복합형 태양열 가열기 개발에 관한 기초 연구

Abstract

본 연구에서는 온수제조 혹은 공기가열 둘 중 하나만 가능한 기존의 중저온형 평판형 집열기와 달리 온수제조와 공기가열 모두 가능한 복합형 태양열 가열기를 이용하여 집열기 성능에 대한 실증 실험을 수행하였고, 이를 통해 집열기 개발에 관한 기초자료 제공 및 개발 방향 제시 등을 통한 복합형 태양열 가열기 실용화 기여를 목적으로 하였다. 실험은 공기가열 혹은 온수제조만을 수행할 때의 집열기 성능을 각각 평가하여 기존의 시스템과 비교 및 개선사항을 검토하는 단일운전, 공기가열과 온수제조를 동시에 실시하여 공조 및 급탕 설비 적용 가능성 확인 및 집열기 성능 평가를 수행하는 동시운전으로 크게 2가지 경우에 대해 수행하였다. 실험결과 온수제조만을 실시한 경우 6l/min의 유량조건에서 변환상수는 기존 집열기와 유사한 값을 보였으나 손실계수는 액체 배관 아래에 공기채널 설치로 인하여 좀 더 큰 값을 보였다. 또한 기존 집열기와 동일 유량조건에서는 다소 낮은 성능을 보여 이후 손실계수 감소 및 저유량에서의 성능향상에 관한 연구의 필요성을 확인할 수 있었다. 공기가열 성능과 같은 경우 국외에서 연구된 여러 공기가열기의 성능과 비교해보았을 때 풍량 대비 다소 낮은 효율을 보임을 알 수 있었다. 이는 공기 유로 및 내부 설치 핀 등의 차이 때문이며 이러한 부분의 개선을 통해 집열기의 공기가열 성능 향상이 필요함을 확인할 수 있었다. 공기가열과 온수제조를 동시에 수행하는 열매체 동시운전의 경우, 실험 결과로부터 해당 집열기에서 공기가열, 온수제조가 모두 가능함을 확인할 수 있었다. 단일운전과 비교하였을 시에는 각각의 열매체 입출구 온도차는 감소하는 경향을 보였으나 높은 풍량으로 공기 측이 운전될 시 효율은 좀 더 나은 값을 보였다. 또한 기존 시스템은 온수제조가 진행됨에 따라 입구 액체 온도가 상승하여 집열기 손실이 증가하였으나 복합형 태양열 가열기는 유동 공기에서 손실열의 일부를 회수해가기 때문에 집열 효율 감소가 적어짐을 알 수 있다. 반면 이는 집열기 전체 효율의 증가이고, 액체 측이 비교적 고온영역에서 작동하게 되면 공기 측에서 열을 회수해가므로 축열시 온수제조만을 수행하는 경우보다 최종 도달온도가 낮은 값을 보일 수 있어 축열 성능에 대한 추가적인 검토가 필요함을 알 수 있었다. 이상의 결과를 토대로 복합형 태양열 가열기의 온수제조, 공기가열 성능의 개선 연구가 수행될 시 필요에 따라 온수제조와 공기가열을 모두 수행할 수 있는 집열기로서 사용될 수 있을 것으로 기대되며 연구에서 확인한 실용화 가능성을 토대로 이후 급탕 및 공조 설비 적용시의 운전 성능 확인, 경제성 평가 등에 대한 추가적인 연구가 수행될 시 기존의 중저온형 태양열 집열기를 대처할 수 있는 집열성능 및 이용도가 향상된 집열기로써의 역할을 수행할 것으로 기대된다.

With increment of interesting of renewable energy, so many researches for enhancing the efficiency of renewable energy source have been conducted. As a part of these tendencies, research about hybrid solar air-water heater that can make a heated air and hot water different with traditional flat plate solar collector for hot water or heated air has been conducted. In this study, thermal performance evaluation of hybrid solar air-water heater was conducted for providing base data and contributing practical use. Experiment was conducted in case of two operating condition including single working of heating medium for comparing hybrid solar air-water heater with traditional flat plate solar collector and finding improvement method and simultaneous working of heating medium for confirming the possibility of applying in air conditioning and hot water supply equipment and performance evaluation. As a result, heat removal factor is similar with traditional flat plate solar collector for hot water on 6l/min when the hybrid solar air-water heater only made a hot water but heat loss coefficient was shown a lower value than traditional flat plate solar collector because of the install of air channel under absorber and liquid pipe. And the performance of making hot water is lower on the same liquid mass flow rate of traditional flat plate solar collector. Then the necessity of performance improvement on lower liquid mass flow rate was confirmed. In case of air heating, its performance was comparatively low compared with other solar air heater investigated by other researchers. These difference results from structure of air channel and shape and arrangement of installations improving heat transfer rate such as fin, and then the ability of air heating can be improved with changing these things. In case of simultaneous working of heating medium, air and water was heated simultaneously and the temperature level of each heating medium shows lower value compared with single working that make only heated air or hot water. But total efficiency shows higher value than single working of heating medium due to the heat recovery of air side. And also the lower efficiency loss was shown in hybrid solar air-water heater because of the recovery of heat loss from liquid side to flow air compared with traditional flat plate solar collector for hot water that decreased the efficiency with increment of inlet liquid temperature. But if the liquid side working in high temperature range when the heating medium working simultaneously, it will show a lower efficiency because air take a heat from high temperature liquid, then the necessity of additory study about maximum reaching temperature in thermal storage was confirmed. From these results, hybrid solar air-water heater is expected to replace the traditional flat plate solar collector for hot water and solar air heater if the performance of single operation is improved at lower mass flow rate of each heating medium by conducting the improvement that was confirmed from this study. And the necessity of additory study about applying of hybrid solar air-water heater to hot water supply and air conditioning system and performance evaluation was confirmed for putting hybrid solar air-water heater to practical use.