기호설명
: 집열기 입출구 온도차[℃]
: 외기온도, 집열기 입구 온도[℃]
: 집열기 출구 온도[℃]
: 집열기 덕트 유속[m/s]
: 집열기 단위면적당 공기 질량 유량[kg/s․m2]
: 집열기 입출구 압력차[Pa]
: 집열기 입구 압력[Pa]
: 집열기 출구 압력[Pa]
: 공기 밀도[kg/m3]
: 공기 정압 비열[kJ/(kg․℃)]
: 집열모듈 면적[m2]
: 모듈 표면 일사량[W/m2]
: 외기풍속[m/s]
: 상대오차[%]
: 집열기 열효율[%]
1. 서 론
정부는 2030년까지 우리나라 온실가스 배출 저감 목표를 배출전망치(BAU) 대비 37% 달성하기 위해 다양한 청정에너지 정책을 발표하였다. 그중 건물 에너지 정책으로 연면적 1,000 m2 이상의 공공건축물에 제로에너지 의무화 정책을 2020년부터 적용하고 있으며, 2025년에는 연면적 1,000 m2 이상의 민간 건물에도 적용될 예정이다1). 태양열 집열기는 태양의 복사에너지를 활용하여 열에너지 생산이 가능하고, 건물에 적용하여 온수 급탕 및 난방에너지에 열원으로 활용이 가능하다2,3). 태양열 집열기는 작동유체에 따라 공기식과 액체식이 있으며, 공기식의 경우 에너지 밀도가 액체식 보다 낮지만 여름철 과열문제, 겨울철 동파문제에 자유로운 장점이 있어 다양한 분야에 활용되고 있다.
이러한 태양열 집열기의 객관적 열성능을 측정하기 위해 미국공조냉동공학회, 유럽 표준화 기구와 국제표준화 기구 등에서는 공기식 및 액체식 태양열 집열기 열성능 평가방법을 제안하고 있으며4,5,6), 세계 유명 실험 및 인증기반 회사가 위 기준들로 태양열 집열기 성능평가를 수행하고 있다. 대표적으로 SAHWIA는 유럽 표준화 기구에서 제안한 방식인 EN 12975에 근거하여 성능평가를 수행하여 인증서를 발급하고 있고7), ICC-SRCC와 Exova의 경우 국제표준화 기구에서 제안한 방식인 ISO 9806에 근거하여 성능평가를 수행하여 인증서를 발급하고 있다8,9). 국내에서는 한국에너지기술연구원에서 ISO 9806에 근거한 성능평가 장치를 구축하였으며, Kim et al.은 이 실외 성능평가 장치에 대하여 라운드 로빈 실험을 통해 장치의 신뢰성을 입증하였다10,11).
한편, 최근에는 공기식 태양열 집열기에 대한 신재생에너지 인증 사업이 시행되고 있으며, 국내 관련 기업들로부터 태양열 집열기에 대한 성능평가 시험 성적서 발급이 요구되고 있다. 의뢰 기관에서는 성능 시험과정에서 외기온도가 낮으면 집열기 성능이 높을 것이라고 생각하고 있는데, 외국에서 발급되는 시험 성적서에는 외기온도 변화에 따른 집열 성능을 제시하지 않고 있다. 이는 공기식 태양열 집열기의 열 성능은 외기온도 변화에 크게 영향을 받지 않는다는 것으로 이해할 수 있지만, 이러한 내용의 자료나 논문 등은 찾아 볼 수 없었다. 이에 본 연구에서는 실외 공기식 태양열 집열기의 열성능 평가에 대한 신뢰성을 높이기 위해 유창형 공기식 태양열 집열기에 대하여 외기온도가 각각 다를 수 있는 2월, 3월, 4월의 맑은 날을 선정하여 열성능 평가를 수행하였고, 일사량 변화에 대한 집열기의 입출구 온도차를 비교분석하여 외기온도가 변화하였을 때의 공기식 태양열 집열기의 열성능 특성을 분석하였다.
2. 공기식 태양열 집열기 열성능 평가 방법
본 연구에서는 유창형 공기식 태양열 집열기를 사용하여 열성능 평가를 수행하였다. 태양열 집열기는 Fig. 1과 같이 가로 0.98 m × 세로 1.80 m × 두께 0.1 m의 크기를 가지고 있으며, 전면에 3 mm 두께의 유리로 덮여있는 형상이다. Table 1에 제시한 바와 같이 집열기의 흡수기 재질은 검은색상의 아연도금 강판이 사용되었으며, 흡수기 배면으로 60 mm의 공기유로와 10 mm의 단열재가 있다. 외기의 공기가 덕트를 통해 유입되며 집열기의 유로를 통해 순환 및 열교환 후 다른 덕트를 통해 배출되는 메커니즘을 가지고 있다. ISO 9806에서 제시하고 있는 성능평가 방식에 근거하여 객관적 열성능을 도출 및 분석 하려 한다.
Table 1
Test Sample Solar Collector
| Collector Size | 0.98 × 1.8 × 0.1 m |
| Glass Thickness | 3 mm |
| Absorber material | Galvanized steel |
| Absorber color | Black |
| Collector type | Open loop solar air |
ISO 98066)은 국제 태양열 집열기 성능평가 방식 및 절차에 대해 표준을 나타내고 있으며, 본 연구의 열성능평가 방식은 ISO 9806에 준하여 성능평가를 수행하였다. 성능평가 장치는 Fig. 2와 같이 개방형 공기식 집열기 성능평가 장치에 준하여 제작하였다6,10,11). 외기 온도 및 압력을 측정할 수 있는 온도계(1)가 일사에 직접적인 영향을 받지 않는 집열기 뒤에 위치해 있으며, 집열기 출구 덕트에 출구 온도계(4)를 설치하여 열교환을 통해 얻어진 공기 온도와 출구 압력을 측정하며, 이때 집열기와 출구단 덕트 온도계의 거리는 200 mm이내 설치한다. 또한 유량계(7)와 송풍기(8)를 출구 덕트에 설치하여 작동유체의 유량을 확보 및 조절이 가능하다. 태양의 일사를 측정하는 일사량계(6)는 집열기와 수평하게 설치하여 집열기에 도달하는 일사량을 측정한다.
ISO 9806은 집열기 성능평가 방법과 장치 및 센서 오차범위를 명확히 제시하고 있으며 KIER의 집열기 성능평가 장치 센서는 ISO 9806의 기준에 적합하게 설치하였고 ISO 9806과 KIER의 집열기 성능평가장치의 센서 및 오차는 Table 2에 정리하였다6,11). 본 연구의 성능평가 장치의 온도계는 RTD 타입을 사용하였으며, 출구 온도계는 출구 덕트에 집열기와 200 mm이내 거리에 설치하였다. 외기 풍향풍속 측정을 위해 펄스 신호를 가지는 풍향 풍속계를 집열기 상부에 설치하였고 일사량 측정을 위해 일사량계는 집열기 왼쪽 상단에 집열기와 평행하게 설치하였다. 집열기 작동 유량 측정을 위해 송풍기와 집열기 사이에 압력 트랜스미터와 피토관을 사용하여 압력강하를 측정한 후, 그에 따른 유속을 덕트 관경 0.1 m을 고려하여 획득한다. 실제 측정된 데이터와 오차 범위는 약 1% 이며 유속 계산식은 식(1)과 같다2).
Table 2
Solar Collector Thermal Performance Test Sensor and Uncertainties
공기식 태양열 집열기 열성능 평가를 수행하기 위해 설치각 45°로 집열기를 설치하여 일사량이 700 W/m2이상 지속적으로 유지되는 조건에서 수행하였다. 집열기 작동 유량은 제조사가 권장하는 약 0.02 m3/s·m2의 작동 구간에서 성능평가가 수행되며, 이때 유량은 1.5%이내의 변화폭과 외기 풍속은 1.0 ~ 3.0 m/s인 구간을 ISO 9806에서 허용하고 있으며, 그에 준하는 데이터를 선별하여 활용하였다. 집열기 열성능은 식(2)와 같이 집열기 입출구 작동유체의 온도와 집열기에 도달하는 일사량에 의해 산출된다.
3. 외기온도 변화에 따른 집열기 열성능 변화 비교 분석
열성능 평가 시험은 2월부터 4월까지 수행하였으며, 각 월별 가장 날씨가 맑은 하루 데이터를 선별하여 Fig. 3과 Table 3에 정리하였다. 일별 평균 일사량은 2월 760 W/m2, 3월은 933 W/m2 그리고 4월은 937 W/m2를 나타내고 있으며 4월의 일사량이 가장 높게 나타났다. 일별 평균 외기온도는 2월 –0.5℃, 3월 13.4℃그리고 4월은 21.1℃를 나타내고 있으며, 본 연구 목표인 외기온도별 집열기 열성능 비교 분석을 하기 위해 충분한 외기온도차를 나타내었다. 일사량의 경우 대체적으로 이상적인 일별 일사량을 나타내고 있으며 그에 따라 외기온도는 시간이 지날수록 상승하는 모습을 보여주고 있다. 본 연구 목적인 열성능 결과를 도출하기 위해 700 W/m2 이상 일사량 구간에서 열성능 결과를 도출하고, 일사량 상승에 따른 공기식 태양열 집열기의 입출구 온도차를 분석하였다.
Table 3
Daily Average Radiation and Ambient Temperature
| February | March | April | |
| 760 W/m2 | 933 W/m2 | 937 W/m2 | |
| -0.5°C | 13.4°C | 21.1°C |
Fig. 4와 Table 4는 일사량 700 W/m2 이상 지속적으로 나타내는 구간을 선별하여 열성능을 분석하였다. 열성능 결과는 2월의 경우 68.1%, 3월의 경우 68.5% 그리고 4월의 경우 63.8%를 나타내었다. 실험결과 4월의 열성능 결과 값이 가장 낮게 나타난 이유는 4월에 작동유량이 0.018 m3/s·m2로 가장 작기 때문이며, 이는 3월의 작동유량 대비 약 10% 정도 낮았기 때문으로 사료된다. 외기온도 및 일사량 등 열성능 평가의 자세한 평균 데이터는 Table 4에 정리하였다.
Table 4
Solar Air Collector Test Average Data
| February | March | April | |
| -0.5°C | 13.4°C | 21.1°C | |
| 21.6°C | 39.1°C | 48.3°C | |
| 22.2°C | 25.7°C | 27.2°C | |
| 760 W/m2 | 933 W/m2 | 937 W/m2 | |
| 0.019 m3/s·m2 | 0.020 m3/s·m2 | 0.018 m3/s·m2 | |
| 2.3 m/s | 1.4 m/s | 1.4 m/s | |
| 68.1% | 68.5% | 63.8% |
외기온도 변화에 따른 공기식 태양열 집열기의 열성능 변화를 좀더 명확히 분석하기 위해서 Fig. 5와 Table 5에서와 같이 일사량에 따른 집열기 입출구 온도차를 분석하였으며, 집열기 입출구 온도는 2월의 경우 29.2℃, 3월의 경우 27.5℃ 그리고 4월의 경우 29.0℃로 나타났다. 3월 데이터에서 입출구 온도차가 가장 낮은 이유는 작동유량이 2월과 3월의 집열기 작동유량에 비해 다소 컸기 때문으로 판단되며, 대체적으로 일사량 대비 공기식 태양열 집열기 입출구 온도차는 미미한 차이를 나타내었다.
4. 결 론
본 연구에서는 외기온도 변화에 따른 열성능 변화를 보기 위해 동일한 집열기로 성능평가를 2월부터 4월까지 수행하였다. 열성능 평가 조건으로 공기식 태양열 집열기 작동유량은 약 0.020 m3/s·m2이며, 일사량은 700 W/m2 이상 지속적 그리고 안정적으로 나타나는 구간을 선별하여 분석하였고 연구수행 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 2월의 일사량은 760 W/m2, 외기온도 –0.5℃, 3월의 일사량 933 W/m2, 외기온도 13.4℃이며 4월의 일사량 937 W/m2, 외기온도 21.1℃로 본 연구목표에 알맞은 기상조건에서 성능평가를 수행하였다.
(2) 열성능 평가 결과 공기식 태양열 집열기의 열성능은 2월에 68.1%, 3월에 68.5% 그리고 4월에 63.8%로 외기온도 변화에 따른 열성능 변화는 작동유량의 차이를 감안하면 다소 미미한 차이를 보였다.
(3) 일사량이 상승할 때 집열기 입출구 온도 상승도를 분석 하였고, 일사량 1000 W/m2 기준 대비 집열기 입출구 온도차는 2월 29.2℃, 3월 27.5℃ 그리고 4월 29.0℃로 나타났다.
(4) 3월 집열기 작동유량이 미미하지만 상대적으로 높아 열효율은 타 경우보다 최대 4.7%까지 다소 높았고 일사량 1000 W/m2 기준 대비 집열기 입출구 온도차는 타 경우보다 약 1.7℃ 다소 낮게 나타났다.
이러한 결과는 공기식 태양열 집열기 성능 평가에서 계절별 외기온도 변화는 집열기 열 성능에 끼치는 영향이 미미하며, 따라서 공기식 태양열 집열기의 실외 열 성능 평가 결과는 계절 및 외기온도상승에 상관없이 신뢰할 수 있음을 알 수 있다.
