Analysis on Characteristics of Thermal Flow for Heating Indoor Space by Air-heating Collector using Solar Heat

태양열 공기가열 집열기에 의한 난방 실내공간의 열유동 특성 해석

Abstract

The solar energy has been widely used to reduce the fossil fuel and prevent the environmental pollution. The renewable energy including solar heat tends to spread due to carbon neutrality for main country of the world. Targets of solar collector are usually acquisitions of hot water or hot air. Especially, air-heating collector using solar heat is known as the technology for obtaining hot air. This study aims to investigate of characteristics of thermal flow when the hot air by air-heating collector using solar heat flows inside of indoor space. The thermal flow of heating indoor space was simulated using ANSYS-CFX program and thus the behaviors of hot air in indoor space were evaluated with standard k-𝜀 turbulence model. As the results, as the inlet velocity was increased, the behaviors of hot air became simple, and temperature range of 25~75℃ had almost no effect on behavior of flow. As the inlet temperature was increased, the temperature curve of indoor space from bottom to top was changed from linear to quadratic. Furthermore, it was confirmed that inlet velocity as well as inlet temperature also should be considered to heat indoor space equally by air-heating collector using solar heat.

1. 서론

지구온난화 및 환경오염 문제 등으로 인해 태양을 이용한 에너지 사용이 증가하고 있다. 태양광 및 태양열 관련 분야는 세계적인 탄소중립 정책으로 향후에도 지속 발전할 가능성이 매우 높 다. 가정용 태양열 분야는 대부분 온수와 가열공기를 만드는 기술이다. 태양열 이용 난방에 관한 연구로서, Kim et al.[1]은 온실을 위한 태양열 지중 계간축열시스템을 TRNSYS 18을 이용하여 시스템의 구성과 제어방법을 단순화하고 축열 및 방열성능을 확보하기 위한 연구를 수행하였다. Jeon et al.[2]은 태양열 및 지열을 선택적 또는 복합적으로 이용할 수 있는 하이브리드형 히트펌프 난방시스템을 개발하고 이를 시설원예농가에 적용하여 성능을 검증하였다. 또한 Baek et al.[3]은 실제 거주하는 단독주택을 대상으로 태양열 및 지열 융복합 급탕시스템의 태양열 성능분석과 열적거동을 분석하였다. 태양열 이용 공기가열기에 관한 연구로서, Choi et al.[4]은 태양열 공기가열기의 공기 채널 내 수평형 사각저항체 설치조건에 따른 열전달 및 압력강하 성능을 전산해석에 근거해 평가하 였으며, Park et al.[5]은 공기가열식 태양열 집열기의 공기 가열 성능을 판단하기 위한 기초 연구로 열유동 해석 프로그램인 PHOENICS(1)을 이용하여 집열기 내부에서의 열전달 특성변화 등을 분 석하였다. 또한 Shin et al.[6]은 ANSYS-FLUENT 을 이용하여 태양열 공기가열기 내부의 흡열판에 가공된 홀의 형상, 패턴 및 높이를 고려하여 비정상 상태의 유동 및 열전달해석을 수행하였다. 난방 실내공간의 온도 예측에 관한 해석연구로서, Lee et al.[7]은 바닥 난방시스템 운영에 따른 실내온도 예측모델 개발을 위해 LSTM의 변형 알고리즘이며 순환신경망의 한 종류인 GRU 알고리즘의 예측 성능에 대해 평가하였으며, Song et al.[8]은 기존 On-Off 제어방식의 실내 공기온도의 상하온도차가 발생하여 불쾌감을 유발하는 특성을 개선하기 위해 바닥 복사난방 시스템의 실내온도 제어 방안에 대한 해석을 수행하였다. 태양열 이용 냉난방 겸용장치에 관한 연구로서, Do[9]는 수치해석을 통해 하절기 및 동절기의 냉난방 겸용장치의 효용성에 관한 기초 연구를 수행하였다.

본 연구는 수치해석을 통해 태양열 공기가열집열기에 의해 가열되어진 공기가 실내공간 난방시의 실내 열유동 특성에 대한 조사를 목적으로 하였다. 즉 실내공간의 난방 속도를 높이기 위해 가열공기에 속도 및 온도를 부여했을 때 실내공간의 상대압력, 난류운동에너지, 전체 및 세부적인 온도거동 등의 열유동 특성을 조사하였다.

2. 모델링 및 수치해석 방법

태양열을 이용한 냉난방 겸용장치의 작동원리 [10] 중에 본 연구와 관련된 난방장치의 작동원리 및 특성을 간략히 설명하고자 한다. Fig. 1에 동절기 시 유로의 개폐를 통해 실내를 난방하는 원리를  나타내었다. 여기서 공기가열 집열기(air-heating collector)는 자체 고안한 장치로서 주택 또는 농축산 시설물 등과 같은 벽면에 설치될 수 있다. 냉원 저장조에서의 유입공기 및 공기가열 집열기로부터 가열되어진 공기가 외부로 빠져나가는 통로를 차단(close)함에 의해 가열된 공기가 실내로 유입된다. 유입된 공기는 실내 천장에서 바닥으로 순환하며 점진적으로 실내 공간 전체를 난방하게 된다.

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

공기가열 집열기가 설치되어진 실험체를 Fig. 2에 나타내었다[10]. 공기가열 집열기의 설치 유무에 따른 비교를 위하여 좌측은 설치(attached), 우측은 설치하지 않은(no attached) 모습을 나타내고 있다. 즉 좌측 및 우측의 실내공간은 제작 시거의 동일하도록 제작하였으며 단지 공기가열 집열기의 설치 유무만 상이하다.

Fig. 2 Experimental object

공기가열 집열기에 관한 이전 연구[11]는 부력 효과에 관한 것이나 본 연구는 실내 공간의 난방 속도를 높이기 위해 부력이 아닌 강제유속을 부여했을 경우이다. Fig. 3에 난방 실내공간의 모델링을 나타내었으며 실제 실험체와 거의 동일하게 하 였다. 상부에 직경 90mm의 가열공기 유입구 및 하부에 가열공기 유출구가 있다. 실내공간의 지붕은 경사가 있으며 최고높이 2400mm, 최저높이 1900mm, 폭 900mm, 깊이 1800mm이다. 실내공간은 초기온도 25℃ 및 초기압력 1atm으로 설정하였다.

Fig. 3 Modeling of experiment object

Fig. 4는 실내공간 모델링에 대한 메쉬를 나타낸 것이다. 격자는 사면체(tetrahedron), 노드(node) 수는 약 16만개, 엘리먼트(element) 수는 약 85 만개이며 난류모델은 표준 k-ε 모델을 적용하였다. 본 해석을 위해 ANSYS-CFX를 사용하였다.

해석조건을 Table 1에 나타내었다. 이전의 실험연구[10]에서 측정한 최대속도(공기가열 집열기의 부력에 의한 최대 공기 유입속도)가 약 1.5m/s 인 것으로부터, 본 연구에서는 강제유속의 열유동특성을 조사하고자 하므로 유입속도(inlet velocity) 로 1.5m/s, 3.0m/s 및 4.5m/s으로서 1.5m/s의 간격으로 설정하였다. 유입온도(inlet temperature)로 상온 25℃를 기준으로 50℃ 및 75℃로서 25℃ 간격으로, 총 9조건을 설정하였다.

Fig. 4 Mesh of modeling

Table 1. Analysis conditions

3. 해석결과 및 고찰

Fig. 5에 유입온도 50℃ 경우의 유입속도에 따른 전체적인 속도형상을 나타내었다. 상부의 유입구로부터 공기가 유입되어 천장을 따라 벽면을 타고 하부로 내려가는 모습을 관찰할 수 있다. 유속이 증가할수록 유입 공기가 경사진 천장을 타고 더 내려가며 하부까지 유동이 변화하는 모습을 관측할 수 있다.

Fig. 5 Velocity contour according to inlet velocity in case of inlet temp. 50℃

Fig. 6은 Fig. 5의 하부 중앙지점에서 상부(화살표 표시)로의 속도분포를 나타낸 것이다. 하부 중앙지점으로부터 상부 2150mm 지점에서 유입속도 4.5m/s 경우 유속은 2.48m/s이며, 유입속도 3.0m/s 경우 유속은 1.79m/s, 유입속도 1.5m/s 경우 유속은 0.78m/s를 나타내고 있다. 이와 같이 유입속도가 증가할수록 상부의 유속도 증가한다. 여기서 유입속도 1.5m/s 및 3.0m/s의 경우 하부에서 상부 약 1900mm 지점까지는 거의 0m/s에가까운 거동을 보여주고 있다. 그러나 유입속도4.5m/s의 경우는 하부 중앙지점 바닥에서 약0.55m/s의 속도를 보이나 약 1900mm 지점까지는 감소하는 경향이 관측된다. 이것은 1.5m/s 및3.0m/s의 유입속도는 실내공간의 하부까지 큰 영향을 끼치지 못하나 유입속도 4.5m/s의 경우는 실내공간의 바닥까지 영향을 미치고 있기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 6 Velocity distribution from bottom to top of Fig. 5

Fig. 7에 Fig. 5의 경우의 유선(streamline) 분포를 나타내었다. 이 그림으로부터 유속 변화에 따른 전체 유속의 형상 변화를 알 수 있다. 유입속도가 작을수록 작은 와류가 여러 개 형성되며 유입속도가 클수록 작은 와류 수는 줄어들고 큰 와류가 형성되는 것을 알 수 있다. 즉 유입속도가 증가할수록 실내 공간의 유동 거동이 단순해지는 경향이 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 7 Streamline distribution of Fig. 5

유입속도와 상대압력의 관계를 Fig. 8에 나타내 었다. 여기서 상대압력은 기준압력 1atm과의 차이를 의미한다. 유입속도가 증가할수록 최대와 최소압력의 차이는 증가한다. 이것은 예측 가능한 결과이며 유동의 역동성을 나타낸다. 그러나 유입온도에 따른 최대와 최소압력의 차이는 거의 관측되지 않는다. 이것으로부터 본 해석에서 25∼75℃ 범위의 온도 조건은 실내공간 유동 거동에 거의 영향을 끼치고 있지 않음을 예상할 수 있다.

Fig. 8 Relation between inlet velocity and relative pressure

Fig. 9는 유입온도, 유입속도 및 난류운동에너지 등의 관계를 나타낸 것이다. Fig. 9(a)의 유입온도와 최대속도 관계에서 관측되는 바와 같이 유입온도에 따른 최대속도는 거의 일정하다. Fig. 8의 결과와 함께 고찰하면, 본 해석 범위의 유입온도에 따른 상대압력 및 속도의 영향은 거의 없음을 확인할 수 있다. 유입온도는 유동에 큰 영향을 미치지 못하므로 온도조건 3 경우를 평균하여 유입속도에 따른 난류운동에너지를 Fig. 9(b)에 나타내었다. 여기서 유입속도의 증가에 따라 난류운동에너지가 선형적으로 증가하고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 9 Relations inlet temp., inlet vel. and turbulence kinetic energy

태양열 공기가열 집열기를 이용하여 실내공간을 난방하고자 하므로 실내의 난방효과가 중요하다. Fig. 10은 유입속도 3.0m/s의 경우의 유입온도에 따른 실내공간의 온도형상을 나타낸 것이다. 그림에서 유입온도가 높을수록 실내공간의 온도구배가 증가함을 알 수 있다. 그러나 본 그림에서는 실내공간의 온도 차이를 구별하기 어렵다.

Fig. 10 Temperature contour according to inlet temperature in case of inlet velocity 3.0m/s

따라서 Fig. 11에 Fig. 10의 하부 중앙지점에서 상부(화살표 표시)로의 온도분포를 나타내었다. 유입온도가 25℃인 경우는 온도변화가 거의 없다. 이것은 실내의 초기온도를 25℃로 설정하여 예상되는 결과이지만 Fig. 10(a)에서 관측되는 바와 같이 유입온도와 실내 초기온도가 동일하여도 강제 유입속도(이 경우 3.0m/s)을 가지고 유입하는 경우 벽면 및 바닥에 미소한 온도변화가 있음을 확인할 수 있다. 이것은 유동의 교란으로 인한 냉각과 관계있는 것으로 판단된다. Fig. 11의 그래프 에서, 유입온도가 증가할수록 하부에서 상부로의 온도는 점진적으로 1차곡선에서 2차곡선 형태로 변화한다. 이것으로부터 유입온도와 실내공간의 온도구배 사이의 관계를 예측할 수 있는 것으로 판단된다.

Fig. 11 Temperature distribution from bottom to top of Fig. 10

Fig. 12에 유입온도가 실내온도보다 높은 경우 즉 50℃ 및 75℃인 경우 모든 유입속도에 따른 온도분포를 나타내었다. 그래프를 고찰하면 모든 유속 조건에서 75℃인 경우는 모든 유속 조건의 50℃의 경우보다 온도구배가 크다. 또한 50℃ 및 75℃ 조건 모두에서 유입속도가 증가할수록 온도구배는 감소한다. 이것으로부터 유입속도가 너무 크면 위치에 따라서 실내 난방에 오히려 역효과일 수 있는 것을 예상할 수 있다. 이것은 증가한 유입속도에 의해 실내의 고온 공기가 실내에 축적되지 못하고 유출구로 방출되기 때문인 것으로 예측 된다. 따라서 목표로 하는 실내의 온도 및 위치에최적인 유입속도의 크기를 고려해야 할 것으로 판단된다. 여기서 특히 50℃, 4.5m/s 조건의 경우실내 바닥의 온도가 중간 높이의 온도보다 더 높다. 이것은 비교적 낮은 유입온도에 비해 높은 유입속도로 인하여 상부의 열이 하부에 신속히 잘 전달되어지기 때문인 것으로 예상된다.

Fig. 12 Temperature distribution according to all inlet velocity in cases of 50℃, 75℃

유입속도 3.0m/s 및 유입온도 75℃ 경우의 높이에 따른 실내공간 단면의 온도형상을 Fig. 13에 나타내었다. 그림 내의 괄호 수치는 바닥으로부터의 높이를 나타낸다. 화살표 방향으로 높이가 높아질수록 온도 증가가 관측된다. 높이가 낮은 곳은 단면의 온도가 거의 균일하게 분포하지만 높이가 높아질수록 단면의 온도분포 차이는 커진다. 이것은 가열공기가 분출되는 유입구의 영향이 상부로 갈수록 많이 나타나기 때문이며 특히 벽면(그림에서 실내공간 단면의 우측)의 온도가 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 이것으로부터 본 해석대상과 같은 구조를 가진 실내공간에서 상부의 유입구로부터 실내로 들어온 가열공기는 천장에 이어 유입구의 맞은편 벽면부터 가열하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 유입구의 맞은편 벽면을 따라 유동이 하부로 흘러 실내 바닥을 가열시킬 것이라는 예측과 달리, 조건에 따라서 바닥에서 하부 약 1000mm 지점까지도 하부의 낮은 벽면(우측)의 온도는 하부의 다른 곳(좌측과 중앙)의 온도와 차이가 거의 없다. 따라서 태양열을 이용한 상부 주입식 가열공기 방법에 의해 난방을 할 경우 실내공간 전체가 아닌 일부 공간만 난방되는 염려가 있을 수 있기 때문에 유입온도뿐만 아니라 유입속도도 함께 고려해야 할 것으로 판단된다.

Fig. 13 Temperature contour of cross section of indoor space according to height in cases of 3.0m/s and 75℃

4. 결론

본 연구에서는 태양열 공기가열 집열기를 채택한 가정용 실내공간에 대해 수치해석을 통해 난방 시 실내공간의 열유동 특성에 관한 조사를 수행하였다.

수치해석 결과 유입속도가 증가할수록 실내 공간의 유동 거동이 단순해지는 경향이 있으며, 25 ∼75℃ 범위의 온도 조건은 실내공간 유동의 거동에 거의 영향을 미치지 못하였다. 또한 유입온도가 증가할수록 실내공간의 하부에서 상부로의 온도는 1차곡선에서 2차곡선 형태로 변화하였다. 증가한 유입속도에 의해 실내의 고온 공기가 실내에 축적되지 못하고 유출구로 방출되어 유입속도가 너무 크면 위치에 따라서 실내 난방에 오히려 역효과일 수 있음을 알 수 있었다. 조건에 따라서 바닥에서 하부 약 1000mm 지점까지도 하부 단면은 낮은 온도를 보이며 단면의 온도 차이도 거의 없는 경우가 있었다. 따라서 태양열을 이용한 상부 주입식 가열공기 방법에 의해 난방을 할 경 우, 조건에 따라서 실내공간 전체가 아닌 일부 공간만 난방될 수 있으므로 유입온도 및 유입속도를 함께 고려해야 하는 것을 나타내었다.