* 자료 : 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 이홍원

외기온도가 낮아지는 계절에는 에너지 집열기의 효율과 용량이 급격히 저하된다. 이에 따라 공급 에너지량도 감소되어 에너지 집열기로 기능을 충분히 발휘하지 못한다. 이러한 문제에 대한 대책으로 종래의 에너지 집열기에 열펌프를 적용시키고 시스템의 구성을 최적화시킴으로써 에너지 집열기의 효율과 용량을 향상시킬 수 있다.

본 내용에서는 외기온도 저하에 따른 문제점을 개선함으로써 태양열 이용의 확대와 에너지 시스템 실용성의 향상을 도모하는 ‘열펌프를 이용한 에너지 시스템’에 대해 기술한다.   <편집자 주>

1. 개요

에너지 집열기는 일조량이 적은 흐린 날씨나 외기온도가 낮아지는 계절에는 효율과 용량이 급격히 저하된다. 이에 따라 공급 에너지량도 감소되어 에너지 집열기로 기능을 충분히 발휘하지 못한다.

이러한 문제에 대한 개선방법으로, 종래의 에너지 집열기에 열펌프(heat pump)를 적용시키고 시스템의 구성을 최적화시킴으로써 에너지 집열기의 효율과 용량을 향상시킬 수 있다.

2. 연구의 내용

가. 배경

일반적으로 급탕이나 건물 난방을 위해 에너지 집열기를 온수시스템에 연결하여 사용한다. 에너지 집열기에는 태양열 공기집열기(solar air collector), 태양열 온수집열기(solar water collector) 및 이들의 결합된 방식 등이 있다.

지구의 북반부에서는 태양열 복사(solar radiation)와 외기온도가 높은 하절기에 에너지 집열기의 효율이 가장 높다. 이 시기에는 건물 난방에 필요한 에너지량은 매우 적거나 필요가 없다.

대부분의 에너지 집열기는 태양열 복사가 약하고 외기온도가 낮을 경우에는 집열기의 효율은 낮아진다. 특히 외기온도가 낮을 경우에는 온수 생산이나 건물 난방에 필요한 에너지량은 증가하지만 에너지 집열기의 능력은 오히려 감소하는 문제가 있다.

이러한 문제를 개선시킨 열에너지를 흡수하는 시스템을 제공하기 위한 이 시스템은 에너지 집열기, 에너지 저장조 그리고 에너지 집열기와 에너지 저장조 사이를 순환하는 에너지 집열매체(energy collection medium)로 구성된다. 또한 이 시스템에는 열펌프를 적용한다. 열펌프는 비교적 작은 용량으로 설치하고 태양열 복사로부터 다량의 열에너지를 흡수한다.

나. 원리

에너지 저장조에는 가정용 온수 저장조, 건물난방용 온수 저장조, 그리고 가정용 온수와 건물난방용 온수가 결합된 저장조가 있다. 후자의 경우, 저장조는 서로 다른 용도의 온수가 섞이지 않게 2개의 분리 저장조로 격리시킨다.

에너지 집열기에는 에너지 집열매체가 에너지 집열기와 에너지 저장조 사이를 순환할 수 있도록 입구(inlet)와 출구(outlet)를 설치한다. 에너지 저장조와 열이 교환되는 폐쇄 루프(closed loop)가 만들어지도록 에너지 집열기의 입구와 출구는 관(pipes)으로 연결된다. 다른 구성 방법으로서, 에너지 저장조가 루프의 일부가 될 수 있다. 그러나 이 경우는 건물 난방용 온수가 에너지 저장조로부터 분기(tapped)되므로 폐쇄된 루프는 아니다.

에너지 저장조의 크기는 열에너지 사용량에 따라 달라진다. 소형 에너지 저장조는 10~20ℓ, 중간 크기의 에너지 저장조는 20~100ℓ, 그리고 대형 에너지 저장조는 100ℓ   이상의 용량을 갖는다. 에너지 저장조의 용량에 있어서, 에너지 집열기와 에너지 저장조를 연결하는 관(pipes)의 용량이 에너지 저장조의 용량에 포함되기도 한다. 예를 들면 10~20ℓ의 용량의 관이 에너지 저장조의 일부가 된다.

에너지 집열기는 태양열 공기 집열기, 태양열 온수 집열기, 또는 이들의 조합이다. 태양열 공기 집열기는 태양열에 의해 이곳을 순환하는 공기를 가열하는 방식이고, 태양열 온수 집열기는 태양열에 의해 순환하는 물이나 다른 액체 상태의 매체를 가열하는 방식이다. 이 발명에서는 판(plates) 사이에 들어 있는 공기나 물을 가열시키는 일반적인 태양열 집열기를 사용한다. 또한 진공 태양열 집열기 또는 관(pipes)이 함께 구성된 오목거울(concave mirror)을 사용하기도 한다.

에너지 집열기는 태양열 흡수를 촉진하기 위해 흡수기(absorber)를 포함한다. 흡수기는 입사되는 태양 복사광에 의해 전기를 만드는 태양광 패널(photovoltaic panel)을 포함한다. 태양광 패널은 열펌프에 전력을 공급하기 위해 열펌프와 연결된다.

에너지 집열매체는 에너지 집열기 선택에 따라 공기나 액체 상태의 매체가 된다. 또는 공기와 액체 매체의 조합도 사용된다. 공기가 에너지 집열매체로 선택된 경우, 실외 공기를 에너지 집열기 내로 순환시킨 후 에너지 저장조로 순환시킨다. 이에 대해 집열매체로 실내 공기를 사용하는 경우도 있다.

에너지 집열매체로 물과 같은 액체 상태의 매체를 사용할 경우에는 여기에 부동액(anti-freeze solution)을 첨가하여 에너지 집열기의 손상을 예방해야 한다. 적합한 부동액으로는 글리콜(glycol)이 있다.

태양열 온수 집열기 형태의 에너지 집열기에서 물이나 다른 적합한 액체 매체가 에너지 집열매체로 사용된다. 에너지 저장조와 에너지 집열기 사이의 물은 순환하면서 에너지 집열기에 입사되는 태양 복사열, 그리고 에너지 집열매체인 물과 에너지 집열기 간의 온도차에 의해 가열된다. 가열된 물은 에너지 저장조로 순환되어 저장조 내 물의 온도를 상승시킨다.

실시방법에 있어서 에너지 집열매체로 공기와 물, 2가지를 결합시킬 수 있다. 또한 대체 방법으로 태양열 공기집열기와 태양열 온수 집열기로의 2개의 분리된 에너지 집열기를 적용한다. 여기서는 에너지 수요에 따라 2개의 에너지 집열매체와 또는 2개의 에너지 집열기를 서로 전환시켜 작동시킨다.

열펌프는 제1열교환기로부터 제2열교환기로 열에너지를 수송하기 위해 적용된다. 이러한 에너지 수송에 의해 제2열교환기의 온도는 올라가는 반면에 제1열교환기의 온도는 내려간다. 열펌프 내의 2개의 열교환기 중 적어도 1개는 열펌프와 에너지 저장조 사이에서 열에너지를 교환하도록 배치한다.

다. 구성방법

구성방법의 예로 에너지 저장조로부터 열에너지를 흡수하도록 제1열교환기를 배치하고, 에너지 저장조로 열에너지를 공급하기 위해 제2열교환기를 설치한다. 이에 따라 에너지 저장조의 상부 수위의 물은 온도가 올라가고 하부 수위의 물은 온도가 내려간다.

일반적으로 에너지 저장조 내에 제1열교환기를 제2열교환기 밑에 수직으로 배치하여 에너지 저장조 내에서의 자연적인 온도차를 확대시킨다.

시스템 구성에 있어서 에너지 저장조 안의 물과 에너지 집열매체를 분리시키기 위해 에너지 집열기는 제3의 열교환기를 통해 에너지 저장조와 연결된다. 따라서 에너지 집열매체는 가정용 온수나 건물난방용 온수와 혼합되지 않으며 폐쇄된 루프 내에서 순환된다.

또한 시스템에 에너지 저장조 1개를 추가로 구성한다. 에너지 저장조로부터 열에너지를 흡수하기 위해 제1열교환기가 배치되고, 열에너지를 추가된 저장조로 공급하기 위해 제2열교환기가 설치된다. 추가된 저장조를 가열하는 동안, 열펌프는 에너지 저장조를 냉각시킨다. 따라서 에너지 집열매체도 냉각되어 에너지 집열기의 효율이 향상된다.

또 다른 구성으로 에너지 집열매체가 에너지 집열기로 가기 전에 에너지 집열매체로부터 열을 흡수하도록 제1열교환기를 배치하고, 열에너지를 에너지 저장조로 공급하는 제2열교환기를 배치한다. 제1열교환기는 에너지 집열매체로부터 열에너지를 흡수하여 매체를 냉각시키고 이에 따라 에너지 집열기의 성능이 향상된다. 그리고 제2열교환기에 의해 열에너지를 공급받은 저장조는 가열된다.

제2, 제3열교환기를 에너지 저장조에 배치하는 데에 있어서, 대체적으로 제2열교환기를 제3열교환기 위쪽에 배치한다. 이에 따라 에너지 저장조 내에는 자연적으로 온도차가 확대된다.

에너지 집열매체가 에너지 집열기를 순환할 때 너무 차가워지면 에너지 집열기 내에 응축(condensation) 현상이 발생한다. 이것을 방지하기 위해 시스템에 히터(heater)를 배치하여 에너지 집열기에 도달하기 전에 에너지 집열매체를 가열한다. 히터는 방열기(radiator) 또는 태양열 공기집열기 등을 사용한다.

또한 시스템은 1차, 2차 열에너지 교환이 독립적으로 제어되는 방식으로 에너지 집열기와 에너지 저장조 간의 1차 열에너지 교환, 그리고 열펌프와의 2차 열에너지 교환을 제어하기 위한 제어시스템을 구성한다. 이와 같은 독립제어 방식으로 에너지 집열매체는 열에너지를 일정하게 흡수하는 한편 필요한 경우에만 열펌프를 작동시킨다.

열펌프는 제1열교환기와 제2열교환기 사이에 냉매가 순환하는 회로와 냉매의 압축과 팽창을 위한 냉각장치로 구성된다. 열펌프는 스털링(stirling)이나 스크롤(scroll)과 같은 다른 냉동방식도 적용된다. 열펌프는 이산화탄소, 헬륨, 알곤과 같은 가스나 공기로도 작동된다.

열펌프에는 1개 이상의 펠티에 소자(peltier elements)를 대체시키거나 추가할 수 있다. 펠티에 소자는 높은 온도차에서는 효율이 낮기 때문에 운전하는 동안, 제1열교환기와 제2열교환기 사이의 온도차가 비교적 작은 경우에 적용하는 것이 적합하다. 펠티에 소자는 최대 용량에서 동작하면 효율이 낮기 때문에 다수의 소자를 적용하여 중간용량 수준에서 동작시키는 것이 유리하다.

펠티에 소자를 열펌프의 압축기와 결합시키면 열교환기 사이의 온도차에 따라 2방식의 장점을 활용할 수 있는 장점이 있다. 즉, 열교환기 간 온도차가 작은 경우에는 펠티에 소자로 운전한다. 그 예로서 열펌프의 고온 측과 저온 측의 온도차가 10℃ 이상으로 크면 열펌프의 압축기로 운전한다. 펠티에 소자는 운전소음이 낮다.

3. 효과

본 연구에 의하면 열펌프가 적용된 태양열 에너지 시스템은 일조량 감소와 외기온도 저하에 따른 시스템의 용량과 효율저하를 개선할 수 있다.

또한 이러한 개선효과에 의해 태양열을 이용한 에너지 시스템의 실용성이 향상되고 이에 따라 태양열 이용이 확대될 수 있다.