| 논문명 |
물 기반 축열조의 축열 방향 및 유량 변화에 따른 성층화 특성 실험 및 수치해석 연구 / Experimental and Numerical Study on Stratification Characteristics of a Water-Based Thermal Energy Storage Tank under Different Charging Directions and Flow Rates |
| 저자명 |
문선영(Sunyoung Moon) ; 정융(Yoong Chung) ; 이공훈(Konghoon Lee) ; 김동호(Dongho Kim) |
| 수록사항 |
설비공학논문집, Vol.38 No.5 (2026-05) |
| 주제어 |
성층화; 열에너지저장; 온도 구배; 물탱크 Stratification; Thermal Energy Storage; Thermocline; Water Tank |
| 요약1 |
최근 재생에너지 사용이 확대됨에 따라 에너지 공급의 변동성이 커지게 되면서, 이에 대응하기 위한 효율적인 에너지 저장 기술의 필요성이 증대되었다.(1) 이러한 흐름 속에서 축열조는 잉여 에너지를 저장하였다가 수요가 높아질 경우 저장된 에너지를 사용할 수 있다는 장점이 있어 주목받고 있다. 특히 물을 축열 매체로 사용할 경우 물의 높은 비열과 상대적으로 저렴한 비용, 친환경적인 매체 등의 장점이 있어 많이 사용되고 있으며, 축열조 내부에 물을 공급하는 디퓨저(Diffuser) 형상 최적 설계, 유량 변화 등에 대해 다양한 연구가 진행되었다.
물 기반 축열조의 성능은 온도 성층화 유지 여부에 크게 좌우되며, 이를 향상시키기 위한 연구가 지속적으로 수행되어 왔다. 이에 디퓨저 형상에 따른 성층화 영향(2), 에너지 및 엑서지 효율 등 시스템적 관점에서의 연구(3,4) 등이 진행되었다. 그러나 기존 연구의 상당수는 단일 축열 방향 또는 고정 유량 조건에서의 성층화 특성에 초점을 두고 있으며, 실제 운전 환경에서는 입구 유속이나 부력 효과, 유량 변화 등의 요소가 복합적으로 작용할 뿐 아니라, 실증 Scale(Prototype)과 Lab-scale 간 거동 유사성을 확보하기 위한 상사 기반 연구, 특히 Froude 상사를 활용한 축방열 거동에 대한 연구는 아직 부족한 실정이다.
본 연구에서는 이러한 배경을 바탕으로, 실증 규모(Prototype)의 축열조를 1/25로 축소한 Lab-scale 축열조에 대해 Froude 상사 조건으로 설계 및 구축하고, 축열 방향 변경(상부/하부) 및 유량 변화에 따라 물 기반 축열조의 성층화가 어떻게 변하는지를 실험 및 CFD를 활용하여 비교 및 검증하였다. 또한 성층화 지표로 사용되는 Richardson 수 및 MIX 수를 구하여 성층화 정도를 정량적으로 평가하고, 이를 통해 실증 Scale에서의 축열조 성능 예측 및 운전 전략 수립에 기여하고자 하였다. |
| 요약2 |
This study examines the thermal stratification characteristics of a water-based thermal energy storage (TES) tank under various charging directions and flow rate conditions. A lab-scale TES system was designed using Froude similarity, based on a prototype intended for integration with a 1000RT heat pump system. We conducted experiments and CFD simulations using a 2-D axisymmetric model (Ansys Fluent) to validate thermal behavior and assess stratification performance. Charging tests were performed for both top-to-bottom and bottom-to-top configurations at flow rates of 127 LPM and 215 LPM. The results indicated that top charging effectively maintained a distinct thermocline region, with a Richardson number up to five times higher than that of bottom charging, demonstrating stronger stratification. While increased flow rates accelerated charging, they also weakened stratification due to enhanced momentum effects. The discharging tests confirmed that the outlet temperature remained stable at 43℃ for the designed discharging duration before beginning to decrease. These findings underscore the importance of inlet design and flow control in enhancing TES tank performance and sustaining thermal stratification. |
