기호설명

1. 서 론

건물 분야에서의 탄소 중립을 달성하고 제로에너지빌딩(Zero Energy Building, 이하 ZEB)을 구현하기 위해서는 건물에서의 신재생 에너지 시스템의 활용이 매우 중요하다. 현재까지는 전력 생산을 담당하는 태양광 발전 설비의 적용이 대다수를 차지하고 있으나, 향후에는 열에너지 생산을 하는 태양열 시스템의 적용이 확대될 것으로 예상된다. 국내에서는 주로 옥상 설치형 유리부착 태양열 집열기(Glazed Solar Thermal Collector, 이하 GLST)가 태양열 획득에 사용되지만, 옥상 공간만으로는 ZEB 달성에 한계가 있다. 이에 대응하여, 건물 외피를 활용한 건물일체형 태양열 집열기(Building Integrated Solar Thermal, 이하 BIST)가 제안되었으나, 유리 커버 사용으로 인한 외형 및 현휘 문제 때문에 설계자들이 기피하는 경향이 있다.⁽¹⁾ 이러한 문제를 해결하기 위해 비유리 태양열 집열기(Unglazed Solar Thermal Collector, 이하 UGST)가 대안으로 고려되지만, 열 손실이 크기 때문에 성능 개선이 필요하다. 연구에 따르면, 배관 수량을 늘리고 간격과 관경을 줄이는 것이 열 획득에 유리하며⁽²⁾, 이러한 방식에 적합한 모세유관을 활용하는 것이 UGST의 성능 향상에 효과적일 것이라 판단할 수 있다.

유럽의 몇몇 현장에서는 건물의 외피에 모세유관을 적용한 UGST를 부착 혹은 거치의 형태로 활용하고 있다. 그러나 이와 같은 외피부착형 UGST 시스템은 현장에서 소수만 활용되고 있으며, 그 성능이나 활용에 대해 깊이 연구되지 않았다. 성능 분석을 위해서는 실험 혹은 시뮬레이션을 수행해야하는데, 다양한 환경 조건과 여러 시스템과의 결합 상황을 실험으로 모두 분석하기 어렵기 때문에 시뮬레이션 모델의 개발이 필수이다. 현재 널리 이용되는 TRNSYS, Energy Plus에서는 다양한 형태의 태양열 집열기 모듈이 제공된다. 하지만 대부분의 모듈들이 옥상형 태양열 집열기 형태에 기반하여 작성되어 있기 때문에 모세유관을 적용한 외피부착형 태양열 집열기(Black Wall, 이하 BW)의 후면이 벽체에 부착되어 있다는 형태적 특성 차이를 반영하지 못한다. 따라서 BW의 성능평가를 위해서는 BW의 형태적 특성을 반영할 수 있는 새로운 시뮬레이션 모델이 필요하다.

본 연구에서는 외형 및 현휘문제를 극복할 수 있으며 열 획득 효율이 높은 BW에 대해 연구하였다. 하지만 기존의 에너지 해석 프로그램들이 주로 옥상형 시스템에 기반하고 있어, 외피부착형 태양열 집열기의 특성을 제대로 반영하지 못하는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 본 연구에서는 새로운 해석 및 시뮬레이션 모델을 개발하는 데 주안점을 두었다. 이를 통해 BW 시스템의 성능을 보다 정확히 평가하였으며, 실측 데이터와의 비교를 통해 해석 모델 및 시뮬레이션 모델의 타당성을 검증하였다.

2. Black Wall 구성

태양열 집열기는 열 획득 방식에 따라 평판형, 진공관형 등 여러 형태로 분류될 수 있다. 본 연구에서는 그중 가장 일반적으로 사용되는 평판형 태양열 집열기를 대상으로 연구를 진행하였다. Fig. 1에서 보듯이, 평판형 태양열 집열기는 설치 위치에 따라 옥상거치형, 외피거치형, 외피부착형, 외피일체형, 지면설치형으로 분류될 수 있다. 이 중 옥상거치형, 외피거치형, 지면설치형은 태양열 집열기와 건물의 옥상, 외피, 지면 간에 일정한 간격을 두고 설치되는 형식으로, 일반적으로 집열기의 전면과 후면이 모두 외기와 접하게 되어 전․후면을 통해 열 손실이 발생한다. 반면, 건물 외벽에 태양열 집열기를 부착하는 외피부착형과 외벽 자체를 태양열 집열기로 구성하는 외피일체형은 후면이 실내와 접해 있기 때문에, 외기로의 열 손실은 전면을 통해서만 발생하며, 후면의 열 손실은 실내 측으로 전달된다. 이러한 특성은 태양열 집열기의 전체적인 열 손실을 줄이는 데 유리하며,^{(4, 5)} 태양열 집열기가 추가적인 단열재 역할을 하여 건물의 외피 부하를 감소시키는 효과를 제공한다.⁽⁵⁾

Fig. 1 Diagram for classification of solar thermal collectors based on installation location. (a) rooftop mounted, (b) wall mounted, (c) wall attatched, (d) wall embeded, (e) ground mounted

즉, 태양열 집열기를 건물의 입면에 설치하여 집열 면적을 확보하는 것은 태양열 집열기의 열 손실을 줄여 열 획득 효율을 높일 수 있는 방법이다. 이는 앞서 제시된 GLST의 외형 및 현휘 문제로 인한 사용 기피 현상을 극복하기 위해 UGST 선택 시 발생할 수 있는 열 획득 효율 감소를 보완할 수 있다.

본 연구에서는 초기 투자비용이 적고 기존 건물에 추가 설치가 용이한 외피부착형 UGST를 대상으로 연구를 수행하였다. 우선 UGST의 낮은 열 획득 효율을 개선하기 위한 다양한 선행연구를 고찰하였다. 집열기의 전․후면 마감 재료의 흡수율 및 단열성능 향상 등의 방법을 통한 열 손실 감소, 흡수판에서 획득한 열에너지를 열매로 효과적으로 전달하는 방법 등이 연구되어왔다.^{(2, 3)} 그중 Neikerk의 연구에서 제시된 배관 수량 증가와 배관 간격 및 관경 축소가 흡수판에서 흡수한 열을 열매로 전달하는 성능의 향상에 유리하다는 점⁽²⁾을 참고하여, 본 연구에서는 모세유관을 적용한 외피부착형 비유리 태양열 집열기(BW)를 제안하였다. 유럽에서는 모세유관을 적용한 외피부착형 콘크리트 태양열 집열기(콘크리트 타입 BW)을 적용한 소수의 사례가 있다.

앞서 서술한 내용을 바탕으로, BW는 Fig. 2와 같이 세 가지 주요 구성 요소로 이루어진다. 최외각에 위치한 외부 강판은 태양광을 흡수하여 열로 전환하는 역할을 하며, 태양열 집열기의 흡수판 역할을 수행한다. 그 뒤에 모세유관 매트가 부착되어 흡수된 열을 효과적으로 열매로 전달하는 역할을 수행한다. 모세유관은 그 구조상 열전달 효율이 높아, 흡수된 열을 빠르고 균일하게 열매로 전달할 수 있다. 마지막으로 단열재는 실내로의 열 손실을 최소화하여, 집열된 열이 가능한 한 많이 모세유관을 통해 열매로 전달되도록 한다.

Fig. 2 Configuration of Black Wall.

3. 해석 모델 수립 및 시뮬레이션 모델 개발

BW의 성능을 분석 및 검증하기 위해 해석 모델을 수립하였다. 기존에 널리 사용되는 에너지 해석 프로그램인 Energy Plus와 TRNSYS는 옥상형 태양열 집열기처럼 전․후면이 모두 외기와 접해 있어, 열 손실이 외기로만 발생하는 상황을 모사하는 시뮬레이션 모델을 제공한다. 그러나 이러한 모델은 후면이 건물 외피와 접하는 외피부착형 시스템의 열 전달 특성을 반영하지 못하며, 열 손실이 실내로 전달되는 상황을 고려하지 않기 때문에 BW 시스템의 해석에 적합하지 않다. 이 경우 BW을 통해 생산 가능한 온수의 온도 및 열에너지를 정확히 판단할 수 없을 뿐만 아니라 BW이 부착된 벽체를 포함하는 대상 공간의 분석 시에도 실제와 다르게 분석 될 가능성이 존재한다. 따라서 정확한 성능 평가를 위해서는 BW 시스템의 고유한 열 전달 메커니즘을 반영한 해석 및 시뮬레이션 모델이 필요하다. 이에 본 연구에서는 BW 시스템을 보다 정확하게 해석하기 위해 기존 해석 모델을 BW에 맞게 해석 식을 도출하여 수립하고, 이를 바탕으로 시뮬레이션 모델을 개발하였다.

3.1 해석 식 도출을 통한 모델 수립

기존의 태양열 집열기 해석 모델은 집열기 전․후면에서 모두 외기를 통한 열 손실을 가정하고 있으나, BW에서는 후면 열 손실이 실내와 연결된 벽체를 통해 발생한다. 이에 따라, 기존 해석모델을 변형하여 후면 열 손실이 실내로 발생하는 것을 반영하여 Fig. 3 (b)와 같이 RC 네트워크를 새로 구성하고 내측 경계 조건을 실외가 아닌 실내로 변경하여 제안한 형태에 맞게 열 획득량을 산출할 수 있도록 하였다. 모세유관으로의 열전달은 기존 바닥복사난방 해석에서 배관 주변 레이어와 유사한 방식으로 핀 방법(fin method) 모델을 적용하였으며 최종적으로 모세유관으로 흡수된 열량을 유량과 온도의 관계식으로 표현하여 출구 온도를 산출하였다. 이 과정은 Duffie의 서적⁽⁵⁾에 제시된 옥상거치형 GLST 해석모델을 기반으로 수정․보완하여 적용하였다.

Fig. 3 (a) Black Wall layer construction installed at wall of test cell (b) RC network of Black Wall.

3.1.1 열평형 방정식

BW의 RC 네트워크는 Fig. 3과 같이 벽면에 부착된 형태를 고려하여 구성되며, 이를 통해 식(1)과 같은 열평형 방정식을 수립할 수 있다. 일반적인 옥상거치형 GLST가 전․후 표면 모두에서 외부 환경으로 열 손실이 발생하는 것과 대조적으로, 본 연구의 BW은 앞서 언급한 바와 같이 벽면에 부착되어 있기 때문에 후면으로의 열 손실 대상을 실외가 아닌 실내로 전환함으로써 열 손실을 감소시켰다.

(1)

$Q_{u}=A_{c}[S-U_{top}(T_{pm}-T_{a})-U_{bot}(T_{pm}-T_{room})]$

3.1.2 핀 방법에 의한 열전달모델

Fig. 4 (a)에서 확인할 수 있듯이, 흡수판에서 흡수된 태양복사열과 외기의 열에너지는 각각의 모세유관으로 전달된다. Duffie의 서적에 따르면, 이 과정은 핀 방법 모델을 사용하여 해석한다. 해당 접근법을 따라 흡수판 단위 부피에서의 열평형 방정식을 수립하면, 모세유관 상단(외기 측)에서의 전도, 하단(실내 측)에서의 전도, 그리고 각 인접한 단위 부피로의 전도 열 전달량 총합이 0이 되며, 이를 식으로 표현하면 식(2)와 같이 표현 가능하다. 이 열평형 방정식을 해석함으로써, 흡수판과 모세유관이 만나는 접합 부위에서 모세유관 관 내부 유체로 전달되는 유효 에너지($Q_{u}$)를 식(3)과 같이 계산할 수 있다. 여기서 D는 관 외경, W는 관 간격, F는 핀 효율을 의미한다.

(2)

$S\triangle x-U_{top}\triangle x(T-T_{a})-U_{bot}\triangle x(T-T_{room})+(-k\delta\dfrac{d T}{dx})\vert_{x}-(-k\delta\dfrac{d T}{dx})\vert_{x+\triangle x}=0$

(3)

$q'_{u}=\dfrac{1/U_{total}}{\left[\dfrac{1}{U_{total}[D+(W-D)F]}+\dfrac{1}{\pi D_{i}h_{fi}}\right]}\left[S-U_{top}(T_{f}-T_{a})-U_{bot}(T_{f}-T_{room})\right]$

Fig. 4 Diagram of (a) fin method model and (b) heat balance equation for fluid unit volume.

3.1.3 BW 출수온도

앞서 계산된 유효 에너지($Q_{u}$)는 파이프 내부를 순환하는 열매로 전달되며, 이 과정에 대한 열평형 방정식은 다음의 식(4)와 같이 서술될 수 있다. 최종적으로, BW에 의해 생성된 온수의 출구 온도($T_{fo}$)는 아래 열평형 방정식을 통해 결정된다.

(4)

$\dot{m}C_{p}\dfrac{d T_{f}}{dy}-n WF'[S-U_{top}(T_{f}-T_{a})-U_{bot}(T_{f}-T_{room})]=0$

4. 시뮬레이션 모델 검증

4.1 검증 내용 및 방법

BW의 시험체는 앞서 2장 및 Fig. 2에서 제안한 구성을 만족시키기 위해 철판, 모세유관, 단열재의 3개 층으로 구성된다. 철판과 모세유관의 접착을 위해 부직포를 활용하고, 그 이후 뒷공간을 단열재로 채워 Fig. 5와 같이 제작하였다. 각 구성 재료 사이에 빈틈이 없도록 밀착하여 부착하였으며, 모세유관과 연결되는 배관을 BW의 한쪽 면으로 나올 수 있도록 배치하였다. 본 연구에서 실제 제작된 BW의 구성 자재 크기 및 열적 성능은 아래 Table 1에서 확인 가능하며, 그중 모세유관 매트의 크기 및 기타 정보는 Table 2에서 확인 가능하다. 현장 실측 실험은 제안과 같이 테스트셀 벽에 자체 제작된 BW를 설치함으로써 수행하였다. 해석 모델을 검증하기 위해, 수조에서의 물이 BW에 별도의 제어 없이 지속적으로 공급되었으며, 입구․출구 온도, 유량 및 테스트셀 내측 온도가 측정되었다. 또한 앞서 언급하였듯 데이터 분석 및 시뮬레이션에서의 이용을 위해 외기온, 수직일사량, 풍속과 같은 외부 환경 조건을 측정하였고, BW가 부착된 실 내부 온도 또한 시뮬레이션에서의 입력값으로써 필요하기에 함께 측정하였다.

본 논문에서는 그중 5~6월에 걸친 측정 기간의 데이터 중 맑은 날의 데이터를 정리하여 분석에 이용하였다. 정리된 데이터는 앞서 개발한 시뮬레이션의 결과 데이터와의 비교 및 정규화된 평균 제곱근 오차(normalized root mean square error, 이하 nRMSE) 분석을 수행함으로써 수학적 모델 및 시뮬레이션 모델의 타당성 및 정확도를 평가하였다. nRMSE는 데이터의 범위가 넓거나 데이터의 평균값이 데이터 분포를 대표하지 못하는 경우 정확도 분석에 이용되는 방법이며 본 연구에서 분석하는 BW의 열 획득량 데이터 간 정확도 분석에 적합하다. 이는 아래 식(5)와 같이 계산할 수 있다.⁽⁶⁾ 일사량 및 태양열시스템에 관한 선행연구들⁽⁷⁾을 참고하였을 때, nRMSE가 0.2 이하이면 정교한 모델로 평가할 수 있다.

(5)

$n{SE}=\dfrac{{SE}}{{Range\; of\; data}}$

Fig. 5 Black Wall system production and installation at experimental chamber.

Table 1 Size information for Black Wall

Classification	Unit	Value	Classification	Value	Value
Length of Black Wall	mm	1000	Insulation Thickness	mm	40
Width of Black Wall	mm	1500	Heat transfer coefficient of insulation	W/mK	0.34
Absorber Thickness	mm	3	Wall Thickness	mm	200
Absorber Absorptance	-	0.75	Heat transfer coefficient of Wall	W/m2K	0.17
The number of Black Wall	EA	2	Specific heat of heat transfer medium	J/gK	3.4

Table 2 Size information for capillary mat

Classification	Unit	Value	Classification	Unit	Value
Length of Capillary mat	mm	800	Capillary Tube Outer Diameter	mm	3.95
Length of Capillary mat	mm	1300	Capillary Tube Inner Diameter	mm	3.4
The number of Capillary Mat for each Black Wall	EA	1	Capillary Tube Thickness	mm	0.55
The number of Capillary Tube for each Capillary Mat	EA	75	Length between Capillary Tube	mm	6.8

4.2 비교 검증 결과

실측 및 시뮬레이션 데이터 간 비교는 아래 Table 3에서 확인할 수 있다. 평가는 측정된 기상데이터 중 외기온이 상대적으로 낮고 일사가 강한 날, 외기온이 높지만 일사가 보통인 날, 외기온은 높지만 일사량 및 풍속은 상대적으로 적은 날 등 외기온, 풍속, 일사량의 범위가 다른 날들을 선정하여 진행되었다. BW의 열 획득량 그래프를 보면 해당 기간의 외기온, 풍속, 일사량과 비교했을 때 그 패턴이 유사함을 확인할 수 있으며, 시뮬레이션 결과값 또한 측정값과 거의 유사한 패턴을 보임을 확인할 수 있다.

시뮬레이션 결과값의 정확도를 nRMSE 분석을 통해 보다 정밀히 계산하면, Table 4에 나타난 바와 같이 각 대상기간 동안의 데이터와의 비교에서 nRMSE값은 0.1~0.2내에 속하는 값을 보이며, 전체 데이터 값을 대상으로 분석 시 nRMSE값은 0.11로 산출된다. 오차는 주로 일사가 적고 풍속이 높은 시간대에 크게 발생하였다. 이는 실제 환경과 측정값 간 오차 및 풍속을 기반으로 하는 외측 표면 대류 열전달 계수 산출의 불확실성 등에서 기인한 것으로 판단된다. nRMSE값을 고려했을 때, 일반적으로 정교한 모델로 평가되는 값이며, 해석 및 시뮬레이션 모델이 현장 조건을 효과적으로 반영하고 있어 시뮬레이션에 활용하기에 적합하다고 볼 수 있다.

Table 3 Measured and simulated gained energy based on weather data of each date

Table 4 RMSE and nRMSE analysis

Date	RMSE	nRMSE
23.05.10–05.14	38.28	0.16
23.05.31–06.02	41.41	0.12
23.06.02–06.05	34.06	0.19
23.06.08–06.11	39.20	0.23
Total	39.80	0.11

5. 결 론

본 연구는 에너지 절약을 위한 재생 가능한 열원으로 모세유관을 적용한 외피부착형 비유리 태양열 집열 시스템(BW)의 성능을 정확하게 평가하는 데 중점을 두고, 이를 위해 해석 식 도출을 통한 해석 모델을 수립후 시뮬레이션 모델을 개발하는 데 주력하였다. 기존 해석 모델들이 외피부착형 시스템의 열 전달 특성을 충분히 반영하지 못하는 문제를 해결하고자, 본 연구에서는 BW 시스템의 특성을 반영한 새로운 해석 식과 시뮬레이션 모델을 제안하였다. 모델의 정확성을 검증하기 위해, 현장에 설치된 BW 시스템의 외부 조건과 열 획득량을 측정한 후, 이를 시뮬레이션 결과와 비교하여 nRMSE 분석을 수행하였다. 주요 결과는 다음과 같다.

(1) 집열면적 확보 및 외형, 현휘 문제 극복을 위해 외피부착형 UGST를 활용하였으며, UGST의 낮은 열 획득 효율을 극복하기 위해, 모세유관을 적용하여 열전달 효율을 향상한 BW 시스템을 제안하였다.

(2) RC 네트워크 및 핀 방법(Fin method) 해석을 기반으로 한 BW의 수학적 모델은 실제와 유사하다. 실측값과 시뮬레이션 결과를 nRMSE 분석한 결과, 외기 영향이 큰 날은 0.23, 외기 영향이 적은 날은 0.12 정도이나, 대상 기간 전반적으로 nRMSE 값이 약 0.11임을 감안할 때, 신뢰성 있는 해석모델이라고 판단할 수 있다.

(3) 실측이 수행된 5~6월 데이터와 시뮬레이션 데이터를 분석한 결과, BW는 수직면일사량 대비 약 40% 정도의 열 획득 효율을 지니며, 이는 제시된 BW의 초기 투자비용에 비해 높은 효율로 분석된다.

본 연구에서는 BW 시스템의 구조에 따른 해석 식 도출을 통해 해석 모델을 수립하고, 이를 바탕으로 시뮬레이션 모델을 개발 및 검증하였다. 개발된 시뮬레이션 모델을 활용하여 BW의 성능을 다양한 환경 조건에 대해 분석할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 검증된 시뮬레이션 모델을 활용하여 다양한 환경 조건과 건물 냉난방 시스템 유형에 맞춰 BW을 효과적으로 설계하고 제어하는 데 활용할 수 있을 것으로 기대된다.