 실험 모델

열효율 실험을 위해 태양열 집열기를 3가지 모델로 구분하여 설계하였다. Base Case는 Fig. 2와 같이 공기가 덕트를 통해 원형 유입구로 공급되며, 집열기 내부 집열 공간에서 열을 획득한 후 집열기 출구 덕트를 통해 배출되는 구조이다. 이러한 공기 흐름은 공기가 흡열판의 배면으로만 유입되어, 흡열판과 충분한 열교환이 이루어지지 못하는 한계가 있다. 유창형 공기식 집열기의 경우에 태양 복사량의 일부는 반사되고 대부분 창 안으로 유입되므로, 플라스틱 창 안에서 교환하는 것이 집열 효율 향상에 중요한 요소이다¹¹⁾. 또한 흡열판과의 열교환을 위해서는 흡열판 전면에서 후면으로 공기 유로가 형성되어야 한다. 이에 따라 흡열판을 통해 열교환이 잘 이루어질 수 있는 Modified Case 1, 2는 공기가 플라스틱 창과 흡열판 전면 사이의 상부층으로 유입되고, 집열기의 흡열판 배면으로 순환 및 열교환 후 상단부의 덕트로 배출되는 구조이다. 기존 원형 유입구를 차폐하고 직사각형 모양의 면적 30 cm² (Modified Case 1)의 새로운 유입구로 변경하여 열성능 평가를 진행하였다. 이후, 유입구 면적을 증가시켜 직사각형 모양의 면적 150 cm² (Modified Case 2)의 유입구로 열성능 평가를 진행하였다(Table 2).

Fig. 2

Air flow pattens of each solar collectors

2.3 열효율 실험

공기식 태양열 집열기는 ISO 9806의 태양열 집열기 실험 표준에 기초하여 옥외성능평가를 수행하였다. 공기식 태양열 집열기는 천안 소재 K대(36.85 N, 127.15 E)에 설치하였고, 수평과 수직으로 조절이 가능한 2축 트래커를 통해 법선 면으로 일사를 유입하도록 각도를 조정하여 Fig. 3과 같이 실험을 수행하였다. 공기식 태양열 집열기의 열성능 평가를 수행하기 위해 집열기의 출구 온도 및 습도(T-type 열전대), 외기 온도 및 습도(T-type 열전대), 입·출구 유량(SteelMass 640S), 풍향·풍속(Technox U SONIC), 일사량(MCR-4V)을 Fig. 4와 같이 측정하였다. 또한, 집열기 입구는 외기 개방 상태이므로 집열기 입구 온·습도는 외기 온·습도로 대체하였다. 데이터 실측 기간은 Base Case의 경우 2024년 6월, Modified Case 1, 2의 경우 2024년 11월에 진행하였으며, Base Case의 경우 폐루프 시험방법(Closed loop test circuit)으로, Modified Case 1, 2의 경우 오픈루프 시험방법(Open to ambient test circuit)으로 실험을 수행하였다. 공기식 태양열 집열기는 건물 적용 방식에 따라 유입구를 설계하게 되는데, 폐루프 방식을 위해 집열기의 흡열 특성을 고려하지 않고 유입구를 설계하게 되면 집열성능이 낮게 동작한다는 우려가 있다. 이를 위해 흡열 특성이 고려되지 않은 Base Case 대비 흡열 특성을 고려한 오픈루프 방식인 Modified Case 1, 2의 비교실험을 통해 공기 유입 방식에 따른 집열성능을 비교하였다. 집열면 일사 강도가 700 W/m² 이상일 때, 균등한 간격의 3가지 집열기 입·출구 유량(50, 100, 150 m³/h)에서 열성능을 측정하였다. 이때 유량은 1.5% 이내의 변화폭과 외기 풍속은 1.0 ~ 3.0 m/s인 구간을 정상상태로 간주하였다. 또한, Table 3에 주어진 범위의 편차를 유지하는 조건을 정상상태로 간주하였으며, 이에 준하는 데이터를 선별하여 열효율을 분석하였다. 집열기 열효율은 식(1)과 같이 집열기 입출구 작동유체의 온도와 집열기에 도달하는 일사량을 활용하여 산출하였다.

Fig. 3

Experiment of solar collector

Fig. 4

Meteorological data and air flow measurement devices: (a) Pyranometer (b) Outdoor temperature and humidity measuring device (c) Air flow meter (d) Anemometer

3. 실험 결과 및 분석

공기식 태양열 집열기 열성능은 공기 유입 방식에 따른 집열 효율로 분석하였다. 집열 효율은 집열기 입·출구 유량 50, 100, 150 m³/h으로 구분하여 측정하였으며, 분석 결과는 Fig. 5와 같다.

Base Case의 경우, 평균 열효율은 각 유량 조건(50, 100, 150 m³/h)에서 20.29%, 38.82%, 45.07%로 나타났다. Modified Case 1의 경우, 각 유량 조건에서 22.54%, 41.92%, 53.18%로 나타났으며, Modified Case 2는 22.22%, 49.02%, 61.01%로 나타났다. 이에 따라 유량이 50 m³/h일 때, Case별 열효율이 평균 21.68%로 유사하게 나타나는 반면, 유량이 증가할수록 Base Case 대비 Modified Case 1, 2의 열효율 차이가 증가하는 것을 확인하였다. 특히 최대 유량인 150 m³/h에서 Modified Case 1, 2의 열효율은 Base Case 대비 각각 약 18%, 약 35% 증가하는 것을 확인하였다. 이는 유입된 공기가 타공형 흡열판과의 열교환이 되도록 공기 유동이 개선되어 열효율이 상승한 것으로 판단된다. 또한 Modified Case 2의 경우, 다른 Case에 비해 유량이 증가할수록 열효율이 크게 증가하는 것으로 분석되었다.

Fig. 5

Comparison of efficiency for each collectors according to air flow rate

Base Case의 경우, 최대 집열 효율은 각 유량 조건(50, 100, 150 m³/h)에서 20.57%, 38.64%, 45.14%로 나타났으며, 이는 Table 4와 같다. Modified Case 1의 경우, 각 유량 조건에서 23.31%, 41.92%, 53.18%로 나타났으며, Modified Case 2의 경우에는 22.56%, 49.02%, 61.01%로 나타났다. Base Case 대비 열효율 증가는 각 유량 조건(50, 100, 150 m³/h)에서 Modified Case 1의 경우, 13.32%, 8.49%, 17.81% 증가하였으며, Modified Case 2는 9.67%, 26.86%, 35.16% 증가하였다. 이와 같이 집열 공간 내 유로뿐만 아니라 작동 유량 또한 집열 효율 상승에 영향을 주는 것을 확인하였다. 특히 100 m³/h 유량에서 Modified Case 1 대비 Modified Case 2의 평균 일사량이 열효율이 16.94% 높게 나타났다. 이는 유입구의 면적 증가로 인해 집열판의 열성능을 저하시키는 공기 정체 구역이 감소하고, 집열기 내 공기 흐름을 더욱 균일하게 형성하여 집열기의 열성능 향상에 기여한 것을 의미한다. 한편, 유량 50 m³/h에서 Modified Case 1과 2의 최대 열효율은 각각 23.31%, 22.56%로 Modified Case 1의 효율이 높게 나타났으나, 효율 차가 미미하고 이는 작동 유량이 작아 나타난 것으로 분석된다. 작동 유량 값이 커짐에 따라 Modified Case 1과 2의 효율 차도 함께 커지는 것을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구는 유창형 타공 태양열 집열기의 공기 유입 방식에 따른 열효율 차이를 비교 분석하였으며, ISO 9806 표준에 따라 옥외 성능 실험을 수행하였다.

•실험 결과, Modified Case 2 (유량 조건 150 m³/h)는 집열기 내로 유입되는 공기가 흡열판의 전면에서 후면으로 고르게 흐르도록 형성함으로써 집열기의 열효율이 Base Case 대비 최대 약 35% 상승한 것으로 확인되었다.

•또한, 집열기의 공기 유입구 면적에 따라 공기 정체 구역 및 공기 유로의 변화가 집열기 열성능에 크게 영향을 미치는 것으로 확인되었다.

•따라서, 건물에서 공기식 태양열 집열기 사용을 위해 공기가 균일하게 유입될 수 있도록 적절한 면적의 유입구 형상을 고려하여 집열기를 설계하는 것이 필요하다.

•향후, 건물에서 공기식 태양열 집열기의 사용을 위해, 상대적으로 외기 유입방식(open-loop)에 비해 dead space 발생 가능성이 큰 재순환방식(close-loop)이 적용된 집열기의 내부 공기 유동이 균일하게 동작하게 하기 위한 추가 연구가 필요하다.