A Basic Study on the Air Circulation System for Heating using Solar and Geothermal Heat

(1)

http://dx.doi.org/10.14577/kirua.2017.19.4.49

1. 서 론

1.1 연구의 배경 및 목적

현재 전 세계는 지구환경보호와 화석연료 고갈의 문제 를 해결하기 위해 대체에너지인 청정에너지로의 전환에 주력하고 있으며, 최근 우리나라 정부에서도 탈 석탄 및 탈 원전 정책의 추진으로 태양열, 지중열, 해상풍력 등의 신재생에너지 개발과 공급비율을 높일 것으로 예상된다.

자연형 태양열 시스템은 전세계적으로 1980년대 초부 터 본격적으로 개발되기 시작되어 지금까지 많은 연구결 과와 응용사례로 다양하게 현장에 적용되고 있으며, 상대 적으로 설계와 시공이 용이하고 초기투자비용이 저렴하

* 가톨릭관동대학교 조교수, 공학박사

** 건국대학교 스마트그린빌딩연구소 학술연구교수, 공학박사 (Corresponding author : Department of Architectural Engineering,

Catholic Kwandong University, [email protected])

본 이 연구는 가톨릭관동대학교 학술연구비에 의해 지원되었음.

(CKURF-201407000001)

며 반영구적이라는 장점이 있다.

¹⁾

자연형 태양열 시스템 중 대표적 간접획득 방식의 일종인 축열벽 방식은 크게 상하부 공기순환 벤트가 있는 트롬월(Trombe Wall) 방식 과 순순히 축열매스만 있는 매스월(Mass Wall)이 가장 대표적이다. 자연형 태양열 시스템 중 상대적으로 시스템 효율이 높고, 남측벽에 손쉽게 적용가능 때문에 가장 많 이 응용되고 있는 시스템이다.

²⁾

한편, 자연에너지 중 지 열은 미국 에너지부와 환경보호청에서 현존하는 냉난방 기술 중 에너지 이용 효율이 환경면에서 가장 우수하고, 자연에너지 중 가장 안정적으로 얻을 수 있는 열원으로 보고하고 있다.

³⁾

우리나라의 연중 외기온도 범위는 –20

∼40℃이지만, 지면으로 5∼6m 아래의 지중온도는 연중 18∼20℃로 일정하므로, 여름에는 냉방용으로 겨울에는

1) 박경수·박성현·서장후, 축열재료에 따른 트롬월시스템의 열적 성능평가, 대한건축학회 학술발표대회논문집, 2012. p.201 2) 윤종호·백남춘·신우철, 자연형태양열 트롬월 축열벽 시스템의

열성능 특성 실측 분석 연구, 한국태양에너지학회논문집, 2008. pp.75-81

3) U.S. Department of Energy 2001 annual report.

태양열과 지열을 이용한 난방용 공기순환시스템 기초연구

- 태양열을 이용한 트롬월식의 축열성능 중심으로 -

- Focused on Trombe Wall Thermal Storage Performance using Solar Heat -

김 병 윤

^*¹⁾

최 용 석

^**

Kim, Byung-Yun Choi, Yong-Seok

Abstract

Each country in the world currently concentrates on shifting into clean energy, which can be alternative energy, for global environment protection and solution to the problem of fossil fuel depletion. The Korean government is predicted to develop renewable energy, such as solar power, ground power, and offshore wind power, and to increase their supply ratios by ending the use of coals and nuclear power plants. This study conducted experiments on thermal storage performance of Trombe wall thermal storage materials using solar power and simulations in order to offer baseline data for the development of a hybrid air circulation system for heating that can maximize efficiency by simultaneously using solar and geothermal power. The study results are as follows: (1) In all the specimens with 3m, 5m, and 7m in the length of thermal storage pipe, 5.7℃, 7.8℃, and 10.5℃ rose, respectively, as the thermal storage effect of the specimens attaching insulation film and black tape to the general funnel. They were most excellent in terms of thermal storage effect. (2) As a result of thermal performance evaluation on the II type specimens, Ⅱ-3 (7.8℃ rise) > Ⅱ-4 (5.3℃ rise) > Ⅱ-1 (3.9℃ rise) > Ⅱ-2 (2.3℃ rise) was revealed, and thus II-3 (insulation film + black tape) was most effective as shown in the I type. (3) This study analyzed air current and temperature distribution inside of the greenhouse by linking actually measured values and simulation interpretation results through the interpretation of CFD (computational fluid dynamics). As a result, the parts absorbing heat and discharging heat around the thermal storage pipe could be visibly classified, and temperature distribution inside of the greenhouse around the thermal storage pipe could be figured out.

주 요 어 : 태양열, 지열, 트롬월, 축열, 공기난방

Keywords : Solar Heat, Geothermal Heat, Trombe Wall, Heat Storage, Air Heating

(2)

난방용으로 활용이 가능하다. 또한, 우리나라는 2020년까 지 신재생에너지주택 100만호 보급을 목표로 태양광, 태 양열, 지열 등의 신재생에너지 설비를 주택에 설치할 경 우 설치비의 일부를 정부가 보조 지원하는 그린홈 100만 호 보급사업을 진행하고 있으며, 이를 위해 실효성이 높 은 농촌지역의 단독주택을 중심으로 한 경제적인 신재생 에너지 활용기술이 요구된다. 현재, 우리나라 농촌지역의 중·소규모 창고 또는 단독주택을 중심으로 외부공기를 지 중에 매입되어 있는 파이프를 통과시킴으로써 실내에 지 중열을 이용한 공기순환형 난방설비를 적용하고 있다. 그 러나, 이 시스템은 한 겨울에 외기의 찬 공기가 직접 지 중으로 들어감으로써 최종 배출되는 공기온도 상승에 제 한이 있다. 따라서 본 연구에서는 태양열과 지열을 동시 에 이용하여 그 효율을 극대화하는 난방용 하이브리드 공기순환시스템 개발의 기초자료 제공을 목적으로, 기존 의 지중열 이용방식의 외부공기 흡입구에 태양열을 이용 한 트롬월식 축열재를 설치하고, 그 축열성능을 확인하여 활용가능성을 검토하고자 한다.

1.2 연구의 범위와 방법

태양열과 지열을 동시에 이용하여 그 효율을 극대화하 는 난방용 하이브리드 공기순환시스템 개발을 위해 본 연구에서는 지열 이용을 위한 외부공기 흡입구를 트롬월 식 온실내에 설치하고, 흡입구에 축열재를 부착한 축열관 을 설치하여 다양한 축열재료 및 축열관의 길이에 따른 축열성능을 비교·검토하였다. 축열벽 시스템에 대한 많은 실험적 선행 연구가 수행되었다 할지라도, 축열벽 시스템 자체가 태양에너지를 집열하는 비정상 모델이기 때문에 해석이 난해하고 열거동 특성에 대한 이해가 쉽지 않다.

또한 상하부 벤트, 야간단열, 축열두께, 재료 등 시스템 구성방식에 따라 다양한 설계변수가 존재하기 때문에 아 직까지도 축열벽 시스템의 실질적 설계에 있어서는 많은 어려움이 있는 것이 현실이다. 따라서, 본 연구에서는 국 내 기후조건에 적합한 모델 개발의 기초데이터 제공을 위하여 축열관 주위의 온도변화와 축열관과 온실내부의 기류 흐름을 통한 집열효과 확인을 위하여 시뮬레이션을 실시하였다.

2. 실험 계획

2.1 실험 개요

실험체는 <Table 1>과 같이 축열관 길이에 따라 3개 Type으로 하고, 축열조건은 트롬월식 온실내의 일반연통 에 단열필름과 은박단열재를 부착한 1번과 단열필름만의 2번, 단열필름과 검정테이프를 부착한 3번 및 일반연통만 의 4개 Type으로 총 12개 실험체를 제작하여 실험을 실 시하였다. 겨울철인 12월 22일부터 1월 3일까지 총 13일 간 실시한 본 실험에서는 흡입구에 흡입팬을 설치하여 실외온도, 축열관 흡입구의 공기온도, 배출구에서의 공기 온도 및 풍속 등을 측정하였다. 또한, 실험은 조형물 또 는 나무 등에 태양광이 가리지 않기 위하여 건물 옥상에

정남향 방향으로 트럼월식 온실을 설치하고, 5분 단위로 데이터를 측정하여 분석하였다.

Table 1. Specimen production conditions 축열관

표기 길이(m) 표기 재료

Ⅰ 3 1 일반연통 / 단열필름 + 은박단열재

Ⅱ 5 2 일반연통 / 단열필름

Ⅲ 7 3 일반연통 / 단열필름 + 검정테이프 4 일반연통 / -

Ⅰ-1 (단열필름+은박단열재) Ⅰ-2 (단열필름)

Ⅰ-3 (단열필름+검정색) Ⅰ-4 (일반연통)

Fig. 1. Production and installation of test specimens

(1) 데이터 측정 (2) 실험전경 (주·야)

Fig. 2. View of the experiment

온실내

Fig. 3. Conceptual diagram of a specimen

(3)

2.2 시뮬레이션 개요

본 시뮬레이션은 ⅠType 시리즈 실험체를 모델링하여, 실험결과에 따른 온실내 유체흐름 분석을 통한 축열식 공기 흡입구와 배출구 및 축열관의 효율적인 설계와 온 실내부의 기류의 흐름을 이용한 축열효과 개선의 기초자 료로 활용하고자 실시하였다. 본 시뮬레이션에 활용된 전 산유체역학 응용프로그램은 Star-CCM+ 7.04로 64Bit 버 전 8 core 컴퓨터에서 수행하였다.

Fig. 4. Application program for simulation

시뮬레이션을 위해 구성된 3차원 Mesh의 개략적인 요 약은 다음과 같다.

--- --- Computing statistics in Region: Body 1

--- -> ENTITY COUNT:

# Cells: 603177 # Faces: 4095567 # Verts: 3455827 -> EXTENTS:

x: [-7.5000e-001, 7.5000e-001] m y: [-7.5000e-001, 7.5000e-001] m z: [-4.2725e-005, 1.9000e+000] m -> MESH VALIDITY:

Mesh is topologically valid and has no negative volume cells.

-> FACE VALIDITY STATISTICS:

Minimum Face Validity: 1.000000e+000 Maximum Face Validity: 1.000000e+000

Face Validity < 0.50 0 0.000%

0.50 <= Face Validity < 0.60 0 0.000%

0.60 <= Face Validity < 0.70 0 0.000%

0.70 <= Face Validity < 0.80 0 0.000%

0.80 <= Face Validity < 0.90 0 0.000%

0.90 <= Face Validity < 0.95 0 0.000%

0.95 <= Face Validity < 1.00 0 0.000%

1.00 <= Face Validity 603177 100.000%

-> VOLUME CHANGE STATISTICS:

Minimum Volume Change: 1.006953e-003 Maximum Volume Change: 1.000000e+000

Volume Change < 0.000000e+000 0 0.000%

0.000000e+000 <= Volume Change < 1.000000e-006 0 0.000%

1.000000e-006 <= Volume Change < 1.000000e-005 0 0.000%

1.000000e-005 <= Volume Change < 1.000000e-004 0 0.000%

1.000000e-004 <= Volume Change < 1.000000e-003 0 0.000%

1.000000e-003 <= Volume Change < 1.000000e-002 539 0.089%

1.000000e-002 <= Volume Change < 1.000000e-001 4646 0.770%

1.000000e-001 <= Volume Change <= 1.000000e+000 597992 99.140%

Mesh의 구조체는 Tetra/Poly Mesh로 4,095,567개의 면으로 구성하였다. 전체적인 Mesh 구성의 수치데이터는 위의 분석값과 같이 수치해석에 적합하게 구성되었다.

Fig. 5. Modeling image consisting of tetra/poly mesh

3. 실험결과 및 분석

3.1 축열재 성능 실험 (1) ⅠType 실험체

Fig. 6. Experimental results (Ⅰ-1)

(4)

축열관 길이 3m에 단열필름과 은박단열재를 부착한Ⅰ -1 실험체의 실험결과는 <Fig. 6>과 같다. 일사시간대인 08시 20분부터 16시 40분까지 온실 평균내부온도는 15.

5℃로, 평균외부온도 5.7℃에 비해 9.8℃ 높은 것으로 나 타났다. 밤 시간대인 16시 40분부터 다음날 08시 20분까 지의 온실 평균내부온도는 0.7℃로, 평균외부온도 1.9℃에 비해 1.2℃ 낮은 것으로 나타났다.

또한, 일사시간대인 08시 20분부터 16시 40분까지 온실 내의 배출구 공기온도 측정결과, 실험체 평균 16.7℃로 흡입구 공기온도 14℃에 비해 2.7℃ 높은 것으로 나타났 다. 이러한 결과는 외부공기가 온실내에서 1차로 9.8℃

상승하였고 단열필름과 은박단열재를 부착한 3m의 축열 관을 통과하면서 2차로 2.7℃ 높아진 것으로, 결과적으로 외부공기를 바로 지열만으로 이용하는 기존의 시스템과 비교하여 12.5℃ 높은 공기를 지열활용 시스템에 투입할 수 있기 때문에 종국적으로 보다 높은 실내공기온도 배 출이 가능할 것으로 판단된다.

축열관 길이 3m에 단열필름만을 부착한Ⅰ-2 실험체의 실험결과는 <Fig. 7>과 같다. 일사시간대인 08시 20분부

터 16시 40분까지 온실 내의 배출구 공기온도 측정결과, 실험체 평균 17.4℃로 흡입구 공기온도 15.9℃에 비해 1.

5℃ 높은 것으로 나타났다.

축열관 길이 3m에 단열필름과 검정색테이프를 부착한

Ⅰ-3 실험체의 실험결과는 <Fig. 8>과 같다. 일사시간대 인 08시 20분부터 16시 40분까지 온실 내의 배출구 공기 온도 측정결과, 실험체 평균 22.1℃로 흡입구 공기온도 16.4℃에 비해 5.7℃ 높은 것으로 나타났다.

축열관 길이 3m의 일반연통인 Ⅰ-4 실험체의 실험결

Ⅰ-1 (단열필름+은박단열)

Ⅰ-2 (단열필름)

Ⅰ-3 (단열필름+검정테이프)

Ⅰ-4 (일반연통) 온실>실외

or 온실<실외

실외

온실 내 온실 내 온실 내 온실 내

흡입 배출 배출

- 흡입 흡입 배출 배출

- 흡입

08:20 ~ 16:40 5.7 14.0 16.7 2.7 15.9 17.4 1.5 16.4 22.1 5.7 15.7 20.0 4.3

16:40 ~ 08:20 1.9 0.5 0.8 0.3 0.7 1.3 0.6 0.6 1.1 0.5 0.9 1.1 0.2

낮 - 밤 3.8 13.5 15.9 2.4 15.2 16.1 0.9 15.8 21.0 5.2 14.8 18.9 4.1

Ⅱ-1 (단열필름+은박단열)

Ⅱ-2 (단열필름)

Ⅱ-3 (단열필름+검정테이프)

Ⅱ-4 (일반연통) 온실>실외

or 온실<실외

실외

- 흡입

08:10 ~ 16:40 1.8 8.0 11.9 3.9 9.8 12.1 2.3 10.0 17.8 7.8 9.7 15.0 5.3

16:40 ~ 08:10 -2.2 -3.8 -3.7 0.1 -3.6 -3.3 0.3 -4.7 -4.5 0.2 -3.5 -3.8 -0.3

낮 - 밤 4.0 11.8 15.6 3.8 13.4 15.4 2.0 14.7 22.3 7.6 13.2 18.8 5.6

Ⅲ-1 (단열필름+은박단열)

Ⅲ-2 (단열필름)

Ⅲ-3 (단열필름+검정테이프)

Ⅲ-4 (일반연통) 온실>실외

or 온실<실외

실외

- 흡입

08:20 ~ 16:50 7.6 16.6 21.3 4.7 15.8 18.2 2.4 19.8 30.3 10.5 16.2 23.8 7.6

16:50 ~ 08:20 3.4 1.7 1.9 0.2 2.4 2.3 -0.1 2.1 1.4 -0.7 1.4 2.2 0.8

낮 - 밤 4.2 14.9 19.4 4.5 13.4 15.9 2.5 17.7 28.9 11.2 14.8 21.6 6.8 Table 2. Results of experiment (Average temperature ; ℃)

(5)

과는 <Fig. 9>와 같다. 일사시간대인 08시 20분부터 16 시 40분까지 온실 내의 배출구 공기온도 측정결과, 실험 체 평균 20.0℃로 흡입구 공기온도 15.7℃에 비해 4.3℃

높은 것으로 나타났다.

따라서, 소결로 ⅠType 실험체의 열적 성능평가 결과,

Ⅰ-3(5.7℃ 증가) > Ⅰ-4(4.3℃ 증가) > Ⅰ-1(2.7℃ 증가)

> Ⅰ-2(1.5℃ 증가)로 Ⅰ-3(단열필름+검정테이프)이 가장 효과적인 것으로 나타났다.

(2) ⅡType 실험체

Fig. 10. Experimental results (Ⅱ-1)

축열관 길이 5m에 단열필름과 은박단열재를 부착한

Ⅱ-1 실험체의 실험결과는 <Fig. 10>과 같다. 일사시간 대인 08시 10분부터 16시 40분까지 온실 평균내부온도는 9.4℃로, 평균외부온도 1.8℃에 비해 7.6℃ 높은 것으로 나타났다. 밤 시간대인 16시 40분부터 다음날 08시 10분 까지의 온실 평균내부온도는 –2.0℃로, 평균외부온도 – 2.2℃에 비해 0.2℃ 낮은 것으로 나타났다. 또한, 일사시 간대인 08시 10분부터 16시 40분까지 온실 내의 배출구 공기온도 측정결과, 실험체 평균 11.9℃로 흡입구 공기온 도 8.0℃에 비해 3.9℃ 높은 것으로 나타났다.

이러한 결과는 외부공기가 온실내에서 1차로 9.4℃로 상승하였고 단열필름과 은박단열재를 부착한 5m의 축열 관을 통과하면서 2차로 3.9℃ 높아진 것으로, 결과적으로 외부공기를 바로 지열만으로 이용하는 기존의 시스템과 비교하여 10.1℃ 높은 공기를 지열활용 시스템에 투입할 수 있기 때문에 최종적으로 보다 높은 실내공기온도 배 출이 가능할 것으로 판단된다.

축열관 길이 5m에 단열필름만을 부착한 Ⅱ-2 실험체 의 실험결과는 <Fig. 11>과 같다. 일사시간대인 08시 10 분부터 16시 40분까지 온실 내의 배출구 공기온도 측정 결과, 실험체 평균 12.1℃로 흡입구 공기온도 9.8℃에 비 해 2.3℃ 높은 것으로 나타났다.

축열관 길이 5m에 단열필름과 검정색테이프를 부착한

Ⅱ-3 실험체의 실험결과는 <Fig. 12>와 같다. 일사시간 대인 08시 10분부터 16시 40분까지 온실 내의 배출구 공 기온도 측정결과, 실험체 평균 17.8℃로 흡입구 공기온도 10.0℃에 비해 7.8℃ 높은 것으로 나타났다.

축열관 길이 5m의 일반연통인 Ⅱ-4 실험체의 실험결 과는 <Fig. 13>과 같다. 일사시간대인 08시 10분부터 16 시 40분까지 온실 내의 배출구 공기온도 측정결과, 실험 체 평균 15.0℃로 흡입구 공기온도 9.7℃에 비해 5.3℃ 높 은 것으로 나타났다.

따라서, 소결로 ⅡType 실험체의 열적 성능평가 결과,

Ⅱ-3(7.8℃ 증가) > Ⅱ-4(5.3℃ 증가) > Ⅱ-1(3.9℃ 증가)

> Ⅱ-2(2.3℃ 증가)로, ⅠType과 마찬가지로 Ⅱ-3(단열필 름+검정테이프)이 가장 효과적인 것으로 나타났다.

(3) ⅢType 실험체

Fig. 14. Experimental results (Ⅲ-1)

축열관 길이 7m에 단열필름과 은박단열재를 부착한

Ⅲ-1 실험체의 실험결과는 <Fig. 14>와 같다. 일사시간 대인 08시 20분부터 16시 50분까지 온실 평균내부온도는 17.1℃로, 평균외부온도 7.6℃에 비해 9.5℃ 높은 것으로 나타났다. 밤 시간대인 16시 50분부터 다음날 08시 20분 까지의 온실 평균내부온도는 1.9℃로, 평균외부온도 3.4℃

에 비해 1.5℃ 낮은 것으로 나타났다.

또한, 일사시간대인 08시 20분부터 16시 50분까지 온실

내의 배출구 공기온도 측정결과, 실험체 평균 21.3℃로

흡입구 공기온도 16.6℃에 비해 4.7℃ 높은 것으로 나타

(6)

났다. 이러한 결과는 외부공기가 온실내에서 1차로 9.5℃

로 상승하였고 단열필름과 은박단열재를 부착한 7m의 축 열관을 통과하면서 2차로 4.7℃ 높아진 것으로, 결과적으 로 외부공기를 바로 지열만으로 이용하는 기존의 시스템 과 비교하여 13.7℃ 높은 공기를 지열활용 시스템에 투입 할 수 있기 때문에 종국적으로 보다 높은 실내공기온도 배출이 가능할 것으로 판단된다.

축열관 길이 7m에 단열필름만을 부착한 Ⅲ-2 실험체 의 실험결과는 <Fig. 15>와 같다. 일사시간대인 08시 20 분부터 16시 50분까지 온실 내의 배출구 공기온도 측정 결과, 실험체 평균 18.2℃로 흡입구 공기온도 15.8℃에 비 해 2.4℃ 높은 것으로 나타났다.

축열관 길이 7m에 단열필름과 검정색테이프를 부착한

Ⅲ-3 실험체의 실험결과는 <Fig. 16>과 같다. 일사시간 대인 08시 20분부터 16시 50분까지 온실 내의 배출구 공 기온도 측정결과, 실험체 평균 30.3℃로 흡입구 공기온도 19.8℃에 비해 10.5℃ 높은 것으로 나타났다.

축열관 길이 7m의 일반연통인 Ⅲ-4 실험체의 실험결 과는 <Fig. 17>과 같다. 일사시간대인 08시 20분부터 16 시 50분까지 온실 내의 배출구 공기온도 측정결과, 실험 체 평균 23.8℃로 흡입구 공기온도 16.2℃에 비해 7.6℃

높은 것으로 나타났다.

따라서, 소결로 ⅢType 실험체의 열적 성능평가 결과,

Ⅲ-3(10.5℃ 증가) > Ⅲ-4(7.6℃ 증가) > Ⅲ-1(4.7℃ 증 가) > Ⅲ-2(2.4℃ 증가)로, ⅠType 및 ⅡType과 같이 Ⅲ

-3(단열필름+검정테이프)이 가장 효과적인 것으로 나타났 다. 또한, Ⅰ∼Ⅲ Type 중 가장 효과적인 것으로 나타난 단열필름과 검정테이프 실험체의 축열재 길이에 따른 성 능평가 결과는 3m, 5m 및 7m에 따라 각각 5.7℃, 7.8℃

및 10.5℃씩 축열온도가 증가하는 것으로 나타나, 축열관 길이가 길어질수록 온도가 높아질 것으로 판단되나, 관내 의 공기마찰로 인한 유체흐름의 저하가 예상되므로, 이를 고려한 관경과 길이의 효율적인 설계가 요구된다.

3.2 시뮬레이션 (1) Case 1

Fig. 18. Numerical value interpretation residual of a specimen(Ⅰ-1)

Fig. 19. Temperature distribution of specimens around the thermal storage pipe (Ⅰ-1)

Ⅰ-1 실험체의 수치해석 결과, 1000회의 연산으로 잔차 값이 모두 0.001 미만으로 수렴하였다. 실외온도 5.7℃의 공기가 온실상단(좌측)으로 인입되며, 온실외벽을 통해 열을 취득하게 된다. 온실내부에서 14℃로 덥혀진 공기의 열은 흡입구를 통해 축열관 안으로 전달된다. 관을 통과 한 공기는 16.7℃로 상승하여 배출구를 통해 배출된다.

Fig. 20. Air current distribution diagram of specimens around the thermal storage pipe (Ⅰ-1)

(7)

온실 내부에서 기류의 흐름은 온실로 유입되는 복사에 너지와 축열관 내부로 기류를 유도하는 팬의 동작에 기 인한다. 축열관 주위에서는 복사열의 흡수로 배관 주변의 공기는 차가와져서 하강류를 발생시킨다. 반면 축열관 내 부의 공기는 열을 흡수하여 온도상승이 일어난다. 온실 내부의 흡입구와 배출구에서의 기류와 유속에 의해서 같 은 시간대라 할지라도 온실 내부의 공기온도는 크게 달 라진다. 시뮬레이션 결과는 실험결과 값을 통해 계측된 온도분포를 경계값으로 사용하였으며, 분석된 결과는 정 상상태에서 계측값과 유사한 결과를 산출하였다.

Fig. 21. Numerical value interpretation residual of a specimen (Ⅰ-3)

Ⅰ-3 실험체의 수치해석 결과, 1000회의 연산으로 잔차 값이 모두 0.001 미만으로 수렴하였다. 실외온도 5.7℃의 공기가 온실상단(좌측)으로 인입되며, 온실외벽을 통해 열을 취득하게 된다. 온실내부에서 16.4℃로 덥혀진 공기 의 열은 흡입구을 통해 축열관 안으로 전달된다. 관을 통 과한 공기는 22.1℃로 상승하여 배출구를 통해 배출된다.

I-1과 I-3은 실험시간대는 같으나, 외부환경조건이 달 라서 흡입기류의 온도와 온실내부 온도의 차이가 있다.

복사열을 흡수하는 배관의 열적 흡열능력의 차를 축열관 의 복사열 흡수정도에 따라 모델링하였으며, 시뮬레이션 결과는 계측된 값에 따라 온도차이가 2.7℃와 5.7℃로 나 타났다.

Ⅰ-4 실험체의 경우, 실외온도 5.7℃의 공기가 온실상 단(좌측)으로 인입되며, 온실외벽을 통해 열을 취득하게 된다. 온실내부에서 15.7℃로 덥혀진 공기의 열은 흡입구 를 통해 축열관 안으로 전달된다. 관을 통과한 공기는 20.0℃로 상승하여 배관에서 배출된다.

축열재의 축열성능 변화에 따라 같은 속도의 팬과 외 기유입이 있을 경우에도 내부의 기류속도는 변화하게 되 며, 특히 축열관 주위에서의 온도변화는 축열관 주위에 기류를 변화시킨다. 축열효과가 큰 I-1, I-3, I-4의 시뮬레 이션 결과, 축열관 흡입구 상단에서 축열이 일어나고, 온 실내부에서 저온역이 발생하는 것이 확인된다. 배출구에 서는 가열된 공기가 배출되어 온실내부의 온도를 상승시 킨다.

(2) Case 2

시뮬레이션 Case 2는 실험케이스 I-3(단열필름+검정테

이프)과 같은 물리환경을 모델링 한 것이다. 실험케이스

I-3은 ∆t 5.7℃로 축열효과가 가장 좋은 경우에 해당한

다. 이것은 온실내부의 열을 가장 잘 흡수하는 상황이 된

(8)

다. <Fig. 27>를 통해 흡입구를 통해 흡입되는 기류와 온 실내부에서의 기류흐름을 확인할 수 있다.

Fig. 26. Specimen’s inlet (Ⅰ-3)

Fig. 27. Air current flow diagram around the specimen’s inlet (Ⅰ-3)

Fig. 28. Specimen’s outlet (Ⅰ-3)

Fig. 29. Air current flow diagram around the specimen’s outlet (Ⅰ-3)

축열관은 흡입구 측의 동력으로 관내 기류흐름을 발생 시키는데, 덥혀진 공기의 유동에 저항하는 공기밀도변화 와 관의 형상에 의해 축열관의 배출구 유속은 매우 작은

것을 예측할 수 있다. 온실 내부의 공기유동이 발생하는 측으로 <Fig. 29>의 우측하단 외부흐름이 존재하는데, 정 상상태(Steady State)의 연산에서 지속적인 열의 누적현 상을 제거하기 위한 기류속도와 유동장 내부에서의 온도 효과에 따른 기류흐름이 발생하게 된다. 외부 경계조건을 압력(Pressure) 조건으로 하였으나, 본 실험에 있어 향후 검증을 위해서는 온실내부로 유입되는 공기량과 유속, 온 도에 대해서 재검토가 필요할 것으로 판단된다. <Fig.

26>과 <Fig. 28>은 각각 실험체의 상하부인 흡입구와 배 출구 현장사진이며, <Fig. 27>과 <Fig. 29>는 각각 축열 관 상부 흡입구와 하부 배출구를 모델링한 기류 흐름도 를 나타낸다.

4. 결 론

태양열과 지열을 동시에 이용하여 그 효율을 극대화하 는 난방용 하이브리드 공기순환시스템 개발의 기초자료 제공을 목적으로, 기존의 지중열 이용방식의 외부공기 흡 입구에 태양열을 이용한 트롬월식 축열재의 축열성능에 대한 실험 및 시뮬레이션 연구결론은 다음과 같다.

(1) 축열관 길이가 3m, 5m 및 7m의 모든 실험체에서 일반연통에 단열필름과 검정테이프을 부착한 실험체의 축열효과가 각각 5.7℃, 7.8℃ 및 10.5℃ 상승하여 가장 우수한 것으로 나타났으며, 축열관 길이가 길어짐에 따라 축열효과도 커지는 것으로 나타났다. 다만, 축열관 길이 가 길어짐에 따라 축열관 내부의 공기마찰 등으로 인한 유체흐름이 저하될 것으로 예상되므로, 이를 고려한 추가 연구를 통한 최적의 설계가 필요할 것으로 판단된다.

(2) 시뮬레이션 결과, 축열관 주위에서는 복사열의 흡 수로 배관 주변의 공기는 차가와져서 하강류가 발생되며, 축열관 내부의 공기는 열을 흡수하여 온도상승이 일어난 다. 온실 내부의 흡입구와 배출구에서의 기류와 유속에 의해서 같은 시간대라 할지라도 온실 내부의 공기온도는 달라지는 것으로 나타났다.

향후, 축열관, 외기흡입구 및 배출구의 위치와 관경 그 리고 유속 관련하여 추가적인 실험과 시뮬레이션을 진행 함으로써 트롬월 시스템의 효율적인 설계방법을 향상할 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌

1. 박경수·박성현·서장후, 축열재료에 따른 트롬월시스템의 열적 성능평가, 대한건축학회 학술발표대회논문집, 2012

2. 윤종호·백남춘·신우철, 자연형태양열 트롬월 축열벽 시스템의 열성능 특성 실측 분석 연구, 한국태양에너지학회논문집, 2008

3. U.S. Department of Energy 2001 annual report

접수일자 : 2017. 08. 10 수정일자 1차 : 2017. 11. 07 게재확정일자 : 2017. 11. 10