태양열을 이용한 공기가열 집열기의 부력효과 해석 연구

Study on Analysis of Buoyancy Effect in Air-heating Collector using Solar Heat

Abstract

The renewable energy is known as eco-friendly energy to reduce the use of fossil fuel and decrease the environmental pollution due to exhaust gas. Targets of solar collector in domestic are usually acquisitions of hot water and hot air. System of air-heating collector is one of the technologies for obtaining hot air in cases of especially heating room and drying agricultural product. The purpose of this study is to investigate the characteristics of thermal flow such as relative pressure, velocity, outlet temperature and buoyancy effect in air-heating collector using solar heat. The flow field of air-heating collector was simulated using ANSYS-CFX program and the behaviour of hot air was evaluated with SST turbulence model. As the results, The streamline in air-heating collector showed several circular shapes in case of condition of buoyancy. Temperature difference in cross section of outlet of air-heating collector did not almost show in cases of buoyancy and small inlet velocity. Furthermore merit of air-heating collector was not observed in cases of inlet velocities. Even though it was useful to select condition of buoyancy for obtaining high temperature, however, it was confirmed that the trade off between high temperature of room and rapid injection of hot air to room could be needed through this numerical analysis.

1. 서론

현재 신재생에너지의 이용은 화석연료 사용으로 인한 지구온난화 및 환경오염 문제 등에 의해 세계적으로 점차 확대해 나가야 하는 추세에 있다. 신재생에너지원의 하나인 가정용 태양열 시스템은 대부분 온수와 가열공기를 만드는 기술이다. 태양열 시스템은 태양에너지를 직접 열에너지로 변환 시켜 공급하기 때문에 에너지변화에 따른 손실이 적고 집열효율이 우수하다. 태양열 시스템을 이용한 온수에 관한 연구로서, Sohn[1]은 태양열 온수 시스템에 대해 지역별 기상조건과 급수온도에 따른 태양열 온수 시스템의 성능을 태양열 의존율과 시스템의 집열기 효율, 최적 경사각의 관점에서 6 개 도시를 정량적으로 비교⋅분석하였다. 또한 Lim et al.[2]은 해석 도구로 TRNSYS17을 사용하여 중⋅대규모 공동주택에 적용된 PV/T 태양열 온수 시스템의 동적거동과 에너지 성능을 분석하였다. 태양열 시스템을 이용한 가열공기에 관한 연구로서, Kim et al.[3]은 국제 또는 국내에서 공기식 태양열 집열기를 활발하게 연구를 진행하고 있지만 아직 국내에 국제 공기식 태양열 집열기 성능평가 기준 ISO9806에 맞는 성능평가 장치가 없어 이에 맞는 ISO9806 성능평가 장치를 제작하여 성능평가를 수행하였다. Ahn et al.[4]은 공간 난방, 농산물의 건조 등에 사용될 수 있는 태양열 공기가열기(SAH: solar air heater) 장치의 성능을 향상시키기 위해 T자형을 개량한 Y자형 장애물 등을 새롭게 제안하였다. 이를 위해 ANSYS-CFX 의 3차원 RANS 방정식을 이용하여 분석 및 성능 평가를 수행하였다. 태양열 집열기의 집열효율에 관한 연구로서 집속형 복합패널의 집열효율과 집 열량[5] 및 태양열 집열기 효율곡선[6] 등에 관한 연구가 수행되어졌다. 공기는 액체보다 열전달 특성[7]이 좋지 않기 때문에 태양열 공기가열기 장치 설계 시 이를 고려해야 한다. 공기의 부력에 관한 연구로서 Pak et al.[8]은 실내로 유입되는 온기와 실내 공기 사이의 온도차 및 유입속도에 따라 발생되는 부력의 영향에 관해 조사하였다. 태양열을 이용한 집열기의 부력에 관한 연구는 그 리 많지 않다.

본 연구의 목적은 수치해석을 통해 태양열을 이용한 공기가열 집열기의 열유동 특성 및 부력효과의 파악에 있다. 이를 위해 태양열 흡수판을 열원으로 설정하여 공기가열 집열기 유동장의 상대 압력, 유속 및 출구온도 등을 통해 부력효과를 조 사하였다.

2. 모델링 및 수치해석 방법

이전의 실험적 연구[9]인 태양열을 이용한 무동력 냉난방 겸용장치의 작동원리 중에 본 연구와 관련된 부분의 작동원리를 간략히 설명하고자 한다. Fig. 1에 동절기에 유로의 개폐를 통해 실내를 난방하는 형상을 나타내었다[9]. 여기서 본 연구 대상의 공기가열 집열기(또는 태양열 집열기로 칭함)는 자체 고안한 장치로서 주택 또는 농축산 시설물 등과 같은 벽면에 설치될 수 있다. 냉원 저장조에서의 유입공기와 공기가열 집열기로부터 가열되어진 공기가 외부로 빠져나가는 통로를 차단함에 의해 가열된 공기가 실내로 유입된다. 유입된 공기는 실내 천장에서 바닥으로 순환하며 점진적으로 실내 공기 전체를 가열하는 원리이다.

Fig. 1 Principle of air-heating collector in case of winter

공기가열 집열기를 설치한 실험체를 Fig. 2에 나타내었다[9]. 공기가열 집열기의 설치 유무에 따른 비교를 위하여 좌측은 설치, 우측은 설치하지 않은 모습을 나타내고 있다.

Fig. 2 Experimental object

Fig. 3에 본 해석 대상인 공기가열 집열기를 나타내었다[9]. 그림에서 좌측은 공기가열 집열기(ADSH) 및 우측은 공기가열 집열기 내의 태양열 흡수판을 나타낸 것이다. 공기가열 집열기의 핵심 부분인 태양열 흡수판은 알루미늄(Al) 또는 동(Cu) 재질 등이 사용된다. 실험에서 태양열 흡수판은 많은 태양열 흡수를 위해 흑크롬 도금이 되어 있으며 표면적을 늘리기 위해 높이 65mm, 두께 5mm의 직선형 휜(straight fin)으로 되어 있다. 태양열 흡수판은 투명유리로 덮여있어 온실 효과 에 의해 가열되어진 공기는 부력에 의해 상부로 이동하게 된다.

Fig. 3 AHC and absorption plate

Fig. 4는 Fig. 3의 공기가열 집열기에 대한 모델링 및 메쉬를 나타낸 것이다. 가능한 실제 공기 가열 집열기와 동일하게 하고자 하였다. Fig. 4의 모델링에서 알 수 있는 바와 같이, 입구(Inlet)에서 공기가 유입되며 초기 유입온도는 25℃ 및 4개의 유입속도 조건을 갖는다. Fig. 3의 우측 그림과 같이 높이 65mm, 두께 5mm의 총 45개의 휜을 모델링하는 것이 용이하지 않았기 때문에 1/5로 근사화하여 휜 9개만 설정하였다. 공기가열 집열 기 내부의 초기온도는 25℃, 초기압력 1atm 및 부력 설정과 함께 중력가속도 g가 작용하는 것으 로 하였다. 그림에서 태양열 흡수판(직선형 휜)을 열원(heat source)로 설정하여 온도변화를 주었을 때 공기가열 집열기 내부의 열유동 현상을 관찰하고자 하였다. Fig. 4의 메쉬에서 격자는 사면체 (tetrahedron), 노드(node) 수는 약 12만개, 엘리 먼트(element) 수는 약 53만개이며 난류모델은 역압력구배로 인한 유동 박리 현상 예측에 많이 쓰이는 SST(shear stress transport) 모델을 적용하였다. 본 해석을 위해 ANSYS-CFX를 사용하였다.

Fig. 4 Modeling and mesh of AHC

해석조건을 Table 1에 나타내었다. 공기가열 집열기의 유입속도는 0, 0.01, 0.1, 0.3m/s이다. 이전 실험 연구[9]에서 측정한 최대속도가 약 1.5m/s인 것으로부터 Fig. 4에서 휜의 개수를 1/5 로 근사화하였기 때문에 유입속도도 1/5로 근사화한 0.3m/s로 정하였다. 여기서 유입속도 0m/s는 부력만 존재하는 경우이고, 0.01m/s는 미세속도 시의 열유동 현상을 관측할 수 있을 것으로 판단하여 설정하였다. 이전 실험 연구[9]에서 입구 통로 중간의 공간에서 측정한 공기가열 집열기 내의 최대온도가 약 50℃이였기 때문에 10℃의 손실을 가정하여 열원(태양열 흡수판)의 온도를 60℃로 설정하였으며 이를 기준으로 30℃ 간격으로 배치하였다. 즉 30, 60℃는 실제 실험값이며 90, 120℃ 는 더 높은 온도 경우의 현상을 관측해보고자 설 정하였다.

Table 1. Analysis conditions

3. 해석결과 및 고찰

Fig. 5에 열원온도 및 유입속도에 따른 공기가 열 집열기 내 상대압력 분포의 예를 나타내었다. 상대압력은 초기 설정한 1atm에 대한 압력차를 의미한다. Fig. 5(a)는 유입속도 0m/s 즉 부력만 이 작용하는 경우이고 Fig. 5(b)는 본 유입속도 조건에서 최대속도 0.3m/s인 경우이다. Fig. 5(a) 에서 열원의 온도차가 있음에도 불구하고 압력분 포 차이는 거의 관측되지 않는다. 이것은 유동이 열원에 의한 부력만에 기인하므로 부력만에 의한 유동의 압력차가 크지 않기 때문인 것으로 예상된다. 그러나 Fig. 5(b)와 같이 유입속도가 0.3m/s인 경우에는 열원에 의한 압력분포 차이가 관측된다. 즉 열원의 온도가 30∼90℃ 사이는 열원온도 증 가에 따른 압력분포 차이가 명확히 관측되나 90∼ 120℃ 사이에는 외견상 비슷한 양상을 보인다. 이것은 초기 내부온도를 25℃로 설정하였기 때문에 30℃ 열원의 온도는 부력에 큰 영향을 끼치지 못하며 또한 유입속도가 0.3m/s로서 비교적 높은 유속이기 때문에 부력의 효과가 나타나지 못하는 주원인일 것으로 판단된다. 열원의 온도 60∼120℃ 의 경우 열원인 태양열 흡수판 직후 바닥부분의 (그림에서 우측) 흐름에서 원형 형태 와류(vortex)의 저압 부분이 관측된다. 열원의 온도가 증가할수록 와류가 태양열 흡수판 쪽으로 이동하고 있는 것은 열원의 온도 증가에 따른 와류강도 증가에 기인하는 것으로 판단된다.

Fig. 5 Examples of relative pressure distribution according to temperature of heat source and inlet velocity

Fig. 6에 열원온도 및 유입속도에 따른 유속 분포의 예를 나타내었다. Fig. 6(a)는 유입속도 0m/s 즉 부력만 존재하는 경우로서 유속의 세기와 유선 (streamline)을 겹쳐 나타내었다. Fig. 6(b)는 유입 속도 0.3m/s로서 상부 그림은 유속의 세기, 아래 그림은 유선을 각각 나타내었다. Fig. 6(a)에서 열원의 온도에 따른 부력의 영향이 관측된다. 그림에서 본 연구대상 형태의 공기가열 집열기의 내부는 부력만 존재할 경우 유선은 여러 개의 원형 형태를 나타내며, 내부 온도가 초기 설정온도와 비슷한 30℃의 경우를 제외하면 열원의 온도 증가에 따라 원형 형태의 유선 수도 증가하는 것을 확 인할 수 있다. 여기서는 부력만 작용하는 경우, 유선 형태의 확인에 의미가 있는 것으로 예상된다. Fig. 6(b)의 상부 그림에서, 유입속도가 존재하는 경우 유입속도가 큰 흐름(main stream)은 열원의 온도가 증가할수록 유입구 부분에서 내부의 바닥 부분으로 조금씩 이동하는 것을 알 수 있다. 이것은 본 공기가열 집열기의 구조상 열원이 증가함에 따라 열원(태양열 흡수판)과 접하는 유체 쪽의 온도가 증가하고 이는 접하는 유체 쪽의 유동을 가속시키며 이것은 다시 내부의 바닥 부분에 서 와류강도를 증가시키는 역할을 하는 것으로 판단된다. Fig. 6(b)의 하부 그림에서 유선의 형태를 확인할 수 있다.

Fig. 6 Examples of velocity distribution according to temperature of heat source and inlet velocity

모든 유입속도 및 열원 온도에 따른 최대속도를 Fig. 7에 나타내었다. 그래프 내 수평점선은 각각 조건에서의 유입속도를 나타낸 것이다. 유동장 내 최대속도는 모든 조건에서 점선의 유입속도 보다 크다. 또한 유입속도가 증가함에 따라 최대 속도도 증가하는 것이 관측된다. 특히 열원의 온도가 높을수록 최대속도도 증가한다. 이것은 Fig. 6에서와 같이 열원의 온도가 높을수록 공기가열 집열기 내부 바닥 부분에서의 와류강도 증가에 기인하는 것으로 예상된다.

Fig. 7 Maximum velocity according to all inlet velocity and temperature of heat source

Fig. 8은 유입속도 및 열원 온도에 따른 난류운 동에너지(turbulence kinetic energy)를 나타낸 것이다. 난류운동에너지는 와류강도와 밀접한 관계가 있는 것으로 알려져 있다. 그래프의 괄호 수치는 해당 난류운동에너지의 오더를 나타내었다. 유입속도가 증가함에 따라 당연히 난류운동에너지도 증가하는 것이 관측된다. 부력의 영향이 존재하는 유입속도 0m/s일 때 열원의 온도증가에 따라 미소하지만 난류운동에너지도 증가한다. 그러나 부력에 의한 난류운동에너지는 거의 무시할 정도로 작은 것을 확인할 수 있다. 유입속도 0.01 및 0.1m/s일 때 열원의 온도가 증가함에 따라 난류운동에너지도 점진적으로 증가한다. 그러나 0.3m/s일 때는 열원의 온도 증가에 따라 난류운동에너지의 감소가 관측된다. 이 결과로부터 본 공기가열 집열기의 조건에서 난류운동에너지는 유속의 증가에 비례하지만 열원온도의 증가에 항상 비례하는 것은 아니라는 것을 확인할 수 있다. 부력 조건을 제외한 즉 유입속도가 있는 경우만 고찰하면, 유입속도가 증가할수록 열원의 온도가 증가함에 따라 난류운동에너지는 점진적으로 감소한다. 이것은 난류의 상태에 의존하는 와확산계수(ν_t, eddy diffusivity)의 구성요소인 난류운동의 속도 스케일과 길이 스케일의 곱에서 열원온도의 증가에 의해 속도스케일의 증가보다 길이스케일의 감소가 더 크기 때문인 것으로 예측된다. 본 결과로부터 와류강도에 대한 온도의 영향을 예상할 수 있다.

Fig. 8 Turbulence kinetic energy according to inlet velocity and temperature of heat source

난방용 공기가열 집열기에서 가장 중요한 것은 최종적으로 취득한 집열기 내부 온도이다. Fig. 9 는 유입속도 및 열원온도에 따른 온도분포의 예를 나타낸 것이다. Fig. 9(a)의 유입속도 0m/s(부력) 의 경우는 태양열 흡수판 근처의 영역만 높은 온도를 보이며 흡수판 이후 영역에서의 온도 차이는 구별하기 힘들다. Fig. 9(b)의 유입속도 0.3m/s의 경우는 열원의 온도가 증가함에 따라 와류가 형성되는 부분에 높은 온도가 집중되어 있다. 또한 집 열기 내부 바닥 부분에 길게 높은 온도 영역이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 9 Examples of temperature distribution according to inlet velocity and temperature of heat source

Fig. 10에 유입속도 및 열원온도에 따른 공기가 열 집열기 출구의 온도분포를 나타내었다. 그래프에서 Left, Middle 및 Right는 Fig. 9의 출구의 좌측, 중앙, 우측을 나타낸다. Fig. 10(c) 및 Fig. 10(d)인 유속 0.1 및 0.3m/s 조건에서 우측 (Right)의 온도가 상승하고 있음을 알 수 있으며 이것은 Fig. 9(b)의 결과와 일치한다. 그러나 부력만 존재하는 경우 Fig. 10(a)와 미세속도의 경우 Fig. 10(b)는 출구 단면의 온도차는 거의 없는 것 을 확인할 수 있다. 또한 모든 조건에서 열원의 온도가 증가하면 출구의 온도도 증가하지만 유입 유속이 증가할수록 열원 온도 증가의 영향은 관측되지 않는다. 즉 공기가열 집열기에서 유입속도를 증가시키면 집열효과가 사라지는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 10 Temperature distribution of outlet according to inlet velocity and temperature of heat source

Fig. 11은 유입속도 및 열원온도에 따른 출구의 평균온도(Fig. 10의 평균값)를 나타낸 것이다. 그래프를 고찰하면 부력만 존재할 때의 출구온도가 가장 높다. 부력의 경우 열원의 온도가 30℃일 때 출구의 평균온도는 28.7℃, 열원의 온도 60℃일 때 출구 49.6℃, 열원의 온도 90℃일 때 출구 67.5℃, 열원의 온도 120℃일 때 출구 85.0℃의 평균온도를 각각 나타내었다. 전체적으로 보면 유입속도가 증가할수록 출구의 평균온도는 감소한다. 이것은 유속의 증가가 유동장 내 온도를 냉각시키기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 출구의 온도 증가 측면에서는 공기가열 집열기 입구에 유속을 가하지 않고 부력만 사용하는 것이 효과적임을 알 수 있다. 그러나 가열된 공기를 실내로 원활하고 빠르게 유입시키기 위해서는 어느 정도의 강제 유속이 필요할 것으로 예상된다. 따라서 본 해석 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 실내의 공 기온도 상승과 신속한 실내의 공기주입 사이에 적절한 관계(trade off)가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 11 Mean temperature of outlet according to inlet velocity and temperature of heat source

4. 결론

본 연구에서는 태양열을 이용한 공기가열 집열기의 부력효과에 관한 연구를 수행하였다.

그 결과 태양열 공기가열 집열기의 유동장은 부력만 존재할 경우 유선은 여러 개의 원형 형태를 나타내었다. 유동장 내 난류운동에너지는 유속의 증가에 비례하지만 열원온도의 증가에는 항상 비례하지는 않았다. 공기가열 집열기의 출구 온도 는 부력 및 미세 유입속도의 경우 출구 단면의 온도차는 거의 없었으며 유입속도를 증가시키면 집 열효과가 관측되지 않았다. 출구의 온도 증가 측면에서 공기가열 집열기 입구에 강제 유속을 가하지 않고 부력만 사용하는 것이 효과적이나 실내의 공기온도 상승과 신속한 실내의 공기주입 사이에 적절한 관계가 필요하다. 또한 본 해석 조건 중 취득 가능한 최대 공기의 가열온도는 부력 조건 및 열원 온도 120℃일 때 공기가열 집열기의 출 구 평균온도는 85.0℃를 나타내었다.

후기

본 연구에 사용된 관련 자료는 (주)GSE에서 제공하였으며 이에 감사드립니다.