태양열 시스템

직접획득 방식

남쪽창이 있는 건물은 기본적으로 직접획득(direct gain) 방식을 갖추고 있다고 할 수 있다. 남쪽창은 온실효과처럼 단파장 태양복사는 통과시키지만 재방사된 장파의 복사열은 가두는 역할을 하게 된다.

건물 내의 축열체가 그 열을 흡수하여 주간의 과열을 막고, 야간난방을 위해 저장을 한다. 이때 남쪽창과 축열구조체의 적절한 비율이 중요한 변수로 작용한다. 직접획득 방식에서는 건물구조체 자체가 축열체이므로 벽체, 가구 등과 같은 건물 내의 모든 요소들이 축열체의 역할을 담당하지만 필요에 따라 추가적인 축열체로서 벽돌이나 물 또는 상변화물질 등이 사용될 수 있다.

집열창의 설계 - 건물은 동서축의 긴 형태로 배치하고 집열창은 남쪽을 향하도록 설계함으로써 남쪽에 충분한 집열면적을 확보하여야 하며, 바닥면적에 대한 집열면적의 비율은 최소 33% 이상이 되도록 설계해야 한다. 그 밖에도 창은 이중창으로 시공되어야 하고, 야간에 열이 빠져나가는 것을 막기 위해 건물은 단열이 잘 돼야 한다.

 축열체의 설계 - 축열체는 바닥구조체의 벽체를 이용할 수 있으며, 콘크리트 구조나 조적조일 경우 두께는 최소 10cm 정도가 되어야 하고, 벽체일 경우 두께는 5~10cm가 되도록 설계해야 한다. 또한, 축열체는 집열창 면적의 1~3.5배에 해당하는 면적을 확보해야 한다.

통풍구의 설계 - 여름철 과열을 막기 위해 적절한 통풍구의 계획이 필요하다. 원활한 환기가 이루어지도록 상부와 하부에 통풍구를 계획하고, 자연환기의 경우 90㎥/min, 강제환기의 경우 180㎥/min의 환기가 가능하도록 설계해야 한다. 또한, 상부와 하부의 통풍구 면적은 집열창 면적의 약 10% 정도가 적당하며, 최소 28m 이상의 통풍 면적이 요구된다. 상하부 통풍구의 높이차는 클수록 굴뚝효과에 의한 환기가 잘 이루어지기 때문에 유용하며, 그 높이차가 0.7~15m 정도는 되어야 한다.

 축열벽 방식

자연형 태양열시스템에서 축열벽(thermal storage wall)은 남쪽창이 안쪽에 위치한 벽체로서 온실효과에 의해 갇혀진 태양복사열을 저장하는 역할을 한다. 태양과 직접 마주한 축열벽의 표면은 복사열을 잘 흡수할 수 있도록 코팅이 되거나 검은색 페인트로 칠해져야 하며, 중량의 축열벽체는 열적 지연효과에 의해 주간에 흡수한 열을 야간에 실내로 방사하게 한다.

집열창의 설계 - 직접획득형의 시스템에서 사용된 집열창의 설계기준과 동일하다.

축열체의 설계 - 축열체는 재료의 열용량을 이용한 것으로 대략 200kcal/㎡°C의 열용량을 가져야 하며, 콘크리트 벽돌, 물(drum wall), 상변화물질(PCM) 등을 재료로 사용할 수 있다. 태양과 직접 마주한 축열체의 표면은 표면흡수율이 크도록 무광택의 검은색으로 마감되어야 하며, 실내로 마주한 면의 표면은 야간에 열의 방사가 잘되도록 표면방사율이 높도록 마감이 되어야 한다. 축열체의 두께는 보통 200~300 mm 정도이며, 바닥면적에 대해 약 33~75%의 면적을 확보해야 한다. 남쪽창에서부터 축열체까지의 깊이는 대략 75 cm 정도이며, 축열체에서부터 실의 깊이는 4.5~6m 정도로 설계해야 한다.

부착온실 방식

온실은 보조적인 생활공간으로 사용될 뿐만 아니라 건물의 열획득을 위해 계획된 공간이다. 부착온실(attached sun space)은 가장 잘 알려진 자연형 시스템 중의 하나로 난방효율이 높으며 사용상의 편의를 제공할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 보조적인 외부공간이라는 측면에서도 사람들에게 매력적인 건축디자인의 요소로 인식되고 있다.

부착온실의 설계  - 태양열 난방을 극대화하기 위해 태양고도를 고려한 유리면의 경사는 1 사이로 설계해야 한다.

태양에너지의 활용

태양에너지 활용의 중요성은 나날이 커지고 있으며, 향후 20~30년 후에는 전체 에너지 사용량의 20%를 담당할 것으로 예상된다. 태양에너지의 양이 위도에 따라 편차가 심하며, 난방부하가 필요한 겨울보다 여름에 많은 양을 획득할 수 있다는 점은 앞으로 해결해야 할 과제이지만 무한한 에너지라는 점이 최대의 매력이다

지상에 도달되는 태양에너지는 지구에서 연간 소비되는 에너지의 약 5,000배에 해당한다. 대기권에서 태양에너지는 약 1,300 W/㎡이고, 그중에서 약 1,000 W/㎡ 양이 지표면에 도달되는데 이는 직달일사와 산란일사로 구분할 수 있다. 직달일사는 지표면에 직접 도달하는 것으로 태양에너지를 이용하기 위한 기술의 중요한 요소이다. 산란일사는 대기층을 통과하면서 먼지, 수분 등에 의해 분산되어진 직사광의 일부이다.

설비형 태양열 디자인 - 태양열 설비는 크게 태양복사를 열에너지로 변환시키는 태양열시스템(photothermic system), 전기에너지로 변환시키는 태양전지(photovoltaic system), 차양장치와 태양전지를 결합한 가변적 태양전지(shadovoltaic system)로 구분할 수 있다.

-태양열 시스템

태양에너지를 열로 변환시키는 태양열시스템(photothermic system)으로는 태양열 집열창(window collector panel), 투명단열재(tansparent insulating materia), 태양열 집열판(air collector panel), 태양열 흡수판(solar absorber, flat plate collector), 진공튜브형 태양열 집열기(evacuated tube collector) 등을 들 수 있다.

태양열 집열을 위해 건물의 외피구성 요소로서 유리상자를 제작하여 건물의 남쪽면에 설치할 경우 집열창 내부의 온도는 약 30~70°C까지 상승한다. 가열된 공기는 덕트를 통해 축열체로 송풍됨으로써 주간에는 축열 프로세스를 따르고, 야간에는 난방을 위한 방열 프로세스를 따른다.

-태양전지

‘Photovoltaic’이란 태양에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 장치로서 직달일사 및 산란일사를 최대한 받을 수 있는 입면에 설치함으로써 800W/㎡의 일사조건에서 약 1.0~1.5 W의 전력을 생산할 수 있으며, 연간 100 kW/㎡의 전력생산이 가능해야 경제적 타당성이 있는 것으로 평가되고 있다. 태양광발전시스템은 직사일광을 받는 면에 사용하는 것이 적합하므로 주로 남서쪽/남동쪽에 설치하는 것이 일반적이며, 직사광선과 산란광에 의한 태양복사에너지를 최대한 이용할 수 있는 혁신적이면서도 고품질의 시스템이다.