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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)

  1. 부산대학교 생산기술연구소 박사후연구원 (Postdoctoral Researcher, Research Institute of Industrial Technology, Busan National University, Busan 4624, Korea)
  2. 부산대학교 건축공학과 박사과정 (Ph.D student, Department of Architecture Engineering Busan National University, Busan 4641, Korea)
  3. 부산대학교 건축공학과 교수 (Professor, Department of Architectural Engineering, Busan National University, Busan 46241, Korea)



건축물일체형 태양광-열 시스템, 수치해석 시뮬레이션, 압력손실, 시스템 효율
Building integrated photovoltaic-thermal system, Numericla simulation, Pressure loss, System efficiency

기호설명

$P_{pv}$ : PV 전력 생산량 [W]
$FF$ : 충전계수 [-]
$I_{sc}$ : 단락전류 [A]
$V_{oc}$ : 개방회로 전압 [V]
$\dot{m}$ : 유량 [kg/s]
$A_{PV}$ : PV 면적 [m2]
$(\tau a)_{n}$ : PV의 투과율 [-]
$IAM$ : 입사각 보정 [-]
$G$ : 전체 수평 일사량 [W/m2]
$\eta$ : 효율 [-]
$W_{fan}$ : 팬 동력 [W]

1. 서 론

2022년 IEA에서 발표한 ‘Tracking Clean Energy Progress’ 보고서에 따르면 건물 부문은 전체 에너지 소비의 34%, CO2 배출량은 전체 배출량의 37%를 차지하고 있다. 이러한 배출량 증가에 대응하기 위해 건축 부분에서의 탄소 중립을 추구하기 위한 노력이 집중되고 있으며, 제로 에너지 빌딩(Zero energy building, ZEB)에 대한 연구와 정책이 활발히 진행되고 있다. ZEB 달성을 위해서는 고단열, 고기밀, 고효율 기기 등을 활용하여 시스템 효율을 높이고, 신재생 에너지를 적극적으로 도입하여 자체 에너지 수급을 확보하는 것이 필수적이다. 다양한 신재생 에너지가 ZEB 달성을 위해 건축물에 적용되고 있지만, 그중 태양 에너지를 활용한 신재생 에너지 시스템은 초기 투자비 및 시스템 효율 등을 고려할 때 가장 실용적이고 적용이 쉽다는 장점을 가지고 있다.

건물에 적용 가능한 태양 에너지 기술은 전력 생산이 가능한 태양광(Photovoltaic, PV) 시스템과 열에너지 생산이 가능한 태양열(Solar Thermal) 시스템으로 나뉘며, 최근 두 기술을 결합한 태양광-열(Photovoltaic-Thermal, PVT) 시스템이 활발히 연구되고 있다.(1-3) PVT 시스템은 PV 패널 뒤에 열교환기를 부착하여 PV에서 발생한 열을 회수하여 열에너지를 생산하며, PV 온도를 낮춰 전력 효율을 향상하는 장점을 가지고 있다. PVT 시스템은 열과 전기를 동시에 생산하여 ZEB 달성에 크게 기여할 수 있지만, 대지면적 대비 연면적이 큰 초고층 건물에서의 PVT 시스템 적용은 설치 면적 부족으로 에너지 생산 및 공급에 한계가 있다. 이와 같은 이유로 설치 면적을 건물 외피 전체로 확대하여 전력 및 열 생산량을 높일 수 있는 건물일체형 태양광-열(Building integrated PVT) 시스템이 주목받고 있으며, BIPVT 시스템의 구조적 안정성, 설치 공간의 확보, 전력과 열의 동시 생성, 에너지 성능 향상, 소음 방지, 화재 예방 등을 향상하기 위해 연구 개발이 진행되고 있다.(4-6)

Shahsavar et al.(7)은 BIPVT의 에너지 성능을 예측하기 위한 여러 머신러닝 기법의 타당성을 검토하였다. 또한 엑서지 관점에서 시스템의 성능을 평가하기 위해 성능 평가 기준을 구현하였다. 다양한 학습모델의 접근 방식을 통해 얻은 결과를 평가 및 비교하고 입력 매개변수(덕트 길이, 덕트 폭, 덕트 깊이 및 공기 질량 유량)에 따른 설계에 미치는 영향을 관찰했다. Yu et al.(8)은 BIPVT 개발에 대한 검토를 제시하고 건물 외관을 갖춘 통합 태양광 시스템의 설계와 PV 셀의 열 성능 및 공간 난방 및 냉방을 위한 건물의 에너지 소비에 미치는 영향을 분석하였다. 파사드 기반 BIPVT 시스템을 기반으로 열에너지 사용에 따라 공기에 의한 PV 냉각, 공간 난방, 환기, 온수난방, PV-PCM, 히트 펌프를 갖춘 BIPVT 및 광전지 열전 벽으로 성능 인자를 7가지 유형으로 분류하고, 새로운 설계에 대해 전기 출력, 열 성능 및 건물의 냉난방 부하에 대한 영향을 종합적으로 검토하였다. Debbarma et al.(9)은 BIPV와 BIPVT 시스템의 다양한 설계를 검토하였으며, 설계 지역의 기후조건 및 주변의 장애물에 의한 차광효과에 따라 성능이 변화하며, BIPVT의 최대 열효율은 55%라고 보고하였다. 하지만, BIPVT 활용에 관한 연구 및 가이드라인에 대한 정보가 미미하기 때문에 정량적인 시스템 설치 권장 사항이 제시되어야 한다고 보고하였다. 한편, BIPVT 시스템은 건물 외피에 부착하기 때문에 패시브 시스템 관점에서 단열성능에 대한 효율 검토가 필요하며, 국내의 일사 및 외부온도, 주거 환경에 따른 BIPVT의 적용 가능성에 대한 검토가 필요하다.

본 연구에서는 BIPVT의 적용 및 설치 가이드에 관한 기초 연구로서 BIPVT-air 시스템을 대상으로 수치 시뮬레이션을 통한 BIPVT의 열교환기 형태와 유량에 따른 시스템의 성능 예측을 실시한다. BIPVT는 건물 벽체에 적용된 모듈 중 하나로 측면은 단열조건으로 설정하였고, Back panal은 건물의 벽체 온도(25℃), 최대일사(1,000 W/m2)로 설정하여 정상 계산을 실시한다.

2. BIPVT 집열기 구성

2.1 BIPVT 집열기

Fig. 1은 해석 대상인 BIPVT의 형태를 나타낸다. BIPVT는 PV와 열교환기로 구성되며, 2,000 mm × 1,000 mm × 93 mm의 크기를 가진다. PV는 7개의 레이어로 구성되어 있으며, 각 레이어의 구성과 재료는 Table 1에 기술한다. 일사에 의해 과열된 BIPVT의 PV cell 온도는 PV의 효율 저하를 일으키는 원인이 되기 때문에, 열교환기 형태 및 내부 유동에 의해 PV cell 온도를 낮추는 방안이 필요하다. 본 연구에서는 열교환기 내부 덕트의 핀 간격에 따라 내부 유동과 열분포를 분석한다. 핀 간격은 165 mm(Case 1), 200 mm(Case 2), 250 mm(Case 3)으로 구성되어 있으며, 각 Case에서 유량의 변화에 따라 성능 분석을 실시하였다.

Fig. 1 PV module and heat exchanger of BIPVT.
../../Resources/sarek/KJACR.2024.36.6.281/fig1.png
Table 1 Input parameters of each layer in BIPVT

Layer

Function

Material

Thickness (mm)

Thermal conductivity (W/(m K))

Specific heat

(J/(kg ℃))

Density

(kg/m3)

1

Front Sheet

ETFE

(Ethylene tetrafluoroethylene)

0.28

0.24

1172

1730

2

Encapsulant

EVA

(Ethylene-vinyl acetate)

0.20

0.35

2090

945

3

Solar Cell

Silicon

(Monocrystalline cell)

0.15

148

700

2330

4

Encapsulant

EVA

(Ethylene-vinyl acetate)

0.20

0.35

2090

945

5

Back Sheet

PET

(Insulation plastic)

0.20

0.275

1275

1350

6

Adhesive

Tape

0.13

0.19

2000

1012

7

Support

CFRP

(Carbon fiber composite polymer)

2.00

6.83

1130

1490

8

Heat exchanger

Aluminum

(length × width × height)

Thickness: 20 mm

237

951

2689

9

Air

Air

0.026

1007

1.16

2.2 이론적 고찰

PVT의 총 발전량은 PV cell의 효율, 온도 및 일사량을 사용하여 결정할 수 있으며 다음과 같이 계산한다:

(1)
$P_{PV}=(FF)I_{sc}\bullet V_{oc}\bullet A_{PV}=(\tau a)_{n}IAM\bullet G\bullet A_{PV}\bullet\eta_{PV}$

개방 회로 전압과 충전계수는 온도에 따라 크게 감소하는 반면, 단락 전류의 변화는 미미하다. Evans 실험을 통하여 PV 셀의 전력 효율은 선형 관계로 나타냈으며, 다음과 같이 표현된다.

(2)
$\eta_{PV}=\eta_{T_{ref}}[1-\beta_{ref}(T_{c}-T_{ref})]$

$\eta_{T_{ref}}$는 참조 온도에서의 전력 효율, $\beta_{ref}$는 온도계수로서 제품의 사양에 따라 달라지며, 일반적으로 PV 제조업체에서 제공하는 결괏값으로 적용 가능하다. 본 연구에서는 $\eta_{T_{ref}}$는 0.15, $\beta_{ref}$는 0.5/K으로 산정하여, PV 셀 온도에 따른 전력 효율 및 전력 생산량을 계산하였다.

PVT의 열역학적 분석은 열역학 1법칙인 질량 보존의 법칙을 따르며, 해당 시스템의 연속적인 유동을 갖춘 시스템을 고려한다. 시스템 경계를 통해 질량과 에너지가 전달되며 질량 이동은 해당 시간 간격 동안 부피 내의 질량 변화에 동일하며, 에너지 방정식은 다음과 같다.

(3)
$\dot{m_{i nle t}}-\dot{m_{outle t}}=\triangle V$
(4)
$\dot{Q_{BIPVT}}=\dot{m}\bullet c_{p}(T_{i nle t}-T_{outle t})$

태양으로부터의 총 유효 태양광 발전량은 열 이득과 전력생산량의 합계이며, 생산된 총 에너지는 팬 동력에 의해 소비된 에너지를 차감하여 얻을 수 있다.

(5)
$\dot{Q_{gain}}=\dot{Q_{BIPVT}}+P_{PV}-W_{fan}$
(6)
$\max(\eta_{total})=f(x_{spacin g},\: \dot{m})=\dot{Q_{gain}}/\dot{Q_{solar}}$

2.3 시뮬레이션 모델

BIPVT는 유한체적법을 기반으로 하는 ANSYS Fluent 소프트웨어를 사용하여 BIPVT의 내부 유동 및 열확산을 분석하였다. 해석 모델의 메쉬 최적화를 위해 각 레이어의 크기에 따라 메쉬 크기 및 메쉬 그리드 (Tetrahedrons, Hex Dominant)를 조정하였으며, 난류 경계층 내부의 에너지 교환을 분석하기 위해 핀과 덕트 벽면에 inflation 레이어를 적용하여 유동해석을 실시하였다. Fig. 2는 cost-effective 시뮬레이션을 위해 메쉬 요소의 크기를 변화하여 독립 솔루션을 수행한 결과를 나타낸다.

Fig. 2 Mesh independent solution test.
../../Resources/sarek/KJACR.2024.36.6.281/fig2.png
Table 2 Boundary conditions for simulation

Boundary

Conditions

Value

The upper side of BIPVT

Dirichlet

1,000 W/m2

The bottom side of soils

Dirichlet

25℃

Front, back, right, left side of BIPVT

Adiabatic

-

PV cell and heat exchanger

Interface

-

Inlet

Dirichlet, velocity inlet

25℃

from 0.2 kg/s to 0.9 kg/s

Outlet

Pressure outlet

-

해당 모델의 경계 조건을 선택하는 것은 정확한 솔루션을 얻기 위한 중요한 과정이다. 각 Case 별 최적 형태를 얻기 위해 STC(Standard Test Conditions) 조건에서 Steady-state 시뮬레이션을 실시하였다. 일사를 받는 BIPVT의 표면은 1000 W/m2의 일정한 일사의 영향을 받는다고 설정하였고, BIPVT가 여러 개 설치된 영역 중 중간에 위치한 시스템을 대상으로 측면의 조건은 단열조건으로 적용하였다. 또한 열교환기의 back panal은 벽체와 접하기 때문에 일정 온도로 가정하였다. 유량에 따라 내부 유체의 유동장을 확인하기 위해 유량은 0.2 kg/s부터 0.9 kg/s까지 0.1 kg/s 증가하여 시뮬레이션을 수행하였다. 모든 영역의 초기 온도 조건은 25℃로 설정하였다. Table 2는 각 Boudnary에 적용된 경계 조건을 나타낸다.

3. 시뮬레이션 결과 및 분석

3.1 열 및 전기 성능

Fig. 3은 각 Case의 PV Cell 온도 및 Outlet 온도를 나타낸다. 해석결과, BIPVT의 내부 핀 간격이 증가할수록, Case 1(핀간격 165 mm, 유량 0.5 kg/s 기준)의 PV cell의 온도는 31.0℃, Case 2의 PV cell 온도는 32.0℃, Case 3의 PV cell 온도는 33.6℃로 증가하였다. PV cell 온도의 영향으로 Oultlet 온도 또한 핀 간격이 증가할수록 증가하는 것을 확인하였다. 단일 BIPVT의 경우 핀 간격이 커지면 유동 길이가 짧아지고 유체가 집열기에 머무는 시간이 짧아지기 때문에 핀 간격이 작은 집열기보다 Outlet 온도가 낮을 수 있다. 반면, 본 연구에서 적용한 단열조건(다중 BIPVT 설치 조건)에서 핀 간격이 넓을수록 Outlet 온도가 다소 상승하는 것으로 나타났다. 이와 같은 이유는 핀 간격이 넓을수록 BIPVT의 Cell 온도뿐만 아니라 집열기 프레임 온도 또한 상승하기 때문에 BIPVT의 측면에서의 열 획득으로 인해 집열기 내부온도가 상승하고, 이에 따라 Outlet 온도가 상승한 것으로 판단된다(Fig. 4).

Fig. 3 PV cell and outlet temperature in each case.
../../Resources/sarek/KJACR.2024.36.6.281/fig3.png
Fig. 4 Temperature distribution in the duct.
../../Resources/sarek/KJACR.2024.36.6.281/fig4.png
Fig. 5 Heat gain and PV efficiency in each case.
../../Resources/sarek/KJACR.2024.36.6.281/fig5.png

Fig. 5는 각 Case의 PV 효율 및 열 이득을 나타낸다. PV 셀 전력 효율은 식(2)를 기반으로 계산한 결과이며, 약 10.5 ~ 12.2%의 전력 효율을 나타낸다. 열 이득은 식(5)로 계산되며, 유량이 빠를수록 온도차는 낮아진 반면, 총 열 이득은 높아짐을 확인하였다. 그 결과, 각 Case에서의 54.4 ~ 254.4 W/m2의 범위의 열 이득을 얻을 수 있었다.

3.2 유체 유동과 압력 손실

덕트 내의 유체 유동은 열전달 및 유동에 따른 압력 손실이 발생하고, 이는 팬 모터의 출력이 높아지며 전력 사용량이 증가한다. 빠른 유속을 가진 유체는 열전달량을 증가시킬 수 있지만, 마찰 손실이 증가하여 팬 동력에 소비되는 에너지 비용이 증가하여 시스템의 효율을 하락시킨다. 따라서 적절한 열교환기의 설계와 압력 손실을 최소화하는 유량이 결정되어야 한다. Fig. 6은 핀 간격에 따른 열교환기 내의 유체의 유속을 나타낸다(Case 1-1, Case 2-1, Case 3-1 [$\dot{m}$ = 0.2 kg/s]. 모든 Case에서 입구 측 유속이 상대적으로 출구 측 유속에 비해 빠르며 열교환기 굴곡부에서 유체의 압력손실 및 난류의 영향, 유동 분리로 인해 유체의 정체 (유속 감소)를 확인할 수 있었다. 반면, 각 Case에서 입구 측의 핀 간격이 좁을수록 내부 유속이 증가하였다. 핀 간격이 좁을수록 유체의 흐름을 방해하고 유동 방향을 세분화시키는 경향이 있기 때문에 마찰 손실을 유발하며 내부 유속을 증가시킨다. 이와 같은 현상 유동장 내의 난류 및 팬의 에너지 소비와 압력 손실을 증가시켰다.

Fig. 7은 각 Case의 압력 손실을 나타낸다. 본 연구의 BIPVT의 열교환기 형태를 대상으로 0.2 ~ 0.9 kg/s의 유량 범위에서 압력 손실 약 3.9 ~ 27.8 Pa로 나타났으며, 유량이 증가할수록 압력손실은 선형적 증가하였다. 한편, 핀 간격에 따른 압력 손실 차이는 Case 1을 기준으로 Case 2는 약 67.3%, Case 3은 48.0% 감소함을 확인하였다.

Fig. 6 Fluid flows in the duct in each case.
../../Resources/sarek/KJACR.2024.36.6.281/fig6.png
Fig. 7 Pressure drop in each case.
../../Resources/sarek/KJACR.2024.36.6.281/fig7.png

4. 결 론

본 연구에서는 BIPVT의 적용 및 설치 가이드에 관한 기초 연구로서, BIPVT-air 시스템을 대상으로 BIPVT의 열교환기 형태와 유량에 따른 시스템의 성능 예측을 수행하였다. 성능 예측을 위해 수치해석 프로그램을 사용하여 BIPVT의 열 및 전기성능, 유체 유동과 압력손실을 계산하였고, 그 결과는 다음과 같다.

(1) PV cell 온도는 핀 간격이 증가할수록 Case 1을 기준 약 10%(Case 2). 20%(Case 3) 증가하였고, 유량은 낮아지는 것을 확인하였다. 또한, Oultlet 온도 또한 유량이 커질수록 온도가 낮아지는 것을 확인하였다.

(2) 전체 Case의 PV 효율은 10.5 ~ 12.2%의 범위 내에서 효율을 가졌으며, 열 이득 54.4 ~ 254.4 W/m2의 범위에서 열 이득을 얻을 수 있었다.

(3) 입구 측 유속이 상대적으로 출구측 유속에 비해 빠르며 열교환기 굴곡부에서 유체의 압력손실 및 난류의 영향, 유동 분리로 인해 유체의 정체(유속 감소)를 확인할 수 있었다. 또한, 핀 간격이 좁을수록 유체의 흐름을 방해하고 유동 방향을 세분화시키는 경향이 있기 때문에 마찰 손실을 유발하며 내부 유속을 증가시켰다.

(4) 유량 범위 0.2 ~ 0.9 kg/s에서 압력 손실 약 3.9 ~ 27.8 Pa로 나타났으며, 유량이 증가할수록 압력손실은 선형적 증가하였다. 한편, 핀 간격에 따른 압력 손실 차이는 Case 1을 기준으로 Case 2는 약 67.3%, Case 3은 48.0% 감소함을 확인하였다.

추후, 외부환경 및 벽체의 온도 변화에 대한 시스템 성능 분석과 BIPVT의 출수온도의 활용방안(Heat pump와의 연동 및 직접 난방) 등에 대한 성능평가를 실시할 예정이며, 국내 실정에 맞는 BIPVT의 설치 및 최적 설계 가이드를 제시할 예정이다.

후 기

이 논문은 2022년도 교육부 및 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다(NRF-No.2022R1A4A1026503, No.2021R1A2C2014259, NRF-2022R1A6A3A01087099).

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