모세유관 적용 외피부착형 태양열 집열기의 시뮬레이션 모델 개발 (Simulation Model Development for an Wall Attached Solar Collector Integrated with Capillary Tubes)

서지정보

· 발행기관 : 대한설비공학회
· 수록지 정보 : 설비공학 논문집 / 37권 / 1호 / 13 ~ 21페이지
· 저자명 : 이태하, 이상하, 장휴산, 김찬규, 백승효, 여명석

초록

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.

영어초록

Traditional building-integrated solar thermal systems (BIST) often face challenges such as high costs, design constraints, and glare, which limit their widespread adoption. To address these issues, this study proposes a novel building-integrated solar thermal system called the Black Wall (BW), which enhances energy efficiency by utilizing capillary tubes without glass covers. Since existing energy simulation programs, such as EnergyPlus and TRNSYS, do not offer models suitable for analyzing the BW system, it was necessary to develop a refined model. A mathematical model, based on RC networks and the fin method, was created to simulate the thermal performance of the BW system. The simulation model was validated by comparing its results with experimental data collected from a test installation. The validation results showed a normalized root mean square error (nRMSE) of 11%, indicating a high level of accuracy in the simulation model. The BW system achieved approximately 40% heat gain efficiency, comparable to GLST systems, while offering advantages in design flexibility and ease of installation. This research demonstrates the potential of the BW system as a viable solar thermal collector, with future studies focusing on its integration with heating systems.

참고자료

· 없음