工 學碩士 學位請 求論文

建物의 外皮負荷 制御를 위한

複合式 태양열 시스템 應用에 관한 硏究

A S tu dy on the A pplic at ion of Hy brid S o lar

S y s t em for S kin Lo ad Contro l in B uildin g

200 1년 2월

仁荷 大學校 大學院

建築 工學科 (計劃專 攻 )

崔 元 基

工 學碩士 學位請 求論文

建物의 外皮負荷 制御를 위한

複合式 태양열 시스템 應用에 관한 硏究

A S tu dy on the A pplic at ion of Hy brid S o lar

S y s t em for S kin Lo ad Contro l in B uildin g

200 1년 2월

指 導敎 授 徐 承 稷

이 論 文을 碩士 學位 論文 으로 提出 함 .

仁荷 大學 校大 學院

建 築工 學科 (計 劃專 攻 )

崔 元 基

이 論文을 崔元 基의 碩 士學位 論文으 로 認 定함 .

200 1년 2월

주심

부심

위원

요 약

본 연구는 다목적 에너지 이용의 한 방편으로 에너지 이용의 극대화

는 물론 비교적 모든 건물에 손쉽게 적용이 가능하며 보급이 용이한 자

연에너지 이용시스템 개발에 목적을 둔 것으로, 본 Hybrid S olar

Sy stem은 자연형 복합식 태양열 시스템으로 기존의 자연형 시스템이

갖는 단점을 보완하고 이를 수정, 개선하여 시스템의 운용모드를 복합

식(집열기+열교환기)으로 한 것이며, 계절에 따라 최적의 시스템 운용

이 가능하며, 냉·난방을 동시에 제공할 수 있어 시스템 사용 효율을

극대화되도록 하였다.

기존의 관련 시스템에 관한 기본 자료수집 및 분석을 통한 장단점을

파악하였고, 이를 바탕으로 새로운 개념의 시스템(복합식)을 구성하였

다. 그리고 이 시스템의 해석을 위해 필요한 기상 data는 sub program

으로 작성하였으며, 시스템의 열평형 방정식을 바탕으로 겨울철 집열기

시스템으로 운영하였을 경우의 시스템 거동, 효율 그리고 특징 등에 관

한 기본 연구가 진행되었다. 또한 시스템의 겨울철 운용모드에 관한 기

본 해석 program을 개발하였다.

시뮬레이션 결과를 간략히 요약하면, 기존의 시스템과는 달리 복합식

(냉·난방) 시스템으로 1년 내내 시스템의 운용이 가능하며, 건물의 외

피부하는 충분히 감당할 수 있으며, 적정 시스템의 유속을 제공함으로

최고 시스템 효율을 40% 이상 올릴 수 있으며, 또한 건물 구조체의 일

부로, 하나의 모듈화 된 시스템으로 제공이 가능하며, 기존 건물의 형태

나 구조적인 변경 없이 설치가 가능하다. 그리고 보조 냉·난방 장치가

차지하는 건물의 유효 공간을 확보할 수 있는 특징이 있다.

앞으로 여름철 열교환기 운용에 있어서도 컴퓨터 시뮬레이션을 통한

이론 해석이 이루어져야 할 것이며, 실증 실험을 통한 시스템의 문제점

을 파악, 개선하며 건물 에너지 절약 효과에 대한 심층적인 분석이 이

루어져야 할 것이다.

- i -

A b s tract

T he purpose of this study is to dev elope a multipurpose solar w all

sy stem that is able to be popularized easily and to be applied to the

buildin g as a m ultipurpose en ergy u se m ean s . T his Hybrid Solar

Sy stem (HS S ) is m ore improv ed th an ex isting sy stem s - t romb e

w all, solar - w all, double- skin etc . - , and is able t o be run on the

opt imum con dition th e optional sy st em operation su ch as a collector

or a heat ex ch an ger . And this sy stem m akes it pos sible to u se the

m ax im um of efficien cy .

T his stu dy w as proceeding accordin g t o th e procedures b elow .

At fir st , the data from bein g collected ex itin g sy stem s w ere

inv estig ated and an aly zed th e m erit s an d dem erit s of th em . S o new

sy stem s ba sed on the ex istin g sy stem s w ere recom posed . T h en a

therm al balan ce equ ation t o an aly ze th e HSS w as con stru cted an d

the beh avior , the efficien cy , an d the character istics w ere ex am in ed

by u sin g th at . Com put ation al simulation an d an aly sis program is

dev eloped an d is inv olv ed to the case that the sy stem is u sed for

the solar collect or of the building s in W inter .

T h e result s can be summ arized as follow s .

1. T he HSS can be alw ay s operated durin g daytim e, and cope

w ith th e skin load in a buildin g if w e supplied the H SS w ith a

proper air v elocity .

2. T h e m ax im um sy stem efficiency can rise m ore than 40% .

3. It can giv e an av ailable space m ore becau se it doesn 't r equir e

th e aux iliary h eater or cooler .

4 . Efficien cy of en ergy u sin g ;

Becau se of th e con sistin g of the opt ion al (air flow w ay )

controller , the operating of sy stem is conv er sional as the load

- ii -

v ariation s , the con dition s for th e operating and the chang e of

ex tern al con dition s th at it w ould be possible to u se entire en ergy

efficiently .

5 . T h e effect of the applicat ion for th e building ;

T his sy stem doesn ' t r equir e the st ru cture of buildin g s to be

m odified . An d th e design of m odule can allow the sy stem it self

for the unit . S o th at it could be ex pected t o g et w ell appearan ce

on th e ex pen siv e ext erior m ater ial as w ell a s t o sh orten the

period of con st ru ction .

F inally , th ese num erical an aly sis r esult s can be u sed to design th e

m ore improv ed HSS . An d the beh avior of heat - ex chan g er sy st em

w ill be sim ulat ed by num erical analy sis through th e T RNSYS

IISiBat program in Summ er t im e an d W inter tim e w hen th e solar

r adiat ion is w eak . It is n ecessary that an ex perim ental research b e

carr ied out to complete a suit able sy stem for Korean clim ate

con dition s as w ell. St an dard draw ing s sh ould be also prepared in

detail to prom ote th e practical u se .

Key w ords : Hybrid S olar Sy st em (HS S ), Collect or , Heat ex ch an ger

Num erical An aly sis , Opt ion al cont roller

- iii -

- 차 례 -

제 1 장 서론

1.1 연구의 배경 및 방법

1.2 연구의 필요성

1

3

제 2 장 복합 식 태양 열 시 스템 ( H S S )

2.1 시스템(HSS) 개요

2.2 계절별 운용모드

2.3 HSS 해석 모델

5

7

10

제 3 장 일사 량 및 계수 계 산

3.1 일사량

3.2 계수 계산

3.3 창의 열취득

20

29

33

제 4 장 H S S 시뮬 레이션 결과 및 고 찰

4.1 공기층 간격 0.05m일 때의 결과

4.2 공기층 간격 0.10m일 때의 결과

4.3 공기층 간격 0.15m일 때의 결과

36

39

42

제 5 장 결론 45

참고 문헌 47

- iv -

- 그 림 목 차 -

그림 1 불균형한 열평형 4

그림 2 시스템 개념도 5

그림 3 겨울철 운용모드 7

그림 4 여름철 운용모드 9

그림 5 수직 평판형 집열기의 열수지 10

그림 6 열교환기 해석모델 11

그림 7 평판형 집열기의 해석 모델과 T hermal Netw ork 13

그림 8 대향류 열교환기와 온도변화 15

그림 9 Flow chart 19

그림 10 경사면 법선의 방향여현 23

그림 11 태양광선의 방향여현 24

그림 12 연간 일평균 일사량 분포 (수평면, 수직 남면) 26

그림 13 수직 남면의 하지의 일사량 27

그림 14 수직 남면의 동지의 일사량 27

그림 15 수평면, 수직 남면의 일일 최고 일사량 분포 27

그림 16 수평면의 하지의 일사량 28

그림 17 수평면의 동지의 일사량 28

그림 18 덕트공간의 단면 29

그림 19 온도차에 의한 압력분포 32

그림 20 판유리의 투과율, 반사율의 입사각 특성 33

그림 21 개구부(유리창)의 열취득 모델 34

그림 22 유속에 따른 공기의 유출온도 분포 36

그림 23 유속에 따른 공기의 취득열량 분포 37

그림 24 유속에 따른 시스템의 취득열량 37

그림 25 유속에 따른 시스템의 효율 분포 38

그림 26 유속에 따른 시스템의 최대 효율 38

- v -

그림 27 유속에 따른 공기의 유출온도 분포 39

그림 28 유속에 따른 공기의 최대 유출온도 39

그림 29 유속에 따른 공기의 취득열량 분포 40

그림 30 유속에 따른 시스템의 취득열량 분포 40

그림 31 유속에 따른 시스템 효율 41

그림 32 유속에 따른 시스템 최대효율 41

그림 33 유속에 따른 공기의 유출온도 분포 42

그림 34 유속에 따른 취득공기의 열량 분포 42

그림 35 공기층 간격에 따른 시스템 효율 비교 43

그림 36 공기층 간격에 따른 시스템 취득열량 비교 43

- v i -

- 기호 설명 -

A 단면적 , 방위각 ㎡ , °

B 통상일

C P 비열 kJ/ kg·℃

E 균시차 °

F 형태 계수

I 일사량 W/ ㎡ , kg/ ㎡

K 열관류율 W/ ㎡·℃

L 경도 °

LMT D 대수평균온도차 ℃

Ls 표준 자오선 °

P, P r 압력 , 대기 투과율 , 압력손실 kg/ m^2

Q 취득 열량 W

R 열전달 저항 ㎡·℃/ W

S 태양광선의 방향여현 °

T 온도 ℃

U 총합 열전달 계수 W/ ㎡·℃

V 유속 m/ s

W 경사면 법선의 방향여현 °

g 중력가속도 ㎡/ s

h 태양의 고도 , 높이 °, m

hr 복사 열전달 계수 W/ ㎡·℃

hv 대류 열전달 계수 W/ ㎡·℃

m 질량유량 kg/ s

- v ii -

r 태양과 지구와의 거리

t 시간 second

tA S 진태양시 hour

w 시각 °

무차원수

D h 수력지름

N u Nusselt Number

P r Prandtl Number

R e Reynolds Number

그리스 문자

흡수율

적위 °

방사율

풍압력 kg/ ㎡

효율 %

경사면에 대한 태양광선의 입사각 °

동점성 계수 ㎡/ s

원주율

밀도 , 반사율 kg/ ㎥

스테판- 볼쯔만 상수 (5.67×10^- 8) W/ ㎡·K^4

투과율

위도 °

- v iii -

제 1 장 서론

인류의 존속과 발전을 위해 에너지는 물과 공기 및 식량과 더불어 절

대적으로 필요한 요소 중 한가지이다. 이 인간의 생명이라고도 해야 할

에너지를 우리 나라는 거의 외국에 의존하고 있으며 또한, 인류가 대량

으로 소비하는 에너지의 88%를 의존하고 있는 화석연료는 무한한 것이

아니다. 따라서 지속적인 경제성장을 유지, 발전시키기 위해 청정 대체

에너지 개발은 반드시 이루어져야 할 것이다.

그 동안 자연에너지 이용 기술의 개발은 신·재생에너지 개발분야 중

에서도 가장 관심을 갖고 추진되어 왔고 또 여러 분야에 걸쳐서 그 적

용성이 꾸준히 연구되어 왔다. 그러나 아직도 일부 제한된 분야를 제외

하고는 경제성뿐만 아니라 기술적 적용 문제 등으로 인하여 전체 에너

지 수급에는 만족할 만한 목표에 도달치 못하고 있는 것이 사실이다.

그리고 새로운 에너지 이용기술이 개발되었다하더라도 실제 적용단계에

서 적지 않은 문제점들이 도출되어 실효를 거두지 못하고, 보급에도 커

다란 장애요소가 되고 있어, 결과적으로 건물의 에너지 효율을 크게 향

상시키지 못하였다. 그러므로 새로운 에너지의 이용 시스템 개발에 있

어서는 무엇보다도 에너지 효율을 최대한 높일 수 있는 시스템 구성이

가능하여야하며, 또한 취득된 에너지를 가장 유효하게 이용 관리할 수

있는 적용분야에 대한 충분한 검토가 필요할 것이다. 그리고 이상의 시

스템 구성과 적용성의 두 가지 측면 외에도 전체에너지 수급효과를 높

이기 의한 다목적 이용시스템에 대한 가능성의 검토는 그 의의가 매우

크다고 하겠다.

1 .1 연구의 배경 및 방법

건물의 외부존(ex ter ior zon e)은 내부존(inter ior zon e)에 비해 외부

환경의 영향을 크게 받게되는 구역으로 특히 겨울철에는 냉기 침입과

- 1 -

표면결로(surface con den sat ion ) 등이 발생하며, 여름철에는 창가의 뜨

거운 복사열의 영향으로 실내환경의 불균일을 초래할 뿐만 아니라, 이

로 인한 냉·난방 부하의 증가는 물론 추가로 외피부하를 감당하기 위

한 F an Coil Unit과 같은 설비 시스템의 장치가 필요하게 된다. 그러나

본 시스템의 연구는 이상의 문제점을 건축적인 방법으로 해결하기 위한

새로운 시도이다. 특히 이 시스템은 건물에서의 환경성능향상은 물론

각종 설비시스템의 용량을 크게 줄일 수 있는 특성을 지니고 있다. 더

나아가 이 시스템 개발의 진정한 의미는 환경건축(Green Architectur e),

생태건축(E cological Archit ecture) 그리고 지속가능한 건축(Su st ain able

Architectur e)을 실현하는 길이며, 이와 같은 시스템의 개발과 응용은

유한한 에너지 자원의 엔트로피 증가를 막을 수 있는 유일한 방법이 될

것이다.

그래서 본 연구는 이상의 목적에 부응할 수 있는 다목적 에너지 이용

의 한 방편으로 에너지 이용의 극대화는 물론 비교적 모든 건물에 손쉽

게 적용이 가능하며 보급이 용이한 태양 에너지 이용 시스템 개발에 그

목적을 두고 있으며, 다음과 같은 방법에 의해 연구를 진행한다.

① 복합식 태양열 시스템(Hybrid Solar Sy stem : 이하 H SS라 한다)

과 유사한 개념을 가지는 기존 연구와 건물적용 실태를 분석, 검토한다.

② HSS의 응용기법 개발에 필요한 관련 자료 수집 및 분석을 통한

기초 연구를 행한다.

③ 시스템의 이론적 열 성능 평가를 위한 모델을 설정하고 Com puter

S imulation에 의한 환경성능분석과 적정 시스템의 윤곽 등 기본기술을

확보한다.

④ 건물 적용 모델을 설정하고 시스템 응용과 운영기술에 대한 컴퓨터

프로그램을 개발한다.

⑤ 이상의 연구결과를 토대로 HS S의 최적 시스템 설계를 완성하며

건물 응용에 따른 환경개선효과와 그 응용기법을 제시한다.

- 2 -

1 .2 연구의 필요성

본 연구는 다목적 에너지 이용의 한 방편으로 에너지 이용의 극대화는

물론 비교적 모든 건물에 손쉽게 적용이 가능하며 보급이 용이한 자연

에너지 이용시스템 개발에 목적을 두고 있으며 이 시스템개발의 필요성

을 기술적 측면과 경제적 측면으로 구분하여 기술하면 다음과 같다.

가) 기술적 측면

지금까지 건물 구조체의 일부를 구성하면서 냉·난방은 물론 급탕,

통풍 및 환기까지도 가능한 다목적 열환경 제어 시스템은 연구된 바 없

으며, 특히 이 기술은 합리적인 건물의 에너지 제어뿐만 아니라 과거의

단순한 에너지 절약이라는 개념이 아닌 건물의 에너지 사용 효율을 크

게 증진시킬 수 있는 시스템이다. 특히 이 시스템 개발과 운영 및 적용

에 관련 요소 기술은 학문적 의의와 더불어 이 분야의 기초적 기술을

확립하는 계기가 될 것이다.

나) 경제적 측면

a ) 에너지 이용의 극대화

종래에 연구 개발된 건물의 태양열 이용시스템들은 태양에너지의 특

성과 건물에서 필요로 하는 열부하(T h erm al Load)가 서로 상반되어 의

존율이 매우 낮았으나 본 시스템은 그림 1에서 보는 바와 같이 종래의

시스템들에서 이용하지 못했던 + 에너지를 모두 이용할 수 있는 복합

적 기능을 가지고 있어 에너지 수급효과를 크게 증대시킬 수 있다.

b ) 효율적인 에너지 이용

복합식 (집열기+열교환기) 제어장치에 의한 시스템 구성이므로 실의

부하변동이나 운영조건 그리고 외기조건 변화에 따라 시스템 운영을 전

환시킬 수 있으므로 효율적인 에너지이용을 할 수 있다.

- 3 -

그림 1

c) 적용성과 보급에 관한 문제

본 복합식 태양열 시스템은 그 동안 건물 적용과 보급에서 비롯된 많

은 문제점들을 모두 해결 가능하며 각종 건물에 손쉽게 적용할 수 있으

므로 보급효과도 크게 높일 수 있는 장점을 지니고 있다. 아울러 건물

의 난방은 물론 냉방, 급탕, 통풍 그리고 환기에도 크게 기여할 수 있는

다목적 시스템이다.

d ) 건물적용에 따른 효과

건물의 구조체 일부를 이용하여 복합식 제어장치를 구성할 수 있으므

로 건물의 형태적 변경은 요구하지 않는다. 그러나 모듈설계에 따른 시

스템 자체의 유니트(Unit )화가 가능하므로 건물의 공사기간 단축뿐만

아니라 값비싼 외장재를 대신할 수 있으며 건물의 입면상 의장효과를

충분히 기대할 수 있다.

이상의 본 연구 시스템은 자연 에너지 특성을 최대한 이용할 수 있는

다목적 제어시스템으로 구성되어 있다는 장점과 또 시스템 적용에 따른

대체효과가 클 뿐만 아니라 보급이 용이하여 경제적 가치가 매울 클 것

으로 예상된다.

- 4 -

제 2 장 복 합 식 태 양 열 시스 템 (H S S )

2 .1 시스템 ( Hy brid S o lar S y s tem : H S S ) 개요

본 시스템은 주로 주간에 많이 이용하는 학교건물이나 사무소 건물

등에 구조체의 일부에 적용시켜 건물의 외피부하(skin load )의 절감은

물론 실내의 환경을 효과있게 제어할 수 있는 다목적 시스템의 제안으

로 기존의 태양열 이용 시스템과는 많은 차이가 있다.

그림 2 시스템 개념도

그림 2는 본 시스템의 기본 개념을 나타낸 것으로, a )는 건물 적용사

례, b )는 시스템 개략도를 나타낸 것이다. 그림에서 보여지는 것과 같이

- 5 -

실내 공기를 유입하여 이를 시스템에 통과, 다시 실내로 유입하는 모습

이다. 또한 본 시스템의 운용에 있어 여름철에는 일사를 차폐할 수 있

는 반사판과 같은 종류의 재료를 커버에 사용하여 튜브와 공기의 열교

환 시스템의 효율을 증대시킬 수 있는 방안을 모색한다.

그리고 시스템 구성의 특징은 다음과 같다.

㉮ 본 시스템은 공기식 태양열 집열기를 해석 모델로 한다.

㉯ 본 시스템은 겨울철에는 Air Heatin g Collector로 운용이 되며,

여름철에는 W at er - Air Heat Ex chan g er로 운용이 된다.

㉰ 일사를 받는 집열면은 커버 + 공기유동층 + 집열판의 순서로

이루어져 있다.

㉱ 일사가 없는 겨울철에는 심야전력을 이용하여 가열한 온수를 튜

브로 흘러보내어 실내공기와의 열교환 시스템으로 운용이 가능하

다.

㉲ 중간기에는 상황에 맞추어 시스템을 운용할 수 있도록 한다.

㉳ 여름철에는 일사를 차단할 수 있는 장치를 두어 최대한 일사의

유입을 막는다.

㉴ 여름철 열교환기로서 성능을 향상시키기 위하여 튜브에 F in을

부착하여 효율을 증대시키며, 지하수를 끌어올려 냉매로 사용한

다.

㉵ 주간 사용비율이 높은 학교나 대형 오피스 건물에 하나의 모듈

화된 시스템으로 설치가 가능하다.

- 6 -

2 .2 . 계절별 운용모드

본 HS S는 계절별, 그리고 기상 조건에 맞게 시스템을 운용함으로써

시스템의 이용도를 극대화하고, 부하의 특성에 맞추어 대처할 수 있다

는 것이 가장 큰 특징이라 할 수 있다. 그리고 대표적인 시스템의 운용

모드는 다음과 같다.

2 .2 .1. 겨울 철 운 용모 드

그림 3은 HS S의 겨울철 운용 모드에 맞추어 시스템의 운용에 관하

여 나타낸 것이다. 이것은 일반적인 평판형 집열기의 Air Heat ing

Collect or와 유사한 개념이며, 이것의 해석을 위해 집열판 뒤를 완전 단

열조건으로 놓고 해석하면, 강제 순환식 평판형 집열기가 된다.

그림 3 겨울철 운용모드 (집열기)

- 7 -

시스템의 운용에 있어서 위와 같이 집열기로 시스템을 이용할 때,

Opt ion al Dam per는 열교환 공간으로부터의 공기의 유입을 차단하게 되

고, 전면의 집열 공간의 집열판이 흡수한 일사에 의해 유입된 실내 공

기는 가열이 되고, 이 가열된 공기는 F an을 통하여 실내로 유입되도록

한다.

2 .2 .2 . 여름 철 운 용모 드

그림 4는 HSS의 일반적인 여름철 운용 모드에 맞춰 시스템을 나

타낸 것으로, 집열공간은 그대로 두고, 열교환 공간만을 그 운용 모드로

잡은 것이다. 이는 여름철 지하수를 이용한 실내 공기의 냉각을 목적으

로 한 시스템이기 때문이다. 또한 이 운용 모드는 겨울철 일사가 없는

주간에 심야전력을 이용하여 저장한 온수를 pipe에 통과시킴으로서 실

내 공기를 가열하는 시스템으로써 운용이 가능하다.

또한 시스템 전면의 집열 공간을 통하여 가열된 공기는 환기구를 통하

여 외부로 다시 방출시킴으로 집열공간의 과열을 막고 시스템의 효율을

향상시키고자 하였다. 또한 일사의 유입을 최대한 차단하기 위하여 차

양장치를 설치할 수도 있다.

- 8 -

그림 4 여름철 운용모드 (열교환기)

시스템의 운용에 있어서 위와 같이 열교환기로 시스템을 이용할 때,

Opt ion al Dam per는 집열 공간으로부터의 공기의 유입을 차단하게 되

고, 후면의 열교환 공간만을 이용하여 더운 실내공기와 차가운 지하수

와의 열교환을 통해 실내공기를 냉각하게 되고, 이 냉각된 공기는 F an

을 통하여 실내로 유입되도록 한다.

- 9 -

2 .3 . H S S 해석 모델

앞에서 간단히 살펴본 시스템을, 수치해석을 위해, 보다 더 단순화된

모델을 가지고 해석하기로 한다. 그림 5는 겨울철 해석 모델로써, 수직

평판형 집열기의 형태를 띄고 있다. 그리고 그림 6은 여름철 해석 모델

로 집열 시스템 뒷면에 장착되어 열교환기로써 운용되는 것으로, 그림

6의 a )는 시스템의 개략도이며, b )는 B - B ' 단면도를 나타내고 있다. 위

의 두 시스템 해석을 위한 기본 가정을 살펴보면 아래와 같다.

그림 5 수직 평판형 집열기의 열수지

- 10 -

그림 6 여름철 해석 모델 (열교환기)

2 .3 .1. 기본 가정

겨울철 해석 모델을 위한 기본 가정을 살펴보면 다음과 같다.

㉮ 본 모델은 단순한 시스템의 해석만을 전제로 한다.

㉯ 외표면의 대류열전달 계수는 20 W/ ㎡℃로 일정한 값을 사용한

다.

㉰ 내부 공기의 순환 공간에서의 대류열전달 계수는 단일화된 일반

덕트에서의 열전달 계수 계산식에 의해 구한다.

㉱ 지면과의 복사열교환은 무시한다.

㉲ 집열판에서의 천공과의 복사열교환은 무시한다.

㉳ 단열재가 위치하는 공간은 완전 단열 경계조건으로 해석한다.

㉴ 유리면과 집열판의 전도에 의한 열전달은 생략한다.

위의 기본 가정을 전제로 하여 겨울철 운용모드에 관한 열평형 방정식

을 세울 수 있다.

- 11 -

또한 여름철 열교환기의 운용모드에 있어서의 기본가정은 다음과 같다.

㉮ 물- 공기의 대향류 열교환기이다.

㉯ 열교환기 주변의 모든 면들은 완전단열 경계조건이다.

㉰ 물과 공기의 질량 유량은 항상 일정하며, 유체의 유입온도 또한

항상 일정한 값이 유입된다고 가정한다.

㉱ 대수평균 온도차(LMT D)를 사용하여 교환 열량 Q를 계산한다.

이상과 같은 조건에서 여름철 차가운 지하수와 더운 실내공기와의 열

교환 운용모드와 일사가 없는 겨울철 심야전략을 이용한 뜨거운 온수와

찬 실내공기와의 열교환 운용모드의 정상상태 해석을 한다.

2 .3 .2 . 열평 형 방 정식

본 HSS 구조 내의 공기흐름 방향에 수직인 미소길이 x인 임의의

i e lem en t의 중심부에서 임의의 순간의 에너지 변화율은 Flux 교환의

대수학적 합과 같다고 볼 수 있다. 따라서 열평형 방정식 기본식은 아

래와 같다.

e i· i·C p i

d T i

d t= Q sola r , i + Q m ass , i +

j xQ x i j , i (2- 1)

Q so la r , i : i e lem en t에서 흡수된 solar f lux의 density

Q m a ss , i : i e lem en t에서 교환된 질량 f lux의 density

Q x i j , i : i와 j 사이에서 전달형태 x에 의해 교환된 heat f lux의 density

을 나타낸다. 겨울철 운용모드인 그림 7을 기초로 하여 각 요소별 상세

방정식을 다시 수립하면 아래와 같은 열평형 방정식 형태로 나타낼 수

있다.

- 12 -

그림 7 평판형 집열기의 해석 모델과 T herm al Net w ork

가) 커버 ( Cov er : 유리 )

c·C p , c· x c

d T c

dt= Q 1 + Q2 - Q3 + Q4 - Q5 (2- 2)

Q1 = I· c : 커버에 흡수된 일사량

Q2 = hr 2· ( T p - T c ) : 집열판과 커버의 복사에 의한 열교환

Q3 = hr 1· ( T c - T s ) : 커버와 천공의 복사에 의한 열교환

Q4 = hv o· ( T ou t - T c) : 커버와 외기의 대류에 의한 열교환

Q5 = hv a·( T c - T a ir) : 커버와 유체 유동공간의 대류에 의한 열교환

위의 식을 총합 열전달 계수를 도입하여 정리하면 다음과 같다.

·C p·e·A c

d T c

d t= A c · [ Up - c ( T p - T c ) + U c - a ( T a - T c ) ]

(2- 2a )

- 13 -

나) 집열판 ( Copper )

p·C p , p· x p

d T p

dt= c· p·I - Q2 + Q6 + Q7 (2- 3)

Q6 = hr 11· ( T s - T p ) : 집열판과 천공의 복사에 의한 열교환

Q7 = hv a·( T a ir - T p) : 집열판과 유체 유동공간의 대류에 의한 열교환

식 2- 2a와 같은 형식으로 위의 식을 나타내면 다음과 같다.

·C p·e·A c

d T p

d t= A c · [ I - Up - c ( T p - T c ) ] (2- 3a )

다) 공기 유동공간. ( A ir Space )

ai r·C p , air· x air· (d T air

dt+ V a

d T ai r

dy) = Q5 - Q7 (2- 4)

2- 4는 시간과 높이에 관한 방정식이므로, 이를 다음과 같은 경계조건

에 의하여 단순화시켜 나타내면 다음과 같다.

m C ai r

d T a

d yy = hv a · W· y· ( T i n - T a) (2- 4a )

경계조건을 이용하여 이를 1차원 방정식으로 바꾸면,

B ou n dary Con dition : a t y = 0 , T ai r T air , in T R

: a t y = h , T air T ai r , ou t

T ai r , ou t = T R· ex p ( - h ) + T p· [ 1 - ex p ( - h ) ] (2- 5)

= m·C p , air / hv a· W (2- 6)

- 14 -

그리고 여름철 및 일사가 없는 겨울철 열교환기의 운용모드 해석은 다

음과 같다.

그림 8 대향류 열교환기와 온도변화

그림 8은 대향류 열교환기의 간단한 모델과 그 온도변화를 나타낸 것

이다. 이론계산에 있어서 열교환기는 향류, 병류, 직교류로 크게 구별되

지만, 어느 것의 경우라도 교환열량 Q는 대수평균온도차(LMT D )를 사

용하여 다음 식으로 계산할 수 있다.

Q = K ·A ·L M T D (W ) (2- 7)

여기서, K : 열교환기의 열관류율

A : 전열면적

대수평균 온도차는 고온유체와 저온유체의 온도차를 입구에서 출구까지

평균한 것이며, 대향류 열교환기의 경우는 다음과 같다.

L M T D =T 2 - T 1

log e ( T 2 / T 1)(℃) (2- 8)

- 15 -

여기서, T 1 = T h , ou t - T c , i n

T 2 = T h , i n - T c , ou t

이다.

2- 8은 대향류 열교환기에 대해서 유도되어진 것이지만, 실용적으로 플

랫형(Plat type) 열교환기나 스파이럴(Spir al type)형 열교환기에 대해서

도 사용되는 수가 있다. 또한, 공기 가열코일이나 냉각코일은 직교류열

교환기 실정에 가깝다고 여겨지고 있지만, 복잡하게 되기 때문에 대향

류 열교환기로서 취급하는 경우도 많다.

증기에 의해 물을 가열하는 물가열기나 저탕조내에 내장된 저조형 열

교환기처럼 한쪽 유체의 온도가 일정하지 않을 경우에는

T h = T h , i n = T h , ou t (고온유체일정) 혹은 T c = T c , i n = T c , ou t (저온유체일정)

으로 하여, 식 8로부터 T 1 , T 2 을 계산한다.

2 .3 .3 . 시스 템의 효율

정상상태에서, 태양열 집열기의 거동은 입사되는 일사량과 유효 획득

량과의 에너지 방정식으로 나타낼 수 있다. 집열기의 단위면적 당 집열

판에 흡수되는 일사량은 입사되는 일사량과 그 손실의 차와 같다. 집열

기의 전도, 대류 그리고 장파장 복사에 의한 주변으로의 열적 손실은

총합 열전달 계수( UL )와 평균 평판의 온도( T p m )와 외기온( T ou t )과의

곱으로 표현되어질 수 있으며, 다음과 같이 나타낸다.

Q u = A c [ I - UL ( T pm - T ou t ) ] (W ) (2- 9)

위의 방정식에서 평균 평판의 온도는 집열기 설계, 입사되는 일사량

그리고 유입되는 유체의 상태에 관한 함수로써, 측정하거나 계산하기가

쉽지 않다. 일반적으로 집열기 거동에 대한 측정은 집열기의 효율로서

나타내어지며, 동일한 시간에 입사되는 일사량과 유효획득량과의 비율

로써 정의되어지며 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

- 16 -

=Q u dt

A c I T d t(% ) (2- 10)

위의 식 2- 10은 시스템의 효율을 나타내는 일반적인 식이며, 다음의 방

정식은 공기의 취득열량을 계산하기 위하여 사용되어진 일반식이다.

Q u = A c·F R· [ I - UL · ( T i - T ou t ) ] (W ) (2- 11)

여기서, A c는 집열기의 면적을 나타내며, F R 은 Heat Rem ov al F actor

이며, T i는 공기의 유출온도를 나타내는 값이다.

열교환기에 있어 교환 열량은 열통과 유효도 을 이용하여 나타낼 수

있으며, 열통과 유효도를 이용함에 따라 양쪽 유체의 입구온도만으로

교환열량을 알 수 있으므로 주어진 열교환기의 운전상태를 파악하는데

적합하다. 또한 는 열교환기의 유효율이라고 불려지며, 다음 식 2- 12

와 같다.

= Q( c p· m ) s· ( T h 1 - T c 1 )

(% ) (2- 12)

는 열교환기의 종류, 전열면적, 유량에 따라 달라지며, ( cp· m ) s는

고온유체, 저온유체의 열용량 유량으로 작은 쪽의 값이다.

그리고 열통과 유효도와 함께 온도효율 h , c이 이용되기도 하는데,

열통과 유효도는 작은 열용량측 유체기준의 온도효율이라고 말할 수도

있다. 그리고,

h =m in [ ( cp , h · m h ) , ( c p , c· m c) ]

( cp , h · m h )· (2- 13)

- 17 -

c =m in [ ( c p , h · m h) , ( cp , c· m c) ]

( cp , c · m c)· (2- 13a .)

의 관계가 있다.

2 .3 .4 . 해석 방법

위의 열평형 방정식의 해석을 위하여 유한차분법(F init e Differ ent

M ethod)의 후퇴차분 방법을 이용하여 계산을 수행하였으며, 이산화 방

정식은 다음과 같다.

가) 커버

( 1 + CA P ( 1)·( hr 1 + hr 2 + hv o + hv a))· T c - CA P ( 1)·hv a· T a ir

- CA P ( 1)·hr 2· T p = T c* + CA P ( 1)·( 1·I + hv o· T ou t + hr 1· T s)

(2- 14)

나) 집열판

- CA P (2)·hr 2· T c - CA P (2)·hv a· T a ir + ( 1 + CA P (2)

· ( hr 11 + hr 2 + hv 1)· T p = T p* + CA P (2)· ( c · p·I + hr 11· T s)

(2- 15)

다) 공기 유동공간

방정식 2- 14, 15에 2- 5, 6을 조합하여 프로그램을 연산, 이것을 통하여

온도분포를 계산하였다.

그리고 위의 이산화 방정식에 사용된 변수들을 간단히 정리하면,

CA P = dt·C p· x

이며, T *는 one st ep 이전의 온도를 나타낸다.

- 18 -

위의 기본 이산화 방정식을 토대로, 일사량, 외기온도 및 각각의 열전

달 계수와 초기조건 및 경계조건을 가지고 위의 식을 프로그램화하여

전개하면 얻고자하는 데이터 값을 얻을 수 있다.

다음은 프로그램의 개략적인 순서도이다.

그림 9. F low chart

- 19 -

제 3 장 . 일 사 량 및 계 수 계산

3 .1 . 일사량 ( S olar Int en s ity : W / ㎡ )

일사량은 기상요소의 하나로 일조를 받는 면의 방위 및 경사에 따라

서 입사량이 서로 다르기 때문에 온도나 습도와는 틀리며, 기상 관측치

를 그대로 공조부하나 태양열 집열량의 계산에 쓸 수 없으므로, 관측치

를 기초로 해서 각 면에 입사하는 일사량을 추정하여야 한다.

또한 일사량을 계산하기 위해서는 태양의 위치를 알아야 하며, 아래와

같은 수식에 의해 계산될 수 있다.

1) 태양 위치

태양고도 h 및 태양 방위각 A 는 다음과 같이 주어진다.

s in h = s in · s in + cos ·cos · cos w (3- 1)

cos A = s in h· s in - s incos h· cos

, 혹은 s in A = s in w·coscos h

(3- 2)

는 위도이며, <0라 하면 남반구에 있어서 계산할 수 있다. 는 태

양 적위이며 - 2 3 . 4 5 < < 2 3 . 4 5의 범위이며, 춘·추분일 때 0, 하지

일 때 23.45°, 동지일 때 - 23.45°이다. w는 시각이며 태양시의 정오

를 0°로 하여 오전은 (- ), 오후를 (+)로 잡아 1시간당 15°의 비율로

시간을 환산한 값이다.

w = ( tA S - 12)×15 = {t + ( E +L - L s

15- 12)}×15 (3- 3)

진태양시 tA S와 일산 생활에 사용하고 있는 표준시 t와의 관계는 다음

과 같이 나타내어진다.

- 20 -

tA S = t + E +L - L S

15(3- 4)

여기서, E 는 균시차이며, L 은 경도, L S는 표준 자오선을 나타낸다.

E = 160

× (9 .87· s in 2B - 7 .53·cos B - 1 .5· s in B ) (3- 5)

B = 360×n - 81

365[°] (3- 6)

지상에 있어 일사량을 고려할 때, 대기권외 일사량은 기본량으로서 중

요하다. 지구와 태양이 평균거리에 있을 때, 대기권외에 있어서 법선면

일사량은 태양정수, I S C = 1, 370 W/ ㎡값을 사용한다.

2) 대기권외 일사

I O =I S C

r 2 (W/ ㎡) (3- 7)

단, r는 지구와 태양과의 평균거리( r = 1 .5 × 10 8 Km )를 1로 했을 때

즉, 천문단위에 의한 거리이다. r값은 해에 따라서 약간 다르지만 무시

할 수 있으며, 근사식은 다음과 같다.

I O = I S C {1 + 0 .033·cos ( 2 n365

)}(W/ ㎡) (3- 8)

여기서, n은 통상일이며 1월 1일에 n = 1, 평년의 12월 31일에

n = 365이다. 각도 단위는 r ad이다.

- 2 1 -

3) 전일사량

지상에서 관측된 일사는 직달일사와 천공일사이다. 직달일사는 태양의

방향으로부터 직접 도달하는 일사이다. 천공일사는 대기나 대기중의 먼

지, 구름에 의해 산란·반사하여 지상에 도달하는 일사이며 산란일사라

불린다. 직달일사는 법선면에 입사하는 범선면 직달일사량 I DN 이, 천공

일사는 수평면에 입사하는 수평면 천공일사량 I SK Y 가 일사의 기본량이

다. 수평면에 있어서 직달일사와 천공일사의 합인 수평면 전천 일사량

I H OL 도 일사관측에 있어서 중요하다. 태양고도를 h라 하면 다음 관계

가 있다.

I H OL = I DN· s in h + I SK Y (W/ ㎡) (3- 9)

I DN , I SK Y , I H OL 은 단지 직달 일사량, 산란 일사량, 전천일사량이라

한다. 건물 외표면에 입사하는 일사 I T (W/ ㎡)는 다음 식으로 나타내어

진다.

I T = I D + I d = I D + ( I S + I R ) (W/ ㎡) (3- 10)

여기서, I D는 직달일사, I d는 확산일사이다. 또한 I S는 천공일사이며,

I R 는 반사일사로 하여,

I d = I S + I R (W/ ㎡) (3- 11)

로 나타내진다. 반사일사는 지표면이나 주변건물의 외표면에 입사한 일사

가 반사하여 대상면에 입사하는 것으로서 일반적으로, 확산일사로 취급된

다. 또한, 아래 그림 10, 111)과 같이 임의의 경사면에 입사하는 직달일

사량은 법선면 직달일사량을 이용하여,

1) 참고문헌 7. Page 63

- 22 -

I D = I DN· cos (W/ ㎡) (3- 12)

로 나타내지며, 는 경사면에 대한 태양광선의 입사각이며, 다음 식에

의해 계산되어진다.

cos = s in h· cos W + cos h· s in W · cos (A - W )

= s in h· cos W + ( cos h· s in A )·( s in W · s in W )

+ ( cos h· cos A )·( s in W · cos W )

= S h· Wz + S w· Ww + S s· Ws

(3- 13)

그림 10 경사면법선의 방향여현

- 23 -

그림 11 태양광선의 방향여현

S h = sin h , S w = cos h· s in A , S s = cos h·cos A (3- 14)

Wz = cos W , Ww = sin W · s in W , Ws = sin W · cos W (3- 15)

여기서, A는 태양 방위각이며, W 는 경사면의 경사각이며 수평면은

0°, 수직면은 90°이며 범위는 0∼180°이다. W 는 경사면의 방위각

으로 태양방위각과 같이 남면을 0°로 하고 서쪽을 (+), 동쪽을 (- )로

한다. 그림 10, 11에 태양광선의 방향여현 S h , S w , S s 및 경사면법선

의 방향여현 Wz , Ww , Ws 를 나타내고 있다.

의 범위는 0∼90°이며, = 0°일 때, 경사면에 수직으로 직달일사

가 입사한다. cos < 0의 경우는 태양이 대상면의 뒤쪽에 있는 경우이

- 24 -

며, 이와같은 경우에는 이면에 대한 직달일사의 성분은 0이 되므로,

cos = 0으로 한다.

대기투과율 P를 이용한 법선면 직달일사는 다음의 Bou guer의 식이라

불리는 방정식으로 나타내어진다.

I DN = I O·P 1/ s in h (W/ ㎡) (3- 16)

수평면 천공일사량 I SK Y 는 다음의 Nag ata의 식을 이용하여 계산한다.

I SK Y = s in h· ( I O - I DN )· (0 .66 - 0 .32·s in h)·{0 .5 + (0 .4 - 0 .3·P)·s in h }

(3- 17)

경사면에 입사하는 천공일사는 수평면 천공일사량 I SK Y 를 이용하여

I S = F S·I SK Y (W/ ㎡) (3- 18)

으로부터 계산되며, F S는 경사면의 천공에 대한 형태계수이며,

F S =1 + cos W

2(3- 19)

이다. 수직면에서는 0.5가 되고, 수평면에서는 1이 된다.

반사일사는 경사면 앞면의 지면에 입사하는 일사가 반사하는 경사면에

입사하는 것으로 생각하여,

I R = G·F G·I H OL (W/ ㎡) (3- 20)

G는 지면의 일사에 대한 반사율(알베도, albedo), F G는 경사면의 지

- 25 -

면에 대한 형태계수로서

F G = 1 - F S (3- 21)

이다. G는 흙이나 풀의 경우 0.05∼0.3 정도지만, 눈의 경우는 0.5∼0.8

로 된다.

아래 그림들은 위의 식들을 기본으로 하여 대기 투과율 P를 0.71로,

지면 반사율 G는 0.2의 값으로, 년 중 일정하게두고 위도 38°지역이

받는 일사량 분포를 컴퓨터로 계산하여 나타낸 것들이다.

그림 12 연간 일평균 일사량 분포 (수평면, 수직 남면)

그림 12는 1년간의 수평면과 수직 남면이 받는 일평균 일사량 분포를 나

타낸 것으로 수평면에 있어서는 여름철이, 수직면에 있어서는 봄, 가을철이

가장 높은 일사량 분포를 보이고 있다.

그림 13, 14에서 알 수 있는 것처럼, 수직 벽면에 있어서는 여름철보다

겨울철에 더 많은 일사량을 받고 있다. 이는 겨울철 태양고도가 낮아져

수조면과 태양 광선과의 입사각이 더 크기 때문이다.

- 26 -

그림 13 수직 남면의 하지의 일사량

그림 14 수직 남면의 동지의 일사량

그림 15 수평면, 수직 남면의 일일 최고 일사량 분포

- 27 -

그림 16는 하지의 수평면 일사량 분포를 나타낸 것으로 그림 13과

비교해 볼 때, 상당히 높은 일사량 분포를 보이고 있다. 이는 여름철

수평면이 수직면에 비해 태양 광선의 입사각도가 크기 때문이다.

그림 16 수평면의 하지의 일사량

그림 17은 그림 14와 비교할 때, 상대적으로 낮은 일사량 분포를 보

이고 있다. 이것 또한 태양 광선과 수조면과의 입사각도의 차이에 의한

분포로 볼 수 있다.

그림 17 수평면의 동지의 일사량

- 28 -

3 .2 . 계수 계산

3 .2 .1. 열전 달 계 수

1) 대류 열전달 계수

외표면의 대류 열전달 계수와 내표면의 대류 열전달 계수는 상수값을

사용하여 각각 hv o = 20 W/ ㎡℃, hv i = 10W/ ㎡℃값을 사용하였다. 그리

고 공기층의 열전달계수는 다음과 같이 계산하였다.

수력지름( D h ) 개념을 도입하여, D h = 4·AP

와 같이 계산되어지며, 여

기서 A는 덕트공간의 단면적이며, P는 둘레길이이다.

공기층의 대류 열전달 계수는 아래 그림 18과 같은 형상의 덕트공간으

로 가정하였을 때, B/ A≒∞일 때의 일반적인 열전달 계수 산출법에 의

한 것이다.

그림 18 덕트 공간의 단면

그리고, 방정식 R e = m ·D h / (A d · ) 을 이용하여 R e를 계산한 후 이

값의 범위에 따라 다음 식을 통하여 N u를 계산할 수 있다.

(1) R e ≥ 4000 의 난류일 경우

N u = 0 .0230·R e 0 .8·P r 0 .33 (3- 22)

(2) R e 2300 의 완전발달, 층류일 경우

N u = 8 .23 (균일한 열유속)

N u = 7 .54 (균일한 표면온도)

- 29 -

이렇게 계산된 값을 바탕으로 h v air는 hv air = kD h

·N u 의 식을 이용

하여 계산할 수 있다. 그리고 여기에 사용된 R e는 R ey n olds 수이며,

P r는 P randtl 수이며, N u 는 N usselt 수를 나타낸다.

2) 복사 열전달 계수

복사열전달 계수의 정의는 일반적인 스테판- 볼쯔만의 법칙에 의해 계

산된 값이다.

외표면은 커버와 천공과의 복사열 교환이므로

Q = c· ·( T c4 - T s

4 ) (3- 23)

의 기본식을 바탕으로 하여, 열평형 방정식에 나타낸 형태로 바꾸어 놓

으면, Q = h r 1( T c - T s)가 되며, 여기서 hr 1은

hr 1 = c· · ( T c2 + T s

2 )·( T c + T s ) (W/ ㎡℃) (3- 24)

이 된다. 여기서, 는 스테판- 볼쯔만 상수로

= 5 . 67 × 10 - 8 W/ ㎡ K 4이다.

위와 같은 방법에 의해 공기층에서의 복사 열전달 계수도 계산될 수

있으며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

hr 2 =·( T c

2 + T p2 )·( T c + T p )

1c

+ 1p

- 1(W/ ㎡℃) (3- 25)

이 된다. 그리고, 천공온도 T s는 다음과 같이 계산되었다.

T s = 0 . 0 55 2 × T ou t1 .5 (3- 26)

- 30 -

3) 총합 열전달 계수

계산의 편익을 더하기 위하여 위에서 계산된 열전달 계수를 하나의 총

합 열전달 계수의 형태로 바꾸어 계산하였다. 아래 식들과 같이 열전달

저항 개념을 도입하여 계산하면 다음과 같다.

R 1 = 1h r 1 + hv o

, R 2 = 1hr 12 + hr 3

, R 3 = 15

n = 4d n / k n + hv i

(3- 27)

U t = 1R 1 + R 2

, U b = 1R 3

, UL = U t + U b (3- 28)

3 .2 .2 . 유속 의 계 산

시스템의 공기 유동공간에서 질량유량은 일정하고, 집열부내의 유체의

온도와 체적 질량의 변화가 선형이라고 가정하면, 유체의 평균 속도는

베르누이 방정식으로부터 유도되며, 다음과 같다.

2gV 1

2 + P 1 + ·h 1 =2g

V 22 + P 2 + ·h 2 + P r (3- 29)

여기서, P r은 압력손실이고, P 1 , P 2는 풍압력이다. 따라서, h=0에서 대

기압은 P 0이므로, P 1 = 1 + P 0 - 0 ·h 1 , P 2 = 2 + P 0 - 0 ·h 2에서,

2gV 1

2 + 1 =2g

V 22 + 2 + r (3- 30)

자연환기의 경우, V 1 = V 2 0 이므로, 1 - 2 = r (저항압력손실) =

(구동력)이 되며, 풍압 P는 c2·g

V 2가 된다. 또한, P = ( o - i)·h

- 31 -

의 관계가 있으며, o - i

o=

T i - T o

T i, i - o

i=

T i - T o

T i의 관계가

성립하므로, 유속 V는

V = 2·g·hT ai r , ou t - T air , i n

T air , i n·C ai r (m/ s ) (3- 31)

이 된다. 여기서, C air = C 1·A ou t

A i n+ C 2 이며, A ou t, A i n는 공기층의

입구 및 출구의 단면적을 말하며, C 1 , C 2는 무차원 상수로서 각각 8

과 2이다. 그리고 g는 중력가속도이며, h는 시스템 공간의 높이를 나타

낸다.

온도차에 의해 자연 환기가 일어날 경우에 대하여 간단히 살펴보면 다음

과 같다.

그림 19 온도차에 의한 압력분포

그림 19는 온도차에 따른 실내 압력분포를 나타낸 것으로, a )는 개구부가

위에 위치한 경우이며, b )는 개부구가 위, 아래 모두 위치한 경우의 중성대

위치를 나타내는 그림이다.

내압 P + i·h , 대기압 P + o·h의 차 P = ( o - i)·h이다.

- 32 -

3 .3 . 창의 열취득

유리는 0 .3 m ∼ 2 .8 m 범위의 단파복사를 통과시키지만 온도가 낮은

표면으로부터 방출되는 장파복사는 통과시키지 않는다. 따라서 획득된

태양열은 내부의 온도상승의 원인이 된다. 그리고 일사열 취득은 투과

체인 유리의 면적에 비례한다. 따라서 유리의 열적 특성인 투과율과 반

사율에 대하여 간단히 살펴보고자 한다.

그림 202)은 입사각에 따른 유리의 투과율과 반사율에 관한 것이다.

그림 20 판유리의 투과율, 반사율의 입사각 특성

유리창은 일사의 투과율 , 반사율 , 흡수율 ,는 열적특성이 재료

에 따라 다르지만, 그 총합( + + )은 항상 1이 된다.

창으로부터의 총 취득열량 Q G는 아래의 설명과 같고, 그림 21은 취득

열량에 관한 간략한 모델을 나타내고 있다.

Q G T 와 Q GA 는 각각 투과일사 및 흡수일사에 의한 열취득이며, Q GO

2) 참고문헌 7. Page 139

- 33 -

는 창 양측의 온도차에 의한 관류열량이다. 그리고 A GS는 유리면적이

며, I D와 I d는 창면에 입사하는 직달일사와 확산일사이며, F SD W는 루

버나 차양에 의한 일영면적률이며 차양이 없으면 F SD W = 0이 된다. 그

리고 T D와 T d는 직달일사와 확산일사에 대한 총투과율이며, B D 와

B d는 직달일사 확산일사에 대한 흡수일사 취득률이다. A GO는 창의 개

구부 면적으로 유리면적 외에 새시로부터의 열취득도 포함한 것이며,

K 는 새시를 포함한 창의 열관류율이다.

그림 21 개구부(유리창)의 열취득 모델

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Q G = Q G T + Q GA + Q GO

Q G T = A GS { ( 1 - F SD W)· T D·I D + T d·I d }

Q GA = A GS { ( 1 - F SD W)· B D·I D + B d ·I d }

Q GO = A GO·K ·( T ou t -·F S·R N

O- T R ) (3- 32)

F SD W = 창유리의 일영면적창 유리면적

=A SD W

A GS(3- 33)

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제 4 장 H S S 시뮬 레 이션 결 과 및 고찰

본 Hybrid Solar Sy stem은 앞서 언급된 것과 같이 계절별, 기상조건

등에 맞게 시스템 운영이 가능한 것이나, 이번 연구에서는 겨울철 운영

에 따른 문제점 등을 분석·고찰하였다.

4 .1 공기층 간격 0 .05m 일 때의 결과

아래 그림 22는 유속의 변화에 따른 공기의 유출 온도분포를 나타낸

것으로 유속이 빨라짐에 따라 유출 공기온도는 낮아짐을 알 수 있다.

그림 22 유속에 따른 공기의 유출온도 분포

반대로 그림 23은 유속이 증가함에 따라서 취득 열량이 증가함을 알

수 있는데, 이는 온도차보다는 취득열량에 질량유량이 더 큰 영향을 미

친다는 것을 알 수 있다. 또한 공급열량에 대한 손실율이 작게 나타난

다는 것을 말해주는 것이다. 이는 공급되는 열량이 동일하다고 할 때,

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에너지 보존 법칙에 의해 질량 유량이 작게 나타나는 낮은 유속일 때,

공기의 온도차가 커지게 되기 때문이다.

그림 23 유속에 따른 공기의 취득열량 분포

그림 24에서도 공기의 취득 열량과 같은 분포를 나타냄을 알 수 있는

데, 총합 열전달 계수가 계산되는 시간동안은 동일한 조건에 의해서 온

도분포를 구하게 됨으로 공기의 취득 열량이 클수록 시스템의 취득 열

량도 증가하게 된 것이다.

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그림 24 유속에 따른 시스템의 취득 열량

그림 25는 유속의 변화에 따른 시스템의 효율을 나타낸 것으로 유속이

커질수록 효율도 조금씩 증가하는 것을 보여주고 있다. 그러나 유속이

어느 일정한도 이상일 때는 시스템의 효율을 거의 증가하지 않는 것을

알 수 있다.

그림 25 유속에 따른 시스템 효율

아래 그림 26은 시스템의 최대 효율을 나타낸 것으로 유속이 2.1 m/ s

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이상에서는 효율의 증가폭이 매우 완만하게 나타남을 보여준다.

그림 26 유속에 따른 시스템 최대 효율

4 .2 공기층 간격 0 .10m 일 때의 결과

아래 그림 27과 28은 시스템 간격이 0.05m일 때와 같은 분포를 나타

냄을 알 수 있다. 최대 유출 공기온도는 다르더라도 전체적인 거동은

일치함을 알 수 있다.

그림 27 유속에 따른 공기의 온도분포

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그림 28 유속에 따른 최대 취출 공기온도 분포

그림 29와 30은 공기 및 시스템의 취득열량을 나타낸 것으로 이 또한

그림 23과 24와 같은 분포를 보여준다. 그렇지만, 시스템 간격이 0.05m

일 때보다는 좀더 안정적인 분포를 보여주고 있다. 또한 일사량이 어느

정도 있어도 유리의 입사각도에 따른 투과율측면에서 볼 때, 겨울철 9

시경과 3시경의 일사량도 크게 시스템의 효율이나 취득열량에는 영향을

미치지 않는 것을 알 수 있다.

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그림 29 유속에 따른 공기의 취득열량

그림 30 유속에 따른 시스템의 취득열량

그림 31과 32는 시스템 효율과 관계된 그림으로 거동은 이전과 동일하

지만, 전체적인 시스템 효율을 비교해 볼 때, 상당한 상승이 이루어진

것을 알 수 있다. 살펴보면 유속이 2.1 m/ s 이상이면, 효율은 거의 증가

하지 않지만, 전체 시스템 효율을 약 40%에 달하고 있다. 이는 본 시스

템이 상당한 에너지 수급효과가 있음을 증명해주는 것이다.

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그림 31 유속에 따른 시스템 효율

그림 32 유속에 따른 시스템 최대 효율

4 .3 공기층 간격 0 .15m 일 때의 결과

그림 33과 34 또한 전체적인 거동은 대체로 일치하고 있는 것을 볼

수 있다. 그러나 공기의 유입온도가 18℃의 실내공기일 때, 전체적인 공

기 온도의 상승폭은 매우 미미하게 나타남을 알 수 있다. 이는 질량 유

량의 증가와 총합 열전달 계수의 변화에 따른 것으로 전체적인 취득 열

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량 또한 적게 나타나고 있다.

그림 33 유속에 따른 공기 온도분포

그림 34 유속에 따른 공기의 취득열량 분포

그렇지만 유속이 증가함에 따라 취득 열량은 증가하게 되고, 시스템

효율도 그림 34에서 보여지는 것과 같이 공기층의 간격이 넓어짐에 따

라 효율도 같이 상승하는 것을 알 수 있다.

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그림 35 공기층 간격에 따른 시스템 효율 분포

아래 그림 36 또한 그림 35와 같은 분포를 나타내고 있는 것을 볼 수

있으며, 시스템 간격이 넓을수록 취득열량 또한 증가한다.

그림 36 공기층 간격에 따른 시스템의 취득열량 분포

이상으로 간단히 시스템 해석 결과를 살펴보았다. 이를 간략히 정리

하면 다음과 같다.

① 시스템의 간격이 증가함에 따라 전반적인 시스템 취득열량 및 효

- 44 -

율을 증가하지만, 유출 공기의 온도는 낮아진다.

② 유속이 증가하면, 취득 열량도 증가하게 되지만, 어느 특정 유속

이상일 때는 얻어지는 취득열량에 비해, 소요되는 F an 동력과 비교

해볼 때 경제성이 없다는 것을 알 수 있다.

③ 시스템의 간격이 커지면 효율은 증가하지만, 시스템이 차지하는

유효공간의 비가 증가하게되어 건물에서의 유효공간을 줄어들게 하

므로 적정 시스템 크기 또한 고려하여야 한다.

④ 위의 그림에서 살펴본 바와 같이 유속은 2 m/ s 이상일 때는 효율

면에 있어서 크게 상승하지 않으므로 적정 유속은 2 m/ s 내외로 설

정하는 것이 좋고, 실내 기류와 쾌적도 면에 있어서도 고려되어야

할 것이다.

⑤ 전반적으로 고려해볼 때, 시스템의 간격은 0.1m 내외가 적당하며,

fan에 의한 공기의 유속은 2.0m/ s 내외로 설정하는 것이 이상적일

것이다.

제 5 장 결론

본 연구는 다목적 에너지 이용의 한 방편으로 에너지 이용의 극대화

- 45 -

는 물론 비교적 모든 건물에 손쉽게 적용이 가능하며 보급이 용이한 자

연에너지 이용시스템 개발에 목적을 둔 것으로, 본 HSS는 자연형 복합

식 태양열 시스템으로 기존의 자연형 시스템이 갖는 단점을 보완하고

이를 수정, 개선하여 시스템의 운용모드를 복합식(집열기+열교환기)으

로 한 것이며, 계절에 따라 최적의 시스템 운용이 가능하며, 냉·난방을

동시에 제공할 수 있어 시스템 사용 효율을 극대화하였다. 또한 모듈화

된 시스템 개발을 통한 건물 구조체의 일부로 이용이 가능하며, 재건축

에 있어서도 기존 건물 구조의 변경이 없이 설치가 가능하도록 한 것이

다.

그럼 위의 연구 배경을 바탕으로 지금까지 진행된 연구 결과를 간략히

요약하면 다음과 같다.

① 시스템의 성능과 최적화 설계 및 응용효과 등을 분석할 수

있는 컴퓨터 프로그램을 개발하였다.

② 유체의 온도차와 실온상승효과 그리고 총 취득 열량에 따른

최적의 풍속은 2.5 m/ s이하이며, 이는 소요되는 Fan 동력에 비

해 얻어지는 효과가 미미하기 때문이며, 실내 기류 분포를 적

절한 수준을 유지하여 쾌적감을 주기 위함이다.

③ 집열판과 커버와의 간격이 좁을수록, 그리고 공기의 유속이

작을수록 공기의 유출 온도는 상승하지만, 효율 면에서는 떨어

지게 된다. 그러나, 시스템의 유효공간의 차지 비율에 의해 적

정수준인 0.1m가 좋을 것으로 예상된다.

④ 이 시스템을 건물에 응용할 때, 겨울철 외피부하는 충분히

감당할 수 있을 것으로 예측된다.

⑤ 일사가 없는 겨울철 주간에는 심야전력과 열교환 시스템을

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결합하여 시스템 운영이 가능하다.

⑥ 여름철 지하수 이용을 통한 냉방 시스템의 운용이 가능하다.

아직 본 연구는 실증 실험이 배제된, 일부의 이론 분석 결과에 지나

지 않으며, 겨울철 운용모드만을 해석한 것에 불과하다. 따라서 앞으로

이 시스템의 특성에 맞는 적용 분야와 그 운용 모델의 연구가 계속 이

루어질 것이며, 이 연구에서 다루지 못한 여름철의 냉방 에너지 수급효

과에 관한 분석 및 심야전력과 연관된 일사가 없는 겨울철에 대한 이론

분석 또한 이루어질 것이다.

그리고, T RNSYS IISIBAT 을 이용하여 개발된 프로그램과 상용 프로

그램과의 비교·분석을 통해, 개발된 프로그램을 검증하고, 보다 정확하

고 보편적으로 이용 가능한 프로그램으로 개선하여야 할 것이다.

또한, 다양한 실증 실험을 거쳐 우리의 기후조건에 맞는 시스템의 설

계 및 보급을 위한 상세 설계도면이 마련될 수 있도록 지속적인 연구가

이루어져야 할 것이다. 그리고 연간 기상자료를 바탕으로 기상조건에

따라 시스템을 운용하여 시스템의 연간 에너지 절약 효과 및 그 경제성

분석도 병행되어야 할 것이다.

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