공동주택에서 태양열 집열기의 실험적 연구 :An experimental study on solar collector in apartsment housing

최병도

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자료유형: 학위논문

저자정보: 최병도 (중앙대학교, 中央大學校大學院)

지도교수: 박진철

발행연도: 2013

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이용수11

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2013

공동주택에서 태양열 집열기의 실험적 연구

최병도 건축공학과 2013.01 학위논문

2012

태양열 집열기 성능실험을 통한 공동주택 효율적 설치방안 연구

최병도 , 김미연 , 박진철 주택도시연구 2012.06 학술저널

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전세계적으로 에너지 수급에 대한 문제가 대두되고 있는 가운데 우리나라는 에너지 다소비국가로 분류되어지고 있다. 이와 같은 상황에서 총 에너지 사용량의 96%를 해외에 의존하고 있어 에너지 절감에 대한 대책이 시급한 상황이다. 정부에서는 2008년 8월에 제1차 국가기본 녹색성장을 선포함과 동시에 신재생계획을 수립하였고 2010년에는 ‘저탄소 녹색성장’을 새로운 국가 발전의 패러다임으로 제시하였고. 에너지 저감 및 온실가스 감축 목표를 달성하기 위해서 2030년까지 제로에너지하우스를 의무화하고 신재생에너지의 보급을 확대하고 있다. 신재생에너지 중 비교적 공동주택에 쉽게 적용할 수 있는 태양열 시스템은 태양복사에너지를 이용하여 온수를 생산하는 시스템으로 온수 사용량이 많은 공동주택에 적용 시 매우 효과적인 재생에너지로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 공동주택에서의 태양열 집열기를 대상으로 Mock-up 실험을 통하여 집열기 성능을 확인하였고, 또한 이 성능결과를 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 공동주택의 적용방안을 제시하였다. 본 연구는 공동주택의 신재생에너지 보급의 기초적 자료를 제시하고자 했다. 우선 태양열
핵심어 : 신재생에너지, 공동주택, 태양열 집열기(평판형, 진공관형), Mock-up 실험, 컴퓨터 시뮬레이션,
집열기를 효율적으로 설치하기 위해서는 건축적 요소와 설비적 요소가 통합적으로 계획, 설계되어야 한다. 태양열 집열기의 건축적 고려요소로는 건물의 향, 주동형태, 규모, 주변지형지물 및 다른 건물과의 음영 분석 등이 고려되어야 하며, 설비적 요소로는 집열기 종류, 설치면적, 설치위치, 설치각도가 고려되어야 한다. 또한, 추가적으로 유지보수가 쉽도록 시스템과 배관을 단순화해야 한다.
Mock-up 실험결과 평판형 집열기 결과에서는 일체형 평판형이 일반형에 비해 우수하고 진공관형 집열기 결과에서는 단일진공관 집열기가 이중진공관 집열기에 비해 우수한 성능을 보였다. 또한 형태가 다른 평판형(일체형)과 단일진공관의 비교에서는 외기온도가 높았을때는 평판형(일체형)이 우수하고 이와 반대로 외기온도가 낮을 경우에는 단일진공관 집열기가 우수했다.
태양열 집열기 시뮬레이션에서는 공동주택의 주동형태로는 판상형이 탑상형에 비해 일사 취득이 유리하며, 집열기의 설치향으로는 정남향, 남동향이 우수한 것으로 나타났다. 그리고 집열기 설치각도는 30°, 46°가 일사 취득에 유리한 것으로 나타났다.
본 연구의 결과를 종합해보면 공동주택의 부하특성상 온수와 급탕의 수요가 많은 동절기에는 외기의 온도에 의한 열손실이 적은 단일진공관을 적용하는 것이 적합하다고 판단된다. 하지만, 평판형의 경우 옥상지붕의 건축마감재로써의 역할과 함께 집열기의 역할을 수행할 수 있을 것으로 판단되며 하절기 과열로 인한 시스템에 대한 관리는 진공관에 비해 평판형이 유리할 것으로 판단된다. 마지막으로 공동주택에서 태양열 시스템을 활용하기 위해서는 태양열 집열기 설치각도는 동절기 위주로 활용시기에 맞추는 것이 중요하며, 인동간격을 넓게하거나 음영분석을 통하여 일조시간 5시간 이상을 확보하고 일사 취득을 충분히 할 수 있도록 해야 할 것을 사료된다.

As the problem of energy supply and demand is emerging all over the world, South Korea is classified as an energy-guzzling country. In this situation, since we import 96% of the total energy consumption from overseas countries, it is urgently needed to take measures to save energy. The government announced ‘1st Country-based Green Growth’ and drew up a new & renewable project in August, 2008; suggested ‘Low-carbon Green Growth’ as a new paradigm of national development in 2010; to achieve the goal of energy and greenhouse gas emissions reduction, the government is making ‘Zero Energy House’ compulsory by 2030 and expanding the dissemination of new & renewable energy. Among new & renewable energy, solar thermal systems which you can easily apply to an apartment house are a system producing hot water by using solar
Keywords: New & Renewable Energy, Apartment House, Solar Thermal Collector(Flat-plate Type, Evacuated Tubular Type), Mock-up Test, Computer Simulation
radiation energy; and I suppose that it is a very effective renewable energy when applying to an apartment house using a huge amount of hot water. Therefore, in this study, I verified the performance of solar collectors through a mock-up test targeting the solar collectors in an apartment house; by running a computer simulation of the performance results, suggested application methods for apartment houses. This research intended to suggest basic data on the dissemination of new & renewable energy in apartment houses. Most of all, to install a solar collector efficiently, it is required to plan and design by integrating factors of architecture and equipment. Architectural factors in a solar collector to consider include building orientation, building type, building dimension, the surroundings and shading analysis with other buildings; equipment factors include types of solar collectors, installation area, installation location and installation angle. In addition, easy maintenance requires simple system and plumbing.
As a result of the mock-up test, in the results of flat-plate solar collectors, the integrated flat-plate type was rather excellent than the general-type; in the results of evacuated tubular solar collectors, evacuated tubular solar collectors showed excellent performance rather than concentric evacuated tubular solar collectors. Furthermore, comparing the flat-plate type(integrated type) and the evacuated tubular type in different types, when outdoor temperature is high, the former was excellent and vice versa.
In the simulation of solar collectors, in terms of building type of an apartment house, the flat-plate type was more favorable than the tower-type in solar heat gain; in terms of collector installation direction, southern and southeastern aspect were excellent.
To sum it up, due to the load characteristics of apartment houses, in winter season when the demand for hot water and hot-water supply is high, I suppose it is appropriate to apply evacuated tubular solar collectors which lose less heat because of outdoor temperature. However, I suppose that the flat-plate type can serve as a solar collector as well as finishing materials of a roof; the flat-plate type appears to be more favorable than the evacuated tubular solar collectors when managing overheat in a system in summer season.
Finally, to use a solar thermal system in an apartment house, it is important to adjust the installation angle of a solar thermal collector to the using period based on winter season; by widening the distance between buildings or analyzing shading, it is needed to secure over 5-hour sunshine duration and gain enough solar heat.

1 서 론 1
1.1 연구의 배경 및 목적 1
1.2 연구의 범위 및 방법 3
2 태양열 집열기 이론고찰 및 공동주택 적용사례 분석 5
2.1 태양열 집열기의 이론적 고찰 5
2.1.1 태양열 집열기의 개요 5
2.1.2 태양열 집열기의 종류 및 특성 9
2.1.3 태양열 집열기 설계를 위한 고려 요소 16
2.2 태양열 집열기의 공동주택 적용사례 분석 20
2.2.1 공동주택에서의 태양열 적용 가능성 분석 20
2.2.2 국내 공동주택 적용 사례 분석 21
2.2.3 국외 공동주택 적용 사례 분석 24
2.3 공동주택의 태양열 집열기 적용 요소 분석 및 공동주택 적용타당성 평가 28
2.3.1 태양열 집열기 적용을 위한 고려요소 28
2.3.2 공동주택 적용여건 29
2.4 소결 32
3 태양열 집열기의 Mock-up 실험 34
3.1 Mock-up 실험 개요 34
3.2 태양열 집열기 형태에 따른 Mock-up 실험 37
3.2.1 평판형 집열기 37
3.2.2 진공관형 집열기 42
3.3 6 일체형, 진공관형 집열기 Mock-up 실험결과 비교 46
3.3.1 6 일체형 평판형, 단일진공관형 Mock-up 실험결과 비교(9월) 47
3.3.2 6 일체형 평판형, 단일진공관형 Mock-up 실험결과 비교(10, 11월) 50
3.4 소결 54
4 공동주택의 태양열 집열기 적용 시뮬레이션 57
4.1 태양열 집열기 시뮬레이션 개요 57
4.1.1 시뮬레이션을 통한 평가 개요 57
4.1.2 시뮬레이션 도구 선정 57
4.1.3 시뮬레이션 입력데이터 58
4.1.4 시뮬레이션 성능평가를 위한 모델링 및 Case 선정 61
4.2 태양열 집열기 설치위치 및 각도에 따른 시뮬레이션 66
4.2.1 태양열 집열기 옥상 설치에 따른 성능평가 66
4.2.2 태양열 집열기 발코니 설치에 따른 성능평가 76
4.3 공동주택형태 및 인동간격에 따른 시뮬레이션 88
4.3.1 인동간격에 따른 온수 생산 에너지 소비량 비교 89
4.3.2 판상형 공동주택의 일조분석을 통한 태양열 사용 가능성 분석 90
4.3.3 탑상형 공동주택의 일조분석을 통한 태양열 사용 가능성 분석 94
4.4 소결 100
5 결 론 103
참고문헌 106
국문초록 109
ABSTRACT 111

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