Analysis on the Energy Performance of Solar Water Heating System according to the Configuration of Flat Plate Collectors

***†김용식(교신저자) : 국립인천대학교 도시건축학부 E-mail : [email protected], Tel : 032-835-9250

*고명진 : (주)나비환경설비컨설턴트

**임보민 : (주)에스비환경디자인

***†Kim Yong-Shik(corresponding author) : Division of Architecture

& Urabn Planning, Incheon National University.

E-mail : [email protected], Tel : 032-835-9250 *Ko Myeong-Jin : Nabi ENG.

**Lim Bo-Min : Sustainable Building Environment Desegn Group

태양열급탕시스템의 집열기 배열에 따른 에너지성능 분석 및 평가

Analysis on the Energy Performance of Solar Water Heating System according to the Configuration of Flat Plate Collectors

고명진*․임보민**․김용식***†

Ko Myeong-Jin*, Lim Bo-Min** and Kim Yong-Shik***†

(Received 29 June 2016; accepted 27 July 2016)

Abstract : The objective of this work is to analyze the variation in energy performance for each flat plate collector connected in series. In this study, it was assumed that solar water heating system with annual solar fraction of 60% was installed in an office building in Seoul, South Korea. The transient energy performance corresponding to four cases, which are selected using different solar radiation and outdoor air temperature, is studied by analyzing the variation in outlet temperature, solar useful heat gain, and thermal efficiency of each collector. It is observed that the useful heat gain and the collector efficiency decrease continuously, and outlet temperature increases when increasing the number of collector connected in series. The long-term performance is assessed by evaluating the thermal efficiency of each collector for two solar radiation conditions ranging from 780 to 820 W/㎡ and from 380 to 420 W/㎡. It is found that the differences between the intercept and slope of the efficiency curves for first and eighth collectors are 3.68% and 6.74% for solar radiation of 800 ± 20 W/㎡ and 8.57% and 12.90% for solar radiation of 400 ± 20 W/㎡, respectively. In addition, it is interesting to note that annual useful heat gain and collector efficiency are reduced with similar rate of about 6.13% when increasing the collector area by connecting the collectors in series.

Key Words : 태양열급탕시스템(Solar water heating system), 집열기 배열(Collector configuration), 유효 집열에너지 (Solar useful heat gain), 집열기 효율(Collector efficiency), 분석 및 평가(Analysis and evaluation) [논문] 한국태양에너지학회 논문집

Journal of the Korean Solar Energy Society

Vol. 36, No. 4, 2016 ISSN 1598-6411 EISSN 2508-3562 http://dx.doi.org/10.7836/kses.2016.36.4.049

기 호 설 명

_ : 집열기 전면적 (㎡)

_{ } : 순환유체 비열 (kJ/kg℃)

_ : 집열기 열제거 계수 (-)

_ : 열효율 곡선 y축 절편 (-)

__ : 열효율 곡선 기울기 (W/㎡℃)

_ : 경사면 일사량 (W/㎡)

_ : 집열기 순환유량 (kg/s)

 : 직렬 연결 집열기 매수 (ea)

_ : 집열기 유효 집열에너지 (Wh)

_ : 집열기 입구온도 (℃)

_ : 집열기 주변 외기온도 (℃)

_ : 집열기 열손실 계수 (W/㎡℃)

1. 서 론

태양열이용시스템은 경제적인 신재생에너 지시스템 중 하나로, 세계적으로 관련 시장은 지속적인 성장을 보이고 있다¹⁾. 또한 태양열 이용시스템은 전통적 적용 분야인 급탕에서부 터 건물 난방 및 냉방에 이르기까지 다양한 분야에서 활용이 가능하다²⁾.

태양열이용시스템의 사용자 및 관리자에 게 경제적 이익을 보장하기 위해서는 합리적 인 시스템 설계가 중요하다. 이에 현재까지 태양열이용시스템에 대한 에너지성능 분석 연구 및 경제성 평가 연구, 최적화 설계 연구 등 많은 연구들이 지속적으로 발표되고 있 다. 그러나 태양열이용시스템의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 판단되는 태양열집열 기 및 이의 구성 등에 관한 연구는 아직 부 족한 실정이다²⁾.

일반적으로 건물에 설치되는 태양열집열 기는 적절한 직․병렬 조합으로 구성된다. 집 열기가 직렬로 설치될 때, 각 집열기를 통과

하는 유량은 일정하고 집열기 출구 순환유체 의 온도는 집열기를 통과하면서 증가한다. 반 면, 집열기의 병렬연결에서 총 순환유량은 각 병렬 회로에서 동일하게 분배되며 출구 순환 유체의 온도는 동일하게 나타난다. 따라서 이 러한 집열기 직․병렬연결에 따른 순환유체 의 유량 및 온도변화 특성은 태양열시스템의 전반적인 에너지성능에 영향을 미치게 된다.

이와 관련한 선행연구들에서 Garg³⁾는 집열 기의 병렬 배열이 시스템 최대 효율과 경제성 을 나타낸다고 보고하였다. Morrison⁴⁾은 집 열기의 직․병렬 배열 구성에 대한 유량 배분 과 압력 저하에 대해 연구하였다. Luminosu 와 Fara⁵⁾는 집열기 직렬 연결 매수가 증가함 에 따라 집열기 효율이 감소함을 보고하였 다. 그러나 이러한 선행연구에도 불구하고 집 열기의 직․병렬 연결 특성에 따른 에너지성 능 변화를 정량적으로 분석한 연구는 부족한 실정이다.

이에 본 연구에서는 직렬연결 매수 증가에 따른 각 집열기의 에너지성능 변화를 정량적 으로 분석 평가하였다. 세부적인 연구내용으 로, 직렬연결 특성에 따른 단기적 에너지성능 은 서로 다른 4가지 기상조건 하에서 직렬 연 결된 각 집열기의 순환유체 출구온도, 유효 집 열에너지, 집열효율의 변화를, 장기적 에너지 성능은 2가지 일사량 조건하에서의 열효율 곡 선 변화와 연간 집열에너지 및 집열효율 변화 를 분석 평가하였다.

분석 평가 대상시스템은 국내 태양열이용시 스템의 대표적 이용 분야를 고려하여 태양열 급탕시스템으로 설정하였다. 아울러 태양열급 탕시스템의 에너지해석은 동적 에너지해석 분 야에서 높은 정확성을 인정받아 세계적으로 널리 사용되고 있는 TRNSYS 프로그램을 이 용하였다.

2. 태양열급탕시스템 수치해석 개요

2.1 태양열급탕시스템 해석 모델

동일한 제원의 평판형 집열기가 N개 직렬 연 결된 배열에서의 태양열집열기의 유효 집열에너 지는 식 (1)⁶⁾을 통해 계산한다. 아울러 집열기 성 능에 영향을 미치는 두 변수인 집열효율(_) 과 열손실율(__)의 직렬연결에 따른 보정은 식 (2)～(4)⁶⁾를 이용하여 계산할 수 있다.

_ _^{}_____ _ ⁽¹⁾

^_^{ }





   ^

 ₍₂₎

___^{ }_





   ^

 ₍₃₎

  __

___

(4)

2.2 급탕부하 및 기상자료

본 연구의 대상 시스템은 재실인원 1,000명 규모 업무용 건물의 연간 급탕부하를 약 60%

분담할 수 있는 태양열급탕시스템으로 설정하 였다. 연간 급탕부하는 인원수에 의한 방법을 이용하여 산정하였으며, 급탕부하 산정을 위 한 1인 1일 급탕량은 4ℓ, 급탕 공급온도 60℃

로 설정하였다. 아울러 급탕량은 업무용 건물 의 시간별 급탕량 사용비율⁷⁾을 반영하여 산출 하였다. Fig. 1은 대상 건물의 시간별 급탕량 산정 결과이다.

대상 지역은 서울로 설정하였으며, 일사량 및 외기온도 등의 기상 데이터는 한국태양에 너지학회의 서울지역 표준년 기상데이터를 이 용하였다. Fig. 2는 서울지역 연간 시간별 수평 면 전일사량과 외기온도의 변화를 나타낸다.

Fig. 1 Hourly hot water consumption over one day

Fig. 2 Hourly global horizontal solar radiation and outdoor air temperature for Seoul, South Korea

2.3 태양열급탕시스템 제원

태양열급탕시스템은 국내에서 일반적으로 적용되고 있는 열교환기 외부설치 축열조 직접 이용 방식의 시스템으로 설정하였다. Table 1 은 주요 구성기기인 집열기, 순환펌프, 축열조, 콘트롤러 등의 세부 제원을 나타낸다.

대상 건물 급탕부하에 대해 약 60%의 태양 열 의존율을 담당하기 위해 필요한 집열기의 수량은 약 40개로 산출되었다. 집열기 배열의 경우 직렬로 최대 8매 이내로 설치하도록 하 는 산업현장의 일반적인 권고사항을 반영하 여, 직렬로 8매 연결하고 5개의 병렬 회로를 갖도록 구성하였다.

Fig. 3 Solar water heating system TRNSYS modeling

Parameter Values

Collector

Gross area [㎡] 2

Slope [degree] 35

_ [-] 0.7445

__ [W/㎡℃] 4.8483 Fluid specific heat [kJ/kg℃] 3.843

Mass flow rate [kg/s] 0.04 Total quantity [ea.] 40 Number of collectors in series

in array [ea.] 8

Number of collectors in parallel

in array [ea.] 5

Pump Mass flow rate [kg/h] 720

Rated power [W] 745.56

Tank

Tank volume [㎥] 4

Fluid specific heat [kJ/kg℃] 4.19 Tank loss coefficient [W/㎡.K] 0.694

Controller

Temperature difference of the upper dead band [℃] 10 Temperature difference of the

lower dead band [℃] 2 Table 1. Specification of solar water heating system

3. 결과 분석 및 고찰

3.1 집열기 직렬연결에 따른 단기적 에너 지성능 변화

서로 다른 기상조건 하에서 직렬로 8매 연결 된 집열기 배열에서, 연결 매수 증가에 따른 각 집열기 출구 순환유체 온도와 집열에너지량, 집열효율의 단기적 변화를 분석하였으며, 그 결과는 Fig. 4와 같다. 이러한 에너지성능 변화

는 부하측 운전 조건의 영향을 제외하고 기상 조건에 따른 영향만을 반영하여 분석하였으 며, Table 2는 사례별 분석 조건을 나타낸다.

Fig. 4(a)는 총 8매의 집열기가 직렬 연결된 배열에서 각 집열기 순환유체의 출구온도를 나타낸다. 첫 번째 집열기의 입구 온도가 약 30℃로 일정한 조건에서, 집열기 출구온도의 상승은 Case 1이 가장 높으며 다음으로 Case 2, Case 3, Case 4 순으로 높게 나타났다. 이를 통해 집열 성능은 입사되는 일사량이 많고 외 기온도가 높을수록 향상되며, 집열기 출구온 도 증가는 외기온도 보다 일사량에 의해 더 큰 영향을 받음을 확인할 수 있다.

Case Solar

radiation [W/㎡]

Outdoor air temperature

[℃]

Tank outlet temperature

[℃]

Case 1 822.7 21.1 31.6

Case 2 820.5 9.4 29.6

Case 3 429.9 20.0 29.1

Case 4 421.8 9.5 29.1

Table 2. Analysis condition on the variation of energy performance for each collector connected in series

corresponding to Case 1～4.

Fig. 4(b)는 직렬 연결된 배열에서 각 집열 기의 입․출구 순환유체 온도 차이를 나타낸 것이다. 동일한 제원의 집열기임에도 불구하 고 각 집열기에서의 순환유체 온도 상승폭은 후속 집열기일수록 점차 감소하는 것으로 나 타났다. 일사량 및 외기온도가 높은 조건인 Case 1의 경우 집열기를 직렬로 1매 증가함에 따라 약 0.33℃의 높은 온도상승 저감효과를 보였으며 이에 첫 번째 집열기 대비 마지막 집열기의 온도 상승폭은 약 2.35℃ 감소하였 다. 반면, 일사량과 외기온도가 낮은 Case 4에 서는 약 0.12℃의 상대적으로 낮은 온도상승 저감효과를 보였다.

Fig. 4 Variation in (a) outlet temperature, (b) difference between inlet and outlet temperatures, (c) solar useful heat gain, and (d) collector efficiency for each collector connected in series corresponding to Case 1～4

집열기의 입․출구 순환유체 온도 차이는 유효 집열에너지의 차이를 발생시키며, 이에 대한 분석결과는 Fig. 4(c)에 나타내었다. 높 은 일사량 및 외기온도로 인해 집열기 순환유 체의 출구온도가 높은 Case 1에서 전반적으 로 많은 집열에너지를 보이지만 직렬연결 매 수의 증가에 따른 높은 온도상승 저감효과로 인해 집열에너지 감소도 크게 발생함을 확인 할 수 있다. 직렬 연결된 집열기 배열에서 후 속 집열기에서의 집열에너지 감소는 Case 1

～ Case 4에서 모두 발생하나 입․출구 순환 유체 온도차이의 감소폭이 클수록 크게 나타 남을 알 수 있다.

Fig. 4(d)는 집열기 에너지성능의 정량적 평 가 지표인 집열효율에 대한 분석결과를 나타 낸다. 유효 집열에너지 감소의 영향으로 집열 기 직렬연결 매수 증가에 따른 후속 집열기의 평균적인 집열효율 저하는 Case 1이 약 3.12%

로 가장 높았으며, Case 2 ～ Case 4는 각각 2.90%, 2.8%, 2.10%로 산출되었다. 첫 번째 집 열기의 집열효율과 비교하여 마지막 집열기의 집열효율은 Case 1 ～ Case 4에서 각각 21.9%, 20.3%, 19.7%, 14.7%로 감소하였다. 이를 통해 집열기 직렬연결 매수 증대에 따른 후속 집열 기의 집열효율 감소가 크게 나타남을 확인할 수 있다.

3.2 집열기 직렬연결에 따른 연간 에너지 성능 변화

직렬 연결된 배열에 따른 각 집열기의 에너 지성능 변화를 보다 장기적이며 정량적으로 파악하기 위한 분석을 실시하였다. 태양열집 열기의 성능은 특정 운전조건하에서 효율곡선 으로 파악될 수 있으며, 이에 대한 분석결과는 집열기 제원상의 성능과 실제 운영상의 성능 을 비교하는 자료로 활용될 수 있다.

Table 3과 Fig. 5는 집열기에 입사된 일사 량의 강도에 따라 구분된 조건하에서, 직렬 연 결된 8매의 각 집열기에서 추정된 효율곡선의 열효율(_)과 열손실율(__)을 정리하여 나타낸 것이다. 집열기의 제원상 전면적 기준 열효율과 열손실율이 각각 0.7445와 4.8483 W/㎡℃임을 고려할 때, 변화하는 기상조건 및 급탕부하 등의 영향으로 열효율과 열손실 율이 전반적으로 감소하는 것으로 나타났다.

아울러, 8매가 직렬 연결된 배열에서 모든 집 열기는 동일한 기상조건에 노출되지만 연결매 수의 증가에 따른 각 집열기 입구측 순환유체 의 온도 변화 특성으로 인해 상이한 열효율과 열손실율을 보이는 것으로 분석되었다.

일사량이 800 ± 20 W/㎡로 높은 조건에서 추정된 열효율과 열손실율의 경우 최초 집열 기는 0.6691과 4.6399 W/㎡℃인 반면 마지막 집열기는 0.6445와 4.3272 W/㎡℃로, 각각 3.68%와 6.74% 감소하였다. 상대적으로 일사 량이 낮은 400 ± 20 W/㎡ 조건에서 추정된 열 효율과 열손실율은 최초 집열기에서 0.6044와 4.3146 W/㎡℃, 마지막 집열기에서 0.5526과 3.7581 W/㎡℃로 나타나 각각 8.57%와 12.90%

감소하였다. 따라서 일사량이 낮은 조건하에 서 직렬연결 매수 증가에 따른 후속 집열기의 성능 저하가 더 크게 나타남을 확인할 수 있 다. 아울러 후속 집열기일수록 열손실율이 감

소하여 집열에너지의 증가에 긍정적 영향을 미치나 열효율 감소가 집열기 에너지성능에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다.

Collectors

Solar radiation [W/㎡]

780≤ _≤820 380≤ _≤420

_

[-]

__ [W/㎡℃]

_

[-]

__ [W/㎡℃]

1 0.6691 4.6399 0.6044 4.3146

2 0.6676 4.6118 0.5998 4.2569

3 0.6657 4.5814 0.5943 4.1922

4 0.6631 4.5438 0.5880 4.1209

5 0.6597 4.4995 0.5808 4.0429

6 0.6555 4.4476 0.5724 3.9550

7 0.6508 4.3950 0.5630 3.8599

8 0.6445 4.3272 0.5526 3.7581

Table 3. Variations in slope and intercept of efficiency curves based on collector gross area for each collector connected in series for the different solar radiations.

Fig. 5 Data on three collector efficiency curves based on collector gross area: (a) solar radiation of 800 ± 20 W/㎡

and (b) solar radiation of 400 ± 20 W/㎡

집열기의 직렬연결 매수 증가에 따른 연간 에너지성능 변화를 각 집열기의 집열에너지량 과 집열효율을 이용하여 분석하였으며, 그 결 과는 Fig. 6와 같다.

직렬 연결된 배열에서, 선행하여 배치된 집 열기에 비해 후속 집열기의 연간 집열에너지 의 정량적인 감소량은 2 번째 집열기부터 8 번째 집열기까지 각각 72.58 kWh, 68.14 kWh, 63.96 kWh, 60.03 kWh, 56.35 kWh, 52.89 kWh, 49.66 kWh로 분석되었다. 후속 집열기의 연간 집열효율의 정량적인 감소량은 2 번째 집열기 부터 8 번째 집열기까지 각각 2.79%, 2.62%, 2.46%, 2.31%, 2.17%, 2.03%, 1.91%로 나타났 다. 한편 직렬연결 매수 증가에 따른 각 집열기 의 연간 유효 집열에너지와 집열효율의 변화는 Fig. 6에서 확인할 수 있듯이 선형적인 관계를 보이며, 평균적인 감소량은 약 60.39 kWh와 2.32%로 나타났다. 아울러 집열기를 직렬로 1 매 증가함에 따른 연간 집열에너지와 집열효 율의 상대적인 감소는 약 6.13%의 매우 일정 한 비율을 나타내는 것으로 분석되었다.

Fig. 6 Variation in annual useful heat gain and collector efficiency for each collector connected in series

따라서 집열기 직렬연결은 순환유체 출구온 도를 증가시키지만 또한 열손실의 증가도 야

기함에 따라 향후 에너지성능 및 경제성을 고 려한 합리적인 배열 방안에 대한 검토가 필요 할 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 논문에서는 TRNSYS 프로그램을 이용 하여 태양열 집열기의 연결 특성에 따른 집열 기의 출구온도와 집열에너지, 집열효율 등 에 너지성능 변화에 대해 단기 및 장기적 관점에 서 정략적으로 분석 평가하였다. 연구의 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 집열기 직렬연결 매수가 증가함에 따라 출 구 순환유체의 온도는 증가하지만 각 집열 기에서의 온도상승 효과는 일정한 비율로 감소하였다. 아울러 후속 집열기에서 발생 하는 온도상승 효과의 감소는 집열기 순환 유체가 고온일수록 더 크게 발생함을 확인 하였다.

(2) 열효율 곡선을 통한 에너지성능 분석결과, 동일 제원의 직렬 연결된 8매의 집열기들 에서 후속 집열기일수록 열효율과 열손실 율은 모두 감소하는 것으로 분석되었다.

직렬 연결된 첫 번째 집열기 대비 마지막 집열기의 열효율과 열손실율은 일사량이 높은 800 ± 20 W/㎡에서 3.68%와 6.74%, 일사량이 낮은 400 ± 20 W/㎡에서 8.57%

와 12.90%의 감소를 나타내었다.

(3) 8매의 집열기가 직렬 연결된 배열에서, 집 열기 매수 증대에 따른 후속 집열기에서 의 연간 집열에너지는 약 60.39 kWh, 연간 집열 효율은 약 2.32% 감소하는 것으로 분석되었다.

향후 연구에서는 집열기 직․병렬 배열의 구성 및 이에 따른 유량배분과 압력저하 등을 고려한 정량적 에너지성능 변화에 대한 분석

평가를 지속적으로 실시할 계획이다.

후 기

본 논문은 인천대학교 2015년도 자체연구비 지 원에 의하여 연구되었음.

Reference

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2. Lim, B. M., Ko, M. J., Kim, Y. S., Energy performance analysis of solar water heating system according to the configuration of flat plate collectors using TRNSYS simulation, Korean Society of Living Environmental System Autumn Conference Proceedings, pp. 51-54, 2015.

3. Garg, H. P., Design and performance of a large-sized solar water heater, Solar Energy, Vol. 14, pp. 303-312, 1973.

4. Morrison, G. L., Solar Collectors, In: J. Gordon, Ed., Solar Energy-The State of the Art-ISES Position Papers, James and James Science Publishers, pp. 145-221, 2001.

5. Luminosu, I., Fara, L., Determination of the optimal operation mode of a flat solar collector by exergetic analysis and numerical simulation, Energy, Vol. 30, No. 5, pp. 731-747, 2005.

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department of energy commercial reference building models of the national building stock.

http://www.nrel.gov/docs/fy11osti/46861.pdf.