축열의 설계 및 고려사항

축열은 건물을 가열하며 주거지를 데우거나 물을 공급하는데 이용되는 열저장에 관한 것을 언급합니다. 에너지의 약 80%가 이 목적을 위해서 건물에 쓰입니다. 여기서는 건물구조의 전부분이 아닌 물체에서 열저장에 초점을 맞춥니다. 

이글에서 축열의 설계 및 고려사항에 대해 소개합니다. 

 

한계용량 냉난방 기구

한계용량 냉난방기구는 냉난방 기구의 용량을 초과하는 순간적 냉난방 요구량의 응용기구도 포함합니다. 이러한 경우 열저장은 최고요구치를 만족시키기 위해 한계용얄 냉난방기구와 병행해서 사용됩니다.  

 

저가에너지

저가에너지의 이용성은 종종 필요에 부합되지 않습니다. 열저장은 저가에너지로 충전될 수 있습니다. 그것이 필요할 때, 그리고 나중에 저장에너지가 필요할 때 방전 될 수 있습니다. 재래식 난방이나 냉방기구는 저장에너지를 늘리는 데 사용될 것입니다. 냉동장비의 폐열은 물을 데우는데 쓸모가 있습니다. 왜냐하면 뜨거운 물을 데우는 요구량은 폐열의 이용과는 부합되지 않습니다. 폐열저장소가 필요하기 때문입니다. 

 

응용

● 한계용량장치: 열저장장치의 가장 널리 쓰이는 것은 전기저항 수형 저장형태일 것입니다. 물탱크는 전지저항에 의해 가열되나 저항은 뜨거운 물에 요구되는 최고의 열을 얻는데 충분한 용량이 아닙니다. 그렇지만 충분히 뜨거운 물은 고열의 요구가 발생할 때 저장되어야 하고 이 요구는 만족할 만한 충분히 뜨거운 물이어야 합니다. 접합에서 보통냉각에 이용되고, 근복적으로 비용을 절감할 수 있는 작은 에어컨과 접합된 열저장을 이용함으로써 현실화되었습니다. 그런 절약은 방에 기계를 가공함으로써 얻어지고 밤에 더 낮은 열분출온도는 압축기가 같은 양의 냉각을 하는 것보다 더 작은 일을 합니다. 낮동안 냉각의 필요성이 더 커지므로 냉각기는 낮동안 쓸 수 있게 저장해야만 하므로 방에 생산됩니다. 냉수저장기, 얼음저장기, 위사변환물질이 건물에서 냉기저장을 위하여 그 사용이 증가합니다. 

 

● off-peak power: off-peak power에 의해 생성된 온기의 저장은 결과적으로 설치비를 감소시킬 수 있습니다. off-peak power는 종종 보통전력보다 상당히 싼 가격에서 이용될 수 있습니다. 에너지 저온은 소비자에게 off-peak power의 이용에서 얻어지는 축척이 현실화되지 않고 off-peak power가 사용되지 않을 때 낮시간에 그들의 욕구를 충족시킵니다. off-peak power는 주거지 온수에 널리 이용되고 난방과 냉방의 덜 사용에 이용됩니다. 

 

● 폐열: 열 저장기 없이 폐열을 이용하는 것은 불가능합니다. 왜냐하면 폐열은 종종 난방이거나 물을 공급하는 데 사용될 수 있습니다. 급격히 성장하는 폐열의 회복은 에어컨에서 압축기에 놓인 냉방기에서의 열변환이었습니다. 건물의 외관이나 구조는 저장할 수 있는 열저장이 너무 작아서 걱정할 필요도 없는 낮은 물체입니다. 나무틀 건물이 낮은 구조의 한 예입니다. 열 저장이 여름 동안 냉기를 저장하고 겨울 동안 열을 저장할 수 있도록 건물 내부에 설치될 수 있습니다. 저장실은 여름에 밤시간의 통기, 증발냉기, 야간 기계적 냉방에 의해 냉각될 수 있습니다. 겨울 동안 저장실은 건물의 자연적 수용에 의해 가열될 수 있습니다. 

 

● 인공적 태양열 저장: 열저장은 난수와 공간난방시스템의 주요한 부분입니다. 내양열은 낮에 저장되고 필요한 밤에 내어놓습니다. 상업적 응용도 비슷합니다. 

 

주된 설계고려사항

열에너지의 속성은 저장될 수 있습니다. 저장에너지는 그것이 필요할 때 충분한 온도에서 애용될 수 있어야 합니다. 

 

● 저장기의 적합성: 어떤 열 저장기의 재료는 주어진 열저장 역할을 위한 다른 것보다 더 적합해야 합니다. 예를 들어, 65℃의 온도변화를 가진 위상변환물질(PCM)은 자연적 냉난방에는 부적합합니다. 왜냐하면 저장을 위한 온도는 그렇게 높지 않기 때문입니다.     

 

● 저장기에서 열 요소를 증가시키는 것: 열 저장기보다 훨씬 높은 온도를 가진, 저장기의 온도에 가까운 열원보다 더 빠른 저장기의 열원은 포기해야 합니다. 비슷한 결과가 냉저장기에도 일어납니다. 필요한 에너지와 저장된 에너지의 온도차가 더 클수록 필요한 에너지는 더 줄어듭니다. 

 

● 보조 냉난방 시스템의 공유: 모든 조건에서 전부하를 다루기 위해 저장시스템을 크게 하는 것은 비경제적입니다. 보조시스템의 형태는 저장시스템을 도우는데 필요합니다. 두 시스템은 열 저장기가 처음 전부하를 만족할 수 있도록 구성되어야 합니다. 열 저장기의 에너지는 이런 점에서 고갈되어 왔으며 그것은 보조시스템이 저장기로부터 열의 흐름을 고양시키는 것보다는 혼자서는 더 이상 유용하지 않습니다. 열 저장기가 완전히 고갈되면 보조시스템이 전부하를 가동할 수 있습니다. 

 

● off-peak에서 얻어진 열에너지와 태양에너지 같은 열이 저장될 때 태양열은 off-peak power에 의한 열과 분리될 수 있습니다. 그들이 분리되면 전열기, 일반적으로 off-peak저장에 사용되는 태양열 집열기의 적은 열보다 더 높은 온도의 저장 에너지를 가열할 수 있습니다. 

 

● 보통의 에너지 비용은 시간에 따라 변하지 않습니다. 저장기와 보조시스템은 더 비싼 연료보다도 상대적으로 싼 저장에너지를 소비하도록 되어야 합니다. 이것은 보통의 연료가 시간에 따라 그 가격이 변할 때 최선의 것은 아닙니다. 

 

● 저장기의 내구성: 냉난방기의 저장하는 것의 내구성은 중요한 인자입니다. 현재에 열 저장기는 종종 여러 시간과 여러 날의 내구성을 요하는 데에 사용됩니다.  

 

● 열전도액의 선택: 다른 인자가 같다고 할 때 같은 열을 전송하는데 공기보다 물이 더 적은 에너지가 필요합니다. 즉 물을 움직이기 위해 사용하는 분무에너지는 공기의 같은 양의 열을 이동하는데 드는 팬의 일부분이 된다는 것입니다. 종종 분무비용 외의 인자가 사용되는 액을 정합니다. 

 

열저장물질의 특성

열저장물질의 친열성 저장물질과 위상변환물질로 나눌 수 있을 것입니다. 친열성물질(물, 바위)은 열을 가하고 제거함으로써 온도를 변화시킵니다. 그러나 물리적 상태는 변하지 않습니다. 위상변화물질은 그들의 냉난방 주기를 넘어선 열을 가하고 제거함으로써 온도를 변화시킵니다. 그러나 그들이 위상을 바꾸는 온도에는 온도변화 없이 열을 가하고 제거할 수 있습니다. 

 

민감성 열저장물질

물, 바위 둘 다 민감성 열 저장물질입니다. 물은 탱크, 동굴, 연못에 담깁니다. 바위는 종종 자갈모양으로 사용됩니다. 열은 물이 액체일 때 가하고 제거하며 바위가 고체일 때 가하고 제거합니다. 몇몇 시스템의 형태는 열을 저장하는 물을 열전이용액으로 사용할 수 있습니다. 이것은 열변환의 비용과 비효율성을 배제합니다. 물이 열저장에 사용되며, 열 요소는 공급과 탱크로 돌아가는 위치는 선택으로 첨가될 수 있습니다. 전체 탱크의 섞임을 최소화하는 분리자나, diaphragms, buffles, 분리탱크, 복합탱크를 사용함으로써 높이 및 너비가 높은 용기는 충형성을 높이는데 유리합니다. 

 

물은 자갈보다 높은 열 저장력을 가집니다. 그래서 주어진 양의 열을 저장하는데 필요한 물의 양은 필요한 자갈의 1/3이 됩니다. 

 

공기가 자갈층에 열을 전하고 제거하는 전이제로 쓰이면 열변환기는 필요 없을 것입니다. 

 

자갈이 열 저장기에 쓰이면 온도 요소는 쉽게 개발되고, 공기를 한 방향으로 옮겨서 자갈층에 열을 전하고 다른 방향으로 열을 뺏은 것은 보전될 수 있습니다. 상호접근방식은 오직 한 방향의 충방전을 포함합니다. 한방향전송은 자갈층에서의 열의 이용량을 줄이고 결과적으로 최근에 가열된 열을 이용하려면 상당히 큰 통이 자갈층에 필요할 것입니다. 

 

상 변환재료

물은 종종 건물을 냉각시키기 위한 열저장매개물로 쓰입니다. 만약에 물이 어느 점으로 냉각되면 물은 위상이 변하여 얼음이 됩니다. 또 물이 어는점에 도달하면 온도가 더 떨어지기 전에 고체가 될 때까지 열이 제거됩니다. 열저장이용의 변화에 적합한 온도에 위상이 변하는 위상변환물질(PCM)은 위상변환점을 관통하므로 그것은 일정한 온도에서 계속 열을 저장함으로 같은 부피의 물이나 자갈보다 더 많은 열을 저장합니다. 그러므로 같은 양의 유용한 열을 얻기 위하여 친열저장용기를 선택하는 것보다는 공간이 적게 드는 위상변환시스템이 선택될 것입니다. 태양집열기의 효율은 집전기와 주위온도의 차이에 의존합니다. 집열기가 다루어야 할 온도가 낮을수록 효율은 더 커집니다. 만약에 층화를 증가시키지 못해서 친열저장기가 일정한 온도라면 그들이 층저장기로 연결된 것보다도 비효율적으로 집열기가 작동될 것입니다. 위상변환점에서 오랫동안 위상변환물질(PCM)이 열을 흡수하므로 열을 위상변환물질로 전달하는 태양집열기는 종종 동일한 온도에서 열을 진열저장기로 옮기는 것보다 더 효율적으로 할 수 있습니다.   

 

시스템 크기산정

시간을 초과한 부하변화는 이미 알려져 있거나 계산되어 있습니다. 에너지의 부하를 충족시키기 위해 필요한 온도대를 알아야 합니다. 열에서의 온도대와 저장기에서 유용한 열량의 계산이 필요합니다. 거주지나 상업시설에 필요한 냉난방량을 계산하기 위한 많은 컴퓨터 프로그램들이 있습니다. 대형건물에서 잘 정돈되고 검증되고 유지된 건물산정에너지를 위한 컴퓨터프로그램도 있습니다. 

 

마무리

 축열은 건물 에너지 소비의 주요 부분 중 하나로, 효율적인 설계와 관리가 필수적입니다. 이 글에서 다룬 몇 가지 주요 포인트를 정리해 보겠습니다.

 

1. 한계용량 냉난방 가구의 활용: 축열은 냉난방 기구의  용량을 초과하는 순간적 냉난방 요구량에 대응하기 위한 중요한 응용기구입니다. 한계용량 냉난방 기구와 함께 사용되면 최적의 성능을 발휘할 수 있습니다. 

2. 저가에너지의 활용: 축열은 저가에너지로 충전되고 필요할 때 방전되는 유연성을 제공합니다. 특히 off-peak power를 효과적으로 활용하여 에너지의 경제성을 높일 수 있습니다. 

3. 응용 분야 다양성: 축열은 난방, 냉방 및 온수 공급 등 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다. 냉동장비나 인공적 태양열 저장과 같은 새로운 응용 분야의 증가는 축열 기술의 현대덕인 활용을 보여줍니다. 

4. 열저장물질의 특성고려: 열저장물질의 종류와 특성을 고려하는 것이 중요합니다. 물, 바위, 민감성 열 저장물질 그리고 위상변환물질의 장단점을 고려하여 시스템을 설계하는 것이 효과적입니다.  

5. 시스템 크기 산정: 시스템의 크기를 정확하게 산정하는 것이 효과적인 축열시스템을 핵심입니다. 에너지 부하 및 필요한 온도대를 정확히 계산하여 설계하면, 효율적이고 경제적인 운영이 가능합니다. 

 

축열은 건물 에너지 효율성을 향상하고 지속가능한 에너지 소비를 촉진하는 중요한 기술 중 하나입니다. 지속적인 연구와 혁신을 통해 미래 전축 분야에서의 축열 기술은 더욱 발전할 것으로 기대됩니다.