기호설명

η_el : 전기효율(%)

η_th : 열효율(%)

V_m : 최대전압(V)

I_m : 최대전류(A)

A_pvt : 컬렉터 면적(m²)

G : 일사량(W/m²)

Q : 열 획득량(W)

m˙ : 유량(m³/h)

C_p : 비열(J/m³h)

T_o : 출구온도(℃)

T_i : 입구온도(℃)

1. 서 론

1.1 연구 배경 및 목적

최근 태양광발전 시스템을 건물에 적용하기 위한 노력이 계속되는 가운데 건물 일체형 태양광발전(BIPV: Building-Integrated Photovoltaic) 시스템이 관심을 받고 있다. BIPV 시스템은 PV 모듈이 건물의 외피를 대신하여 통합 설치됨으로써, 건물의 외장재의 역할을 하는 동시에 전력생산이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 BIPV 시스템은 독립·개방형으로 설치되는 BAPV (Building-Attached Photovoltaic) 시스템에 비해 PV 모듈의 온도가 상승할 가능성이 높고 그에 따라 발전량이 감소할 우려가 있다. BIPV 시스템은 외피에 통합적으로 설치됨으로 상대적으로 PV 모듈의 열을 배출하는 것에 불리하기 때문이다. 일반적으로 PV 모듈은 25℃를 기준으로 모듈의 온도가 1℃ 상승할 때마다 발전량의 0.4 ~ 0.5%가 감소된다.¹⁾

이러한 PV 모듈의 온도상승에 따른 발전량 감소문제에 대한 대안으로 BIPVT (Building-Integrated Photovoltaic Thermal) 시스템이 주목을 받고 있다. BIPVT 시스템은 건물 일체형 태양광·열 복합 시스템으로 전기와 열을 동시에 생산하는 시스템이며, PV 모듈과 태양열 집열기가 결합된 형태이다. BIPVT 시스템은 PV를 통해 전기를 생산하는 동시에 PV 모듈에서 발생하는 열을 건물의 난방, 급탕 등의 에너지원으로 이용할 수 있다. PV 모듈에서 발생하는 열을 이용하는 과정에서 기존의 BIPV 시스템의 문제점이었던 PV 모듈의 온도상승을 제어하는 환기효과를 가져올 수 있으며, 이에 따라 전면의 PV 모듈의 발전 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, BIPVT 시스템은 기존의 BIPV 시스템에 비해 전기와 열을 동시에 생산할 수 있으므로 단위 면적당 태양에너지 이용률이 높다는 장점이 있다.

BIPVT 시스템은 열을 전달하는 매체에 따라서 공기식, 액체식 그리고 복합식으로 나누어진다. 이 중 공기식 BIPVT 시스템은 공기를 열전달 매체로 이용하며, 예열된 공기를 별도의 열교환 없이 건물에 바로 사용 가능하며, 팬 이외 별도의 설비가 필요 없어 건물에 쉽게 통합 설치할 수 있다. 액체식 BIPVT 시스템에 비해 동결과 누수에 대한 문제가 없고 유체가 정체될 경우 높은 압력 등과 같은 문제를 발생시키지 않아 안전과 내구성 측면에서 유리한 장점을 가지고 있다.

Kim et al.²⁾의 연구에서 사용된 공기식 BIPVT 컬렉터의 열 성능평가를 위해 ISO 9806:2017³⁾ ｢Solar energy-Solar thermal collectors-Test methods｣의 열 성능 실험조건을 기준으로 실험을 진행하였으며, 동일한 실험조건에서 전기 성능도 동시에 측정하였다. 실험결과는 100 m³/h 기준 약 40%의 열 성능과 15%의 전기 성능을 보여줬다. Getu et al.⁴⁾는 TRNSYS 시뮬레이션을 활용하여 공기식 BIPVT 시스템과 연계된 ASHP(Air Source Heat Pump)의 성능 개선에 관한 연구를 진행하였으며, ASHP에 외기를 공급하는 것과 공기식 BIPVT 시스템의 공기 열원을 공급하는 것으로 나눠 진행하였다. 연구결과 공기식 BIPVT 시스템과 연결된 ASHP 시스템에서 외기가 –3℃ 이상인 경우, COP가 개선되었지만 10℃ 이상인 경우 COP의 개선이 이루어지지 않았으며, -10℃ 미만에서 역시 COP의 개선이 이루어지지 않은 것을 확인하였다. Choi et al.⁵⁾은 공기식 PVT와 결합된 ASHP의 시스템 성능에 관한 실험적 연구를 진행하였으며, ASHP만 단독으로 사용하였을 때보다 COP가 평균 3.12%, 최대 8.57%까지 성능이 향상된 것을 확인하였다. Raghad et al.⁶⁾은 한랭 기후에서 공기식 BIPVT 컬렉터와 열에너지 저장장치가 결합된 ASHP의 성능을 분석하였으며, 열에너지 저장장치를 통해 외기를 ASHP로 유입되는 흡입구에서 예열하면 COP가 2.74에서 최대 3.45로 증가시킬 수 있었고 그에 따라 난방에너지가 20%p 절감되는 것을 확인하였다. Penglei et al.⁷⁾은 하이브리드 PVT와 ASHP 시스템의 시뮬레이션 분석을 진행하였고, 제안된 시스템은 기존의 외기만 도입한 ASHP보다 13.1%p 더 적은 에너지를 소비하였고 발전 측면에서 기존의 태양광 패널에 비해 14.7%p 증가하는 것으로 나타났다. Xu et al.⁸⁾은 하이브리드 BIPVT 벽체 시스템을 여름철과 겨울철로 나눠 실험하였으며, 여름철에는 액체식 BIPVT 모드, 겨울철에는 공기식 BIPVT 모드로 시뮬레이션과 실험을 진행하였다. 실험결과, 여름철 액체식 BIPVT 모드에서 온수의 온도는 약 35 ~ 40℃까지 상승되었고, 겨울철 공기식 BIPVT 모드에서는 외기의 온도가 11.9℃일 때, 컬렉터의 출구 공기 온도는 최대 약 30℃ 정도로 나타났다. 이를 실험실의 실내 난방 열원으로 사용하였을 경우 평균 실내 온도는 약 20.6℃로 확인되어, 겨울철에 공기식 BIPVT 컬렉터의 공기 열원을 난방 열원으로 사용할 수 있음이 확인되었다. Ahmed-Dahmane et al.⁹⁾은 AHU (Air Handling Unit)로 제어되는 공기식 BIPVT 시스템의 설계 및 분석 연구를 진행하였으며, 해당 연구에 적용된 AHU 시스템은 여름철엔 실내 공기, 겨울철엔 실외공기를 공기식 BIPVT 시스템의 입구로 유입시키는 설비를 구축하였다. 연구결과, 여름철 약 0.2 ~ 1%p 전기 효율 개선과 PV 모듈의 표면 온도를 최대 10℃ 정도 낮추었으며, 겨울철 최대 80% 난방 에너지 절약을 보여주었다.

이와 같이 공기식 BIPVT 컬렉터의 공기 열원을 공조 설비에 연결하여 실내로 공급할 경우 겨울철 난방 부하를 감소시켜 난방 에너지 절감에 효과적임을 확인하였다. 그러나 일사량이나 외기온도의 영향으로 인해 PVT의 공기를 일정한 온도로 유지하기가 어렵고, 높은 온도의 공기 열원을 이용하는 경우에는 필요한 난방 온도보다 높아 오히려 냉방 부하가 발생할 수 있다. 이러한 상황의 경우는 공기식 BIPVT 컬렉터를 AHU 시스템과 연계하여 사용함으로써 온도를 적정하게 유지할 수 있다. 즉 낮은 온도의 공기는 가열하고, 공기의 온도가 높을 때는 실내 난방에 적절한 온도로 조절하여 공급할 수 있다. 하지만 여전히 외기와 공기식 BIPVT 컬렉터의 공기 열원이 AHU 시스템으로 유입 후 실내로 공급되는 과정에서 냉방 및 난방 부하가 발생하게 된다는 문제가 있어 AHU 시스템으로 유입되는 공기에 대한 고려가 필요하다. 이에 따라 공기식 BIPVT 컬렉터와 AHU 시스템을 연결하는 덕트 내부에 댐퍼(Damper)를 설치하고 이를 통해 연결된 덕트의 개구율을 조절하는 방식이 필요하다. AHU은 외부에서 들어오는 공기와 실내에서 회수되는 공기를 전열교환하고 동시에 실내 설정온도에 필요한 만큼 난방 또는 냉방을 한다. 따라서 난방기간의 경우 0 ~ 5℃의 차가운 외기가 AHU으로 유입되어 실내 회수 열과 전열교환되면 실내 설정 온도까지 공기가 가열 되어야한다. 하지만 공기식 BIPVT 컬렉터의 토출공기는 컬렉터 내 공기층을 지나며 예열되기 때문에, 외기보다 비교적 높은 온도의 공기가 AHU으로 유입되고, 실내 설정 온도까지 공기가 가열되는 부하를 감소시킬 수 있다. 따라서 공기식 BIPVT 컬렉터와 연계된 AHU 시스템은 난방 부하를 감소시킬 수 있고 그에 따라 건물 내에 사용되는 난방 에너지를 절감시킬 수 있다.

따라서 본 연구에서는 난방 기간에 공기식 BIPVT 컬렉터와 연계된 AHU 시스템을 대상으로 실험하였고, 운전 조건에 따른 컬렉터의 전기 및 열 성능 그리고 건물 난방 에너지 절감을 위한 AHU 시스템의 최적의 운전 조건을 밝히는 것을 목적으로 하였다. AHU 시스템으로 유입되는 컬렉터의 공기 열원과 외기의 혼합비율을 덕트의 댐퍼 개구율을 통해 100:0, 75:25, 50:50, 0:100과 같이 4가지 운전 조건으로 설정하였다.

2. 공기식 BIPVT 컬렉터와 연계된 AHU 시스템

2.1 공기식 BIPVT 컬렉터와 연계된 AHU 시스템 Mock-up

본 연구에서 사용된 컬렉터는 Fig. 1²⁾과 같은 형태로 이루어져 있다. 셀과 유리를 교차로 배치하여 컬렉터 내부로 더 많은 태양열이 유입되도록 하였다. 셀 간격 사이에 설치된 알루미늄 흡열판은 곡선의 형태로 제작되었으며, 이는 유리면을 통해 유입되는 일사를 직접 받아 컬렉터 내부의 온도를 상승시켜 열 성능을 높이기 위함이다. 또한, 알루미늄 흡열판은 곡면의 형태를 가지고 있어 공기의 유로를 길어지게 만들며 공기층 내부 베플(Baffle)의 역할을 한다. 베플은 컬렉터 내부에 와류를 유도하여 컬렉터의 열전달을 증가시키는 역할을 하는 동시에 PV 모듈의 온도를 낮추어 온도상승으로 인한 PV 모듈의 발전량 저하를 방지하는 역할을 한다. 공기식 BIPVT 컬렉터의 상세 규격은 Table 1과 같다.

Fig. 1.

Schematic diagram of air-type BIPVT collector design²⁾

공기식 BIPVT 컬렉터를 실내 AHU 시스템과 연결하여 Mock-up 건물에 설치하였으며, 충청남도 천안소재 K대 건물 옥상에 위치하고 있다(Fig. 2). Fig. 3는 Mock-up에 설치된 공기식 BIPVT 컬렉터가 연계된 AHU 시스템의 계통도이며, 공기식 BIPVT 컬렉터는 상·하로 직렬 연결한 2개의 컬렉터를 3열로 구성하여 남측 외벽에 수직(90°)으로 설치하였다. 모듈의 후면온도는 열전대(T-type)를 통해 하부에서 상부까지 1열 당 10개의 포인트에서 측정하였다. 설치된 AHU 시스템은 500 m³/h 용량의 직팽식 공조기이며, 기존의 히트펌프 시스템에 환기를 위한 전열교환기가 복합된 형태이다. AHU 시스템은 공기식 BIPVT 컬렉터와 덕트로 연결되어 있어 컬렉터를 지나 가열된 공기 열원을 공급받을 수 있도록 하였으며, 외기를 도입하는 덕트와도 연결하였다. AHU 시스템은 댐퍼로 제어되며, PA (PVT Air, ①), OA (Outdoor Air, ②), EA (Exhaust Air, ③)에 설치되었다. PA 댐퍼(①)는 공기식 BIPVT 컬렉터의 공기 열원이 유입되는 비율을 제어하며, OA 댐퍼(②)는 외기의 유입 비율을 제어한다. 따라서 PA 댐퍼(①)와 OA 댐퍼(②)의 개구율과 같은 비율로 공기 열원과 외기의 혼합된 뒤, AHU로 유입되도록 연결되어 있다. 여름철과 같이 난방이 필요하지 않은 기간에 컬렉터와 AHU 사이의 PA 댐퍼(①)가 닫히고 가열된 공기는 실외로 배출되며, 겨울철에 난방이 필요한 경우 댐퍼가 열리면서 가열된 공기 열원이 AHU로 유입되게 된다.

Fig. 2.

Air-type BIPVT collector linked with AHU system installed in mock-up

Fig. 3.

Diagram of air-type BIPVT collector linked with AHU system installed in mock-up

2.2 실험방법

실험은 2019년 12월 한 달 동안 진행되었으며, 난방 공급온도는 동일하게 24℃로 설정하였다. 공기식 BIPVT 컬렉터의 공기 열원과 외기의 혼합조건을 고려하여 4가지 운전 조건을 설정한 후 실험을 진행하였으며, 설정한 운전 조건에 대한 댐퍼 개구율은 Table 2와 같다. 댐퍼 개구율은 공기 열원과 외기가 혼합되는 비율과 같으며, CaseⅠ은 100:0, CaseⅡ는 75:25, CaseⅢ는 50:50, CaseⅣ는 0:100으로 설정하였고, 온·습도계를 이용하여 연결된 덕트 내부의 예열된 공기와 외기와의 혼합 공기, 난방 공급 공기의 온·습도를 측정하였다. 혼합된 공기 온도는 AHU로 유입되기 직전 측정하였다. 일사량은 공기식 BIPVT 컬렉터와 동일한 수직면(90°)에서 측정하였으며, 동시에 외기 온·습도를 측정하였다. 공기식 BIPVT 컬렉터의 모듈 후면온도는 T-type 열전대를 이용하여 측정하였다. 측정은 오전 10시부터 오후 4시까지 10초 간격으로 진행하였다.

3. 실험결과 및 분석

3.1 공기식 BIPVT 컬렉터의 열 및 전기 성능

본 연구에서 사용된 데이터는 운전 조건에 따른 Fig. 3의 컬렉터에서 측정된 모듈 후면온도, 출구 온도, 발전량 데이터의 평균값을 분석에 사용하였다. 실험이 진행된 날이 다르므로 외기 및 일사량 등의 기상조건이 비슷한 하루 데이터를 추출하여 분석하였고, Fig. 4는 운전 조건에 따른 실험이 진행되는 동안 측정된 시간에 따른 일사량과 외기온도이며, 그에 따른 공기식 BIPVT 컬렉터의 후면온도와 출구 공기 온도를 비교 분석한 그래프이다. 후면 온도는 Fig. 3의 최하단부(BIPVT Bottom)와 최상단부(BIPVT Top)에서 측정된 데이터를 나타내었으며, 출구 공기 온도는 온습도계(BIPVT Outlet)에서 측정된 값을 나타내었다. 일사량은 운전 조건에 따라 300 ~ 940 W/m²로 나타났으며, 컬렉터가 90°로 설치되어 있어 겨울철 일사량을 받기 유리한 조건이었다. 외기온도는 2 ~ 6.9℃로 나타났으며, 일교차는 운전 조건에 따라 2.2 ~ 2.9℃로 실험 동안 외기 조건의 변화는 크지 않았다. 또한, 공기식 BIPVT 컬렉터를 지나는 유량은 운전 조건에 따라 각 케이스 별로 각각 417.8 m³/h, 320.7 m³/h, 198.4 m³/h, 17.2 m³/h로 나타났다.

Fig. 4.

Effect of solar radiation at rear and outlet temperature on air-type BIPVT collector

Fig. 4의 모듈 후면온도는 모듈의 하부(BIPVT Bottom)와 상부(BIPVT Top)에서 측정된 것으로 범위는 19.9 ~ 57.1℃로 나타났다. 상단부와 하단부의 온도 차는 운전 조건에 따라 CaseⅠ은 14.3℃, CaseⅡ은 16.2℃, CaseⅢ은 16.9℃, CaseⅣ은 20.6℃로 나타났다. CaseⅠ은 컬렉터의 유량이 많아 가장 적은 폭의 온도상승을 나타내고 있다. CaseⅡ와 Ⅲ은 모듈의 온도상승 폭이 비슷한 결과를 보여줬지만, CaseⅣ는 최대 25.7℃가 상승하는 모습을 보여줬다. 이는 컬렉터 내부에 흐르는 유량의 차이에 따른 후면 온도상승으로 분석되었다. 또한, 컬렉터 공기 열원의 출구 온도는 22.3 ~ 42.6℃로 측정되었으며, 외기온도와 공기 열원의 온도 차를 보았을 때, CaseⅠ은 19.9 ~ 28.1℃, CaseⅡ은 18.3 ~ 29.9℃, CaseⅢ은 18.5 ~ 30.1℃, CaseⅣ은 26.9 ~ 38.7℃로 나타났다. CaseⅠ이 가장 적은 차이를 보였으나, CaseⅡ, Ⅲ과 비교해 그 차이가 크지 않았다. 그 이유는 운전 조건에 따른 댐퍼 개구율 변화로 전체적인 컬렉터의 유량은 변했으나, 컬렉터 그룹 A, B, C로 나뉘는 과정에서 그 차이가 줄어들었기 때문이다. 반면에 댐퍼 개구율의 차이가 큰 CaseⅠ과 CaseⅣ를 비교하였을 때 7 ~ 10.6℃의 차이가 발생했다. 이는 동일하게 운전 조건에 따른 컬렉터 유량의 차이로 CaseⅣ의 경우 공기가 컬렉터 내부에 머무는 시간이 길어서 더 높은 온도로 배출되는 것으로 분석되었다.

공기식 BIPVT 컬렉터의 전기 성능을 산정하는 식(1)¹⁰⁾은 다음과 같다.

공기식 BIPVT 컬렉터의 전기 성능은 식(1)에 의해 계산되었으며, ηel은 전기효율, Vm은 최대전압(V), Im은 최대전류(A), Apvt은 컬렉터의 면적, G는 일사량을 나타낸다. Fig. 5는 일사량에 따른 공기식 BIPVT 컬렉터의 전기 성능을 보여주는 그래프이며, Mock-up 입면에 설치된 총 6개 컬렉터의 발전량을 측정하였다. 일사량이 700 W/m² 이상일 때 CaseⅠ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ에 따라 평균 PV 발전량은 각각 532.1 W, 512.1 W, 511.9 W, 510.12 W로 나타났다. 발전량은 CaseⅠ이 가장 높았으나 이는 전체적으로 일사량이 다른 조건에 비해 높았기 때문이고, 각 운전 조건별 발전 효율은 각각 13.3%, 13.2%, 13.1%, 13.0%로 나타나 그 차이가 미미한 것으로 나타났다. 또한, 각 Case 별 11시 ~ 14시 사이는 일사량이 상승하면 컬렉터 모듈 후면 온도가 상승하고 이에 따라 발전효율이 떨어지면서 발전량이 크게 상승하지 않는 추세로 나타났습니다. CaseⅣ의 경우 AHU 시스템과 연결된 덕트가 댐퍼에 의해 차단되었지만 EA의 댐퍼가 열려 자연 환기 조건이 되었고 겨울철 낮은 외기로 인해 급격한 모듈의 온도상승으로 이어지지 않았기 때문으로 분석되었다. 전체적으로 일사량이 높은 시간대에서 모듈의 온도상승으로 인해 전기 성능이 하락 하였지만 운전 조건에 따른 전기 성능 비교에서 큰 차이가 없는 것으로 분석되었다.

Fig. 5.

Power generation and electrical efficiency of air-type BIPVT collector according radiation

공기식 BIPVT 컬렉터의 열 성능을 평가하기 위해 다음과 같은 식(2)³⁾을 이용하였다.

공기식 BIPVT 컬렉터의 열효율은 식(2)를 이용하여 계산되었으며, ηth은 열효율, Q는 집열량, m˙은 유량, Cp은 비열, To은 컬렉터의 출구공기온도, Ti은 컬렉터의 입구 공기온도를 나타낸다. Fig. 6는 일사량에 따른 공기식 BIPVT 컬렉터의 열 성능을 보여주는 그래프이다. Fig. 4에서 운전 조건에 따른 공기식 BIPVT 컬렉터의 출구 온도는 일사량의 변화에 따라 22.3 ~ 42.6℃로 나타났으며, Fig. 6에 분석된 결과로 실외공기에서 약 19.9 ~ 38.7℃ 정도 가열되는 것으로 나타났다. 따라서 열 취득량은 운전 조건에 따라 평균적으로 Case I, II, III, IV 각각 359.9 W, 272.4 W, 172.2 W, 20.7 W로 나타났으며 그에 따른 열효율은 각각 48.6%, 40.1%, 24.5%, 3.1%로 나타났다. 열효율에 가장 큰 영향을 미친 요인은 컬렉터의 유량으로 CaseⅣ의 경우 외기온도 대비 가장 큰 입·출구 온도차(ΔT)를 나타냈으나, 컬렉터의 유량이 가장 적어 결과적으로 가장 낮은 열효율을 보여줬다. 오후에 입사량 저하 시 열효율이 급격히 증가하는 원인은 동일한 입사량일 때 오전에 비해 오후에 컬렉터의 입· 출구 온도차가 크게 나타났기 때문입니다. 이는 Fig. 4 에 외기온도 추세가 시간이 지남에 따라 오전보다 높게 유지되었으므로, 오후에 공기식 BIPVT 컬렉터가 외부로 열손실이 줄어든 것으로 분석되었다.

Fig. 6.

Q gain and thermal efficiency of air-type BIPVT collector according radiation

3.2 운전 조건에 따른 AHU 시스템의 온도

Fig. 7은 운전 조건에 따라 공기식 BIPVT 컬렉터와 연계된 AHU 시스템을 가동하였을 때, 공기식 BIPVT 컬렉터의 공기 열원과 외기가 혼합되어 AHU 시스템의 입구로 유입되는 혼합 공기 온도를 보여주는 그래프이다. SA (Supply Air)는 외기온도가 평균 5℃, 일사량이 평균 700 W/m²의 비슷한 기상조건에서 실험이 진행되는 동안 난방 공급온도를 24℃로 설정하였을 때 AHU 시스템에서 실내로 공급되는 난방 공급온도를 나타내고 있으며, 거의 CaseⅠ~ CaseⅣ에서 비슷한 추세로 나타나 대표적으로 CaseⅡ의 난방 공급온도를 나타내었다. 운전 조건에 따른 공기 열원과 외기와의 혼합 공기 온도는 Fig. 4의 일사량의 변화에 따라 증가하는 모습을 보였으며, 난방 공급온도는 시스템 작동을 시작한 시간부터 증가하기 시작해 22.3℃에서 최대 25.5℃까지 증가하는 유사한 패턴을 보였다.

Fig. 7.

Inlet air temperature of AHU systems according to operating conditions

Fig. 6에서 CaseⅠ의 경우 공기식 BIPVT 컬렉터의 공기 열원을 외기와 혼합하지 않고 그대로 AHU로 유입하였기 때문에, 도입되는 공기 온도는 23.0 ~ 32.6℃로 측정되었으며 난방 공급온도와 차이는 1.4 ~ 7.0℃로 나타났다. 컬렉터의 공기 열원을 그대로 사용하였기 때문에 높은 온도의 공기가 AHU의 입구로 유입되었으며, AHU은 평균 4.6℃를 냉각하여야 하는 것으로 나타났다. 또한, CaseⅣ의 경우 혼합 공기로 외기를 직접 사용하는 운전 조건으로 AHU로 유입되는 공기 온도는 2.0 ~ 4.2℃로 측정되었으며, 난방 공급온도와 차이는 19.0 ~ 21.9℃로 나타났다. CaseⅣ의 운전 조건으로 난방할 경우 온도가 낮은 외기가 직접 AHU로 유입되어 난방 공급온도에 맞추기 위해 평균 20.9℃를 상승시켜야 하는 것으로 나타났다. CaseⅢ는 공기식 BIPVT 컬렉터의 공기 열원과 실외공기가 50:50의 비율로 혼합된 조건으로 혼합 공기 온도가 14.5 ~ 21.8℃로 측정되었다. 혼합 공기 온도는 CaseⅠ과 CaseⅣ에 비해 난방 공급온도에 근접하는 것으로 나타났지만, 여전히 난방 공급온도와 3.6 ~ 7.2℃의 차이가 발생하는 것으로 나타나, AHU는 혼합 공기를 평균 5.6℃만큼 상승시켜야 하는 것으로 나타났다. CaseⅢ은 CaseⅠ과 비교하여 12 ~ 14시에서 혼합 공기 온도가 난방 공급온도에 더 근접한 형태를 보였으나, 평균적으로 CaseⅠ보다 혼합 공기 온도와 난방 공급온도 간의 차이가 커기 때문에 불리한 조건으로 나타났다. 마지막으로 CaseⅡ는 공기 열원과 실외공기가 75:25의 비율로 혼합된 조건으로, 혼합 공기 온도가 16.3 ~ 24.3℃로 측정되었으며, 난방 공급온도 차이는 1.3 ~ 5.3℃로 난방 설정 온도에 가장 근접하였다. 이는 AHU가 도입된 혼합 공기를 평균 2.7℃만큼 추가 가열한 뒤 실내로 공급하는 조건으로, 4가지 운전 조건 중 가장 효율적인 조건으로 나타났다.

따라서, 공기식 BIPVT 컬렉터의 공기 열원과 외기를 적절히 혼합하는 CaseⅡ일 경우 차가운 외기를 공급받는 CaseⅣ에 비해서 공급받는 공기 온도가 AHU의 난방 공급온도에 가장 근접하여 AHU 시스템이 추가로 예열하는 온도 범위가 가장 적어 난방 부하가 감소하게 되고 그에 따라 AHU의 예열을 위한 가동 시간이 줄어들어 결과적으로 건물에서 사용되는 난방 에너지를 절감시킬 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 난방 기간에 공기식 BIPVT 컬렉터와 연계된 AHU 시스템을 Mock-up 건물에 설치하여 AHU로 유입되는 컬렉터의 공기 열원과 실외공기의 혼합비율을 덕트에 설치된 댐퍼의 개구율을 통해 4가지 운전 조건으로 설정하여 실험하였고, 그에 따른 발전량, 열 및 전기 성능, 건물 난방 에너지 절감량을 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.

(1) 공기식 BIPVT 컬렉터의 발전량은 평균 일사량 700 W/m² 이상, 외기온도 5℃에서 평균적으로 516W로 나타났으며, 전기효율은 13.3%로 나타났고, 일사량이 가장 높은 12 ~ 14시에 모듈의 온도상승으로 12.2%까지 하락하였다. 공기식 BIPVT 컬렉터의 출구 온도는 23 ~ 36℃를 나타내며, 외기온도 대비 약 20 ~ 30℃ 정도 상승되는 것으로 나타났다. 운전 조건에 따라 컬렉터의 유량은 417.8 m³/h, 320.7 m³/h, 198.4 m³/h, 17.2 m³/h로 나타났고, 이 차이로 인해 열효율은 각각 48.6%, 40.1%, 24.5%, 3.1%로 나타났다. 운전 조건에 따라 전기 효율 측면에서 차이는 미미했으나 열효율 측면에서는 CaseⅠ의 조건이 가장 유리한 것으로 나타났다.

(2) 공기식 BIPVT 컬렉터가 연계된 AHU 시스템은 기존의 실외공기만 도입하여 난방할 때보다 공기 열원을 예열원으로 공급받는다면 AHU가 추가로 상승시켜야 하는 온도가 줄어 난방 부하를 감소시키는 것으로 나타났다.

(3) 댐퍼 개구율 변화를 통해 공기식 BIPVT 컬렉터가 연계된 AHU 시스템으로 유입되는 혼합 공기 온도를 분석한 결과 CaseⅡ의 공기 열원과 외기의 혼합비율인 75:25가 16.3 ~ 24.3℃로 나타나 난방 공급온도에 가장 근접하였고, AHU가 혼합 공기를 최대 5.3℃, 평균 2.7℃만큼 추가로 상승시켜야 하는 것으로 나타나 난방 부하가 가장 적은 최적의 운전 조건임이 확인되었다.

이러한 연구결과를 통해, 공기식 BIPVT 컬렉터의 공기 열원을 건물의 난방에 사용하고자 할 때 공기 열원을 바로 사용하는 것보다 외기와 적절한 비율로 혼합하여 사용할 경우, 건물의 난방 부하를 효과적으로 감소시킬 수 있고 그에 따라 건물에 필요한 난방 에너지 사용을 감소시킬 수 있다는 것이 확인되었다. 따라서 공기식 BIPVT 컬렉터를 AHU 시스템과 같은 건물 설비 시스템과 연동할 경우, 공기 열원과 외기를 적절히 혼합한 입구 공기 온도에 대한 고려가 필요하며, 시스템을 최적의 조건으로 운영하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.