태양열 온수기 동계화: 파이프 동결 및 손상 방지 방법

태양열 온수 시스템의 동결 방지

태양열 온수 시스템의 집열기와 실외 배관은 혹독한 겨울철, 특히 추운 고위도 지역에서 얼어붙은 물이 팽창하여 손상되는 경우가 많습니다. 따라서 태양열 온수 시스템의 동파 방지 대책을 고려해야 합니다. 현재 태양열 온수 시스템에 대한 일반적인 동파 방지 대책은 다음과 같습니다.

동결 방지 태양열 집열기 선택

집열기는 실외에 노출되어야 하는 태양열 온수 시스템의 핵심 부품입니다. 동결 방지 집열기를 선택하면 혹독한 겨울철 동파에 대한 걱정을 덜 수 있습니다.

이 책의 1장에서 소개된 히트파이프 진공관 집열기와 튜브가 내장된 전유리 진공관 집열기는 모두 동결 방지 집열기입니다. 가열된 물이 진공관으로 직접 유입되지 않기 때문에 진공관의 유리 덮개 튜브가 물과 접촉하지 않습니다. 또한, 히트파이프 자체의 작동 유체 용량이 매우 낮아 영하 수십 도의 온도에서도 진공관이 동결되지 않습니다.

부동액 기능을 갖춘 또 다른 유형의 집열기는 히트 파이프 평판형 집열기입니다. 기존의 평판형 집열기와 달리, 이 집열기는 흡수기 튜브에 파이프 대신 히트 파이프를 사용합니다. 이 파이프는 저비점, 저어는점 매체를 작동 유체로 사용하여 흡수기의 동결을 방지합니다. 그러나 히트 파이프 평판형 집열기는 앞서 언급한 진공관형 집열기보다 기술적, 경제적 성능이 떨어지기 때문에 아직 널리 사용되지는 않습니다.

부동액을 이용한 이중 순환 시스템

이중 순환 시스템(또는 이중 회로 시스템)은 열교환기를 태양열 온수 시스템에 통합합니다. 열 교환기의 수집기와 뜨거운 쪽이 첫 번째 회로(또는 기본 루프)를 형성합니다. 저빙점 부동액이 열 전달 매체로 사용되어 시스템 부동액을 제공합니다. 이중 순환 시스템은 자연 순환 및 강제 순환 태양열 온수 시스템 모두에 사용할 수 있습니다.

자연 순환 시스템에서는 1차 순환에 부동액을 사용하지만, 물 저장 탱크는 옥외에 위치하며 시스템의 냉수 탱크와 온수 공급관도 부분적으로 옥외에 설치됩니다. 단열재를 설치하더라도 이러한 옥외 배관은 추운 겨울밤에 물이 얼지 않는다는 것을 보장할 수 없습니다. 따라서 시스템 설계 시 사용 후 배관에서 온수를 배출할 수 있는 방법을 고려하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 사이펀식 온수 취수관을 냉수 공급관으로도 사용할 수 있으며, 상단에 대기 밸브를 설치하여 배관의 개폐를 제어하고 배관의 물을 배출할 수 있습니다.

자동 배수 기능이 있는 반환 시스템

단일 루프 강제 순환 시스템에서는 일반적으로 온도차를 이용하여 순환수 펌프의 작동을 제어하며, 저수조는 일반적으로 실내(1층 또는 지하)에 위치합니다. 겨울철 낮 시간 동안 일사량이 충분하면 온도차 제어기가 순환수 펌프를 작동시켜 집열기가 정상적으로 작동하도록 합니다. 밤이나 흐린 날처럼 일사량이 부족하면 온도차 제어기가 순환수 펌프를 차단하여 집열기와 배관의 물이 중력에 의해 저수조로 다시 흐르도록 하여 동파로 인한 손상을 방지합니다. 다음 날, 즉 일사량이 충분한 수준으로 돌아오면 온도차 제어기가 순환수 펌프를 재가동하여 저수조의 물을 디플렉터로 다시 펌핑하여 시스템이 계속 작동하도록 합니다. 이 부동액 시스템은 간단하고 신뢰성이 높으며 추가 장비가 필요하지 않습니다. 하지만 시스템의 순환수 펌프는 높은 양정을 가져야 합니다.

최근 몇 년 동안 해외에서는 이중 회로 시스템에 환류 부동액 조치를 적용하기 시작했습니다. 이 시스템에서 첫 번째 회로는 부동액을 사용하지 않고, 집열기에서 열 전달 매체로 물을 사용합니다. 일사량이 부족한 밤이나 흐린 날에는 순환 펌프가 자동으로 꺼지고, 집열기 내의 물은 사이펀 효과를 통해 특수 설계된 소형 저장 탱크로 흘러 들어갑니다. 이 물은 다음 날이나 일사량이 다시 충분해지면 집열기로 다시 펌핑되어 시스템이 계속 작동할 수 있도록 합니다.

배수 시스템을 사용하여 저장된 물을 비우기

자연 순환 또는 강제 순환 방식의 단일 회로 시스템에서는 온도 센서가 집열기 흡수기 아래 배관 또는 가장 낮은 실외 주변 온도에 내장되어 제어기에 연결됩니다. 집열기 또는 실외 배관의 수온이 빙점(3~4°C)에 가까워지면 제어기는 온도 센서의 신호를 기반으로 배수 밸브와 공기 배출 밸브를 엽니다. 그러면 집열기와 실외 배관의 물이 중력에 의해 시스템 밖으로 배출되어 재사용을 방지하고 원하는 부동액 효과를 얻을 수 있습니다.

저장 탱크에서 온수의 자동 야간 순환

강제 순환 방식의 단일 회로 시스템에서는 온도 감지 소자가 수집기 흡수기 아래 배관이나 가장 낮은 실외 주변 온도에 내장되어 컨트롤러에 연결됩니다. 수집기 또는 실외 배관의 수온이 빙점(예: 3~4°C)에 가까워지면 컨트롤러가 전원을 켜고 순환 펌프를 작동시켜 저장 탱크에서 수집기로 뜨거운 물을 펌핑하여 수집기와 배관의 수온을 높입니다. 수집기 또는 배관의 수온이 설정값에 도달하거나 펌프가 일정 시간 동안 작동하면 컨트롤러가 전원을 끄고 순환 펌프를 정지시킵니다. 이 부동액 방식은 순환 펌프를 작동시키는 데 일정량의 전력을 소모하기 때문에 가끔씩 얼어붙는 지역에는 적합하지만 심한 추위에는 적합하지 않습니다.

자연 순환 또는 강제 순환이 있는 단일 회로 시스템에서 자체 조절식 난방 테이프는 실외 배관의 동결에 가장 취약한 부분에 설치됩니다. 이 방법은 난방 테이프 근처에 위치하고 난방 테이프의 회로에 연결된 서미스터를 사용합니다. 난방 테이프에 전원이 공급되면 배관 내 물을 가열하고 동시에 서미스터의 온도를 높여 저항을 증가시킵니다. 서미스터의 저항이 특정 값에 도달하면 회로가 차단되고 난방 테이프의 전원이 꺼지며 온도가 점차 낮아집니다. 이 과정을 수없이 반복하여 실외 배관 내 물이 얼지 않도록 방지하고 난방 테이프가 과열되어 위험을 초래하는 것을 방지합니다. 이 부동액 방법은 일정량의 전력을 소모하지만 매우 추운 지역에서 효과적입니다.