열 저장의 마스터링: 효율적인 태양열 온수 난방의 핵심

태양열 온수 시스템의 열 저장

태양열 온수 시스템에서는 열 저장 탱크라고도 불리는 물 저장 탱크를 사용하여 태양열 집열기에서 생성된 열을 저장합니다. 액체(특히 물)를 열 저장에 사용하는 것은 다양한 열 저장 방법 중 가장 성숙되고 기술적으로 타당하며 널리 사용되는 방법입니다. 일반적으로 액체는 높은 비열뿐만 아니라 높은 비등점과 낮은 증기압을 갖는 것이 바람직합니다. 전자는 상변화(기체 상태로의)를 방지하기 위한 것이고, 후자는 열 저장 용기의 압력을 낮추기 위한 것입니다. 저온 액체 열 저장 매체 중에서는 물이 가장 우수한 성능을 제공하므로 가장 일반적으로 사용됩니다.

물을 열 저장 매체로 사용하는 것의 장단점

장점

① 물리적, 화학적, 열적 특성이 매우 안정적이며, 잘 이해되고 있으며, 응용기술이 성숙되어 있다.

② 열 저장 매체와 열 전달 매체로 모두 활용 가능하므로 열 저장 시스템에서 열교환기가 필요 없습니다.

③ 열전달 및 액체 특성이 우수합니다. 일반적으로 사용되는 액체 중 비열이 가장 높고 열팽창 계수가 가장 낮으며 점도가 낮아 자연 순환 및 강제 순환에 모두 적합합니다.

④ 액체-기체 평형 상태에서의 온도-압력 관계가 매우 안정적이어서 평판형 태양열 집열기에 적합합니다.

⑤ 구할 수 있는 것이 풍부하고 저렴하다.

단점

① 전기분해 부식성 물질로서, 생성된 산소는 금속을 쉽게 부식시킵니다. 또한 대부분의 기체(특히 산소)의 용매이기도 하여 용기와 배관의 부식을 유발합니다.

② 응고(냉동) 시 부피가 크게 팽창(최대 약 10%)하여 용기나 파이프 등을 손상시킬 수 있습니다.

③ 적당한 온도(100°C 이상)에서는 수온이 증가함에 따라 증기압이 기하급수적으로 증가합니다. 따라서 열 저장을 위해 물을 사용할 경우 온도와 압력 모두 임계점(373.0°C, 2.2×10 Pa)을 초과해서는 안 됩니다. 예를 들어, 300°C의 열 저장 비용은 200°C의 열 저장 비용보다 2.75배 더 높습니다.

물을 열 저장 매체로 사용할 경우, 열 저장 용기는 스테인리스 스틸, 에나멜, 플라스틱, 알루미늄 합금, 구리, 철, 철근 콘크리트, 목재 등 다양한 재질로 제작될 수 있습니다. 용기의 모양은 원통형, 상자형, 구형 등 다양합니다. 그러나 사용하는 재료의 내식성과 내구성을 신중하게 고려해야 합니다. 예를 들어, 시멘트와 목재를 열 저장 용기 재료로 선택할 경우, 장기간 사용으로 인한 균열 및 누수를 방지하기 위해 열팽창을 고려해야 합니다.

온수 저장 탱크는 열과 냉기를 모두 저장할 수 있는 장치입니다. 건물에 온수, 난방, 냉방을 공급하는 시스템의 구성 요소로 개발되었습니다. 온수 저장 탱크의 주요 기능은 에너지 소비량과 에너지 소비량 간의 불균형을 조정하여 시스템의 열 효율을 향상시키고 필요한 열 부하를 충족하는 것입니다.

온수 저장 탱크는 열 방출 특성(완전 압출 흐름, 완전 혼합 흐름, 부분 혼합 흐름), 압력 상태(개방형 또는 폐쇄형), 탱크 수(단일형 또는 다중형), 설치 방식(수직형, 종방향, 수평형 또는 횡방향), 구조 재질, 그리고 용도에 따라 다양한 유형으로 분류될 수 있습니다. 아래에서는 처음 두 가지 유형에 대해 중점적으로 설명합니다.

온수 저장 탱크 열 방출 특성

열 방출 특성(또는 탱크 내 혼합 특성)에 따라 온수 저장 탱크는 완전 압출 유동, 완전 혼합 유동, 부분 혼합 유동의 세 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. υ는 물의 유속, L은 물 탱크의 길이, E는 혼합 확산 계수를 나타낼 때, 탱크 내 물 온도의 혼합 정도 또는 혼합 특성 M=υL/(2E)의 값에 따라 위 세 가지 유형을 분류할 수 있습니다.

(1) 완전한 압출 흐름

피스톤 흐름이라고도 하는, 즉 물 탱크 내의 흐름은 완전히 피스톤과 같고, 탱크 내에 두 개의 뜨거운 물과 차가운 물이 있습니다. 두 물 사이의 경계면은 매우 명확하여 거의 혼합이 없음을 나타냅니다. 이때 E→0 또는 M→∞로 간주할 수 있습니다. 뜨거운 물 저장 탱크가 열을 방출(냉각)하면 물이 바닥(위)에서 유입되어 모든 열을 활용할 수 있습니다. 이는 그림 2-11과 같이 이상적인 상태입니다. 뜨거운 물 저장 탱크에 80℃의 뜨거운 물 100L가 있고, 바닥 입구 A에서 20℃의 찬물을 천천히 주입하여 출구 B에서 유출되는 모든 물이 80℃의 뜨거운 물이라고 가정합니다. 그러나 유출되는 물의 양이 100L를 초과하는 순간, 물의 온도는 즉시 20℃로 떨어집니다.

(2) 완전 혼합 흐름

물탱크의 온도가 완전히 균일하여 혼합이 매우 철저하다는 것을 나타냅니다. 이 경우에는 E→ 또는 M→0을 고려할 수 있다. 일반적인 상황에서는 온수 저장조에 강력한 믹서를 설치하고 저어주면서 냉수를 천천히 주입해야만 이러한 효과를 얻을 수 있습니다. 초기에 B출구에서 흘러나오는 물의 온도는 80℃입니다. 그러다가 시간이 지날수록 수온은 지수함수 형태로 감소하게 된다. 유출되는 물이 100L에 막 도달하면 수온은 약 80×e≒29.3℃로 떨어집니다.

(3) 부분 ​​혼합 흐름

온도 성층 유동이라고도 하는 이 현상은 수조 내 온도 분포가 불균일하고 성층이 발생함을 나타냅니다. 이 경우 E 값은 유한한 값, 즉 0으로 간주할 수 있습니다.

온수저장탱크의 압력상태

온수 저장 탱크의 압력 상태에 따라 개방형과 폐쇄형으로 나눌 수 있습니다. 정상 대기압에서 차지하는 공간의 형태는 실제 상황에 따라 달라집니다.

(1) 개방형

물탱크는 대기에 노출되어 있어 압력이 낮지만 산에 의해 쉽게 부식됩니다. 산소는 물에 쉽게 용해되므로 용기의 내식성이 높아야 합니다. 또한, 시스템에 필요한 양정(head)도 높아야 합니다. 일반적으로 대형 태양열 시스템에 사용됩니다.

(2) 폐쇄형

물탱크에 물이 가득 차 있으므로, 축열조 손상을 방지하기 위해 팽창 탱크를 상부에 설치해야 합니다. 팽창 탱크의 장점은 배관 시스템이 간단하고, 필요한 수압이 작으며, 순환 펌프의 전력 소모가 적다는 것입니다. 반면, 팽창 탱크의 단점은 정압이 비교적 크고, 축열조의 내압성이 높으며, 내압 용기의 장비 비용이 높다는 것입니다. 일반적으로 소형 태양열 시스템에 사용됩니다.

실제 적용에서 건물의 온수 공급 시스템과 옥상 열 저장 탱크(자연 순환 온수 시스템과 함께 사용)는 대부분 개방형입니다. 또한, 기초 보 공간을 열 저장 탱크로 사용하거나 콘크리트로 제작된 별도의 열 저장 탱크를 사용하는 것도 개방형입니다. 반대로, 시스템 작동 온도가 100°C를 초과하는 경우, 특수 열전달 매체를 사용하지 않는 한 온수 저장 탱크를 밀폐형으로 설치해야 합니다. 또한, 지중 강제 순환 온수 시스템의 온수 저장 탱크는 일반적으로 밀폐형입니다.

개방형 온수 저장 탱크는 종종 아연 도금 강철, 스테인리스 강철, 유리 섬유로 제작되는 반면, 밀폐형 탱크는 종종 에나멜, 스테인리스 강철, 유리 섬유로 제작됩니다.

온수 저장 탱크는 대개 원통형입니다. 첫째, 제작 및 밀봉이 용이하여 경제적입니다. 둘째, 열 방출이 우수하고 데드워터 영역이 최소화됩니다. 셋째, 내압성이 우수합니다(일정한 내부 압력 하에서 실린더 벽에 작용하는 장력은 실린더 반경에 비례합니다).

열저장 탱크의 열역학적 특성

(1) 열역학적 특성의 주요 매개변수

① 축열조 내의 사수면적의 크기

② 혼합특성 M값의 크기는 열저장조 내의 다양한 온도의 물의 혼합 정도에 따라 결정된다.

③ 축열재 내부의 온도구배;

④ 열교환기의 열용량;

⑤ 열저장 탱크에 연결된 배관 시스템의 열용량;

⑥ 축열조 자체의 열용량과 이에 접촉하는 주변 환경의 열용량(지하에 매설된 축열조의 경우 적용).

물을 열저장 매체로 사용하는 축열조의 경우 열교환기가 필요하지 않으므로 위의 두 항목 ③, ④는 무시할 수 있다.

(2) 열역학적 특성에 영향을 미치는 요인

① 물탱크 내 유체의 혼합 상태 - 실제 축열탱크 사용 시 물의 흐름 라인이 불완전한 피스톤 흐름 형태를 형성할 수 있으며, 이로 인해 열을 충분히 저장하지 못할 뿐만 아니라 저장된 열을 충분히 활용하지 못하게 됩니다.

② 물탱크 구조 및 순환수량 - 주로 물탱크 내의 방수판의 개수 및 형상, 연결관의 개수, 직경 및 위치, 그리고 물탱크의 형상 및 순환수량을 말한다.

③ 열 손실 및 획득 - 물탱크 자체에 보호 표면이 있기 때문에 열 손실 및 획득은 불가피합니다. 열 수요의 일시적인 피크를 완화하기 위해 설계된 단기 열 저장 탱크의 경우, 지하에 매설하고 단열하는 것은 실제로 열 역학에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 열용량을 가진 토양이 열을 저장하는 특정 목적을 수행할 수 있기 때문입니다.

④ 축열 및 인출 온도 - 축열 온도는 축열 종료 시 탱크 내 평균 수온을 의미하며, 인출 온도는 탱크에서 열이 인출될 때의 출구 수온을 의미합니다. 열의 최대 활용 여부와 축열 탱크의 작동 수명은 이 두 온도의 측정 방법과 밀접한 관련이 있습니다.

열 저장 탱크의 과도 응답

축열조 사용 시, 출구 수온의 변동은 열부하를 결정하는 데 매우 중요합니다. 이론적으로 입력 온도와 출력 온도(일반적으로 입구 및 출구 온도라고 함) 간의 함수 관계는 탱크 내 수온 분포를 계산하여 도출할 수 있습니다. 그러나 이를 위해서는 3차원 연속 방정식, 운동량 보존 방정식, 그리고 에너지 보존 방정식을 풀어야 하는데, 이는 복잡한 과정이며 긴 계산 시간이 필요합니다.

실제 설계에서는 탱크 내부의 수온 분포를 직접 이해할 필요는 없습니다. 대신, 입력 온도와 입력 열량의 시간적 변화를 알고 출력 온도의 시간적 변화를 계산할 수 있으면 충분합니다. 현재 가장 널리 사용되는 방법은 "과도 응답법"으로, 탱크 전체를 단일 시스템으로 취급합니다. 입력과 출력 사이에 선형 관계가 있다고 가정하면(입구와 출구 수온이 유사할 때 근사적으로 가정할 수 있음), 합성곱 적분을 사용하여 입력 온도 변화에 대한 출력 온도 변화를 계산할 수 있습니다.

요약하자면, 온수, 난방, 냉방 시스템을 위한 소규모 단기 열 저장 장치로 열 저장 탱크를 사용하는 것은 태양열 활용에 중요한 역할을 하며 다양한 실용적 응용 분야를 발견했습니다. 계절에 따라 대규모의 장기 열 저장이 필요한 경우, 일부 국가에서는 지난 20~30년 동안 지하 대수층을 효과적인 열 저장 및 에너지 절약 수단으로 연구하기 시작했습니다.