2.1 시스템의 설치

본 실험을 위한 태양열온수기를 경희대학교 태양열 실험실에 설치하였다. 최대 집열효율 74%인 단일투과체 구조의 평판형 집열기(2 m²) 두 장을 직렬로 연결하였으며, 정남향의 건물 벽면에 밀착하여 설치하였다. 성층화를 촉진시켜 집열효율 등에 유리하도록 축열조의 상․하부에 열교환코일을 내장하여 가열하는 방식을 사용하였다.⁽¹⁰⁾ 실외에 노출된 배관의 동파 방지를 위하여 열매체는 프로필렌글리콜 40 wt% 수용액을 사용하였다. 자세한 제원은 Table 1에 보인다.

전체 실험 장치의 구성 및 주요 측정점은 Fig. 1에 나타내었다. 온도, 일사량, 유량 등의 데이터 계측과 전동 밸브 제어를 위해 Keysight의 Agilent 34972a 장비를 사용하였다. 일사량 측정을 위하여 Kipp & Zonen의 CM 21 일사량계를 사용하였고 집열기와 평행하게 설치하여 집열면에 투사되는 경사면 전천일사량을 측정하였다. 배관 내 유량은 두 군데를 측정하였는데, 집열측에는 Hanseo의 적산유량계 HSDR, 부하측 배관에는 Iljin의 FLOW 350을 설치하였다. RTD와 K-type 열전대로 Fig. 1의 주요 부위의 온도를 측정하였다. 축열조 우측 하단의 시수온도 ($T_{w}$)부터 시계 방향으로 축열조 하부온도($T_{sb}$), 축열조 출구온도($T_{so}$), 실내온도($T_{r}$), 집열기 출구온도($T_{co}$), 축열조 상부온도($T_{st}$), 부하측 공급온도($T_{load}$) 등 총 7개소를 계측하였다. 계측한 데이터는 데이터로거를 통하여 10초 주기로 PC에 저장하였다. 집열운전의 경우 $\triangle T(=T_{co}- T_{so})>12$℃이면 펌프를 작동하고, $\triangle T <3$℃ 이면 정지하도록 ON/OFF 제어를 하였다.

Fig. 1 Schematic of the system and measurement points.

실제 사용자가 샤워 등의 온수 사용을 실험기간 내내 구현하는 것은 용이하지 않아, 유사한 부하를 발생시켜 주는 실험 장치를 고안하였다. 실험 장치는 부하측 밸브에 설치된 솔레노이드 밸브의 ON/OFF 제어를 통하여 구현하였으며 ON 상태에서는 축열조 상부의 물이 부하측으로 배출되고, 동시에 축열조 하부로 시수가 유입되어 축열조 내 수위를 유지시킨다. 부하측으로 공급되는 물의 양은 유량계로 적산하며, 정해진 부하를 충족시키면 밸브를 OFF시켜 배출을 차단한다.

2.2 실험 방법

본 연구에서는 벽체일체형 태양열온수기의 집열 성능 등의 열성능 평가와 하절기 과열현상을 파악하도록 하였다. 우선 열성능 평가는 부하패턴을 다르게 하여 두 차례에 걸쳐 진행하였다. 2019년 12월부터 2020년 5월, 2020년 8월부터 12월까지의 연속적인 실증실험을 진행하였고 취득한 데이터를 분석하여 집열효율, 의존율, 이용률 등의 열성능을 산출하였다. 하절기 과열실험은 2020년 8월 18일부터 24일까지 진행하였으며, 급탕부하를 전혀 발생시키지 않고 집열운전만 하였을 때 태양열온수기에 과열현상이 발생하는지 여부를 확인하였다.

3.1 열성능 실험 결과

일사조건이 양호한 2020년 2월 23일의 실험 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 그래프의 It는 집열기에 도달하는 총 일사량이며, 측정값에 집열기의 면적(4 m²)을 곱하여 나타내었다. 경사면 전천일사량은 92.4 MJ이고, 축열조 획득열량은 42.4 MJ을 기록하여 45.8%의 집열 효율을 보였다. 급탕부하량은 27.4 MJ이고 축열조 공급열량은 23.0 MJ로 태양열의존율과 태양열이용률은 각각 84.0%, 54.4%를 나타내었다. 8시와 20시에 부하가 발생하여 축열조 상부($T_{st}$)와 하부온도($T_{sb}$)가 순간적으로 감소하였다. 급탕부하가 걸릴 때 축열조 하부로 유입되는 시수에 직접적인 영향을 받기 때문에 축열조 하부온도가 급격하게 시수온도까지 떨어지게 된다. 상대적으로 상부는 성층화가 잘 유지되어 비교적 천천히 감소하였다. 해당일의 부하 종료 후 축열조 상부 온도가 40℃를 상회하는 것으로 보아 동절기임에도 충분한 온도의 온수를 생산할 수 있음을 확인할 수 있었다. 집열기 출구 온도($T_{co}$)는 최대 73.0℃였고, 축열조 상부온도는 16시에 최대 57.9℃를 나타내었다. 축열조 온도가 높아지고 일사량이 감소하면서 15시부터 17시까지 빈번한 펌프 운전은 일사가 줄어들 때의 일반적인 차온제어 특성이다. 일사가 없는 18시 이후에 펌프가 순간적으로 돌고 꺼지는 현상이 발생하였는데 이전연구에서도 관측된 적이 있으며, 축열조 상부에서 집열기 출구쪽으로 밀도차로 역류현상이 발생하였기 때문이다. 역류현상이 발생하면 집열기 출구온도는 점차 상승하여 펌프 작동 조건($\triangle T =T_{co}- T_{so}>12$℃)을 만족시키고 펌프가 작동하게 된다.⁽¹⁵⁾ 이로 인해 열손실이 생기나 전체 시스템 성능에 미치는 영향은 미미하므로 본 시스템에는 체크밸브를 부착하지 않았다.

2019년 12월부터 2020년 5월까지 6개월간의 1차 실증실험 데이터를 Table 2에 정리하였다. 3개의 부하패턴을 순서대로 3, 2, 1개월씩 적용하여 실험하였다. 실험 중에 실험조건 변경, 알고리즘 보완 등의 이유로 데이터를 안정적으로 취득하지 못한 날은 제외하였다. 다양한 부하패턴을 적용하였고 3~6명이 사용하는 것을 전제로 하였는데, 평균 3.9명을 기록하였다. 집열기가 설치된 남향의 수직면일사량이 3월에 최댓값을 보이다 4, 5월에 감소하였는데, 기온이 올라감에 따라 줄어드는 급탕부하 패턴의 경향과 일치하는 것은 바람직한 현상이다. 12월과 4월의 집열량과 부하량은 비슷하지만 4월이 더 낮은 이용률을 보인다. 이용률은 축열조에 저장된 열 중 실제 부하로 공급된 비율인데 온수기는 주로 저녁 시간이나 다음 날 아침에 사용하기 때문에 축열조의 열손실이 커질 수밖에 없어 낮 시간대에 주로 사용하는 시스템에 비해 작은 값을 보이는 경향이다. 4월에 적용한 부하 패턴 2는 저녁 시간에 부하가 집중되기 때문에 비교적 오전과 저녁에 분산되어 있는 12월(부하패턴 1)보다 축열조의 손실량이 커 이용률이 낮은 것으로 보인다. 온수기로 사용하는 경우 축열조의 단열재 50 mm로는 미흡하다고 판단된다. 집열기에 도달하는 일사량이 4월이 더 큼에도 5월의 집열효율이 더 높다. 5월에 적용한 부하패턴 3은 집열 중 축열조 하부로 시수가 유입되어 성층화가 심화되는데, 전술한대로 축열조의 성층화는 집열효율에 유리하게 작용하기 때문에 높은 집열효율을 보인 것으로 분석된다.

Fig. 2 Daily data of experiment(2020. 02. 23) with two-divided load pattern.

이 기간의 평균 집열효율은 42.7%, 평균 이용률은 67.0%를 나타내었다. 태양열 의존율은 평균 56.5%를 보이는데, 태양열온수기의 적정 의존율이 50~60%⁽¹⁷⁾인 것에 비춰보았을 때 적절한 수치이다. 특히 급탕 수요가 많은 동절기(12월~2월)에 태양열 의존율이 57.0%, 집열효율 43.9%의 열성능을 보인 것은 매우 긍정적인 결과 이다. 추가로 효율이 90%인 도시가스 보일러를 사용하는 가정에 본 실험의 태양열온수기를 적용했을 경우 저감되는 $CO_{2}$양($RCO_{2}$)을 계산하였다. 이 기간의 저감량은 172 kg으로 20년생 소나무 62그루가 1년간 흡수하는 $CO_{2}$양⁽¹⁶⁾과 동일하다. $RCO_{2}$ 계산 시에 식(7)을 활용하였으며, IPCC에서 제시하는 탄소 배출계수를 참고하였다.

K-apt 부하패턴을 적용하여 2차 실증실험을 진행하였다. Fig. 5는 일사조건이 양호한 2020년 11월 8일의 실험결과를 보여준다. 남향의 수직면 일사량은 85.6 MJ을 기록하였고 41.3 MJ을 집열하여 48.3%의 효율을 보였다. 급탕부하량은 30.6 MJ이었고 이 중 22.9 MJ을 태양열로 공급하여 태양열 의존율은 74.9%이다.

전반적으로 Fig. 4와 비슷한 경향을 보인다. 다만 $T_{load}$값이 거의 매 시간마다 $T_{st}$값과 비슷하게 증가했다가 다시 감소하는 것은 앞선 실험과 다르게 매 시간마다 급탕부하를 발생시켰기 때문이다. 집열기 출구온도($T_{co}$)는 최대 75.5℃이고, 축열조 상부온도는 15시에 최고온도인 62.7℃를 나타내었다. 17시를 기점으로 축열조 온도가 급격하게 하강하게 되는데, Fig. 2의 부하패턴과 같이 17시부터 급탕부하가 집중되기 때문이다. 부하운전이 끝난 24시에는 축열조 상부온도는 51.6℃, 축열조 하부온도는 17.6℃로 성층화가 비교적 잘 유지된 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3 Daily data of experiment(2020. 11. 08) with the K-apt load pattern.

2020년 8월부터 12월까지 5개월 동안의 실험 데이터의 월별 일평균값을 Table 3에 정리하였다. 8월과 9월에는 태양열온수기 유지보수 작업과 하절기 과열실험을 진행한 일부 날짜를 제외하고 데이터를 종합하였다. 수평면과 달리 남향의 수직면 평균 일사량은 12월에 62.2 MJ로 가장 높은 것이 흥미로운 점이다. 실험기간의 평균 집열효율은 47.4%, 태양열 이용률은 61.8%, 그리고 태양열 의존율은 56.5%를 보이는데 태양열온수기의 적정 의존율과 비교하였을 때 적절한 값이다. 8월의 열성능이 특히 좋지 않은 것을 확인할 수 있는데 우천으로 인한 일사량 감소의 영향도 있지만 태양고도가 높아지기 때문에 수직면에 유입된 집열량이 감소한 것도 적지 않은 것으로 판단된다. 하절기에 대한 실증 데이터가 상대적으로 부족하지만 본격적으로 급탕수요가 많아지는 9월 이후의 실증 데이터를 보았을 때 적절한 열성능을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 는 48그루의 20년생 소나무가 1년간 흡수하는 양과 동일한 133 kg이다.

실험을 통해 벽체일체형 태양열온수기의 열성능이 양호함을 확인할 수 있었다. 객관적인 평가를 위하여 동일 조건에서 다른 경사각(30°, 45°)을 갖는 집열기와 직접적인 비교가 필요하나 실증실험으로는 용이하지 않아 후속연구인 시뮬레이션을 통해 보이기로 한다.

3.2 하절기 과열 실험 결과

2020년 8월 18일부터 7일간 실험을 진행하였다. 사용자가 장기간의 부재 시를 가정하여 급탕부하는 전혀 발생시키지 않고 집열운전만 하였다. 실험 중 일사 상태는 양호했으며 Table 4에 수평면 일사량과 남향의 수직면 전천일사량을 나타내었는데 후자가 거의 1/2 수준이다. Fig. 6은 7일간의 실험 결과를 보여주며 집열기 출구온도 $T_{co}$, 축열조 상부온도 $T_{st}$, 집열기가 설치된 수직면 일사량 It을 나타낸다. 집열운전 중 $T_{co}$가 큰 변동을 보이는 것은 펌프의 빈번한 운전 때문이며 축열조 온도가 높을 때 차온제어의 일반적인 특성이다. 태양열집열기 내부는 출구보다 뜨거운데, 펌프가 작동하면 집열기 내부의 열매체가 빠져나오면서 순간적으로 $T_{co}$가 증가한다. 따라서 펌프의 잦은 운전은 $T_{co}$의 큰 변동을 야기한다. 일사량이 줄어드는 시점에 $T_{co}$가 $T_{st}$보다 낮은 경향을 보이는데, 이는 집열기의 온도가 높아져 열손실량이 증가하고 일사량의 감소로 집열량이 적어지기 때문이다. 일사가 없을 때 $T_{co}$의 변동은 전술한 역류현상으로 인한 것이다.

과열 현상은 비등점보다 높아 수증기가 발생하는 것으로 판단할 수 있다. 수증기가 발생하게 되면 바로 시스템 파손으로 이어지는 것은 아니지만 축열조의 경우 방열기를 통해서 식혀 주거나 시수를 공급하여 열수를 방출 하게 된다. 집열기 순환계통에서는 안전밸브를 통해 열매체를 배출하면서 열매체 부족으로 이어지기 때문에 장시간 이러한 환경에 노출되는 것은 바람직하지 않다.

일사 상태가 가장 좋은 8월 20일에 축열조 상부 온도는 최고 66.7℃를 기록하였는데, 물의 비등점보다 훨씬 낮아 우려할 상황이 발생하지 않았다. 시스템에서 가장 높은 온도를 보이는 집열기 출구측은 최고 81.7℃로 40 wt% 프로필렌글리콜 수용액의 비등점(약 106℃)보다 훨씬 낮아 열매체 방출 역시 관찰되지 않았다. 이는 수직면에 입사되는 입사각(집열기 표면의 법선과 이루는 각도)이 크고⁽⁷⁾ 입사각 수정계수를 고려하면 실제 집열기의 투과체를 통과하는 일사량은 더욱 적어지기 때문이다. 또한 실험에 사용한 단일투과체 평판형 집열기는 고온영역으로 갈수록 효율 감소폭이 큰 특징⁽¹⁸⁾을 갖는데 이러한 요인도 작용한 것으로 분석된다.

소형의 태양열온수기는 일반적으로 별도의 관리자가 없기 때문에 초기 고장에 대처하기가 어렵다. 대부분의 고장원인이 과열로부터 유발된다. 앞서 언급한 바와 같이 무부하 상태로 장시간 방치하는 경우 과열에 이어 열매체 부족이 발생하면서 시스템의 수명이 급격히 떨어질 수 있다. 이러한 면에서 벽체일체형 태양열온수기는 하절기 성능은 다소 떨어지지만 과열현상을 원천적으로 막을 수 있어 신뢰성 향상으로 이어질 수 있다.

Fig. 4 Overheating experimental result from August 18 to 24.