태양열이용시스템

왜 배우는가: 태양열이용시스템은 건축물의 냉난방·급탕 에너지를 줄이는 대표적인 신·재생에너지 기술이며, 집열·축열·이용·제어 구성과 축열 방식은 신재생에너지 설비와 친환경 건축설비 계획에서 반복해서 묻는 기본 개념이다. 시험에서는 개념, 원리, 구성, 주의사항을 함께 묻는 경우가 많아 정의와 구성 체계를 먼저 정확히 잡아두어야 한다.

출제 이력: 제97회 4교시 5번, 제91회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

태양열이용시스템은 태양 복사열을 집열부에서 흡수해 열매체에 전달하고, 축열부에 저장한 뒤 이용부에서 건물의 냉난방·급탕에 공급하는 설비이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 집열부: 태양 복사열을 흡수해 열매체에 전달하는 부분
• 축열부: 집열한 열을 필요한 시간에 쓰도록 저장하는 부분
• 이용부: 저장된 열을 난방·급탕에 공급하고 부족분은 보조열원으로 채우는 부분
• 제어장치: 집열·축열·공급의 순환을 조절하는 부분
• 현열 축열, 잠열 축열, 화학반응열 축열
• 자연형·설비형
• 보조열원
• Solar Thermal System

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 태양열이용시스템은 햇빛의 열을 모아서 저장해 두었다가 필요할 때 꺼내 쓰는 설비다. 햇빛은 아침과 밤, 계절에 따라 세기가 달라지고, 사용하는 시간과 맞지 않는 경우가 많다. 그래서 집열과 사용 사이에 저장 장치를 두는 것이 이 시스템의 핵심이다.

정식 정의는 태양광선의 파동성질을 이용하는 태양에너지 광열학적 이용 분야로, 태양열을 흡수·저장·열변환하여 건물의 냉난방 및 급탕 등에 활용하는 기술이다. 태양열 이용기술의 핵심은 집열기술, 축열기술, 시스템 제어기술, 시스템 설계기술이다.

집열부는 태양 복사열을 흡수해 열매체에 전달한다. 집열기 형태는 평판형, 이중진공관형, 단일진공관형 등으로 나뉜다.

축열부는 집열 시점과 이용 시점의 차이를 메우는 버퍼 역할을 한다. 축열조에 열을 저장하며, 축열 용량이 크고 저장 속도가 빨라야 한다.

이용부는 축열조의 열을 팬코일, 히팅패널, 급탕 장치로 공급한다. 부족하면 보조열원이 열을 채운다.

제어장치는 펌프, 온도센서, 온도차 제어기 등으로 열매체 이동을 조절한다. 자연형 시스템에는 별도 조절부가 없다.

3. 등장 배경과 필요성

태양열은 에너지밀도가 낮고 계절별·시간별 변화가 크다. 그래서 집열과 축열 기술이 이 분야의 가장 기본이 된다. 자원 고갈과 환경오염 문제가 커지면서 화석에너지 의존을 줄이는 대안으로 태양열이 주목받았다.

건축에서는 냉난방과 급탕이 전체 에너지 소비의 큰 부분을 차지한다. 태양열은 이 부분에 직접 쓰일 수 있어 건물 에너지 절감 수단으로 적합하다. 연료비가 들지 않고 운전 중 온실가스를 거의 배출하지 않는 점도 장점이다.

축열 시스템은 열원과 열기기 사이의 거리를 극복하고, 저밀도 에너지를 고밀도로 모아 균일하게 공급하는 역할을 한다. 따라서 태양열 설비 설계에서는 축열 방식의 선택이 성능을 좌우한다.

축열 방식은 현열 이용, 잠열 이용, 화학반응열 이용으로 나뉜다. 현열 방식은 물 같은 매체의 온도 변화를 이용하고, 잠열 방식은 상변화 물질을 이용한다.

4. 구성요소·원리·절차

태양열이용시스템은 집열부, 축열부, 이용부, 제어장치(조절부)의 네 부분으로 구성된다. 각 부분은 태양열의 간헐성을 보완하여 수요와 공급을 맞추는 역할을 나눠 맡는다.

집열부는 집열기 내부의 열매체가 흡수한 복사열을 전달받는 부분이다. 집열온도는 집열기의 열손실률과 집광장치 유무에 따라 결정된다. 축열부는 집열 시점과 이용 시점의 차이를 메우는 버퍼 역할을 한다. 축열조는 단위 용적당 축열 용량이 커야 하고, 값이 싸고 인체에 해가 없으며 수명이 길어야 한다. 또한 열 확산 계수가 커서 열저장 속도가 빨라야 하고 집열·방열 시스템과의 연계가 쉬워야 한다.

원리는 다음과 같다. 태양 복사열은 집열기에서 열로 바뀌어 열매체에 전달된다. 열매체의 열은 대류로 이동하며, 대류는 자연대류 또는 강제대류로 일어난다. 열은 축열조에 저장되었다가 이용 시점에 공급된다.

집열과 축열이 태양열이용시스템의 가장 기본이 되는 기술이다.

태양열 온수 시스템의 작동 절차는 다음과 같다.

• 일사가 집열기에 닿아 열매체가 가열된다.
• 가열된 열매체가 집열기 상부 또는 열교환기를 거쳐 축열조로 이동한다.
• 축열조는 층화되어 고온부를 상부에 유지하고, 저온 열매체가 집열기로 돌아간다.
• 이용 시 축열된 온수를 급탕 또는 난방 부하에 공급한다.
• 저장열이 부족하면 보조열원이 추가로 가열한다.

자연 대류식은 열매체의 비중차와 온도차로 순환하므로 순환 펌프가 필요 없다. 일사가 멈추면 순환도 멈춘다. 반면 설비형 시스템은 펌프와 온도차 제어기를 사용하여 순환을 제어한다. 국내 동절기 동파를 막기 위해 부동액을 열매체로 쓰는 경우가 많다. 에틸렌 글리콜을 물과 50:50으로 섞으면 어는점은 약 -35℃가 된다. 이때 열효율은 다소 떨어진다.

축열조 내에서 고온 열매체와 저온 열매체가 난류로 섞이면 집열효율이 떨어진다. 이를 막기 위해 층화관을 축열조 상부와 하부에 설치한다.

핵심 계산식은 집열량의 기본식이다. 집열기가 흡수하는 열량은 다음과 같다.

$Q = A \cdot I \cdot \eta \cdot t$

여기서 Q는 집열량(kJ), A는 집열면적(㎡), I는 일사량(kW/㎡ 또는 kJ/㎡·h), \eta는 집열효율(무차원), t는 집열 시간(h)이다. 예를 들어 집열면적 4㎡, 일사량 0.5kW/㎡, 집열효율 0.5, 집열 시간 1h라면 Q = 4 \times 0.5 \times 0.5 \times 1 = 1\text{kWh}, 즉 3.6MJ이다. 집열 면적당 1kWh 수준의 값은 상식 범위 안이다.

5. 관련 법령·기준·표준

태양열이용시스템의 설계와 성능은 국가표준과 설치기준을 따른다. 대표적인 기준은 다음과 같다.

기준 수치는 다음과 같이 적용한다. 집열기는 남향으로 설치하며 방위각은 관련 기준이 정한 범위 안에서 정한다. 집열기 경사각은 관련 기준이 정한 범위로 설치하는 것이 일반적이다. 부동액 혼합비 50:50의 어는점은 약 -35℃이다.

개정 연혁으로는 2022-12-01부터 화재안전기준이 NFPC·NFTC로 나뉘었으나, 태양열 설비 자체의 성능 기준은 위 KS 체계를 따른다.

온수 급탕용 축열조 용량 기준은 용도와 집열면적에 따라 다르므로 설계 조건에 맞춰 산정한다.

6. 유형과 비교

태양열이용시스템은 집열기 형식, 열매체 순환 방식, 용도에 따라 나뉜다. 답안에서는 집열기 형식과 순환 방식을 먼저 구분하고, 용도별 특징을 덧붙이는 순서가 정리하기 좋다.

평판형 집열기는 흡수판과 투명 덮개, 단열재로 구성된 가장 보편적인 형식이다. 구조가 단순하고 가격이 낮으며 급탕과 저온 난방에 쓰인다. 집열 온도가 대략 80℃ 이하로 머무는 편이라 고온 열원에는 적합하지 않다.

진공관형 집열기는 이중 유리관 사이를 진공으로 만들어 대류 손실을 줄인 형식이다. 같은 일사 조건에서 평판형보다 높은 온도를 얻고, 흐린 날과 한랭기후에서도 효율 저하가 작다. 대신 단가가 높고 관 파손에 대한 교체 비용이 든다.

표에서 보듯 두 형식의 차이는 열손실 경로에 있다. 평판형은 대류와 전도 손실이 크고, 진공관형은 진공층으로 대류 손실을 막는다. 따라서 저온 급탕에는 평판형, 난방과 고온 용도에는 진공관형을 택하는 것이 일반적이다.

열매체 순환 방식은 자연순환식과 강제순환식으로 나눈다. 자연순환식은 비중차와 온도차로 열매체가 흐르므로 펌프와 제어기가 없다. 강제순환식은 펌프와 온도차 제어기로 열매체를 움직여 집열 효율을 높인다.