태양열 및 보일러이용 온수난방 시스템에 관한 실험적 연구

Abstract

본 연구는 열에너지 분야에 있어서 저비용, 고효율의 대체에너지로서 각광받고 있는 태양열을 이용하는 온수난방 복합시스템에 관한 연구로써, 기존에 많은 개발·보급이 이루어 졌던 태양열을 이용한 온수급탕기에 난방기능을 결합시켜 시스템을 구성한 후, 시스템의 성능평가를 통하여 시스템 제어인자를 개발하고, 에너지효율과 에너지 절약적인 측면의 효과를 분석하였다. 본 연구의 온수난방시스템은 다양한 열원과 여러 가지 기능이 복합된 시스템을 하나의 축열조에 결합하여 시스템의 크기를 줄이며, 집중제어 장치를 사용하여 사용편의성을 높이고, 외견이 수려한 장치개발을 목표로 하였다. 본 연구를 통하여 얻을 수 있는 결론을 요약하면 다음과 같다. (1) 축열조의 성능을 분석 하였을 때, 비가 내리지 않는 비교적 쾌청한 날을 기준으로 하였을 경우에 일출 이후를 시작하여 축열되기 시작하여 일사량이 있는 일몰까지 축열이 이루어지게 되며, 부하가 없을 경우에 축열된 열에너지는 외기온도에만 영향을 받게 되어 시간에 따라 일정하게 온도가 떨어지게 된다. 강제대류의 경우에는 열매체의 유량이 커질수록 에너지 손실이 증가하는 것을 알 수 있다. (2) 설정된 버너의 작동상한온도에 따라서 축열조의 성능을 비교하였을 때, 버너의 설정온도가 높을수록 시스템의 효율은 감소한다. 이것은 부하측에 공급되는 열매체의 유량이 일정하고 축열조로 환수되는 온도가 축열 온도 보다 낮아지면 축열된 에너지는 감소하게 되는데 버너의 작동상한 설정온도가 높을수록 설정온도까지 높이기 위하여 버너의 작동횟수가 많아지게 되고 또한 작동시간도 길어지게 되어 석유의 사용이 증가하기 때문이다. 버너의 설정온도를 40℃, 50℃ 및 60℃로 하였을 때 에너지 사용량은 40℃를 기준으로 50℃일 때 약 77 %정도 증가하였으며 60℃일 때는 약 222 %정도 증가하는 것을 알 수 있었다. 이러한 작동횟수와 작동시간의 증가는 시스템의 성능을 안정시키지 못하게 되어 시스템의 전체적인 효율을 떨어뜨리는 결과를 갖는다는 것을 알 수 있다. (3) 난방부하의 공급을 위하여 순환되는 열매체의 유량변화에 따른 축열조의 성능을 평가하면, 유량이 많을수록 시스템의 성능은 감소한다. 유량을 7 lpm을 기준으로 15 lpm일 때는 약 42.9 %정도의 에너지 사용이 증가하였으며, 20 lpm일 때는 약 128 %정도의 에너지가 더 사용되었다. 이것은 축열된 에너지가 유량이 많을수록 에너지 손실이 증가하고 버너의 설정온도를 유지하기 위해 보일러의 작동이 잦아지게 되어 연료의 소비가 증가하기 때문이다. (4) 온수부하에 따른 성능특성에 있어서 사용되는 온수의 양에 따라 시스템의 성능은 난방부하에서와 마찬가지로 온수의 사용량이 증가할 수록 시스템의 성능은 감소한다 온수의 유량을 3 lpm 5 lpm 및 7 lpm으로 하였을 때 에너지는 3 lpm을 기준으로 5 lpm일 때는 약 33.3 %가 증가하였으며, 7 lpm일 때는 83.3 %의 에너지가 증가하였다. (5) 본 연구에서는 실제 가정에서 사용하는 난방부하 및 온수부하를 추종하려고 하였으나 온수 혹은 난방의 사용패턴과 부하를 구현하지 못하고 칠러를 사용하여 시스템에 난방부하를 주었으며, 향후 대표적인 주거용 주택에 본 연구를 통하여 개발된 태양열 및 보일러이용 온수급탕시스템을 설치하여 실증실험을 통하여 보다 현실성 있는 제어인자와 성능평가를 수행하여야 할 것이다.

The solar energy is limitless and pollution-free natural energy; however, the solar energy has not been utilized extensively due to its low density and restriction of availability. The performance of the heating system with a burner and solar collectors is influenced by the efficiency. The solar collector and the thermal storage tank are controlled by different temperature controller. The controller has a temperature sensor which is being effected by the location of the sensor and also this location leads to make the properties of the controller. This study was conducted to analyze operating characteristic of a solar assisted heating system for hot water supply and panel heating of a house. The main part of the system is a thermal storage tank which was designed to store energy that obtained from solar collectors and a burner. The heat exchanger is located on bottom of the storage tank which supplies solar energy to the water in the storage tank and is connected directly to the solar collector. As an additional heat source, a burner was inserted to the top of the storage tank and supplies energy to water in the storage tank through indirect contact of the fire frame and stack flue. And also a small tank for hot water heating was attached at inside of the thermal storage tank. The water in the tank is heated by the water in the thermal storage tank. In this study, the compact system with various heat source and various function, performance test was conducted. As results, if design temperature of the boiler is increased, the efficiency of system is decreased. When the system uses hot water, system performance is decreased as increasing of the warm water usage. The developed system can be used as main heating equipment to the residential with the panel heating.