Performance Evaluation of Hybrid Solar Air-Water Heater when the Heated Air is used as Inlet Air during Air and Water is Heated Simultaneously

**†최광환: 부경대학교 냉동공조공학과(교신저자) E-mail: [email protected], Tel: 051-629-6179

*최휘웅: 부경대학교 냉동공조공학과 대학원

**윤정인, 손창효: 부경대학교 냉동공조공학과

**†Kwang-Hwan Choi(corresponding author): Dept. of Refrigeration and Air-conditioning Engineering, Pukyong National University E-mail: [email protected], Tel: 051-629-6179

*Hwi-Ung Choi: Graduate School of Refrigeration and Air-conditioning Engineering, Pukyong National University.

**Jung-In Yoon, Chang-Hyo Son: Dept. of Refrigeration and Air-conditioning Engineering, Pukyong National University

가열 공기 유입에 따른 복합형 태양열 가열기 공기-물 제조 성능에 관한 연구

Performance Evaluation of Hybrid Solar Air-Water Heater when the Heated Air is used as Inlet Air during Air and Water is Heated Simultaneously

(Received 20 August 2015; accepted 12 October 2015)

최휘웅*․윤정인**․손창효**․최광환**†

Choi Hwi-Ung*, Yoon Jung-In**, Son Chang-Hyo** and Choi Kwang-Hwan**†

Abstract :

However, it is hard to conclude that using outdoor air is better than heated air on the perspective of energy saving of building because the performance of heat storage performance was increased even air and total thermal efficiency was decreased, so the necessity of more profound consideration about these result in further research was confirmed for putting the hybrid solar air-water heater to practical use.

Key Words :

[논문] 한국태양에너지학회 논문집 Journal of the Korean Solar Energy Society

Vol. 35, No. 5, 2015 I S S N 1 5 9 8 - 6 4 1 1 http://dx.doi.org/10.7836/kses.2015.35.5.021

Nomenclature

Q

: Useful energy gain [W]

G : Intensity of solar radiation [W/m

] A

: Area of solar collector [m

] ṁ : Mass flow rate [kg/s]

C

: Specific heat of heating medium [kJ/kgK]

T : Temperature [℃]

F

: Collector heat removal factor [-]

U

: Collector overall heat loss coefficient [W/m

K]

Greek symbols

 : Collector efficiency [-]

 : Transmission coefficient of glazing [-]

 : Absorption coefficient of plate [-]

Subscripts

f : Fluid

I : Inlet o : Outlet a : Ambient air : Air L : Liquid t : Total

1. 서 론

화석연료 사용 급증으로 인한 에너지 고갈 과 환경 문제가 대두되면서 신재생에너지에 대한 관심은 계속 증대되고 있으며 이러한 신 재생에너지원 효율 증대를 위한 여러 연구가 진행되고 있다.

이 중 태양열 에너지원 이용효율 증대를 위한 연구의 일환으로 기존 평판형 집열기와 달리 동

일면적에서 온수제조 뿐만 아니라 공기가열 또한 가능한 복합형 태양열 가열기에 관한 연구가 수 행된 바 있다. 이러한 복합형 태양열 가열기는 여 름철 과열 방지를 통한 장기수명화 및 태양열제 습냉방 시스템 효율향상 기여와 겨울철 공조 및 급탕 설비 모두 적용 가능하다는 장점이 있으며, 국외의 경우에도 유사한 형태의 집열기를 이용한 연구가 수행된 바 있으나 집열기 자체 효율 규명 보다는 온수 제조 및 건조 공정 가능성에 주안점 이 맞춰져 진행된 바 있다[1]. 다른 종래 연구에서 는 공기 및 온수만을 제조할때의 집열기 성능, 공 기 가열 및 온수제조를 동시에 수행할 때 각 열매 체 효율 및 일일 운전 특성 등을 확인해보았으나, 모두 외기를 도입하여 수행하였다[2-5]. 하지만 실제 공조 설비에서는 외부로 배출되는 공기 중 일부를 리턴시켜 외기와 혼합 후 사용하게 되며, 해당 집열기도 실제 설비로의 적용 시 외기보다 상승된 온도의 리턴 공기와 같은 가열 공기를 유 입 공기로 이용할 수 있게 된다.

따라서 금번 연구에서는 외기만을 도입한 기 존 연구와 달리, 공기-물 동시 가열이 수행될 때 외기보다 상승된 온도의 가열 공기 유입에 따른 집열기에서의 각 열매체 효율 변화를 살펴보고 자 하였다. 이를 통해 기존 외기 도입의 경우와 어떤 차이를 보이는 지 확인하고, 이후 리턴 공 기 등의 가열 공기 이용 여부 판단 및 실제 설비 적용을 위한 운전방식 결정의 기초자료로써 활 용하고자 하는데에 본 연구의 목적을 두었다.

2. 실험 장비 및 실험 방법

2.1 실험 장비

실험에 사용된 복합형 태양열 가열기는 상

용 제품인 온수제조형 평판형 집열기 하단부

에 공기 채널을 제작하여 온수제조 및 공기가

열 모두 가능하도록 하였으며, 각 공기채널은

수배관과 1대1 대응이 되어있다. 공기채널 내 부에는 흡수판에서 유동 공기로의 전열 성능 을 향상시키기 위해 핀을 설치하였으며 Fig. 1 에 해당 집열기의 구성을 나타내었다.

Fig. 1 Schematic view of structure of hybrid solar air-water heater

(a) Actual view of experiment apparatus of hybrid solar air-water heater with pre-heater

(b) Schematic view of experiment apparatus of hybrid solar air-water heater with pre-heater Fig. 2 Actual and schematic view of experiment

apparatus of hybrid solar air-water heater

해당 집열기에서 액체 측과 같은 경우 집열 기를 순환하며 축열조 내 열매체를 가열하고, 공기 측과 같은 경우 외기가 전기히터를 지나 가열된 후 집열기로 유입되게 되며 Fig. 2에는 실제 실험 전경과 집열기 운전의 개략적 모습 을 같이 나타내었다.

실험에 사용된 장치는 외기 및 공기 입 출 구 온도 측정을 위한 T-type 열전대, 액체 입 출구 및 축열조 내 온도 측정을 위한 PT100, 일사량을 조사하기 위한 일사계(Solar meter), 풍량 및 유량 측정을 위한 Testo435 및 유량 계가 사용되었으며 데이터집록기(NetDAQ)를 이용하여 측정된 데이터 값을 저장하였다.

Table 1에는 실험에 사용된 측정기기 종류 및 용도를 좀 더 상세히 나타내었다.

Target Item

Temperature T-type thermocouple, PT100

Air velocity Testo435

Liquid volumetric flow Blancett B110-750

Solar radiation MS-801

Data acquisition NetDAQ, FLUKE (U.S.A) Table 1 Specifications of measuring devices

2.2 실험 방법

본 연구에서는 복합형 태양열 가열기에 외 기보다 좀 더 높은 온도의 가열 공기가 유입 될 때 보이게 되는 집열기 운전 특성을 확인 해보고자 하였다.

이를 위해 집열기 입구 덕트 측에 전기히터

를 설치하여 도입되는 외기를 가열하였으며

오전 9시부터 오후 5시까지 외기를 직접 도입

하는 경우, 집열기 유입 공기 온도와 외기 온

도의 차가 13℃, 22℃로 유지되고 있는 경우

총 3가지 경우에 대해 각각 일일 운전을 수행

하였다. 모든 실험은 청정한 일사 조건을 보이

는 기상조건 하에서 수행하였고, 풍량 및 유량 의 경우 일정 값을 유지하였다. 데이터는 1분 간격으로 집록하였으며, 좀 더 구체적인 실험 조건은 Table 2에서 확인할 수 있다.

Date 2015. 01. 17 – 2015. 01. 20

Time 09:00 - 17:00

Location

Pukyong National University YongDang campus 35 ֯6.98 ՛ N latitude 129 ֯5.39 ՛ E longitude Collector

Collecting

method Flat plate

Size 2000mm(L)x1000mm(W)x140mm(H) Install

Direction Azimuth angle 171 ֯ Installation angle 33 ֯ Operating method Air heating + Liquid heating Air mass flow rate 0.05 kg/s

Liquid flow rate 2.5 L/min

Ti,air-Ta 0℃, 13℃, 22℃

Table 2 Experiment conditions

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 온도 변화

Fig. 3에는 외기를 직접 도입한 경우 집열기 각 측정부에서의 온도 변화를 나타낸 것으로 액체 측 온도는 운전이 수행되면서 최대 33℃

정도의 취출 온도를 보였고, 축열조 내 열매체 온도는 외기온도 낮중 평균 8℃정도에서 최대 27.5℃정도를 보였으며 운전 시작 시와 비교 시 약 4.14MJ의 열이 축열됨을 확인할 수 있 었다. 공기 측의 경우 일사조건에 따라 최소 5℃에서 최대 18℃의 입 출구 온도차를 나타 내었다.

반면 Fig. 4에 보이는 것처럼 집열기 유입 공기와 외기 온도차가 13℃로 유지되면서 일 일 운전이 수행되었을 시의 각 측정부 온도를 확인해보면, 액체 측의 경우 약 20℃정도에서 운전을 수행해 최대 취출 온도 39℃를 보임을

알 수 있었다. 또한 축열조 내 열매체는 외기 온도 낮 중 평균 8℃에서 최대 35.2℃정도를 나타냈으며 운전 시작 시와 비교 시 5.15MJ정 도의 축열량을 보여 외기를 유입 공기로 사용 한 경우 보다 더 높은 값을 보였다. 하지만 공 기 측의 경우 최대 입 출구 온도차 13℃정도 로 외기를 도입한 경우보다 더 낮은 온도 상 승을 보임을 알 수 있었다.

Fig. 3 Temperature profile on daily operation when the air and liquid were heated simultaneously(Ti,air-Ta=0℃)

Fig. 4 Temperature profile on daily operation when the air and liquid were heated simultaneously(Ti,air-Ta=13℃)

Fig. 5에는 집열기 유입 공기와 외기 온도차

가 22℃로 유지되면서 일일 운전이 수행되었

을 시의 각 측정부 온도를 나타내었다. 액체

측의 경우 약 23℃정도에서 운전을 수행해 최 대 취출 온도 44.8℃정도를 보였으며 축열조 내 열매체는 외기온도 낮중 평균 7℃에서 최 대 38.9℃정도를 나타내었다. 또한 운전 시작 시와 비교 시 약 6.02MJ정도의 축열량을 보여 외기를 유입공기로 사용한 경우와 유입공기 및 외기 온도차가 13℃로 유지된 경우보다 더 높은 값을 나타냄을 알 수 있었다. 반면 공기 측 입 출구 온도차는 최대 8.5℃정도를 보여, 앞서 확인한바와 마찬가지로 유입 공기 온도 증가에 따라 그 값이 낮아지는 모습을 보였다.

Fig. 5 Temperature profile on daily operation when the air and liquid were heated simultaneously(Ti,air-Ta=22℃)

3.2 집열기 열획득량

Fig. 6에는 유입 공기와 외기온도 차가 0℃, 13℃, 22℃일 때 일일 운전이 수행되면서 획득 한 액체 측에서의 열량을 나타내었으며, 열매 체 획득 열량의 경우 실험으로부터 측정된 온 도 및 각 열매체 질량유량으로부터 아래 식을 이용하여 구하였다.

 _     _   _{ }   _{ }  (1)

액체 측 획득 열량 변화는 유입되는 공기 온도와 관계없이 증가하다가 감소하는 경향을

나타내었다. 하지만 유입 공기 온도가 높을수 록 획득 열량은 대체로 증가하는 것을 알 수 있었으며, 이는 유입 공기 온도가 증가하면서 액체 배관과 하부 유동 공기의 온도 구배가 감소해 공기채널로의 전열량이 적어졌기 때문 으로 판단된다.

Fig. 6 Heat gain of liquid side on daily operation when the air and liquid were heated simultaneously

Fig. 7 Heat gain of air side on daily operation when the air and liquid were heated simultaneously

Fig. 7에는 유입 공기 온도와 외기온도 차에

따른 공기 측 획득 열량을 나타내었으며 액체

측 획득 열량과 반대로 유입 공기 온도가 낮

을수록 더 높은 값을 보였다. 이는 일반적으로

집열기 유입 열매체 온도 상승 시 외부로의

열손실 증가로 효율이 감소되는 것과 마찬가 지로, 유입되는 공기 온도가 높아지면서 집열 기 공기 가열 시 외부로 손실되는 열이 증가 하였기 때문으로 사료된다.

Fig. 8에는 이러한 액체 측 획득 열량과 공 기 측 획득 열량을 고려한 집열기 전체 획득 열량을 나타내었으며, 공기 측과 마찬가지로 유입되는 공기 온도가 클수록 낮은 획득 열량 을 보임을 알 수 있었다.

Fig. 8 Total heat gain of collector on daily operation when the air and liquid were heated simultaneously

3.3 집열기 효율

Fig. 9는 유입 공기 및 외기 온도차에 따른 액체 측 순간 효율을 나타내었으며, 순간 효율 은 열매체가 획득한 열량과 유입된 일사의 비 로 아래 식을 이용하여 구하였다.

       

 _

   

             (2)

운전이 진행되면서 액체 측 효율은 그 값이 차차 감소하는 모습을 보였으며, 앞서 확인한 결과로부터 예상할 수 있듯이 유입 공기 온도

가 높을수록 좀 더 높은 효율 값을 나타내었 다. 또한 집열기에서 액체 혹은 공기만 가열하 는 경우 효율은 일반적으로 아래와 같이 표현 되게 된다[6].

    _

 _

  _    _  _{ }



  _   _  (3)

본 연구에서는 액체 측 열효율의 좀 더 객 관적인 비교를 위해   _{ }   _   에 따른 액체 측 효율을 확인해보았으며 Fig. 10에 그 결과를 나타내었다.

Fig. 9 Thermal efficiency of liquid side on daily operation when the air and liquid were heated simultaneously

Fig. 10 Thermal efficiency of liquid side by inlet air temperature

유입 공기 온도가 증가할수록 앞서 확인한 바 와 같이 열효율이 증가함을 확인할 수 있었으며, 반대로 손실계수는 감소하는 것을 알 수 있었다.

이는 액체 배관 하부 유동 공기 온도 상승으로 인해 배관 내 액체에서 하부 공기로의 전열량이 감소하였기 때문으로 판단된다. 또한 유입 공기 가 외기와 일정 온도차를 유지할 때 액체 측 효 율은 공기-물 동시 가열 중에도 기존 온수제조 형 평판형 집열기와 유사하게 비교적 선형적인 변화를 보임을 알 수 있었다. Fig. 11에는 실험으 로부터 구해진 액체 측 열회수율과 열손실계수 를 유입공기 온도에 따라 나타냈으며 투과율() 및 흡수율()은 제품 카탈로그를 참조하여 각각 0.9, 0.96을 이용하였다[7]. 열회수율은 외기 이용 시 0.56정도에서 유입 공기 온도가 외기 대비 2 2℃ 높을 시 0.69로 증가하는 모습을 보였다. 변 화 양상 확인을 위해서는 좀 더 많은 조건에서의 엄밀한 실험이 필요할 것으로 판단되나, 선형적 인 변화라 가정하더라도 온도당 0.0059정도의 증가로 가열 공기 유입에 따른 액체 측 효율 증 가정도는 그리 크지는 않음을 알 수 있었다.

Fig. 11 Heat removal factor and heat loss coefficient of liquid

반면 공기 측의 경우 Fig. 12에 나타난 바와 같이 유입되는 공기와 외기의 온도차가 낮을

수록 더 높은 효율을 보였다.

Fig. 12 Thermal efficiency of air side on daily operation when the air and liquid were heated simultaneously

또한 외기를 도입한 경우에는 유입되는 공 기와 외기의 온도차가 거의 0℃로 일사의 영 향은 적었으나, 축열로 인한 액체 측 입구 온 도 상승으로 그 효율이 미미하게 증가하는 경 향을 볼 수 있었다. 외기와 일정한 온도차를 유지하는 가열 공기를 유입한 경우에는 유입 액체 온도는 더 증가하지만 일사에 따른 효율 증감이 좀 더 뚜렷함을 확인할 수 있었다. 이 는 식(3)에서 나타난 바와 같이 유입되는 열매 체 온도가 외기보다 높을 경우 일사에 따른 효율변화가 나타나기 때문임을 알 수 있다.

Fig. 13에는 집열기 전체 효율을 나타내었

으며 열획득량에서 확인한 바와 마찬가지로

유입되는 공기 온도가 증가할수록 낮은 값을

보였다. 즉, 가열 공기 유입 시 액체 측에서의

획득 열량과 효율은 증가하지만 공기 측에서

손실된 열이 좀 더 큼을 알 수 있었다. 또한 가

열 공기 도입 시에는 일사에 따른 효율 변동

을 보였으나, 외기를 도입하는 경우에는 운전

이 수행되면서 보이는 효율변화가 크게 나타

나지 않았으며 전체 효율 측면에서 외기 도입

이 좀 더 나음을 알 수 있었다.

Fig. 13 Total thermal efficiency of collector on daily operation when air and liquid were heated simultaneously

Fig. 14에는 오전 9시부터 오후 5시까지 집열 기에 유입된 총 일사량과 축열조 내 액체 축열 량, 공기 측 일일 열 획득량 및 집열기 전체 획득 열량을 유입 공기 온도에 따라 나타내었다. 앞서 확인한대로 축열조 내 액체 축열량은 유입 공기 온도가 증가할수록 커지는 모습을 보였으며 외 기 이용 시 2.39MJ/m

, 외기 대비 13℃가 높은 공기 유입 시 2.97MJ/m

, 외기 대비 22℃가 높은 공기 유입 시 3.47MJ/m

을 보였다. 일일 총 일사 량 대비 축열량을 나타낸 축열 효율의 경우 10.5%, 14.8%, 15%를 보여 가열 공기 유입으로 축열량이 증가는 하나 그 정도가 크지는 않음을 알 수 있었다. 공기 측 일일 획득 열량의 경우 외 기 및 외기 대비 13℃, 22℃ 높은 가열 공기 유입 시 각각 11.6MJ/m

, 6.8MJ/m

, 3.8MJ/m

의 일일 획득 열량을 보였고 유입 일사 대비 50.89%, 33.89%, 16.33%의 일일 효율을 보여 큰 차이를 나타내었다. 액체 측 축열량과 공기 측 획득 열 량을 포함한 집열기 전체 획득 열량의 경우 외기 및 외기 대비 13℃, 22℃ 높은 가열 공기 이용 시 각각 13.97MJ/m

, 9.76MJ/m

, 7.25MJ/m

의 일 일 획득 열량을 보였고 유입 일사 대비 61.38%, 48.72%, 31.33%의 일일 효율을 보여 그 값이 크 게 감소됨을 알 수 있었다.

Fig. 14 Heat gain of one day according to temperature difference between inlet air and ambient temperature

4. 결 론

본 연구에서는 복합형 태양열 가열기에서 공기와 물이 동시에 가열될 때 가열 공기 유 입에 따른 집열기 운전 성능 변화를 확인해보 았으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 액체 측의 경우 유입 공기 온도와 외기의 온도차가 0℃, 13℃, 22℃일 때 각각의 경 우에 대해 축열량은 4.14MJ, 5.15MJ, 6.02MJ 을 보였으며, 당일 일사를 고려한 일일 효 율은 10.5%, 14.8%, 15%정도를 나타내, 유 입되는 공기 온도 증가에 따른 축열량 및 집열기 액체 가열 성능 향상을 확인할 수 있었으나 그 정도는 크지 않음을 알 수 있 었다.

(2) 공기 측의 경우 유입 공기 온도가 증가할

수록 입 출구 온도차 및 효율이 감소하는

것을 확인할 수 있었다. 또한 일일 효율의 경

우 외기를 유입 공기로 사용한 경우 50.9%,

외기 대비 13℃, 22℃가 높은 가열 공기 유

입 시 33.89%, 16.3%정도로 큰 차이를 확

인할 수 있었으며, 가열 공기 도입 시 외기

와의 온도차로 인해 일사에 의한 집열기

공기 측 효율의 증감이 커짐을 확인할 수

있었다.

(3) 액체 측 효율과 공기 측 효율 모두 고려한 전체효율의 경우 유입 공기 온도 증가에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 일일 전체 효율은 외기 도입 시 68.38%, 외기 대비 13℃, 22℃가 높은 가열 공기 유 입 시 48.78%, 31.33%로 큰 차이를 보였 다. 또한 외기를 도입한 경우 일일 운전이 수행되면서 나타난 집열기 전체 효율 감 소가 크지 않으나 유입 공기의 온도가 증 가로 공기 측과 마찬가지로 일사에 따른 변동이 커짐을 알 수 있었다.

(4) 복합형 태양열 가열기를 이용하여 공기-물 동시 가열시 가열 공기를 유입하게 되면 액체 측 성능은 향상되나 공기 측 및 전체 효율은 감소하는 것을 확인할 수 있었으 며, 유입 공기 온도 증가에 따른 전체효율 의 감소로부터 집열기의 태양열 이용 및 실제 설비 적용에 있어서는 가열 공기 보 다 외기를 직접 이용하는 것이 좀 더 유리 할 것으로 사료된다.

후 기

이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2015 년)에 의하여 연구되었음

Reference

1. Alireza Mohajer, Omid Nematollahi, Mahmood Mastani Joybari, Seyed Ahmad Hashemi and Mohammad Reza Assari, Experimental investigation of a Hybrid Solar Drier and Water Heater System, Energy Conversion and Management, Vol.76, pp. 935-944, December 2013.

2. Fatkhur Rokhman, Hong. B. P, You. J. K, Yoon. J. I and Choi. K. W, An Experimental Study

on the Characteristic of the Hot Water-Air Heating Generating System with a Solar Collector, Proceedings of the KSES 2012 Spring Annual Conference, pp. 360-363, 2012.

3. Choi K. H, Yoon. J. I, Son. C. H, Choi. H. W and Kim. B. A, Experimental Study for Thermal Performance of Hybrid Air-Water Heater Using Solar Energy during Heating Medium Working Simultaneously, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 34, No. 3, pp. 115-121, 2014.

4. Choi. H. W, Yoon. J. I, Son. C. H and Choi. K.

H, Performance Estimation of Hybrid Solar Air-Water Heater on Single Working of Heating Medium, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol.34, No.6, pp. 49-56, 2014.

5. Choi. H. W, Fatkhur Rokhman, Yoon. J. I, Son.

C. H and Choi. K. H, A Study on the Thermal Storage Performance and Characteristics of Daily Operation of a Hybrid Solar Air-Water Heater, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol.35, No.3, pp. 73-79, 2014.

6. Duffie JA and Beckman WA, Solar Engineering of Thermal Processes, New york:

John Wiley & Sons, Inc; 1991, pp. 301-307 7. “Flat plate Solar collector 6P catalog”, Kangnam

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