태영열 온수급탕기의 구성

 태양열 이용시스템은 태양에너지를 흡수하여 열매체에 열을 전달하는 집열부, 가열된 열매체를 저장하는 축열부, 저장된 열매체를 취출하여 이용하는 이용부 및 이들 사이에서의 열매체의 이동을 제어하는 조절부등으로 구성된다. 이용부에는 난방 또는 급탕을 위한 팬코일, 히팅패널, 보조열원 등이 사용되며, 또 자연형 시스템에서는 조절부가 없으며,  설비형 시스템에서는 펌프, 온도센서, 온도차 제어기 등과 같은 조절장치가 사용된다.

1. 평판형 집열기 구조

  투명덮개는 태양 일사가 투과될수 있으면서 또한 집열기 상부의 단열효과를 얻기위한 것으로서, 대개 유리가 사용된다. 유리는 내후성이 좋고, 산화철 성분을 보강하면 강도도 매우 우수하나 무게가 많이 나간다. 플라스틱도 투명덮개로 사용될수 있는데 표면이 긁히기 쉽고, 기간이 지나면 노랗게 변색되어 투과성이 떨어지고, 강도도 약해진다. 플라스틱과 비교하여 유리는 흡열판으로부터 나오는 장파복사를 흡수하거나 반사하므로 장파 열손실면에서 보다 우수하다.

  흡열판은 투명덮개를 통과한 태양 일사를 흡수하여 열에너지로 변환시켜 열매체에 전달하는 기능을 가진다. 흡열판 아래에는 열매체 도관이 밀착되어 있으며, 흡열판의 표면은 태양에너지를 최대한 흡수할 수 있도록 무광 흑색도장 또는 선택흡수피막 처리를 한다.

  단열재는 집열기의 아랫면과 가장자리면에서의 열손실을 줄이기 위하여 설치하며, 집열기 틀은 집열기 자체의 내구성과 내후성을 보장하기 위한 것이다.

 평판형 집열기는 직달복사(beam radiation)와 확산복사(diffuse radiation) 모두를 흡수할 수 있다. 직달복사란 그림자를 만드는 일사성분을 말하며, 확산복사란 태양일사가 지면에 도달되기 전에 구름이나 대기 중의 먼지에 의해 반사되고 확산된 일사로서 그림자를 만들지 않는 일사성분이다. 평판형 태양열 집열기는 태양열 시스템의 용도 및 지역의 위치와 주로 이용할 기간에 따라 방향을 결정하여 건물이나 어떤 구조물에 고정 설치된다.

가. 집열기

  집열기는 태양에너지를 열에너지로 변환하여 열매체에 전달하는 1차 열교환기로서, 평판형, 포물경형, 집광형 등 여러 종류가 있으나 태양열 난방 및 급탕용으로는 평판형 집열기가 가장 많이 사용되고 있다. 평판형 태양열집열기는 투명덮개, 흡열판, 열매체 도관, 단열재 및 집열기 틀등으로 구성되어 있다. 집열기에 입사된 태양에너지는 흑색으로 도장된 흡열판에 열에너지의 형태로 흡수되고, 흡수된 열에너지는 집열기와 축열조 사이를 순환하는 열전달 매체에 전달된다. 열전달 매체에 옮겨진 열에너지는 가용 집열량으로 저장되거나 열부하에 직접 공급된다.

나. 축열조

  축열조는 흡수된 태양에너지를 저장하였다가 야간이나 흐린날 등과 같이 태양에너지가 부족하거나 급탕부하가 증가하는 시간대에 적절하게 사용할 수 있도록 하는 열저장 및 취출장치이다. 열은 콘크리트벽, 자갈 등의 고체, 냉수나 온수 등의 액체, 그리고 증기나 얼음 등과 같은 여러가지 형태의 물질에 저장할 수 있다. 이와같이 열을 매체의 내부에너지로서 저장하는 것을 축열이라 한다. 축열방법은 크게 현열축열과 잠열축열로 나눌 수 있는데, 현열축열은 물질의 온도상승을 이용하는 방법으로서 물, 모래, 자갈 등에 축열하는 일반적인 축열방법이다. 잠열축열은 특정 온도범위에서 큰 축열밀도를 가지는 상변화물질의 전이 및 융해열, 즉 잠열을 이용하여 축열하는 방법으로 특정 온도범위에서의 축열량이 현열축열에 비하여 매우 크다.

  축열장치에 있어서 요구되는 성질에는 ① 소요 온도에서 작동할 것, ② 소요 입출력 밀도를 가질 것, ③ 에너지 손실이 적을 것, ④ 재료의 안정성, 안전성이 장기간에 걸쳐 우수할 것, ⑤ 축열밀도가 높을 것, ⑥ 저렴할 것 등을 들수 있다. 이중에서 ①, ④, ⑤는 축열재료의 성질에, ②는 열교환의 방법에, ③은 방열손실 및 축열재료와 열매체 사이의 열교환 손실에 의하여 크게 좌우된다. 따라서 축열조는 축열매체의 종류 및 용도에 따라 적절한 구조를 가지도록 설계·제작되어야 한다.

다. 조절장치

  설비형 급탕시스템에 있어서의 제어에는 집열펌프의 자동작동, 열매체 누출감지, 동결방지 등이 있으며, 그 중 집열펌프의 자동작동이 가장 중요하다.

  평판형 집열기를 이용하는 설비형 급탕시스템의 대부분은 펌프의 자동작동에 온도차 제어방식을 사용한다. 이 방식은 집열기의 온도를 고온측 센서로 감지함과 동시에, 축열조 내 온도를 저온측 온도센서로 감지하여 그 온도차를 펌프작동의 기준으로 삼는 것이다. 펌프의 작동개시 온도차는 3~8℃, 정지 온도차는 0~3℃와 같이 각 시스템의 특성에 따라 온도차의 값이 정해진다.

라. 보조열원

  태양에너지는 열원으로서는 반영구적이지만 공급이 간헐적이다. 따라서 경제성이 성립되는 범위에서, 태양열에 의해 매일의 부하에 100% 대응하기는 곤란하며 보조열원의 사용이 불가피하다.

  태양열 난방·급탕시스템과 보조열원의 접속방법은 접속하는 위치에 따라 병렬접속형, 직렬접속형 및 열원일체형으로 나눌수 있다. 병렬접속형은 태양열 설비와는 완전히 분리된 별도의 보조열원을 병렬로 사용하는 방법이다. 직렬접속형은 축열조의 출구에 직접 순간온수기, 보일러 등의 보조열원을 접속하는 방식이다. 열원 일체형은 보조열원과 축열조를 일체화시킨 것으로서 축열조에 전기 히터, 석유버너, 가스버너 등을 설치하여 축열조 내의 열매체를 고온으로 유지시키는 방식이다.

2. 종류와 특징

  태양열 온수기는 급치식, 자연대류식 및 상 변화식으로 나눌 수 있으며, 자연대류식이 가장 많이 사용되고 있다.

 가. 급치식 온수급탕기

  집열부와 축열부가 일체구조로 되어있으며, 금속 또는 수지계의 원통형 집열부에 물을 저장하고, 태양열에 의해 가열하여 이용한다. 구조상 축열조의 단열처리가 어려우므로 보온성이 나빠 일몰 후에 바로 사용하지 않으면 그 효과를 제대로 발휘할 수 없으며, 동절기는 동결에의한 파손의 위험성이 높다.

나. 상 변화식 온수급탕기

  집열기 상부에 축열조를 설치하고 그 사이를 상 변화열매체 이동관으로 연결시킨 구조이며, 열매체의 증발, 응축 원리에 의해 집열하고 열교환에 의해 축열조내의 물을 가열한다.

다. 자연 대류식 온수 급탕기기

 (1) 구조 및 특징

 같이 집열기 상부에 축열조를 설치하고 그 사이를 열매체 이동관으로 연결시킨 구조이며, 집열기에서 가열된 열매체는 비중 차이에 의해 상승하여 축열조로 유입되고, 축열조 내에서는 온도차에 의해 하부에 모인 저온 열매체가 압력차에 의해 집열기 쪽으로 하강하여 태양열을 집열한다. 즉, 자연대류의 원리에 의해 열매체를 가열, 저장하는 시스템이다. 열매체의 순환은 일사가 시작됨과 동시에 시작되고, 일사가 정지되면 열매체의 순환도 정지되어 외부에서의 순환동력과 자동제어장치가 없더라도 정밀, 확실하게 작동된다. 자연 대류식은 사용지역의 기후 조건에 따라 열매체로 물을 사용하는 것과 부동액을 사용하는 것으로 구분할 수 있다. 물을 열매체로 사용하는 것은 집열기 및 축열조에 물을 넣고 가열하여 사용하는 것으로서 온화한 기후지역에서 사용가능하며, 우리나라의 경우는 기후조건 상 동절기의 집열기 및 시스템의 동파문제를 해결하기 위해 주로 부동액을 열매체, 즉 에틸렌 글리콜이나 프로필렌 글리콜을 물과 혼합한 것을 사용한다. 에틸렌 글리콜을 물과 50:50으로 혼합할 경우 이 액체의 어는점은 약 -35℃정도가 된다. 부동액을 열매체로 사용하는 것은 집열기와 축열조에 부동액을 넣고 가열한 뒤, 사용시에는 냉수를 축열조에 설치된 열교환기를 통과시켜 온수로 바꾸어 준다. 따라서 효율은 다소 떨어지나 동파방지 효과가 매우 우수하다.

  집열기에서 열을 흡수한 열매체가 축열조 내로 유입되면 축열조 내의 열매체와 난류상태로 뒤섞여 집열효율의 저하를 초래하게 된다. 이를 방지하기 위해 고온 열매체와 저온 열매체가 섞이지 않게 유도해주는 층화관을 축열조 상부와 하부에 설치하는 것이 좋다.

  열매체는 온도가 상승하면 체적이 팽창하여 축열조 내부에서 밖으로 미는 힘을 가하고, 온도가 하강하면 수축하여 축열조 외부에서 안으로 당기는 힘을 가하여, 결국에는 축열조의 내구성을 저하시키게 되므로, 이를 방지하기 위해 축열조에 압력밸브를 부착한다. 즉, 열매체가 팽창하여 압력이 일정수준 이상이 되면 밸브가 열려 열매체가 축열조 밖으로 밀려나가고, 열매체가 수축하면 밖으로 배출된 열매체가 축열조 안으로 빨려들어가 빈 공간을 메우게 하므로써, 축열조에 무리한 압력이 가해지지 않도록 하는 것이다.

  또, 축열조에는 태양열 급탕이 불가능한 시기에 사용할 수 있도록 보조열원으로 전기 히터가 설치되어 있고, 이 히터의 작동을 제어하기 위한 온도조절기가 부착되어 있다.

3. 축열조의 구조

  하루 소요온수량은 1인당 50℃온수 60ℓ를 기준으로 한다. 따라서 5인 가족의 경우는 하루 약 300ℓ의 온수가 필요하며, 온수기의 축열조 용량은 하루 온수소요량을 기준으로 한다. 온수소요량에 따른 집열기의 면적은 온수 1ℓ당 0.011~0.016㎡를 기준으로 하고, 또 매일 사용을 위한 집열면적은 온수 1ℓ당 0.0135㎡ 이상이어야 한다. 따라서 축열조의 용량이 300ℓ일 경우의 집열기 면적은 4.05~4.8㎡의 것을 선정하는 것이 적절하다. 집열기는 최대의 태양에너지를 집열할 수 있도록 경사지게 설치하여야 하며, 최적경사각은 위도 만의 함수로 규정하여 그 값을 (위도-10°)에서 (위도+15°)로 한다.

일반적으로 연간 유효집열량이 가장 많은 각도는 35°~45°이며, 동절기 급탕부하에 중점을 둘 경우에는 경사각은 위도 보다 크게 잡아야 한다.

  집열기의 선택은 요구되는 온수의 온도범위에 따라 적정하게 되어야 한다. 가정용 급탕의 경우 40~60℃ 정도의 중간온도 범위의 온수를 필요로하므로 우리나라 외기조건 하에서는 주로 단층유리(1장)로 된 평판형 집열기가 효율 및 경제성 면에서 적절하다. 또, 집열기의 효율은 다음과 같은 식으로 표시된다.

  η = FR (τα ) - 〔 FRUL ( Ti - Ta ) / It 〕

  이 식에서 FR은 집열효율 수정계수, τ 는 투명덮개 투과율, α는 흡열판 흡수율, UL는 열손실계수이며, Ti는 집열기 입구 열매체 온도, Ta는 외기온도, It는 집열면 일사량을 나타낸다.

따라서 FR(τα ) 가 클수록, FRUL이 작을수록 집열기의 효율이 좋다. 국내에서 생산되는 평판형 집열기의 경우, FR (τα )m=0.77, FRUL=5.4를 표준으로 하며, 형식검사 여부와 성적서를 참조하여 선정한다.

  받침대는 시스템 및 풍압 하중을 충분히 견딜수 있고, 집열기와 축열조가 견고하게 고정될 수 있는 구조이어야 하며, 내부식성이 우수하여야 하는데, 50㎜×50㎜×4t 아연도금 앵글을 사용하고, 용접부위 및 연결부위는 광명단 도장 2회 후 마감을 하도록 한다.

  축열조 및 배관의 보온은 축열조는 열손실율이 26.22㎉/hr·㎡ 이하(대체에너지 관계 규정집)가 되도록 하고, 배관은 KS F2803(보온공사 시공표준)에 의한 기준 이상이어야 한다. 옥외에 사용되는 보온재는 흡수성이 적은 재료를 사용하여야 한다.

4. 설치 및 관리요령

  태양열 온수기의 설치에 있어서 가장 중요한 사항은 최대의 일사량 확보에 있다. 따라서 설치방향은 정남향을 기준으로 동서 방향으로 ±15°이내의 범위로 하고, 남향 전방에 집열에 방해가 되는 장애물이 없어야 한다. 또한 온수 사용부 까지 가장 짧은 배관작업이 가능하고, 온수기의 하중을 견딜 수 있는위치에 설치하며, 축열조까지 냉수의 공급이 가능한 충분한 수압을 확보할 수 있어야 한다. 또, 냉·온수 배관은 겨울철 결빙에 의한 동파를 대비하여 완전한 배수가 될 수 있도록 충분한 기울기를 유지하고, 온수 사용부의 가장 낮은 위치에 배수변을 설치하거나, 또는 전기히터를 배관 주위에 설치하여 외기온이 영하로 떨어지면 작동되도록 한다.

  축열조에 장치되어 있는 온도조절기의 설정온도는 45℃를 기준으로 하며, 각 가정의 온수사용 조건에 따라 가감한다. 또 보조탱크 내의 열매체가 증발하여 액위가 바닥에 가까워지면 물과 부동액을 3:1의 비율로 섞어서 보조탱크에 채워넣는다. 집열판의 유리면이 먼지 등으로 오염되면 집열효율이 저하되므로 이를 방지하기 위해 수시로 닦아준다. 태양열 온수기 관리에 있어서 가장 중요한 사항은 겨울철 결빙 및 동파 예방에 있다.

태양열 보일러 설비에 따른 열매체액(MEG,PG)에있어 설비를 전문으로 하시는 사장님과 기타 현장업무에 종사하시는 임직원분들에게 약간의 도움 자료가 될까해서 올리는바 참조후 궁금 한점이 있으시면 연락주십시요. 감사합니다.        

동진화학 임직원 일동(031-319-5185)