태양열 온수 시스템: 유형 및 작동에 대한 포괄적인 가이드

태양열 온수 기술 소개

무동력 순환 순간 태양열 온수 시스템

시스템 구성 요소: 진공관 수집기, 연결 가능한 물 탱크, 조절 가능한 브래킷 및 열교환기.

무동력 순환 순간 태양열 온수 시스템의 작동 원리: 진공관 내부의 물은 햇빛에 노출되면 가열되기 시작합니다. 물이 가열됨에 따라 밀도가 감소하고, 자연스럽게 탱크로 순환하면서 점차 가열됩니다. 가열된 물은 폴리우레탄 폼으로 단열된 탱크에 저장됩니다. 차가운 실내수는 탱크 내부의 고정된 벨로우즈 채널을 통해 흐르면서 가압된 수돗물의 온도를 탱크 내 물과 거의 동일한 온도(온도 차이 2°C 미만)로 높입니다. 이를 통해 안정적이고 가압된 깨끗한 온수가 생성됩니다.

자연 순환 태양열 온수 시스템

자연 순환 태양열 온수 시스템은 집열기와 물탱크 사이의 온도차를 이용하여 열사이펀 헤드를 형성하고, 이 헤드가 물을 시스템 전체로 순환시킵니다. 동시에 집열기에서 얻은 유용한 에너지는 물을 가열하여 탱크에 지속적으로 저장됩니다.

시스템 작동 중, 집열기 내부의 물은 태양 복사열에 의해 가열되어 온도가 상승하고 밀도가 감소합니다. 가열된 물은 집열기 내부에서 점차 상승하여 집열기 상부 순환관을 통해 저수조 상부로 흐릅니다. 동시에, 저수조 하부의 차가운 물은 하부 순환관을 통해 집열기 하부로 흐릅니다. 시간이 지남에 따라 저수조 내부에 뚜렷한 온도 분포가 형성되어, 상부 층의 물이 먼저 사용 가능한 온도에 도달하고, 이러한 온도 분포는 전체 탱크가 완전히 사용 가능할 때까지 계속됩니다.

온수를 얻는 방법에는 두 가지가 있습니다. 하나는 보충 탱크를 사용하여 저장 탱크 바닥에 찬물을 보충하고, 상층부의 온수를 끌어내어 사용합니다. 수위는 보충 탱크 내부의 플로트 밸브로 조절합니다. 이 방법을 보충식(top-up)이라고도 합니다. 다른 하나는 보충 탱크 없이 중력에 의해 온수가 저장 탱크 바닥에서 떨어지도록 하는 방식입니다. 이 방법을 하강식(drop-down)이라고도 합니다.

강제 순환 태양열 온수 시스템

강제 순환 태양열 온수 시스템은 집열기와 저수조 사이의 배관에 설치된 워터 펌프를 사용하여 시스템 내 물을 순환시킵니다. 동시에, 집열기에서 얻은 유효 에너지는 물을 가열하여 저수조에 저장됩니다.

시스템 작동 중에는 순환 펌프의 작동 및 정지를 제어해야 하며, 그렇지 않으면 전기 에너지와 열 에너지가 모두 낭비됩니다. 온도차 제어는 일반적으로 가장 널리 사용되는 방법이며, 경우에 따라 온도차 제어와 태양광 발전 제어를 동시에 사용하기도 합니다.

온도차 제어는 수집기 출구의 수온과 물 저장 탱크 바닥의 수온 사이의 온도차를 이용하여 순환 펌프의 작동을 제어합니다.

아침 일출 후, 집수조의 물은 태양 복사열에 의해 가열되어 점차 온도가 상승합니다. 집수조 출구와 저장 탱크 바닥의 물 사이의 온도 차이가 설정값(일반적으로 8~10°C)에 도달하면 온도 제어기가 순환 펌프를 가동하라는 신호를 생성하고 시스템이 작동을 시작합니다. 구름이 끼거나 일몰 전 오후에는 일사량이 감소하여 집수조 온도가 점차 낮아집니다. 집수조 출구와 저장 탱크 바닥의 물 사이의 온도 차이가 또 다른 설정값(일반적으로 3~4°C)에 도달하면 온도 제어기가 순환 펌프를 정지하라는 신호를 생성하고 시스템이 작동을 멈춥니다.

태양열 온수 시스템

뜨거운 물을 얻는 방법에는 상부 흐름과 하강 흐름의 두 가지 방법이 있습니다.

탑플로우 방식은 저장 탱크 바닥에 찬물(수돗물)을 추가하여 상층에서 뜨거운 물을 밀어내어 사용하는 방식입니다. 드롭플로우 방식은 중력에 의해 뜨거운 물 자체가 탱크 바닥에서 떨어지는 방식입니다. 강제 순환 방식에서는 탱크 안의 물이 완전히 혼합되어 상당한 온도 성층을 방지합니다. 따라서 탑플로우 방식과 드롭플로우 방식 모두 처음부터 뜨거운 물을 제공합니다. 탑워터 방식과 비교했을 때 탑워터 방식의 장점은 가압된 뜨거운 물 분사로 사용자 편의성이 향상되고 물 탱크를 다시 채울 필요가 없다는 것입니다. 그러나 단점은 물 탱크 바닥에서 들어오는 찬물이 탱크 안의 뜨거운 물과 섞일 수 있다는 것입니다. 탑워터 방식은 뜨거운 물과 차가운 물이 섞이는 것을 방지하는 장점이 있지만, 뜨거운 물이 중력에 의해 떨어져 사용자 편의성에 영향을 미치고 매일 물 탱크를 다시 채워야 하는 단점도 있습니다.

이중 회로 강제 순환 시스템에서 열교환기는 물탱크 내부에 배치되는 침지형 열교환기 또는 물탱크 외부에 배치되는 판형 열교환기 중 하나로 구성될 수 있습니다. 판형 열교환기는 침지형 열교환기에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다. 첫째, 판형 열교환기는 열전달 면적이 더 넓고, 열전달 온도 구배가 작으며, 시스템 효율에 미치는 영향이 적습니다. 둘째, 판형 열교환기는 시스템 배관 내부에 배치되어 유연성이 뛰어나고 시스템 설계 및 레이아웃이 용이합니다. 셋째, 판형 열교환기는 시중에서 구입할 수 있고 표준화되어 있어 품질 보증 및 신뢰성 확보가 용이합니다.

강제 순환 시스템은 대형, 중형, 소형 태양열 온수 시스템에 적합합니다.

유동식 태양열 온수 시스템은 수집기를 한 번 통과시켜 원하는 온도까지 물을 가열한 후, 가열된 물은 연속 흐름으로 저장 탱크로 방출됩니다.

시스템 작동 중에는 일반적으로 온수가 사용자 요구 사항을 충족하도록 정온 배출 방식을 사용합니다. 집수관 입구 파이프는 수돗물 라인에 연결됩니다. 집수관의 물은 태양 복사열에 의해 가열되어 온도가 점차 상승합니다. 집수관 출구에는 온도 센서가 설치되어 있습니다. 온도 조절기는 집수관 입구에 설치된 전기 밸브의 개도를 제어합니다. 이 온도 조절기는 집수관 출구 온도에 따라 집수관 입구 유량을 조절하여 일정한 출구 수온을 유지합니다. 이 시스템의 신뢰성은 가변 유량 전기 밸브와 조절기의 성능에 달려 있습니다.

전기 밸브와 컨트롤러에 대한 엄격한 요건을 피하기 위해 일부 시스템은 콜렉터 출구에 전기 밸브를 설치하며, 밸브는 열림과 닫힘의 두 가지 상태만 갖습니다. 콜렉터 출구 온도가 설정값에 도달하면 온도 컨트롤러가 전기 밸브를 열어 콜렉터 출구에서 온수 저장 탱크로 온수를 흐르게 합니다. 동시에 콜렉터 출구 온도가 설정값 아래로 떨어질 때까지 냉수(수돗물)가 콜렉터에 공급됩니다. 전기 밸브가 닫히고 이 과정이 반복됩니다. 이러한 정온수 배출 방식은 비교적 간단하지만, 전기 밸브 닫힘 시 발생하는 히스테리시스로 인해 온수 온도가 설정값보다 낮아질 수 있습니다.

직접 흐름 시스템에는 많은 장점이 있습니다. 첫째, 강제 순환 시스템에 비해 워터 펌프가 필요하지 않습니다. 둘째, 자연 순환 시스템에 비해 물 저장 탱크는 실내에 위치할 수 있습니다. 셋째, 재순환 방식에 비해 매일 더 일찍 사용 가능한 온수를 얻을 수 있으며, 날씨가 맑은 기간 동안 일정량의 사용 가능한 온수를 얻을 수 있습니다. 넷째, 겨울철 동파방지를 위한 야간 배수 설계가 용이하다. 직접 흐름 시스템의 단점은 신뢰할 수 있는 가변 흐름 전기 밸브와 컨트롤러가 필요하므로 시스템이 복잡해지고 투자가 증가한다는 것입니다.

직접 흐름 시스템은 주로 대규모 태양열 온수 시스템에 적합합니다.