양열 주 (Solar House)elearning.kocw.net/contents4/document/lec/2013/Chungang/Leeyongkwang/8.p… · 3) 투명 덮개 : 집열기 내에 열을 받아 들이는 곳에 빛의 단파장에

태양열 주택(Solar House)

1. 태양열 주택의 역사

• “태양광선으로부터 직접 열을 얻기 위해 커다란 남향의 창문들을 지닌 건물”로 묘사한 시카고의 신문기사에서 처음 사용

• 1920년대에 미국 등 여러 지역에서 건축에 적용

• 1930년대 처음으로 주택난방에 이용

• 1933년 시카고 박람회에 선보인 크리스탈 하우스

• 최초의 액체식 집열기와 축열장치를 이용한 설비형 태양열 주택 : MIT에 의해 1938~1961년까지 4동이 건립

1.1 소크라테스(469~399 BC)의 태양열 주택 개념도

• 여름철에는 남측면의 태양열 완전히 차단

겨울철에는 최대한 태양열을 사용하는 태양열 주택 개념을 고안

출처 : 건축환경공학; 김재수저; 서우; 2008; p 250

1.2 솔트박스(Salt Box)

• 뉴 잉글랜드의 혹독한 기후조건에 적합하게 설계

• 특징 - 열원이 실내에 위치 : 취사 및 난방에 사용되고 남은 열을 이용 커

다란 스토브와 벽난로를 주거의 중앙에 설치

- 외부의 노출 표면적 최소화

- 효율적인 단열재 사용

- 건물 틈새바람 차단

- 북쪽 지붕의 경사면을 지표면 가까이 까지

- 냉기에 면하는 면적 최소화


1.3 Crystal House

• 1933년 시카고 박람회에서 제시

• Jeorge와 William Keck

• 현대적인 건물에 태양열 시스템을 최초로 적용한 건물

• 온실형의 원리를 이용


1.4 MIT 태양열 주택

• 1939년 MIT I으로 시작

• 1961년 MIT IV : 최초의 액체식 집열기와 축열장치 이용한 설비형 태양열 주택

• 2002년 제안된 MIT VI : 태양열 집열기, 태양전지, 재생에너지 등을 이용한 지속가능한 건축의 개념이 도입된 새로운 형태의 태양열 주택 제안

2. 태양열 주택의 기본원리

• 기본 시스템 구성

- 집열부(Collector Element)

- 축열부(Thermal Storage)

- 이용부(Use Element)


• 태양열 주택의 열전달 방법에 의한 분류

① 자연형 태양열 주택(Passive Solar House) : 열전달을 전도, 대류, 복사에 의한 자연적인 방법으로 전달

② 설비형 태양열 주택(Active Solar House) : 펌프, 송풍기 등과 같은 기계장치를 사용한 강제 순환방식 이용

③ 혼합형 태양열 주택(Hybrid Solar House) : 자연형 주택이지만 설비형인 기계적인 순환방식을 이용

3. 자연형 태양열 주택 (Passive Solar House)

• 자연형 태양열 주택의 구성요소

① 집열부 : 남쪽면에 위치한 투명한 유리 등이 태양열을 실내로 도입

② 축열부 : 물, 벽돌, 콘크리트와 같은 재료들이 열 저장

③ 이용부 : 열 분배 – 전도, 대류, 복사에 의함

열 조절 – 통기구, 환기구, 차양장치, 가동단열장치 등

• 자연형 태양열 주택은 주로 난방위해 사용

여름철 과열 방지하고 냉방효과를 도모할 방법 강구해야 함.

- 자연냉방방식 : 자연통풍, 구조체에 의한 냉각효과, 주야간 개구부 개폐, 냉각 공기의 유입, 실내공기의 야간 냉방, 지중냉각, 증발효과 등

• 자연형 태양열 시스템의 분류

출처 : 자연과 함께하는 건축; 김자경저; 시공문화사; 2008

• 자연형 태양열 주택의 장점

- 난방비용을 절약할 수 있으며 초기설계 및 시공을 제외하고 추가비용이 없다.

- 디자인, 조작 및 보수관리가 간단

- 신뢰도가 우수, 반영구적

• 단점

- 온도조절이 어렵다.

- 실의 배치에 제약

- 축열벽 방식의 경우 외관에 제약

- 남향으로 건물을 배치

- 태양광선을 차단시키는 방해물이 없어야 한다.

3.1 직접획득방식

• 태양빛이 직접 유리를 통과하여 거주 공간으로 입사함으로써 열을 획득하는 방식

• 실내공간은 태양열 집열부로서 추운 겨울 야간에 필요한 열을 낮에 흡수하고 축열하는 기능

• 실내공간 자체가 집열부, 축열부 및 방열기의 역할

• 남면 유리창의 위치와 크기에 대응할 수 있도록 축열부의 용량과 배치를 고려


• 집열용 유리창 : 겨울에 최대, 여름에 최소의 일사가 실내에 유입되게 남향배치

• 겨울철 야간에 필요한 열을 축적하기 위해 바닥, 벽에 열용량이 큰 재료 사용 콘크리트, 콘크리트 블록, 벽돌, 돌, 어도우비 벽돌 등

• 여름철 : 실내과열을 방지하기 위해 차양 설치, 통풍과 환기를 유도

3.2 축열벽 방식(Trombe Wall)

• 겨울에 일사를 최대로 취득할 수 있도록 남면에 큰 유리창을 설치하고, 유리면에서 10cm 이상 떨어진 곳에 축열 및 방열용 벽을 설치

1) 축열제의 종류

• 콘크리트, 콘크리트 블록, 벽돌, 돌, 어도우비 벽돌, 물(방수된 금속, 플라스틱, 콘크리트 용기에 밀폐해서 사용)

• 일반적으로 크기가 같고 축열용량도 같다면 물벽이 조적식 축열벽보다 약간 더 효율적

• 축열벽의 전면 : 겨울철 야간의 차가운 외기나 여름철 주간의 뜨거운 복사열이 실내로 유입되는 것을 막기 위해 가동 단열막을 설치하거나 이중유리로 함



2) 축열벽 방식에 사용되는 단열장치

① 가동 단열장치(Insulation Shutter)

• 낮동안에 획득한 열을 유리나 플라스틱 창은 야간을 통해 손실하기 때문에 이러한 열손실을 방지하기 위해 필요


② Skylids

• 프레온 가스로 움직이는 가동 루버시스템

• 경사창이나 천창에 사용

• 햇빛이 비추면 자동적으로 개폐


③ Bead Wall

• 유리 중공층에 발포플라스틱 가루와 같은 단열재 입자를 채워 사용

• 유리층의 간격 : 약 7~8cm


3.3 부착온실방식

• 열이동 및 조절방식은 축열벽식과 동일

• 온실을 건물의 남측에 배치

• 온실과 건물 본체 사이에 두꺼운 축열벽을 설치

• 축열벽 방식을 확대한 것으로 유리면과 축열벽 사이의 좁은 공기층을 식물이 성장할 수 있도록 넓게 확장시킨 것

• 겨울철 효율 : 약 65~75%

인접공간에 공급되는 열 : 온실에서 얻은 열의 10~30%


3.4 축열지붕방식

• 난방과 냉방에 모두 이용가능

• 건물과 완전히 일체화, 독립적으로 건물 외부지상에 설치

• 냉방부하가 주요 설계조건이거나 여름철 야간 온도가 주간온도보다 현저히 낮은 지역에 적합

• 주거공간의 온도변화를 적게 할 수 있고 냉방에도 유효

• 천장부위의 축열 면적이 바닥면적의 50% 정도가 필요

• 단층지붕에만 적용, 하중이 증가하는 문제


3.5 자연대류방식

• 평판형 집열기와 축열조로 구성

• 열매체 : 공기, 물이 이용

공기의 경우 축열을 위해 암상(Rock Bed)을 이용


3.6 조합식

• 필요한 것만을 선택하여 조합하는 방식

• 에너지 효율 및 공간 활용면에서 효과적


설비형 태양열 시스템

1. 설비형 시스템의 원리 및 구성

• 설비형 시스템은 태양열 에너지를 흡수하여 분배하는데 별도의 설비를 이용하는 시스템

• 설비형 시스템의 구성요소

- 집열부

- 축열부

- 이용부

- 기타 : 순환시설, 보조열원, 제어장치

• 집열기로 얻는 열량과 건물의 난방부하 및 기타 열부하가 평형상태가 되도록 기계적인 장치를 이용

설비형 태양열 주택의 장단점

• 장점

- 높은 온도 획득이 가능

- 자연형에 비해 실의 배치가 자유롭다.

- 집열효과가 뛰어나 자연형에 비해 열의 분배가 자유롭다.

• 단점

- 건축물의 지붕외관을 결정해 버린다.

- 집열부 하부의 공간형태가 결정되어 공간의 이용면에서 불리

- 설비요소가 많아 설치와 유지에 많은 비용이 소요

2. 태양열 집열기(Solar collector)

• 집열기는 입사되는 일사를 집열기 표면에 흡수시켜 열이나 전기에너지로 변환시키는 역할

• 집열기의 구성요소

- 덮개/흡수체/에너지 순환장치/절연체

• 덮개는 열흡수면의 복사와 대류에 의한 열손실을 최소화하기 위해 사용 투명한 유리, 플라스틱을 사용

• 집열기는 태양광선에 수직인 경우 가장 효율적

• 흡수체는 일사 흡수율이 높고 방사율이 낮은 재료를 사용

- 열매체로서 가스나 액체를 사용하는 경우 : 열전도율이 좋은 것을 사용

2.1 평판형 집열기 • 집열기들 중 비교적 단순한 형태

• 가장 널리 사용됨 : 조립 및 설치 관리에 소요되는 비용이 저렴, 건물형태와 잘 조화를 시킬 수 있는 구조

• 기본구조 1) 열 흡수판 : 금속판으로 열 흡수를 증진시키기 위하여 검게 칠을 한 열 전도성이 뛰어난 재료를 사용 - 블랙크롬 도금(흡수율 95% , 방사율 11%)을 한 동판 사용 2) 단열 : 집열기의 열 손실을 최소화 하기 위하여 집열기 뒷면에 단열재를 부착 - 폴리우레탄 폼을 사용 3) 투명 덮개 : 집열기 내에 열을 받아 들이는 곳에 빛의 단파장에 투과성이 좋으면서 장파장은 투과시키지 않는 재료를 사용하여 덮개를 설치 - 보통 유리나 투명 플라스틱 판을 사용

- 외부의 충격에도 쉽게 깨지지 않게 강화유리를 사용

- 내부에 테프론 필름을 사용하여 효과적으로 외부로 빠져 나가는 열을 차단

• 평판형 집열기의 종류

1) 개방 유하식 : 단점으로는 동결의 위험, 고온을 얻기 어려운 점

2) 공기식 집열기 • 장점

- 액체식 집열기에서 생기는 동결문제를 해결

- 유지비가 적게 든다.

- 데워진 공기는 집열기에서 직접 주거공간으로 혹은 저장조로 운반될 수 있어 열전달 매체가 따로 필요하지 않다.

• 단점

- 공기로부터 온수로의 열전달 효율 이 낮다.

- 비교적 큰 크기의 덕트가 필요

- 집열기와 축열조 사이의 공기 운송을 위해 전력이 필요


3) 액체식 집열기

• 대부분의 집열기는 열 운송 매체로서 물이나 부동액을 사용


2.2 집광형 태양열 집열기

• 집광형 집열기는 곡면의 반사판, 다점 표적용(multi-point target) 반사판을 튜브나 한 점(면)의 작은 표면에 일사를 집중시키기 위해 사용

• 태양 복사열의 대부분을 직달 일사에 의해 얻게 되므로 구름 낀 날이나 흐린 날에는 작동할 수 없고 비교적 맑은 날이 많은 지역에 유리

• 평판형 집열기에 비해 2배 이상의 높은 온도를 획득

• 평판형 집열기보다 반사면의 유지.관리상의 문제가 있고 비용이 많이 든다.

• 집광형 집열기의 종류

1) 선형 집열기

• 파이프 혹은 튜브형 흡수체에 일사가 모이도록 한 방향으로 만곡시킨 반사판을 갖는 형태의 집열기

2) 반구형 집광형 집열기

• 표면적에 일사를 모으기 위해 접시형태나 반구형의 반사판을 갖는 집열기

• 고온을 요하는 곳에 사용하기에 유리

3. 축열조(Storage) • 낮동안에 남는 열을 저장할 수 있게 하는 장치

- 저녁이나 흐린 날이 계속될 때에도 필요한 에너지를 공급할 수 있게 열 저장소를 따로 설치

• 단순한 벽돌이나 온수 저장 탱크, 또는 화학 상변화 물질, 배터리에 이르기까지 다양

출처 : 건축환경공학; 김재수저; 서우; 2008

3.1 현열 저장

1) 암상 축열조

• 온풍식 평판형 집열기와 가장 자주 연관을 갖는 일반적인 열저장 방법

• 단열된 저장용기에 담은 자갈이나 암석들은 계속되는 흐린 날에 열을 공급하기에 충분한 열용량을 갖는다.

2) 물 축열조

3.2 잠열 축열 저장(latent heat storage)

• 상변화 혹은 화학적 반응과 연루된 융해열이나 증발열의 이용은 적은 체적으로 상당한 열량을 저장할 수 있다.

• 많은 이점이 있지만 아직까지 신뢰성 있는 축열방법 개발되지 않고 있다.

– 염류 수화물(salt hydrates)

– 파라핀

4. 분배장치(Distributor)

• 집열기및 축열장치로부터 공급된 에너지를 주택내 각 소비처에 분배하는 장치

• 덕트나 파이프에 의해 온풍이나 온수를 공급하기도 하고 전선을 통해 전기를 공급하는 등의 장치

• 태양열에 의한 축열조의 온도가 비교적 낮기에 분배 덕트와 환기구는 일반적인 냉난방 시스템에서 보다 더 커야만 한다.


5. 보조열원장치(Auxiliary Energy)

• 태양열 시스템의 고장이나 효과적으로 기능을 수행할 수 없는 상황에도 주택의 에너지 공급에 차질이 없게 주택의 전체 에너지 공급 용량에 맞는 보조 열원을 갖추어야 한다.

• 보조열원으로서는 풍력 시스템이나 가스공급설비, 발전설비 등으로 태양열 시스템과 연계하여 사용할 수 있게 설계하는 것이 바람직

6. 제어장치(Control)

• 제어장치는 시스템이 효율적으로 작동될 수 있게 작동상태를 감지하고, 평가하고, 수정 및 반응하여 시스템을 보호하는 기능

7. 설비형 태양열 주택의 종류

7.1 온수식 평판형 시스템 • 열전달과 저장매체로서 물을 사용하는 시스템으로 가장 많이 이

용됨

• 구성

- 집열기 : 액체식 평판 집열기는 일사(직달일사,확산일사)를 집열하는 흡수판(보통 동판에 블랙크롬 선택흡수막처리)에 액체 운송관이 일체화

- 축열장치 : 열손실을 최소화 하기 위하여 단열처리된 콘크리트나 철재, 스테인레스, F.R.P. 등을 사용

축열조 내부는 누수방지처리가 되어 있고, 내구성이 높은 재료를 사용

- 분배 시스템 : 더워진 물을 주거 공간으로 전달하는 펌프와 파이프로 구성

- 보조 열원 : 집열기가 역할을 할 수 없을 때를 대비하여 가스 보일러를 설치하거나 전기 히터 등을 설치

• 장점 작동여부를 반복적으로 점검하는 것이 가능 값싸고 효율적인 열전달, 저장매체 사용(물 사용) 배관 면적이 작고, 배관이 쉽다(온풍식에 비해). 열교환 면적이 적다(온풍식에 비해).

• 단점 높은 초기 투자비가 요구됨 손상 및 막힘을 야기하는 부식, 찌꺼기, 동결 등에 세심한 주의가 필요 누수 발생시 시스템 및 주택의 손실이 크다. 물탱크 누수시 온수 공급라인 오염 가능성(크로스 커넥션 발생)

2) 온수식 집광형 시스템 • 구성

선형 집광식 집열기 : 열 흡수 파이프는 대류와 복사에 의한 열 손실을 줄이기 위해 흑색의 강관을 유리관 속에 두고 그 사이를 진공으로 한다.

• 복사열을 파이프 주위에 U자형 반사거울에 의해 열 흡수체에 모아지게 된다.

• 장점 공기식.온수식 평판 집열기 온도의 2배 이상의 잠재력을 갖고 있음 필요한 열 흡수 면적이 평판형에 비하여 상당히 작다. 집열기 형태는 대량 집열에 적합하다.

• 단점 집열기의 투자 비용이 비싸다. 집열기 운전, 반사면 내구성, 설치상 구조적 문제점 등이 있다. 유연성이 있는 열 흡수관과의 연결부위의 누수가 발생할 수 있다.

3) 온풍식 평판형 시스템 • 열전달 매체가 공기 • 구성 - 공기식 평판 집열기 : 열 흡수면에서 공기를 데운다. - 축열장치 : 축열 매체로는 물을 이용하기도 하지만 일반적으로 암석을

많이 이용한다. - 운송 및 분배 : 각 방으로 운송되는 따뜻한 공기는 집열기로부터 직접

운송되거나 축열조에서 공급된다. 집열기에서 축열조로 보내는 공기의 이동 덕트는 액체식 집열기에 비해 많은 면적을 차지한다.

• 장점 온수 시스템에 비해 투자 비용이 적다. 부식, 녹, 동결, 스케일 등이 발생하지 않는다. 공기의 누출은 누수에 비해 심각한 결과를 초래하지 않는다. 온수식 시스템의 저장조 누수와 같은 온수 오염이 없다.

• 단점 덕트의 용량이 커서 많은 면적을 차지한다. 공기 운송시 열손실이 많이 생길 우려가 있다.

단열재가 많이 소요된다. 자갈이나 공기 덕트에 먼지가 쌓일 우려가 있으므로 자주 청소를 해 주어야 한다. 액체시스템보다 큰 열교환 면적이 필요로 한다.

8. 태양열 급탕 이용

• 주택에서 공동주택, 학교 급식용, 수영장, 대중목욕탕, 호텔, 병원의 급탕 등 다양하게 이용

• 일반 가정에서 태양열 온수기의 용도는 주로 욕탕을 위한 것 저탕량은 200리터를 표준


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양열 주 (Solar House)elearning.kocw.net/contents4/document/lec/2013/Chungang/Leeyongkwang/8.p… · 3) 투명 덮개 : 집열기 내에 열을 받아 들이는 곳에 빛의 단파장에