Technology Brief - Technology Brief 01
창호태양열집열기와 에너지절약
손병찬 (주)제인상사 고문
우리나라는 세계에서 5번째로 에너지를 많이 쓰는 나라며, 2010년 기준으로 약 1,216억불에 달한다.
이는 우리가 수출하는 반도체, 자동차 등을 수출해서 벌어들이는 금액을 초과 한다고 한다.
우리나라 총 에너지 수요 중 1/4이 주거용 주택에 쓰인다고 한다.
그동안 주거용 에너지 저감을 위하여 태양열, 태양전지, 지열 그리고 고단열, 고창호 같은 방법이 사용되어 왔다.
정부가 2009년부터 추진 중인 “친환경주택건축사업”과 “그린홈100만호사업” 등은 그간 공공용, 업무용 건축물 위주로
진행되던 신재생에너지의 보급정책을 에너지사용 비중이 높은 주거용 건축물에도 적용하겠다는 중요한 의지를 보여
주고 있다.
특히 주거용 건물의 경우는 에너지소비가 전기에너지뿐만 아니라 열에너지 또한 중요한 비중을 차지하고 있어, 그간 상대적으로 소외되었던 신재생에너지원 중 열에너지를 생산하는 열원의 보급 확대의 계기가 될 것으로 보인다.
현재 주거용 건물에 적용 가능한 신재생에너지원은 전기를 생산하는 태양광, 난방 및 급탕용 열에너지를 생산하는 태양열, 지열, 연료전지 등을 생각할 수 있다.
태양열을 이용하는 시스템은 태양광에 비해 시스템이 조금 복잡하고 사용상의 주의를 요하는 점이 가끔 있으나, 태양광에 비해 효율이 훨씬 높고 시설비가 1/5가량 저렴하기 때문에 태양열의 적용가능성에 관심이 모아지고 있다.
하지만 근래 건립되고 있는 주거용 건물의 60~70% 이상이 아파트 형태의 공동주택이므로 태양열시스템의 설치면적의 확보가 가장 큰 문제점으로 간주된다.
요즘의 아파트는 주로 남향으로 향하며 채광과 시야학보를 위하여 대형 창호가 설치된다.
여기에 착안하여 채광과 시야를 확보하면서 에너지를 얻을 수 있도록 고안된 것이 창호태양열집열기다.
창호와 태양열 집열판이 HYBRID 되었다고 하겠다.
창호태양열집열기의 필요성 확대
‘창호태양열집열기’란 기존의 2중 단열창과 태양열집열기를 결합하여 단열창호로서의 역할 뿐만 아니라 태양열에 의한 급탕용 온수의 공급과 채광조절이 가능하도록 개발된 다목적 태양열집열기며, 기능은 다음과 같이 간단히 설명된다.
창호일체형 태양열집열기는 기본적으로 태양열집열기로서의 역할을 수행하도록 되어 있으며 근본적으로는 우리가 잘아는 태양열집열기와 같다.
남측창에 수직으로 설치되어 계절별 태양의 입사각도에 따라 집열량이 달라지도록 설계되어 있는데 열부하가 적은 하절기는 태양의 입사 각도가 높아 대부분의 태양빛을 실외로 반사시키고, 열부하가 커지는 동절기에는 태양의 입사각도가 낮아져 태양열집열기로 흡수되는 일사량이 극대화되도록 했다.
여름에는 창호로의 태양광 입사각이 높아 상대적으로 집열판에 입사각이 크기 때문에 일사량의 대부분이 외벽유리에서 반사되고 집열판에 다다르는 일사량은 거의 무시할 정도이며, 반면에 겨울에는 해가 낮게 뜨면서 햇빛이 집열면에 대부분 흡수되고 우리가 원하는 열을 얻을 수가 있다.
창호태양열집열기는 태양열집열기로서의 기능뿐만 아니라 일반 2중창호로서의 기능을 함께 갖도록 했다.
‘창호의 성능실험기준’에 의한 2중 단열창호로서의 열관류율 시험에서 2.7 W/㎡K의 열관류율을 보여 일반 2중 단열창호와 비슷한 단열성능을 나타냈다.
본 시스템은 기본적으로 2중 창호의 형상이므로 창호 내에 열전달을 지연시키는 아르곤이나 크립톤 등 기체를 주입하여 열관류율을 추가로 낮추는 방법도 있으나 국내의 특수가스 충진 기술상의 한계로 인하여 단열가스 주입은 아직 시도되지 않고 있다.
창호태양열집열기는 창호의 가장 큰 기능인 채광의 기능을 확보하기 위해 창호면적의 50%만이 태양열 집열면적으로 설계됐다.
따라서 태양열집열기로서의 역할을 하면서도 채광창으로서의 역할도 할 수 있다.
또한 창호면적의 반이 집열면적으로 사용되어 채광면적이 감소하는 점을 보완하기 위해 집열면의 실내 측을 반사막으로 코팅하여 실내조도의 저하를 보충하도록 했다.
창호태양열집열기는 시야확보에서나 채광 기능 그리고 집열 기능이 동시에 가능하도록 설계되어 있다.
일반창의 경우 일사의 실내진입을 조절하기 위해 실내에 커튼을 설치하거나, 최근에 들어서는 창호에 특수코팅을 하여 채광을 조절하며 2중 창호 내에 각도전환이 가능한 블라인드를 설치한 창호가 선보이고 있는 추세이다.
창호일체형 태양열집열기는 기본적으로 2중창의 형상인데 실외측의 유리는 저철분강화유리(Low Iron Tempered Glass)를 사용하여 태양열집열기로서의 기능을 확보하기 위해 최소 90% 이상의 태양빛이 투과되도록 했다.
또한 외부 충격으로 창호 파손에 의한 안전사고의 위험에 대비했다.
실내측에 접하는 부분은 2장의 유리를 접하도록 구성하였는데 창호 안쪽의 유리는 Low-E 코팅을 하여 창호내부에 형성된 열이 실내로 방사하는 것을 방지했고 실내측 유리는 일반 창유리를 사용했다.
2장의 유리사이에는 집열면에 맞추어 반사막(Reflecter Coating)을 코팅해 실내의 조도유지 및 재실자의 프라이버시 보호 그리고 미관적 효과를 확보하도록 했다.
창호 내부에는 태양열집열기가 위치하는데 집열판을 U자형으로 절곡하여 뱀모양(Serpentine Type)으로 밴딩된 열매체 유로관과 접합했다.
창 면적의 절반만을 태양열 집열면으로 활용함에 따라 집열량이 적어지는 문제를 보완하기 위해 집열면의 뒷면에 반사막을 코팅하여 태양빛의 입사각도에 따라 태양빛이 반사막에 반사하여 절곡된 집열면의 뒷면을 통하여도 열교환이 이뤄지도록 구성했다.
창호일체형 구조는 간단히 설명하자면 우리가 잘 알고 있는 태양열 집열기를 수직으로 세워 시야와 채광을 확보함으로써, 창문과 태양열집열기의 역할을 하도록 만든 것이다.
향후 활용 계획
2009년에 시작된 그린홈100만호사업과 정부가 새로 제정한 친환경건축물 인증제도 등이 속속 시행됨에 따라 이의 대안으로 신재생에너지를 주거용 건축물에 적용하기 위한 관심과 시도가 급증할 것으로 보인다.
특히 연간 열부하를 동반하는 주거용 건물에 있어서 열부하의 일부를 태양열로 대체하기 위한 시도는 광범위하게 진행될 것으로 예상된다.
근래의 주거형태가 고층의 공동주택형태로 전환됨에 따라 태양열시스템을 적용하는 데는 집열판 설치면적의 확보가 어렵다는 한계를 가지고 있었다.
따라서 별도의 집열판 설치면적을 필요로 하지 않고 창의 일부를 집열판 설치장소로 이용하는 본 시스템의 효용성은 매우 클 것으로 생각된다.
끝으로, 특히 창호태양열시스템은 유리창이 많은 고층건물이나 유리를 외벽으로 한 정부 청사에 적용하면 상당한 효과를 얻을 수 있을 것이다.
첫째 이러한 건물들은 주로 낮에 이용되기 때문에 낮 시간의 태양에너지를 필요한 시간대에 사용할 수 있다는 훌륭한 장점이 있다.
둘째 태양이 낮게 뜨는 겨울, 건물의 창문이 남쪽으로 넓게 나 있다면 낮 시간에 남쪽 사무실은 남향이기 때문에 무더운 반면 북쪽에 위치한 사무실은 상대적으로 너무 춥다.
이럴 경우 남쪽으로 들어오는 태양에너지의 일부를 창호태양집열기를 이용해 북쪽 사무실로 보낸다면 북쪽 사무실도 자연 난방이 될 수 있을 것이다.