이토 슈지(Ito Shuji) 도쿄가스(주) 솔루션기술부 공조기술 그룹

업무용 급탕 분야에서의 태양열 시스템의 도입 상황은 가정용 급탕 분야와 비교만 해봐도 그 수가 현저히 적을 정도로 매우 어려운 상황이다. 그 주된 원인은 다음의 몇 가지로 정의해볼 수 있다. 먼저 업무용 태양열 이용 급탕 시스템 상품이 적다. 또한 비용이 비싸 투자 회수가 어렵고, 보수비용을 포함한 유지비가 불명확하다. 게다가 개별 설계 대응으로 품질이 고르지 못하다.

일본의 도쿄가스는 지금까지 가정용 분야에서의 태양열 이용 가스 온수 시스템 ‘SOLAMO(솔라모)’의 판매를 비롯해, 업무용 분야에서도 2010년 6월 ‘소규모 업무용 태양열 이용 급탕 시스템’의 판매를 개시했다. 이로써 태양열 이용의 촉진과 더불어 태양열 에너지와 가스 에너지의 최상의 조화를 위해 노력해 왔다. 유닛 제휴형 업무용 태양열 이용 급탕 시스템(이하 본 시스템)에 대해서도 태양열 이용을 위한 대처방안의 일환으로 소규모 업무용 태양열 이용 급탕 시스템이 적용 가능한 설비부터 대규모 급탕 설비에 적용할 수 있는 설비에 이르기까지 야자키총업, 에너지어드밴스와 공동으로 개발했다. 본 시스템에 있어서는 위의 업무용 급탕 분야에서의 문제점을 고려해 가정용 상품을 업무용에 응용함으로써 그러한 문제 해결을 도모했다.

또한 본 시스템 개발에 있어서는 야자키총업이 가정용으로 판매하고 있는 상품을 업무용에 응용하는 기기 개발을, 에너지어드밴스 및 야자키총업이 시공 면의 개발을, 도쿄가스가 성능 시험을 담당해 초기 비용을 반감한 ‘업무용 전용 태양열 이용 급탕 시스템’을 콘셉트로 개발했다.

시스템의 구성

본 시스템은 그림 1에 나타냈듯이 옥상 등에 설치된 패널로부터 얻은 열로 축열부에서 급수를 예열하고, 이어서 희망하는 급탕 온도까지 업무용 가스 급탕 설비가 가열한다. 재생가능 에너지인 태양열을 우선적으로 이용하고, 기후나 급탕 부하에 의해 열이 부족할 때도 가스 기기가 이를 보충하기 때문에 온수 소진에 대한 불안도 없으며 편리성·쾌적성을 비롯해 환경까지 생각한 급탕 시스템이다.

본 시스템은 야자키총업이 개발한 2㎡ 규모의 집열기를 5장 늘어놓은 10㎡의 집열부와 200L 용량의 축열부 1대를 조합시켜 하나의 태양열 유닛으로 구성하고 있다. 집열기의 설치 가능 면적이나 사용자의 급탕 부하량에 따라서 10유닛(집열면적 100㎡, 용량 2,000L)까지 여러 태양열 유닛을 제휴해 접속할 수 있다. 6유닛을 설치했을 경우의 시스템 이미지 그림을 그림 2에 나타낸다.

초기 비용 저감과 가시화

지금까지 업무용 태양열을 이용한 급탕 시스템은 설치 장소에 맞춰 개별적으로 설계·시공하기 때문에, 집열 면적 당 기기 가격 및 설치비용이 비교적 비쌌다. 그래서 본 시스템은 태양열 유닛으로써 규격화와 수지제의 배관 이용을 통해 시스템 설계 비용을 삭감하고, 시공도 간소화 및 표준화 했다. 또한 집열부는 집열기의 경사 각도를 5°로 함으로써 설치 시의 풍압력을 저감시켰고, 기초 중량 경량화와 동시에 저렴한 고정방법을 사용했다. 뿐만 아니라 집열기와 가대를 공장에서 일체화시켜 4톤 트럭으로 30㎡ 규모의 집열부를 한 번에 옮김으로써 기기의 수송비를 절약했다. 축열부는 가정용 축열탱크와 같은 사이즈로 구성해 탱크의 반입 및 설치를 용이하게 했다. 이와 같은 방법들을 실현시켜 본 시스템은 기기 가격 및 설치비용을 포함한 설치 시의 초기 비용을 종래 시스템과 비교해 큰 폭으로 저감시킬 수 있었다.

본 시스템은 집열부 및 축열부를 공장에서 제작하기 때문에 높은 품질을 확보하고, 표준화 한 시공 방법에 의해 시공 품질도 안정화 시키고 있다. 또 최대 10대(100㎡)까지의 태양열 이용 상황을 정리해 하나로 표시할 수 있는 ‘에코모니터’를 옵션으로 준비해, 에너지 절약·CO2 저감 효과의 ‘가시화’를 실현했다.

시스템의 각 사양

집열부의 집열기 사양은 표 1과 같다. 집열기의 외관 사진을 사진 1에 나타낸다. 축열부의 축열탱크 사양은 표 2와 같다. 축열탱크의 외관 사진을 사진 2에 나타낸다. 에코 모니터의 사양은 표 3과 같다. 에코 모니터의 외관 사진을 사진 3에 나타낸다. 그 외에 본 시스템 전용인 급수 분류 헤더, 급수 수지관, 집열관의 사양을 표 4~6에 나타낸다.

시스템의 성능

급수 분류

최대 10대까지 축열탱크를 제휴했을 경우에 급수가 가능한 한 균등하게 흐를 필요가 있기 때문에 전용 급수 분류 헤더를 이용한다. 한편 축열탱크와 헤더 간의 수지 배관 연장 범위(제휴 대수 10대인 경우, 최소 1.5m, 최대 7.0m)를 정하고 있다. 축열탱크 10대를 제휴시켰을 때의 급수 수지관을 이용한 급수 분류 헤더부 접속 상황을 사진 4에 나타낸다.

열매 순환

경사면 일사량과 열매 순환 유량의 관계를 그림 3에 나타낸다. 열매 순환 유량은 200W 전후의 경사면 일사량이 있으면 6L/min 전후로 대체로 일정하다. 집열 성능 시험은 2010년 8월 28일부터 2010년 9월 29일까지 23일간 실시했다. 성능 시험 기간 23일간에 있어서의 순환 펌프 소비 전력량을 포함한 축열탱크 소비 전력량은 0.4kWh/일이었다.

유효 집열 효율에 대해

축열탱크 내의 온도가 40℃ 전후가 되도록 급탕 부하를 주고, 야간에 축열탱크 내의 축열을 다 사용하도록 급탕 부하를 주었을 경우의 유효 집열 효율(유효 집열 효율=태양열 이용 열량/일 경사면 일사량)을 그림 4에 나타낸다. 이 때 일 경사면 일사량은 15MJ/㎡ 이상으로, 유효 집열 효율이 대체로 40% 이상이 된다. 또한 업무용 급탕에 대해서는 일반적으로 가정용과는 달리 주간에도 상당한 양의 더운 물을 사용하기 때문에, 축열탱크 내의 온도가 고온이 되지 않는다고 상정해 이번 시험과 같은 급탕 부하를 주었다.

태양열 이용 열량에 대해서

집열면적 10㎡와 축열탱크 용량 200L의 조합에 있어서 위와 같은 급탕 부하를 주었을 때의 일일 태양열 이용 열량과 주간 급탕량의 관계를 그림 5에 나타낸다. 급수 온도 20℃, 축열탱크 내 최고 온도 60℃일 때 200L 축열탱크에는 약 33.5MJ의 축열이 가능하지만, 주간에 약 1,500L 이상의 급탕량이 있으면 그 3배 정도 약 100MJ의 태양열 이용이 가능해진다.

월별 태양열 이용 열량에 대해서

그림 4에 따른 유효 집열 효율과 일일 경사면 일사량의 관계에 대한 근사식을 이용하고, 2009년도, 2010년도 기상청 수평면 일사량 ‘도쿄 지구’를 바탕으로 계산한 월별 태양열 이용 열량을 그림 6, 그림 7에 나타낸다. 해에 따라서 다르지만 대체로 4~9월에는 월별 태양열 이용 열량이 많고, 10~3월까지는 적다.

연간 태양열 이용 열량과 에너지 절약 효과에 대해서

본 시스템은 하나의 유닛 당 연간 태양열 이용 열량이 16GJ(계산치), 연간 CO2 삭감량이 약 0.95톤이라고 내다보고 있다. 또한 연간 급탕 부하량이 503GJ(총 바닥 면적 3,000㎡ 정도의 병원을 상정)이고 태양열 유닛을 6유닛 도입한 경우, 약 18%의 에너지 절약 효과가 있고 더불어 CO2 배출량을 연간 약 5.7톤 삭감시킬 수 있다. 유닛 설치 수는 연간 급탕용 가스 사용량, 급탕 부하 열량과 주간의 급탕 부하 비율 등을 고려한 후, 에너지 절약률 10~20%, 유효 집열 효율 40% 전후를 목표로 정한다.

설치 시공에 대해서

반송성과 반입성의 향상

본 시스템에서는 그림 8과 같이, 집열기 설치 각도를 5°로 해 가대와 일체형으로 함으로써, 집열기와 축열탱크를 3세트, 1대의 전용 트럭으로 수송하는 것이 가능해져, 반송성을 향상시키고 있다. 또, 전용 트럭으로부터 집열기를 직접 크레인에 매달아 올릴 수 있도록 하고 있어, 설치 현장에 있어서의 반입성을 향상시키고 있다.

풍압력의 저감과 집열기 고정 방법

본 시스템에서는 집열기의 설치 각도를 5°로 하고 있기 때문에 풍압력을 저감시킬 수 있다. 지표면 조도 구분Ⅱ의 기준 풍속 38m/s로, 건물 높이 50m까지 설치가 가능해지고 있다. 집열기의 설치에 관해서는, 기초 콘크리트 강도가 1,000N/㎠ 이상이 되어 있으면 특별한 기초를 마련할 필요는 없다. 또한, 방수 보호의 기초 석탄재 콘크리트여도 기준 강도를 만족시키는 한편,길이 50mm 이상의 앵커를 칠 수 있다면 설치 가능하다.

축열탱크에 대해서는 기초 설치가 필요하지만, 수평 진도 1.0G까지 견딜 수 있는 사양으로 되어 있다. 또한, 설비 기기의 중요도는 일반 기기로 상정하고 있다.

축열탱크의 설치 위치와 급수 접속에 대해서

축열탱크는 주로 옥상에 설치하는 것을 상정하고 있지만, 소형이기 때문에 크레인을 사용하지 않아도 반입이 가능하다. 또한 축열탱크가 지상에 설치되었을 경우에도 집열기와의 높낮이 차이가 9m까지면 설치가 가능하다. 또 급수 분류를 위해서 축열탱크에 감압 역지 밸브를 탑재하고 있지 않아 급수 인증을 취득하지 않았기 때문에 원칙적으로 직결 급수는 할 수 없다. 단, 감압 역지 밸브를 탑재하지 않은 축열탱크 외에는 가정용으로 이용되고 있는 제품과 동등한 제품이며, 축열탱크의 품질은 확보되어 있다.

태양열 에너지 이용 확대에 힘쓸 것

도쿄가스에서는 설치 제약은 다소 있지만 저비용의 업무용 태양열 급탕 시스템을 개발할 수 있었다. 기초 사양 등에 따라서 설치비용도 변하지만, 대체로 6유닛 이상이 되면 저비용의 효과를 더욱 발휘할 수 있다. 앞으로도 보다 더 낮은 비용으로 시공성이 좋은 태양열 이용 급탕 시스템의 개발에 노력함과 동시에, 규모가 큰 태양열 이용 급탕 시스템의 개발에도 몰두해 나갈 것이다. 또한 ‘솔라에너지 이용 추진 포럼(1)’이나 ‘솔라시스템 진흥협회’등과 제휴해 태양열 에너지의 이용 확대를 도모해, 저탄소 사회의 실현에 공헌해 나가고 싶다.

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