태양열을 이용한 온수, 난방 시스템은 가정에서 난방비 절약을 위한 보조 시스템으로 유용합니다. 태양열 집열판의 특징에 따라 종류가 나뉘며 효율과 비용이 달라지기 때문에 설치 시 비교해야 될 사항이 많습니다.
태양열 난방 원리
태양열 집열판에 햇빛이 도달하게 되면 집열판 내부에 태양 복사열이 흡수하게 되고 이 열 에너지가 흐르는 유체로 전달되어 물이 가열되는 원리입니다.
이렇게 가열된 물은 단열이 잘 되는 온수탱크로 들어가서 저장되고 차가운 물은 다시 동일한 방법을 거치는 순환과정이 태양열 난방 시스템의 작동 원리입니다.
물의 온도는 일반적으로 집열판 종류에 따라 60~90도씨로 가열할 수 있기 때문에 온수 및 난방 시스템에 사용할 수 있습니다.
태양광은 직접 전기를 생산하기 때문에 초기 비용이 높은 반면 태양열은 초기 비용이 낮은 대신 가정용 온수나 난방 시스템 전용으로 활용되는 특징이 있습니다.
가정용 온수 탱크는 100~300리터 용량이 일반적입니다. 대형 건물들의 경우에는 100리터 탱크 수를 늘려 필요한 만큼 온수, 난방 시스템을 만들 수 있습니다.
태양열 집열판 두 가지 타입
태양 복사열을 흡수하는 집열판은 평판형 수집기(FPC)와 진공관 집열기(ETC)로 2가지 타입이 있습니다.
1. 평판형 수집기(Flat Plate Collector, FPC)의 특징
일반적으로 사용되는 태양열 집열기로 햇빛으로부터 열교환을 하는 원리입니다. 즉, 집열판에 햇빛이 도달하면 복사열 에너지가 열로 변환되며, 그 원리로 집열기의 온도가 상승하여 특정 열전달 유체를 가열시키는 원리입니다.
그 열전달 유체는 수집기에서 온수 및 난방에 필요한 에너지를 전달함으로써 에너지 시스템으로써 작동을 합니다.
평판 수집기의 상세한 구성을 보면, 흡수판, 튜브(파이프), 단열재(글래이징 커버) 커버로 되어 있습니다. 구리박으로 만들어진 흡수판이 태양열을 흡수하고 이때 단열재가 열 손실을 최소화시킵니다. 최소화된 열 손실은 튜브 안에서 흐르는 열전달 유체를 가열시킬 수 있는 구성으로 되어 있습니다.
평판형 수집기는 다양한 패널이 있습니다.
- 글레이즈 패널(Glazed Panels) : 일반적으로 가정용 온수기에 사용되는 패널입니다.
- 언글레이즈 패널(Unglazed panels) : 일반적으로 온도 범위가 30도씨이기 때문에 수영장과 같은 곳의 난방 시스템으로 사용됩니다.
- 평행 흡수판(Parallel Absorbing Plate) : 일반 패널보다 많은 양의 열전달 유체를 사용할 수 있어 열을 분산시킬 수 있습니다.
결론적으로, 단순하게 모든 태양 복사열을 흡수하며 비용이 낮고 유지보수가 적은 것이 장점입니다. 시공 위치와 설치각도는 적도 방향으로 설치되지만 태양빛을 따라가는 불필요한 움직임이 없기 때문에 영구적으로 고정할 수 있습니다.
2. 진공관 집열기(ETC)의 특징
진공관 집열기 사용은 대표적으로 흐른 날씨가 많은 지역에 유리합니다. 특히 흡열관의 설치 각도는 태양과 직각으로 설치되기 때문에 아침이나 오후 등과 같이 태양이 낮을 때 구름 낀 흐린 날에도 효율적입니다.
일반적으로 평판형 수집기와 유사한 작동원리이지만 가열되는 과정은 다소 차이가 있습니다. 일반적으로 평판형 수집기 보다 비용이 다소 높지만 수명 및 시스템 효율이 높다고 알려져 있습니다.
평판형 수집기와 다른 차이점
이중 유리관으로 되어 있는 튜브 안에 태양 복사열이 들어오 때 튜브 안은 진공으로 형성되어 있기 때문에 그 진공상태는 훌륭한 단열재 역할을 합니다. 따라서 평판형 수집기보다 열손실을 최소화하고 높은 온도를 만들 수 있습니다.
진공관 집열기의 종류는 일반적으로 두 가지 유형입니다.
직접 흐름 진공관 태양열 집열기
- 유체가 직접 흐르는 방식이기 때문에 이중 유리관 튜브 하나당 유체의 입구부와 출구부로 구성된 U-파이프가 내장되어 있습니다.
히트파이프 진공관 태양열 집열기
- 진공으로 된 튜브 내부에 구리로 만들어진 히프 파이프가 있습니다. 그 히트 파이프 내부에는 알코올이나 작동 유체가 조금 들어가 있으며 진공상태로 밀봉되어 있습니다.
- 따라서 태양 복사열이 흡수되면 낮은 온도에서 가열되어 뜨거운 수증기 형태로 기화되어 히트 파이프 뜨겁게 가열시키는 특징이 있습니다.
평판형 수집기 vs 진공관 집열기 특징 비교
- 진공관 집열기가 평판형 수집기보다 열전달 효율이 더 높습니다. 따라서 진공관 집열기가 온수를 빠르게 가열할 수 있습니다.
- 초기 비용은 진공관 집열기가 더 높지만 열 교환기가 없기 때문에 시스템 효율이 높습니다.
- 최대 온수 온도는 일반적으로 평판형 집열기가 60도씨, 진공관 집열기는 90도씨로 알려져 있습니다.
- 진공관 집열기가 추운 날씨와 더불어 흐린 날씨에도 작동 효율이 높습니다.
결국, 설치 지역의 기후 조건과 지형 조건에 따라 태양열 집열판 타입을 고려하고 최적의 효율을 누릴 수 있는 적당한 시스템 크기를 선정하는 것이 단점을 피하는데 도움이 될 수 있을 것입니다.