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2012. 5. 4. 08:00

Co2배출 줄이는 그린빌딩(Green Building)설계(19)난방 : Active 태양열에너지 시스템

Active 태양열에너지 시스템 주택내 온수급탕뿐만 아니라 환기공기의 예열이나 공간난방용으로 활용됩니다. 가장 흔하게 볼 수 있는 Active태양열에너지 시스템은 주택내 온수급탕입니다.

Active 태양열시스템의 주용 구성요소는 집열단위, 집열단위로부터 저장단위로 유체를 이동시키는 순환시스템, 저장탱크 및 제어시스템 등을 포함한다. 이는 열사이펀시스템, 직접순환시스템, 간접순환시스템 및 공기대 물 시스템의 네가지로 분류됩니다.

다음 그림은 드레인백(Drain Back)방식에서 태양열 시스템 구성요소와 일반적 배치를 나타낸 그림입니다.

 열 사이펀시스템에서는 집열기에서 가열된 유체가 대류에 의해 상승하여 저장탱크로 이동하게 됩니다. 별도의 펌프작업이 요구되지 않지만 액체이동과 열이동은 액체 온도에 좌우되게 되며, 태양복사 자원이 충분하고 실외 공기온도가 많이 떨어지지 않는 기후에서는 훌륭한 기능을 해냅니다.

적접순환시스템은 태양복사가 충분한 시간대에 물을 저장탱크로부터 집열기로 압송하게 됩니다. 결빙방지는 저장탱크로부터 집열기로 물을 재순환시키거나 결빙조건이 발생할 때 집열기로부터 물을 배출시킴으로써 해결하게 됩니다.

간접순환시스템은 폐쇄통로를 통해 부동액을 순환시킵니다.  열교환기는 이러한 집열기 내 폐쇄통로보부터 개방된 식수통로로 열을 전달하게 됩니다. 결빙방지는 부동액을 명시하거나 결빙조건이 충족될 때 집열기를 배출시킴으로써 해결됩니다.

이러한 순환시스템과 더불어, 건축외관에서도 나타나게 되는 집열기는 네가지 유형이 있습니다.

일괄집열기, 평판집열기, 진공관식집열기, 기공식 집열기입니다.

일괄(Bread Box, 통빵)집열기는 안쪽면이 유리로 되거 있고 바깥면은 검은색 페인트가 칠해진 단열된 저장탱크를 포함합니다. 집열기는 지붕위 볕이 잘드는 곳에 설치되며, 유입된 물는 건물의 식수탱크로부터 오게 됩니다. 브레드박스는 태양열을 흡수하고 보존하는 집열기로 저장탱크로부터 배출된 온수를 건물로 공급하게 됩니다.

평판집열기는 보통 건물 지붕위에 설치되며, 일반적으로 가장 흔하게 사용되는 유형입니다. 투명 또는 반투명 덮개를 가진 얇은 직사각형박스로, 박스를 가로지르는 도관에 물이나 부동액을 통과시키며 열을 전달하게 됩니다. 작은 펌프를 이용해 물을 순환시켜 흡수판을 통해 물(액체)에 열을 전달하여 이동시키는 것입니다.

진공관식 집열기는 표면코팅(고흡수성+저방출성)을 입힌 흡수관을 가지며, 아래 사진과 같이 투명유리관(텍사스 오스틴대학 태양열주택 경연대회에서 선보인 진공관식 집열기)을 나란히 배치시키게 한 것입니다. 관으로 유입된 태양복사열은 그 속에 흘러가는 결빙액체를 가열하며, 진공관이 극고온에 도달하면서도 적절한 고효율성을 유지하게 됩니다.(진공이니 만큼)

 마지막으로 기공식 집열기는 박판금속 집열기를 이용하는 것으로, 집열기에 의해 가열된 공기가 집열기 내부에 뚫린 구멍을 통해 건물내로 유입되게 됩니다.

설계자는 Active 태양열시스템을 그린빌딩설계전략으로 사용하기 위해서는, 기후, 방향, 태양접근 및 부하정도 등을 고려해야 합니다. 비록 집열기의 최적 위치가 남향벽이나 지붕위라 하더라도 건물 외피설계의 관점에서 생각해야 합니다. 집열기 배치는 집열기 표면 청소나 누출검사 등 운영 및 유지접근을 위한 조치를 포함해야 합니다.

 

Active 태양열 에너지 시스템의 설계절차는 다음과 같습니다. 

1. 기후와 프로젝트 부하를 고려하여 열사이펀, 직접순환, 간접순환 및 공기기반 선택사항중 적절한 시스템 유형을 선택한다.

2. 집열면적을 추정한다.

- 온수급탕시스템 = 0.9~1.8m2 / 인

- 수영장가열시스템 = 0.06~0.1m2 / 수영장 표면적(m2)당

- 공간난방시스템 = 난방제공바닥면적의 10~30%

3. 적절한 저장탱크 크기를 추정한다. 

- 온수급탕 = 230L(60갤런) / 1~2명   ,   300L(80갤런) / 3~4명

- 대안적 추정방식은 평방미터당 61~82L의 저장을 권장함.

4. 충분한 태양복사를 이용할 수 없는 경우 온수급탕 / 공간난방을 제공하는 보조시스템을 선택한다.

태양열 시스템은 흡수식 냉동기와 연계하여 공간냉방을 제공할 수도 있습니다. 에너지의 활용극대화 관점에서 매우 효율적인 방법이겠지만, 흔하지는 않습니다.

Acive태양열 냉방 시스템에 대해서는 일반적인 지침이 없습니다.

 

아래 사진은 2005년 코넬대 태양열주택 경연대회 출품작으로 지붕에 설치된 진공관 집열기입니다.

다음은 2009년 코넬대 태양열 주택 경연대회에 출품된 주택으로 벽위에 수직으로 장착된 진공관과 지붕에 설치된 집열기, 태양관 발전 패널들이 지붕에 수평으로 장착된 사례입니다.

 


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