벽체일체형 강제순환 태양열온수기의 열성능 평가(제2보: 시뮬레이션) = Thermal Performance Evaluation of Building Integrated Forced Circulation Solar Water Heater (Part 2: Simulation)

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In general, flat-plate solar collectors are installed at an angle of 30° or 45° for the best annual thermal performance. Through experiments in previous studies, it was confirmed that the building integrated forced circulation solar water heater was good in thermal performance. However, it is necessary to compare under the same conditions with the 30° and 45° collectors, which were used much more popularly. In this study, it was impossible to experiment with the same environment, so simulation was conducted. Simulation was performed with TRNSYS18, and the simulation model was verified by comparing it with experimental data. As a result of simulation, in the order of 30°, 45°, and 90° of collector inclination angle, the collection efficiency in the winter season was 37.6%, 38.6%, 39.2%, and the solar fraction was 54.2%, 50.3%, 48.1%, respectively. The performance in summer when the load for hot water supply is small is significantly lower than other inclination angles, but there is little risk of overheating due to the low system temperature.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 일일 및 월간 시뮬레이션 결과를 실험 데이터와 비교하여 TRNSYS18 시뮬레이션 모델을 검증하였다. 집열량에 비해 더 많은 부하를 공급하는 경향이며, 동절기에 시뮬레이션 모델의 오차가 적은 것은 계절에 따라 변화하는 입사각의 영향이 큰데, 동절기에 상대적으로 입사각이 줄기 때문인 것으로 판단된다. 본 연구는 급탕부하가 집중되는 동절기가 주된 관심사이므로 비교적 적절한 시뮬레이션 모델로 판단되며, 이를 활용하여 30°, 45°, 90° 경사를 갖는 집열기의 연간 성능 및 특성을 분석하였다.
(1) 연간 시뮬레이션 결과 45° 집열기일 때 최댓값을 보이며, 4 m2 집열기를 갖는 태양열온수기의 연간 급탕부하 공급량은 6308 MJ, CO2 저감효과는 393 kg으로 소나무 167그루의 연간 CO2 흡수량과 동일하다. 이와 비교하여 30° 집열기는 96.5%, 90° 집열기는 68.0% 수준이다.
(2) 동절기 시뮬레이션 결과 45°, 90°, 30° 순으로 큰 일사량을 가지나 의미 있는 차이는 보이지 않았고 집열효율 또한 비슷하였다. 동일한 부하조건에서 태양열 의존율은 45° 경사에서 54.2%로 가장 큰 값을 나타내었고 90°는 50.3%, 30°는 48.1%를 보여 거의 대등함을 확인할 수 있었다.
(3) 하절기에는 30°, 45°, 90° 순서로 큰 일사량을 보이며 그 차이가 명확하였다. 같은 순서로 태양열 의존율은 88.5%, 84.5%, 29.0%, 집열효율은 18.7%, 19.2%, 11.4%를 나타내었다. 30°, 45°의 경우 높은 태양열 의존율을 보였지만 축열조 및 집열기의 온도가 높게 유지됨에 따라 낮은 집열효율을 보였고 내구성 저하가 우려된다. 벽체일체형인 90°의 경우 태양열 의존율 및 집열효율이 낮게 나타났지만 급탕부하 소요가 작고 적은 집열량으로 인해 낮은 온도를 유지함을 보였으며, 이는 실증실험에서 하절기 과열현상이 전혀 발생하지 않은 것과 일치한다.

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