Mobile QR Code QR CODE : Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.

Open Access, Monthly

Open Access Monthly

ISSN : 1229-6422 (Print)
ISSN : 2465-7611 (Online)

Online Submission

Main Menu

Journal Search

[

Research article

]

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean J. Air-Cond. Refrig. Eng. Vol. 35, No. 04, p.202-213

ISSN (print) :

1229-6422

ISSN (online) :

2465-7611

Received : 30 January 2023Revised : 07 February 2023Accepted : 20 February 2023

DOI :

https://doi.org/10.6110/KJACR.2023.35.4.202

현장설치 태양열 집열설비 열성능 확인을 위한 국제표준 기반의 실증적 분석

Demonstrated Evaluation of the Thermal Performance Check of a Solar Collector Field Based on the International Standard

이경호 (Kyoung-Ho Lee) ¹^† 주홍진 (Hong-Jin Joo) ² 안영섭 (Young-Sub An) ³ 한광우 (Gwangwoo Han) ² 이왕제 (Wang-Je Lee) ⁴

한국에너지기술연구원 신재생열융합연구실 책임연구원 (Principal Researcher, Renewable heat integration research laboratory, Korea Institute of Energy Research(KIER), 52 Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon, 3429, Korea)
한국에너지기술연구원 신재생열융합연구실 선임연구원 (Senior Researcher, Renewable heat integration research laboratory, Korea Institute of Energy Research(KIER), 15 Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon, 3419, Korea)
한국에너지기술연구원 신재생열융합연구실 선임기술원 (Senior Engineer, Renewable heat integration research laboratory, Korea Institute of Energy Research(KIER), 152 Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon, 4129, Korea)
한국에너지기술연구원 신재생열융합연구실 기술원 (Engineer, Renewable heat integration research laboratory, Korea Institute of Energy Research(KIER), 152 Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon, 3129, Korea)

^†Corresponding Author, E-mail : khlee@kier.re.kr

License :

No part of this publication may be reproduced or distributed in any form or any means, or stored in a data base or retrieval system, without the prior permission of the publisher(www.sarek.or.kr).

Abstract

In this paper, the method based on the international standard ISO 24194 was applied as a demonstration analysis study to evaluate the thermal performance of a thermal collector in a solar collector field installed on site. ISO 24194 suggests a method to check the thermal performance of solar collector fields based on the thermal performance parameters of a single collector and compare it with the measured thermal performance to validate the performance. The testing facility for analysis was a solar heating system facility with a solar collector field area of 108 m2 installed for a horticulture house in Pohang. The test period for the analysis ranged from May to August, when the incident angle was less than 10 degrees and 12 days of clear weather were selected and analyzed. As a result of the analysis, compared to the estimated thermal output, the measured thermal output considering the two safety factor values regarding measurement system levels was 106.4% and 100.8%, respectively; thus, confirming the performance. Based on this analysis, further studies on selection of the appropriate safety factor values for field-installed heat collectors of various sizes are needed.

키워드

성능확인, 성능추정, 성능측정, 현장설치 태양열 집열설비, 태양열 집열기, 열효율

Key words

Performance check, Performance estimation, Performance measurement, Solar collector fields, Solar thermal collector, Thermal efficiency

기호설명

$A_{c}$ ： 집열기 집열면적 [m²]

$G$ ： 집열면에 작용하는 전일사 [W/m²]

$K_{hem}$ ： 집열면에 작용하는 전일사에 대한 입사각수정계수 [-]

$L_{p ipe}$ ： 집열설비 집열루프의 배관 총 길이 [m]

$\dot{Q}_{p ipe,\: d}$ ： 집열설비 평균 배관 열손실 [W]

$\dot{Q}_{estimate}$ ： 집열설비 열출력 추정값 [W]

$\dot{Q}_{meas}$ ： 집열설비 열출력 측정값 [W]

$\dot{Q}_{c}$ ： 집열기의 열출력 [W]

$T_{a}$ ： 집열기 주위 외기 온도 [℃]

$T_{c,\: f,\: i}$ ： 집열기 입구 열전달유체의 온도 [℃]

$T_{c,\: f,\: o}$ ： 집열기 출구 열전달유체의 온도 [℃]

$T_{m}$ ： 집열기 입구 및 출구온도의 평균온도 [℃]

$V_{p ipe}$ ： 집열설비 집열루프의 배관 내부 총 체적 [m³]

$a_{1}$ ： 집열기 열성능 모델에서 열손실계수 [W/m²K]

$a_{2}$ ： 집열기 열성능 모델에서 열손실계수의 온도의존도 [W/m²K²]

$c_{p}$ ： 집열기 열전달유체의 비열 [kJ/kgK]

$f_{safe}$ ： 집열설비 열성능 추정시 안전계수로서

$f_{P}$ ,

$f_{U}$ ,

$f_{O}$ 등의 3가지 성분의 곱으로 결정 [-]

$f_{P}$ ： 집열설비 열성능 추정시 안전계수의 한 성분으로서 집열 배관망에서의 배관 등으로부터 열손실을 고려한 계수이며 배관 열손실을 평가하여 결정 [-]

$f_{U}$ ： 집열설비 열성능 추정시 안전계수의 한 성분으로서, 측정 불확도를 고려한 안전계수이며 Level I 등급 측정시스템의 경우 0.95, 등급 II 측정시스템의 경우 0.9를 적용 [-]

$f_{O}$ ： 집열설비 열성능 추정시 안전계수의 한 성분으로서 측정불확도 이외의 불확도를 고려한 안전계수이고 1에 가까운 값을 적용하며 예로서 유동 분포, 예상치 못한 열손실, 모델이나 절차 자체의 불확도 등이며, Formula 1을 사용하여 산란일사를 측정하지 않는 경우에는 0.95를 적용 [-]

$\dot{m}$ ： 집열기 열전달유체의 질량유량 [kg/s]

$q_{i-p ipe}$ ： 집열설비 단위 배관길이 및 배관내부와 주위온도의 단위 온도차이에 대한 열손실 [W/mK]

$\eta_{c}$ ： 집열기 집열효율 [-]

$\eta_{estimate}$ ： 집열설비 집열효율 추정값 [-]

$\eta_{meas}$ ： 집열설비 집열효율 측정값 [-]

$\eta_{0}$ ： 집열기 집열효율 최대값 [-]

$\theta_{L}$ ： 집열면 태양 입사각의 종방향 입사각 성분 [°]

$\theta_{T}$ ： 집열면 태양 입사각의 횡방향 입사각 성분 [°]

$\vartheta_{a}$ ： 집열설비 주위 외기 온도 [℃]

$\vartheta_{m}$ ： 집열설비 집열루프의 열전달유체 평균온도 [℃]

$\vartheta_{f,\: e}$ ： 집열설비 집열루프의 열교환기 출구 열전달유체의 온도 [℃]

$\vartheta_{f,\: i}$ ： 집열설비 집열루프의 열교환기 입구 열전달유체의 온도 [℃]

1. 서 론

태양열 기술은 2050년 탄소중립을 위하여 보급이 필요한 매우 중요한 신재생에너지 기술 중의 하나로서 주로 건물의 급탕온수 및 난방용으로 적용이 이루어지고 있다. 2022년 10월에 정부에서는 2050 탄소중립녹색성장위원회를 공식적으로 출범하면서 한국형 탄소중립 100대 핵심기술⁽¹⁾을 선정하였으며, 이 중에 에너지통합시스템 분야에 태양열 기술을 포함하여 발표하였다. 또한 IRENA⁽²⁾에서 발간한 2050년 탄소중립을 위한 로드맵을 살펴보면 건물 분야에서는 2015년 기준 태양열 설비 설치면적 622 백만㎡에서 2050년에는 6,299 백만㎡ 수준으로 보급의 확대가 이루어져야 할 것으로 나타내고 있고, 산업 분야에서도 2015년 1 백만㎡ 수준의 보급을 2050년 3,450 백만㎡까지 획기적인 보급이 이루어져야할 것으로 제시하고 있어 태양열 설비를 탄소중립을 위한 매우 중요한 기술적 수단으로 제시하고 있다. 최근에는 태양열 기술을 통한 산업공정 가열, 그리고 농업 원예시설에 필요한 열공급시스템을 위한 기술 개발과 실증연구가 진행이 되고 있고, 향후에 건물 분야뿐만 아니라 산업 분야에도 태양열 기술의 보급이 확대되어 향후 탄소배출저감에 크게 기여할 수 있을 것이다.

태양열 기술의 적용은 태양열 집열기, 열저장조 및 배관이나 펌프 그리고 제어설비 등으로 구성되는 시스템 기술로서 이루어지며, 이 중에서 태양열 집열기는 태양열시스템의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 대표적이며 핵심적인 구성 요소이다. 태양열 집열기의 성능은 KS 8295:2015⁽³⁾에 의거하여 열성능과 품질성능 시험을 통하여 평가할 수 있으며 KS 인증을 위한 성능평가기준이 마련되어 있다. 또한 국제표준으로는 ISO 9806:2017⁽⁴⁾에서 태양열 집열기의 성능에 대한 표준시험방법을 제시하고 있다. 그렇지만 태양열 기술은 시스템으로 적용이 이루어질 뿐만 아니라 다수의 집열기를 어레이 방식으로 직렬 또는 병렬 구조로 연결하여 설치가 되므로 단일 집열기 성능시험에서는 고려되지 않았던 배관, 연결부 그리고 펌프 등이 집열루프에 포함되며, 실제 현장에 설치된 집열 설비의 집열성능은 설계와 시공 방식에 따라 단일 집열기와 차이를 나타낼 수 있다. 현장 집열설비에 대한 성능평가 연구는 최근 다양하게 이루어진 바가 있으며^(5-¹¹⁾, 2022년에는 현장 설치된 태양열 집열설비에 대한 성능확인을 위한 방법으로 국제표준 ISO 24194:2022⁽¹²⁾ 신규 표준제정이 이루어졌다. 그렇지만 국내에서는 단일 집열기에 대한 성능과 현장 설치된 집열설비의 성능간의 관계에 대한 기술적인 비교 검토나 실증적 연구사례 등을 찾아보기 어려운 실정이다. 현장 설치된 집열설비의 성능은 적절한 방법과 기준을 통하여 평가가 필요하며 이를 통하여 다수의 집열기를 연결한 구조에 대한 집열시스템 설계와 집열설비를 현장에 효과적으로 시공하기 위한 기술 발전에 기여할 수 있을 것이다.

본 연구에서는 실증연구용으로 현장에 설치된 태양열 집열설비에 대하여 집열운전에 따른 열출력성능을 ISO 국제표준 성능확인방법에서 제시한 방법 중 Formula 1 방법을 적용하고 안전계수를 통한 추정 성능을 산출한 후에 측정 성능과 비교 분석하였으며, 집열설비의 집열효율을 열출력 추정에 사용된 안전계수를 적용하여 구하고 단일 집열기의 성능시험으로 제공되는 집열효율식과 비교하였다.

2. 실증적 분석의 개요

현장에 설치된 집열설비의 열성능을 확인하기 위한 방법으로는 ISO에서 2022년에 발간한 ISO 24194:2022를 적용할 수 있으며 본 논문에서는 이 국제표준에서 제시한 방법 중 현장적용에 용이하며 단순화한 방법인 Formula 1을 적용하였다. 현장에 설치된 태양열 집열설비의 성능을 분석하고 확인하기 위하여 본 논문에서 적용한 분석방법에 대한 개요를 Fig. 1에 개념적으로 나타내었다. ISO 24194:2022는 현장 설치된 태양열 집열설비의 열성능을 단일 집열기에 대한 열성능을 기반으로 추정한 열성능과 비교하는 방법을 제시하고 있다. 한편 단일 집열기에 대한 집열성능은 현장 설치된 것과 동일한 모델의 단일 집열기 제품에 대하여 KS 8295:2015 시험평가방법에 따라 수행된 성능결과를 활용하였다. 성능확인을 위한 현장설치 태양열 집열설비 적용대상은 포항의 시설원예 난방열공급을 위하여 실증연구용으로 설치된 태양열 집열설비를 대상으로 하였고, 일사, 온도 및 유량 등에 대한 측정값을 분석에 활용하였다.

본 논문에서는 단일 태양열집열기의 집열효율곡선과 현장 설치된 태양열 집열설비의 집열곡선을 비교하기 위하여 5월부터 8월까지 장기간에 걸쳐서 이루어진 현장 집열설비의 집열운전에 대하여 하늘이 충분이 맑아 단일 집열기 성능평가를 위한 일사량의 조건을 충분히 만족하면서 집열면의 입사각이 0°에 가까운 시간대를 만족하는 기준으로 시험일을 선택하여 데이터를 분석하였다.

Fig. 1 Conceptual diagram of demonstrated evaluation on thermal efficiency for a solar collector field.

3. 태양열 집열설비 국제표준 성능 평가 및 확인 방법

3.1 단일 집열기 성능평가방법

단일 집열기에 대한 열성능시험 방법을 제시하고 있는 KS 8295:2015와 ISO 9806:2017에 의하면 성능평가방법으로 정상상태(Steady state) 시험과 준동적(Quasi-dynamic) 시험의 두 가지 방법이 있다. 본 논문에서는 KS 8295:2015에서의 정상상태 시험에 의한 집열효율 산정방법을 간략히 설명한다.

3.1.1 단일 집열기 열성능 시험조건

집열기의 집열면에 입사되는 일사량 즉 경사면 일사량은 최소한 700 W/㎡이어야 하며, 집열기 시간정수의 4배 또는 15분 정도의 사전 운전을 통하여 집열기가 정상상태에 도달할 수 있도록 한다. 집열기 입구온도 조건은 집열기의 작동온도 범위 전체에서 적어도 4개 이상의 열매체 입구온도에 대하여 고른 간격을 가지도록 하면서 측정하여야 하며, 가장 낮은 입구온도는 외기온도의 ± 3℃ 범위에 들도록 하고 가장 높은 온도는 최소 80℃가 되도록 한다. 정상상태시험에서 입사각은 20° 미만으로 유지할 경우 입사각에 의한 투과체의 영향이 무시할 수 있게 된다.

3.1.2 단일 집열기 열효율 산정

집열기로부터 집열한 열출력은 다음과 같은 식으로 계산한다.

(1)

$\dot{Q}_{c}=\dot{m}c_{p}\triangle T =\dot{m}c_{p}(T_{c,\: f,\: i}-T_{c,\: f,\: o})$

집열기에 작용하는 일사량은 경사면 전일사량을 측정하며 집열기로부터 집열한 열출력과 함께 집열기의 집열효율을 구한다.

(2)

$\eta_{c}=\dfrac{\dot{Q}_{c}}{A_{c}G}$

집열기의 집열효율은 다음의 2차식으로 모델링하여 표현할 수 있다.

(3)

$\eta_{c}=\eta_{0}- a_{1}\left(\dfrac{T_{m}-T_{a}}{G}\right)- a_{2}G\left(\dfrac{T_{m}-T_{a}}{G}\right)^{2} =\eta_{0}- a_{1}\dfrac{\left(T_{m}-T_{a}\right)}{G}- a_{2}\dfrac{\left(T_{m}-T_{a}\right)^{2}}{G}$

한편, ISO 9806:2017에서의 집열기 열출력 모델에서는 풍속, 주변복사 등의 영향을 무시하는 경우 다음의 식으로 집열기의 열출력 성능을 표현하고 있다.

(4)

$\dot{Q}_{c}= A_{GF}\left[\eta_{0}G_{hem}- a_{1}(T_{m}-T_{a})- a_{2}(T_{m}-T_{a})^{2}\right]$

집열기의 열출력 성능식을 효율식으로 다시 표현하면 다음과 같이 2차식으로 쓸 수 있어 식(3)과 동일한 형태가 된다.

(5)

$\eta_{c}=\dfrac{\dot{Q}_{c}}{A_{c}G}=\dfrac{A_{c}\left[\eta_{0}G - a_{1}(T_{m}-T_{a})- a_{2}(T_{m}-T_{a})^{2}\right]}{A_{c}G} =\eta_{0}- a_{1}\dfrac{(T_{m}-T_{a})}{G}- a_{2}\dfrac{(T_{m}-T_{a})^{2}}{G}$

3.2 현장설치 태양열 집열설비 성능확인 방법

3.2.1 ISO 24194의 집열설비 성능의 추정

ISO 24194:2022에서 제시한 현장설치 태양열 집열설비에 대한 성능확인 방법은 Formula 1, Formula 2, Formula 3의 세 가지 수식적 모델을 이용하는 것이며, Formula 1은 비집광형 집열설비에 대하여 적용 가능한 방법으로서 집열면에 전일사를 사용한 집열설비의 열출력 성능에 대하여 상대적으로 단순화한 수식 모델을 적용한다. Formula 2에서는 비집광형 집열설비나 집광비 20 미만의 집광형 집열설비에 적용가능하고 직달일사와 산란일사로 성분을 나누어 적용하며 집열설비 열출력 성능 모델에 있어서 Formula 1에 비하여 상세한 수식 모델을 적용한다. Formula 3은 집광비 20 이상의 집광형 집열설비에 직달일사 성분을 이용하는 방법이다.

본 논문에서는 Formula 1에서 제시한 단순화한 수식 모델을 기반으로 한 방법을 적용하였다. 이 방법에서는 직달일사나 산란일사로 일사 성분을 구분을 할 필요가 없어 현장에 경사면에 대한 전일사계만 설치된 경우에 적용할 수 있으므로 현장 적용성이 매우 높은 방법이다. Formula 1은 상대적으로 단순화한 모델 수식을 이용하므로 Formula 2와 같은 방법에 비하여 수식 모델로부터 추정한 열출력에 적용하는 안전계수값에 대하여 상대적으로 더 작은 값을 적용하도록 하고 있다.

집광하지 않는 평판형이나 진공관형 집열기에 대한 성능평가방법으로 제시된 Formula 1에서의 집열설비에 대한 열출력에 대한 수학적 표현식은 다음이다.

(6)

$\dot{Q}_{estimate}= A_{c}\left[\begin{aligned}\eta_{0}K_{hem}(\theta_{L},\: \theta_{T})G - a_{1}(\vartheta_{m}-\vartheta_{a})\\ - a_{2}(\vartheta_{m}-\vartheta_{a})^{2}- a_{5}(d\vartheta_{m}/dt)\end{aligned}\right]\bullet f_{safe}$

안전계수(Safety factor) $f_{safe}$ 는 3가지 성분으로 나눈 계수의 곱으로 정의한다.

(7)

$f_{safe}= f_{P}f_{U}f_{O}$

배관 열손실에 의한 안전계수를 구하기 위하여 필요한 배관 열손실량에 대한 실험적 수식은 다음과 같이 제시되고 있다.

(8)

$q_{l-p ipe}= 0.32\left(\dfrac{V_{p ipe}}{L_{p ipe}}\right)^{0.22}$

(9)

$\dot{Q}_{p ipe,\: d}= q_{l-p ipe}\bullet L_{p ipe}\bullet(\overline{\vartheta_{m}}-\overline{\vartheta_{a}})$

3.2.2 ISO 24194의 집열설비 성능의 측정

집열설비로부터 열출력은 다음의 식으로부터 구한다.

(10)

$\dot{Q}_{meas}= c_{p}\dot{m}(\vartheta_{f,\: e}-\vartheta_{f,\: i})$

3.2.3 ISO 24194의 집열설비 성능확인 방법

현장설치 태양열 집열설비에 대한 열출력 등 열성능 확인은 위에서 정의한 식(6)에서의 열출력으로부터 안전계수를 고려하여 산정한 열성능 추정값과 현장에서 계측하여 계산한 열성능 측정값을 비교하여 다음의 식을 통하여 확인하도록 하고 있다.

(11)

$Average[\dot{Q}_{meas}]\ge Average[\dot{Q}_{estimate}]$

4. 현장설치 집열설비의 집열효율 성능분석 방법

4.1 현장설치 집열설비의 효율 추정 방법

집열설비 열출력에 대한 식(6)을 $A_{c}G$ 로 나누어 집열설비 효율식으로 표현하면 다음이 된다.

(12)

$\eta_{estimate}=\dfrac{\dot{Q}_{estimate}}{A_{c}G}=\left[\begin{aligned}\eta_{0}K_{hem}(\theta_{L},\: \theta_{T})- a_{1}(\dfrac{T_{m}-T_{a}}{G})\\ - a_{2}\dfrac{(T_{m}-T_{a})^{2}}{G}- a_{5}(\dfrac{d T_{m}/dt}{G})\end{aligned}\right]\bullet f_{safe}$

위 식에서 정상상태에 도달한 데이터를 사용하여 비정상상태를 나타내는 항을 제거하면 다음의 식으로 표현 가능하다.

(13)

$\eta_{estimate}=\dfrac{\dot{Q}_{estimate}}{A_{c}G}\\ =\left[\eta_{0}K_{hem}(\theta_{L},\: \theta_{T})- a_{1}(\dfrac{T_{m}-T_{a}}{G})- a_{2}\dfrac{(T_{m}-T_{a})^{2}}{G}\right]\bullet f_{safe}$

4.2 현장설치 집열설비의 효율 측정 방법

현장설치된 태양열 집열설비의 집열효율을 KS 시험성적서에서 제시한 집열효율식과 비교하기 위하여 단일 집열기의 성능시험과 유사한 조건에서 측정한 현장 집열설비 집열량 측정이 필요할 것이다. 본 논문에서는 현장 집열설비 운전 기간 중 입사각이 0°에 가까운 시간대를 선정하여 전후 낮은 입사각이 유지되는 시간대에 대하여 집열량을 측정하고 효율을 다음 식과 같이 산정한다.

(14)

$\eta_{meas}=\dfrac{\dot{Q}_{meas}}{A_{c}G}=\dfrac{c_{p}\dot{m}(T_{f,\: e}-T_{f,\: i})}{A_{c}G}$

4.3 현장설치 집열설비의 효율 성능확인 방법

집열설비 성능확인 방법에서 집열설비 열출력을 집열설비 측정 효율과 추정 효율로 비교하여 표현하면 아래와 같다.

(15)

$Average\left[\dfrac{\dot{Q}_{meas}}{A_{c}G}\right]\ge Average\left[\dfrac{\dot{Q}_{estimate}}{A_{c}G}\right]$

(16)

$\eta_{meas}\ge\eta_{estimate}$

(17)

$\eta_{meas}\ge\left[\eta_{0}K_{hem}(\theta_{L},\: \theta_{T})- a_{1}(\dfrac{T_{m}-T_{a}}{G})- a_{2}\dfrac{(T_{m}-T_{a})^{2}}{G}\right]\bullet f_{safe}$

위 식의 오른쪽 항의 안전계수를 곱하기 전의 값은 단일 집열기의 효율식과 동일한 표현식이 되며 KS인증시험을 통하여 구하여진 집열기의 효율식이 된다.

5. 실증 태양열설비에 대한 집열효율 성능분석

5.1 대상 실증 설비 개요

5.1.1 태양열 집열설비

본 논문에서 현장설치 집열설비 성능분석을 위하여 대상으로 한 태양열 집열설비는 포항시에 위치한 시설원예의 태양열 계간축열식 난방용 열공급을 위한 실증연구 설비로 2022년에 구축된 설비이며 Fig. 2에 태양열설비 전경과 집열설비에 대하여 근접 촬영한 모습을 나타내었다. 태양열 집열설비는 원예시설 주변 기계실 옥상에 설치되어 있으며 평판형과 진공관형 등 두 종류의 집열설비가 설치되어 있다. 본 논문에서 평판형 집열설비를 분석대상으로 하였고 노란색 상자로 표기하였으며 대상으로 한 집열설비는 집열기 52매로 설치면적은 전면적 기준으로 108.0 ㎡이고, 집열기의 설치 방위각은 +56°(남서향), 경사각은 30°이다. 집열운전 기간에 사용한 열전달유체는 물이다.

태양열 집열설비는 상대적으로 저온의 집열 작동온도 영역에 적합한 태양열 집열설비와 상대적 고온 영역에서 운전하기 위한 별도의 추가 집열설비가 직렬방식 배관구성으로 설치되어 있으며, 본 논문에서는 저온영역에 적합하도록 설치한 태양열 집열설비를 대상으로 하였다.

집열설비는 기계실의 옥상에 설치되어 있으며, 기계실 내부에 설치된 집열용 열교환기와 단열이 된 배관으로 연결된다. 배관의 직경은 40 mm, 외경 48.6 mm, 내경 42.1 mm이고, 배관의 단열재는 고무발포보온재로서 단열재의 두께는 100 mm이다. 배관의 길이는 집열용 열교환기로부터 대상 태양열 집열설비 입구까지 34.5 m이고, 대상 태양열 집열설비의 최종출구로부터 집열용 열교환기까지의 배관 길이는 28.8 m이며, 집열기간의 배치와 연결을 위하여 분기되어 연결용으로 사용된 배관 길이를 포함하면 전체 배관길이는 약 91 m 정도로서 이 배관길이를 배관열손실 계산에 사용하였다.

대상 집열설비의 단일집열기 열효율 성능은 KS 8295:2015에 따른 열성능시험⁽¹³⁾으로부터 결정된 열효율식의 계수의 값으로 나타낼 수 있으며 성능시험을 통하여 구한 $\eta_{0}$ , $a_{1}$ , $a_{2}$ 의 값을 적용하였다.

Fig. 2 Photo of demonstration solar collector field facility (a) solar collector fields on the mechanical room facility and (b) solar collector field considered in the study.

5.1.2 측정 시스템

실증대상 집열설비의 성능을 측정하기 위한 일사계, 온도센서, 유량계 등의 설치 위치를 Fig. 3에 나타내었다. 온도센서는 기계실 내 설치된 집열용 열교환기의 입구와 출구측 배관에 설치하였고, 유량계는 집열용 열교환기 출구측의 배관에 설치하였다. 일사계는 기계실 옥상에 집열설비의 경사각과 동일한 각도로 설치하였다. 온도센서는 ±0.1℃ 정밀도를 가지는 4선식 RTD(Resistance Temperature Detector)를 사용하였으며 온도센서는 항온조를 이용하여 집열루프의 집열온도측정를 포함하는 온도범위 내에서 온도값 보정을 하였다. 일사계는 Kipp & Zonen사의 CMP21 모델이고 정밀도는 ±1%이다. 유량계는 전자식 유량계이며 KFC사의 KFCM-100 모델로서 정밀도는 ±0.5%이다. 데이터로깅 및 제어 시스템은 PLC XGT 제어보드와 XGT 온도제어모듈을 사용하였으며 데이터 측정은 1초 간격 저장은 1분 간격으로 자동 기록되도록 하였다.

Fig. 3 Schematic diagram for measured points of solar irradiance, flow rates and temperature.

5.2 현장설치 집열설비의 집열효율 성능분석 적용 및 결과

5.2.1 성능 분석일 선정

실증대상 집열설비의 성능을 분석하기 위하여 아래 세 가지 조건을 만족하는 시험일과 시간대를 선정하였다.

조건 1. 집열설비 경사면에서의 입사각을 년중 계산하여 입사각수정계수값이 1에 가까운 값이 되는 0°에 가까운 10° 이내 입사각을 갖는 날짜와 시간대

조건 2. 단위면적당 일사량이 800 W/㎡ 이상이 유지되는 청명한 하늘조건을 갖는 시간대

조건 3. 정상적인 집열 시작과 종료가 이루어진 시험일

위 조건을 고려하여 5월, 6월, 7월 및 8월 중 상기 조건을 만족하는 평가일을 Table 1에 나타낸 바와 같이 12개 시험일을 선정하였다. 분석을 위한 하루 중 시간대는 오후 2시가 입사각이 가장 낮은 시각이고 오후 2시를 기준으로 전후 10분씩 20분간의 정상상태를 대상으로 하였다. 집열기가 설치된 위치정보와 경사각 및 방위각을 기준으로 하여 12개 시험일에 대한 오후 2시에서의 추정한 입사각은 Table 2에 나타낸 바와 같이 최대 8.9도로 20° 미만이며 이 조건에서 단일 집열기에 대한 KS 인증시험성적서에서 제시하는 입사각수정계수는 0.996보다 미만의 수준으로 입사각에 의한 영향이 거의 없는 것으로 판단하며 입사각수정계수 $K_{hem}(\theta_{L},\: \theta_{T})$ 는 1로 가정하였다.

Table 1 Estimated minimum incident angle at 2 pm for each test day

Month	5				6		7		8
Day of month	3	6	16	26	3	20	1	2	12	19	21	26
Incident angle	0.9	1.7	4.3	6.4	7.6	8.9	8.7	8.6	7.7	2.3	2.7	4.1

Table 2 Estimated safety factors considered in this study

Safety factor	Method	Estimated Value
$f_{P}$	․Apply equations (5) and (6) for each test day and calculate the ratio of heat loss to average thermal output.	Calculate for each test day
$f_{U}$	․Assumed level I measurement system is employed.	0.95
$f_{U}$	․Assumed level II/III measurement system is employed.	0.90
$f_{O}$	․Simple Formula 1 is used as diffuse radiation is not measured.	0.95

5.2.2 집열량 및 효율 성능분석 방법

태양열 집열설비의 집열운전에 따른 열출력은 집열열교환기 1차측의 입구와 출구에서의 온도차 그리고 유량을 측정하여 계산하였으며, 집열설비 입구 및 출구온도 센서는 열교환기 1차측의 출구 및 입구 근처의 기계실 내부에 위치한 배관에 설치되어있다. 태양 일사량은 집열면과 동일한 경사각으로 설치한 일사계로 기계실 옥상에 설치하여 측정하였다. 온도센서의 현장 보정을 실시하였으며 RTD센서 도선길이 영향도 보정하였다. 집열설비의 집열성능을 추정하는데 필요한 안전계수는 Table 2에 나타낸 방법과 값을 적용하였다. 배관손실에 의한 안전계수는 ISO 24194에서는 예시로서 0.97을 적용하였다. 본 논문에서는 각 시험일에 있어서 분석에 사용한 시간대에 대하여 식(8)과 식(9)를 이용하여 배관열손실을 추정하고 평균 집열량값에 대한 비율을 계산한 후에 그 값을 $f_{P}$ 값으로 적용하였고 분석에 사용한 계산된 값을 Fig. 4에 나타내었다. 12개의 시험일에 대하여 적용한 배관열손실에 대한 안전계수의 평균값은 0.987이었다. 측정시스템의 불확도 수준에 따른 안전계수 $f_{U}$ 는 본 분석에서는 두 가지 경우를 고려하여 각각 0.9와 0.95를 적용하였다. 집열량 추정에 사용한 Formula 1에서 산란일사를 적용하지 않았으므로 $f_{O}$ 에 대하여 0.95의 값을 적용하였다.

Fig. 4 Estimated safety factors $f_{P}$ taking into account for heat losses from pipes in the collector loop for test days.

5.2.3 집열량 및 효율 성능분석 결과

집열설비에 대한 열출력값은 오후 2시 전후 각 10분을 포함하여 전체 20분간에 걸친 1분 간격의 측정 데이터값에 대한 분석값을 평균하여 산정하였다. 전체 12개 시험일에 대하여 측정하고 보정한 집열설비에 대한 일별 추정한 평균 집열량과 측정한 집열량을 Fig. 5에 비교하여 나타내었다. 열성능 추정에 사용된 안전계수의 경우 측정불확도에 의한 안전계수 $f_{U}$ 는 0.9와 0.95의 두 가지 경우를 고려하여 분석하였다. 현장설치 집열설비에 대하여 측정한 집열량을 안전계수를 적용하여 추정한 집열량과 비교하여 Fig. 6에 나타내었다. 측정한 집열량의 수준은 안전계수 $f_{U}$ 를 달리한 두 경우에 대하여 각각 추정 집열량의 106.4%와 100.8%로 나타나 ISO 24194:2022에서 제시한 측정한 집열량의 평균값이 추정한 집열량의 평균값보다 같거나 더 높아야 한다는 확인조건을 만족하였다. 또한 현장설치 집열설비에 대하여 측정한 효율과 안전계수를 통하여 보정한 집열설비의 집열효율을 단일집열기 집열효율식과 Fig. 7에 비교하여 나타내었다. 측정불확도에 의한 안전계수값을 0.95와 0.9로 적용한 경우에 대한 보정한 두 경우에 대하여 집열효율을 식으로 나타내었다. 현장설치한 집열설비의 측정한 집열효율값들은 ISO 24194에서 제시한 집열출력을 보정한 값으로부터 계산한 보정한 집열효율보다 높게 나타났으며, 단일 집열기의 집열효율 보다는 낮은 범위에 있다. 따라서 현장에 설치된 집열설비의 측정 집열효율은 배관열손실, 측정불확도를 포함한 각종 불확실성의 요인을 검토하여 분석되어야 할 것으로 보인다.

Fig. 5 Comparison of estimated and measured collector thermal output for test days with safety factors of fO = 0.95, calculated fP and (a) fU = 0.90, (b) fU = 0.95.

Fig. 6 Plot of average measured thermal power and corresponding estimated average thermal power of a solar collector field with safety factors of fO = 0.95, calculated fP and (a) fU = 0.90, (b) fU = 0.95.

Fig. 7 Comparison of measured efficiency of single collector unit, estimated efficiency of collector field with safety factors of fO = 0.95, calculated fP and fU = 0.90 and 0.95 and measured efficiency of collector field.

6. 성능확인 분석의 적용범위와 제언

실제 현장에 설치된 다수의 집열기의 연결로 이루어지는 집열설비의 집열성능을 단일 집열기의 집열성능과의 비교를 통하여 성능의 차이를 가늠하여 볼 수 있다면 집열기의 어레이에 대한 설계와 실제 시공으로 인한 영향을 파악하는데 도움이 될 수 있을 것이다. ISO 24194:2022에서 제시한 현장설치 집열설비의 성능을 확인하는 방법에서는 단일 집열기에 대한 열성능시험에서 결정한 성능 추정모델을 기반으로 현장 집열설비에 대한 집열면적을 적용하여 확장하는 방식이며 배관 열손실이나 측정불확도 그리고 그 외 기타 요인으로 인하여 성능에 영향을 미칠 수 있는 요인을 안전계수를 도입하여 보정하도록 하고 있으므로 안전계수에 대하여 적절한 값을 결정하고 적용하는 것이 성능확인에 있어서 매우 중요한 과정이라고 할 수 있다. 본 분석에서는 안전계수를 구성하는 세 가지 계수 중 배관열손실에 의한 안전계수는 ISO 24194에서 제시한 방법에 따라 추정하였고, 측정시스템의 불확실성과 관련한 안전계수는 대상설비에 설치된 측정시스템의 레벨이 Level I 및 Level II/III에 해당하는 경우를 모두 고려하여 0.95와 0.90의 값을 갖는 두 가지 경우를 분석결과에 포함하였다. Level I 수준과 Level II 수준의 측정시스템에 대한 ISO 24194에서의 정의는 Level I 측정시스템 수준은 매우 정확한 추정이 가능하지만 비용이 높은 수준으로 정의하고 있으며, Level II/III 측정시스템 수준은 덜 정확하지만 비용이 낮은 수준으로 정의하고 있어, 측정시스템의 수준에 대하여 구체적이고 상세하게 설명되어 있지는 않다. 다만 일사, 온도, 유량 등 개별측정요소에 대하여 더욱 구체적으로 언급하고 있어 개별측정요소의 수준을 전체 측정시스템의 수준으로 확장하여 안전계수를 결정하기 위한 추가적인 연구 및 검토가 필요할 것으로 보인다. 또한 기타 불확실성을 가지는 요소에 대한 안전계수로서 Formula 1과 같인 단순화한 모델로 일사를 성분별로 구분하지 않고 적용하는 방법에서는 0.95를 추천하고 있어 본 분석에서도 이 값을 적용하였다. 이와 같이 안전계수 값을 적용하는 조건은 측정시스템의 수준을 고려하는 경우에 다소 적용에 있어 명확하지 않은 부분도 있으나 결과에는 큰 영향을 미칠 수 있으므로 안전계수에 대한 적절한 값의 범위와 결정을 위한 연구가 필요할 것으로 보인다.

또한 본 분석에서는 입사각이 0°에 가까운 조건에서 시험한 단일 집열기의 집열효율식과 현장설치 집열설비 효율을 비교하기 위하여 입사각이 10° 미만이며 일사조건이 안정적이고 충분한 조건을 만족하는 청명한 하늘을 갖는 오후 2시를 전후한 시간대에 대하여 현장 집열설비에 대한 성능 데이터를 분석하였다. 추후 연구에서는 하루 중 충분한 시간에 걸친 데이터와 일사와 온도 조건이 동적으로 가변하는 조건에서도 적용하는 연구가 필요하다.

한편 본 분석에서는 Formula 1을 적용하였고 집열설비와 동일한 경사면에서의 전일사만을 측정하여 적용이 가능하였으나, 상대적으로 더욱 상세한 수식모델에 기반한 Formula 2 적용을 위해서는 일사 성분을 직달일사와 산란일사로 각각 구분하여 이용하여야 하므로, 일사 측정 방법에 대하여도 검토가 필요할 것이다.

태양열시스템의 현장설치된 집열설비의 성능측정은 집열열교환기를 기준으로 집열루프인 1차측과 축열루프인 2차측에서의 열성능을 평가할 수 있으며, 본 분석에서는 집열루프인 1차측의 집열성능을 다루었다. 열교환기 등을 거친 열전달의 성능을 포함하기 위해서는 2차측의 열성능에 대한 분석도 실시하는 것이 바람직할 것이다.

태양열시스템은 수백 또는 수천 ㎡ 수준의 대규모일 수도 있으나 수 ㎡ 또는 수십 ㎡ 수준의 소규모 시스템도 보급되고 있으며, 소규모 시스템의 경우 측정시스템에 소요되는 계측센서의 수준과 가격이 설비 설치에 부담을 주는 요인으로 작용할 수도 있다. 따라서 시스템 규모별 측정시스템의 정확도를 고려한 Level I, II 및 III 수준에 따른 안전계수에 대한 세심한 연구와 검토가 필요할 것으로 보인다.

7. 결 론

본 논문에서는 현장 설치된 태양열 집열설비의 열출력과 집열효율 등의 열성능을 평가하기 위한 실증적 분석 연구의 일환으로서 국제표준 ISO 24194:2022에서 제시하는 집열설비 열성능 확인 방법 중 현장에 적합한 단순화 모델식을 적용한 방법을 이용하여 국내 현장 설치된 태양열 집열설비에 적용하였다. ISO 24194:2022는 단일 집열기의 열성능 파라메터를 이용하여 현장 설치 집열설비의 열성능을 추정하고 실제 측정한 열성능과 비교하여 성능을 확인하기 위한 방법을 제시하고 있다.

분석 대상 설비는 포항의 시설원예에 설치된 집열면적 108 ㎡ 규모의 태양열 집열설비를 대상으로 하였다. 분석을 위한 시험일은 5월부터 8월까지 집열이 이루어진 기간 중에 입사각이 10° 미만인 시간대이고 날씨가 청명한 날 12개 시험일을 선정하여 분석하였다. 분석결과로서 측정한 열출력은 안전계수를 고려한 추정 열출력과 비교하였을 때 측정시스템 불확도 수준에 따른 안전계수값을 0.95와 0.9로 달리 적용한 경우에 대하여 각각 100.8%와 106.4% 수준으로 나타났으며, ISO 24194:2022에서 제시한 적절한 성능범위에 있음을 확인할 수 있었다.

본 실증적 분석을 토대로 향후에는 다양한 규모의 현장설치 태양열 집열설비를 대상으로 하여 비용효과 적이면서 측정장비의 수준 등을 고려하고 현장의 상황에 적합한 방법으로 열성능을 평가하는데 필요한 성능평가 표준화 기반마련을 위한 연구가 필요할 것으로 사료된다. 이러한 연구를 토대로 태양열 설비에 대한 현장적용을 위한 설계 기법과 시공 기술 향상에 도움이 될 수 있는 표준시험방법과 기준 개발로 이어질 수 있을 것으로 기대한다.

후 기

본 논문은 농림축산식품부의 지원으로 농림식품기획평가원의 농업에너지자립형산업모델기술개발사업의 지원을 받아 연구되었음(120093-3).

References

Ministries of Korea, 2022, Green Growth Technology Innovation Strategy for Carbon Neutral.

IRENA, 2018, International Renewable Energy Agency, Global Energy Transformation, A Roadmap to 2050.

Ministry of Trade, Industry and Energy of Korea, 2015, Standard for Solar Thermal Collectors, KS B 8295:2015.

International Standard Organization, Solar Energy - Solar Thermal Collectors - Test Methods, 2017, ISO 9806:2017(E), Second Edition 2017-09.

Bava, F., Dragsted, J., and Furbo, S., 2017, A Numerical Model to Evaluate the Flow Distribution in a Large Solar Collector Field, Solar Energy, Vol. 143, pp. 31-42.

Bava, F. and Furbo, S., 2017, Development and Validation of a Detailed TRNSYS-Matlab Model for Large Solar Collector Fields for District Heating Applications, Energy, Vol. 135, pp. 698-708.

Kizildag, D., Castro, J., Kessentini, H., Schillaci, E., and Rigola, J., 2022, First Test Field Performance of Highly Efficient Flat Plate Solar Collectors with Transparent Insulation and Low-Cost Overheating Protection, Solar Energy, Vol. 236, pp. 239-248.

Bava, F. and Furbo, S., 2018, Impact of Different Improvement Measures on the Thermal Performance of a Solar Collector Field for District Heating, Energy, Vol. 144, pp. 816-825.

Ampuno, G., Roca, L., Berenguel, M., Gil, J. D., Perez, M., and Normey-Rico, J. E., 2018, Modeling and Simulation of a Solar Collector Field Based on Flat-Plate Collectors, Solar Energy, Vol. 369-378.

Shrestha, N. L., Frotscher, O., Urbaneck, T., Oppelt, T., Goschel, T., Uhlig, U., and Frey, H., 2018, Thermal and Hydraulic Investigation of Large-Scale Solar Collector Field, 16th International Symposium on District Heating and Cooling, DHC2018,

Ayompe, L. M. and Duffy, A., 2013, Thermal Performance Analysis of a Solar Water Heating System with Heat Pipe Evacuated Tube Solar Collector Using Data From a Field Trial, Solar Energy, Vol. 90, pp. 17-28.

International Standard Organization, Solar Energy - Collector Fields - Check of Performance, 2022, ISO 24194:2022(E), First Edition 2022-05.

Korea Institute of Energy Research, 2018, Solar collector test report for KS certification, KIER-18-4-001.

Article Information (continued)

[

Research article

]

키워드 :

키워드

Keyword :

성능확인

Keyword :

성능추정

Keyword :

성능측정

Keyword :

현장설치 태양열 집열설비

Keyword :

태양열 집열기

Keyword :

열효율

Key words :

Key words

Keyword :

Performance check

Keyword :

Performance estimation

Keyword :

Performance measurement

Keyword :

Solar collector fields

Keyword :

Solar thermal collector

Keyword :

Thermal efficiency

This display is generated from NISO JATS XML with jats-style.xsl. The XSLT engine is Saxonica.

KJACRKorean Journal ofAir-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.

Journal Search

Journal XML

Journal Information

Demonstrated Evaluation of the Thermal Performance Check of a Solar Collector Field Based on the International Standard

Abstract

키워드

Key words

기호설명

1. 서 론

2. 실증적 분석의 개요

Fig. 1 Conceptual diagram of demonstrated evaluation on thermal efficiency for a solar collector field.

3. 태양열 집열설비 국제표준 성능 평가 및 확인 방법

3.1 단일 집열기 성능평가방법

3.1.1 단일 집열기 열성능 시험조건

3.1.2 단일 집열기 열효율 산정

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

3.2 현장설치 태양열 집열설비 성능확인 방법

3.2.1 ISO 24194의 집열설비 성능의 추정

(6)

(7)

(8)

(9)

3.2.2 ISO 24194의 집열설비 성능의 측정

(10)

3.2.3 ISO 24194의 집열설비 성능확인 방법

(11)

4. 현장설치 집열설비의 집열효율 성능분석 방법

4.1 현장설치 집열설비의 효율 추정 방법

(12)

(13)

4.2 현장설치 집열설비의 효율 측정 방법

(14)

4.3 현장설치 집열설비의 효율 성능확인 방법

(15)

(16)

(17)

5. 실증 태양열설비에 대한 집열효율 성능분석

5.1 대상 실증 설비 개요

5.1.1 태양열 집열설비

Fig. 2 Photo of demonstration solar collector field facility (a) solar collector fields on the mechanical room facility and (b) solar collector field considered in the study.

5.1.2 측정 시스템

Fig. 3 Schematic diagram for measured points of solar irradiance, flow rates and temperature.

5.2 현장설치 집열설비의 집열효율 성능분석 적용 및 결과

5.2.1 성능 분석일 선정

Table 1 Estimated minimum incident angle at 2 pm for each test day

Table 2 Estimated safety factors considered in this study

5.2.2 집열량 및 효율 성능분석 방법

Fig. 4 Estimated safety factors fPf_{P} taking into account for heat losses from pipes in the collector loop for test days.

5.2.3 집열량 및 효율 성능분석 결과

Fig. 5 Comparison of estimated and measured collector thermal output for test days with safety factors of fO = 0.95, calculated fP and (a) fU = 0.90, (b) fU = 0.95.

Fig. 6 Plot of average measured thermal power and corresponding estimated average thermal power of a solar collector field with safety factors of fO = 0.95, calculated fP and (a) fU = 0.90, (b) fU = 0.95.

Fig. 7 Comparison of measured efficiency of single collector unit, estimated efficiency of collector field with safety factors of fO = 0.95, calculated fP and fU = 0.90 and 0.95 and measured efficiency of collector field.

6. 성능확인 분석의 적용범위와 제언

7. 결 론

후 기

References

Article Information (continued)

키워드

Key words

KJACRKorean Journal of
Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Fig. 4 Estimated safety factors $f_{P}$ taking into account for heat losses from pipes in the collector loop for test days.