태양열 온수기 만들기 과정

스텐 강판을 이용해서 태양열 온수기를 만들어 보았다. 

봄, 가을철에는 찬물로 씻기에는 조금 부담스럽고, 보일러를 적게 가동하는 계절이기 때문에 봄, 가을철에 주로 사용할 목적으로 제작해 보기로 했다. 

보통 태양열 온수기는 파이프 형식으로 된 것이 많지만, 판 형태로 된 열판으로 하는 것이 제작하기가 좀 더 수월하므로 스테인레스 강판으로 만들어 보기로 했다.

1220[mm]*2440[mm]*2[mm] 강판을 절반으로 자른 후, 인접한 두 모서리만 2cm 씩 접어서 올렸다. 이렇게 하면 120cm*120cm*2cm 의 물통이 된다.

위의 사진은 가공해서 가져온 강판이다. 21만원이 들었다. 물탱크와 비슷한 높이로 설치할 것이어서 큰 압력이 걸리진 않지만, 물을 채우면 평면 부분이 불룩해 질 것이므로 불룩해지지 않도록 지지대를 붙이기로 했다. 지지대는 5군데에 붙이면 될 것 같아서 대칭되는 위치에 x 자 표시를 하였다.

x 자 표시를 한 강판에 구멍을 뚫은 다음 나머지 철판의 안쪽에 표시를 하고, 해당 부분에 스테인레스 철사를 용접해서 붙였다.

구멍을 뚫은 강판을 끼워서 물탱크 모양이 되도록 한 후, 뒤틀리지 않도록 군데군데 용접을 해서 붙여준다. 철사 부분은 힘이 없으므로 철판이 뒤틀리면 철사가 부러질 우려가 있다. 다음에 다시 제작해야 할 상황이 오면, 철사로 하지 않고 5mm 이상 되는 환봉이나 파이프를 이용하는것이 좋을 것 같다.

철사가 튀어나온 부분을 잘라낸 후, 용접을 해서 붙인 다음, 물탱크의 접합부를 용접해서 밀봉한다. 추후 확장성을 위해서 배관을 연결할 소켓은 4 귀퉁이에 달았다.

지지대를 만들어서 온수기가 설치될 위치에 놓아 보았다. 한겨울에는 이용하기가 어려우므로 5월 정도의 태양 고도에 맞추는게 적당할 듯 해서 지면과 15˚ 정도의 각도가 되게끔 만들었다. (실제로는 50˚ 정도가 적당하지만 집 물탱크의 수위를 고려했을 때, 최대로 세울 수 있는 각도가 15˚ 였다.)

sin15˚ = 0.2588 정도 되므로 120cm * 0.2588 = 31.056 cm 의 기둥을 세우면 지면과 15˚ 가 된다. 실제로는 30cm 의 기둥을 세워서 15˚ 가 약간 못 된다.

열판 지지대의 아래쪽에는 스티로폼을 깔고, 옆에 방부목을 댄 다음 위쪽에 비닐을 쳐서 보온을 하도록 하였다. 

어느 정도의 성능일지 아직 알 수 없으므로 기존에 보유하고 있었던 물탱크에 연결해 보았다. 동그란 물통은 용량이 약 90L 정도 된다.

검은색 물체가 햇빛을 더 잘 흡수하므로 열판의 앞면에는 검은색의 페인트를 칠해준다. 

열판 아래쪽 파이프는 물통(온수통) 아래쪽 파이프와 연결해 주고, 열판 위쪽 파이프는 물통 위쪽에 연결해 준다. 이렇게 하면, 햇빛에 의해 가열된 물은 가벼워지므로 대류현상으로 인하여 위쪽에 연결된 파이프를 따라서 물통(온수통) 위쪽부터 차곡차곡 모이게 된다. 

급수 파이프는 온수통 아래쪽에 연결하고, 온수를 사용할 곳으로 연결될 파이프는 위쪽에 연결한 후, 에어를 빼는 배관을 열어서 에어를 빼 주면 온수통에 물이 차오른다.

열판 위쪽에 비닐을 친 후, 보온작업을 하였다. 약간 흐린 날씨였는데도 열판 부분은 따뜻했다. 온수가 생성되고 있는 것이다. 

하지만, 온수통의 용량이 90L 여서 2명이 겨우 샤워를 할 만한 용량이었고, 아침이 되니 미지근해져서 온수통의 크기를 키워야 할 필요성이 생겼다.

다시 철공소를 방문하여 스텐 강판을 가공해 왔다. 1m*2m*2mm 강판을 이용해서 333mm*500mm*1000mm 의 물통을 만들 수 있도록 가공했다. 이렇게 하면 스텐 강판이 자투리가 생기지 않게 하여 물통을 제작할 수 있다. 비용은 15만원이 소요되었다. 

물통의 용량은 직육면체의 부피를 구하는 것과 같이 하면 되는데, 1cm³ 이 1mL 이므로 가로 세로 높이의 cm 를 곱한 후 1000 으로 나눠주면 리터 용량이 나온다. 이 물통의 용량은 약 166L 가 되고, 물을 채우면 전체 무게가 약 200kg 이 될 것으로 추정된다. 열판의 무게까지 합하면 약 250kg 정도 될 것이다.

옥상의 급수용 물탱크와 비슷한 높이에 설치되긴 하지만, 압력에 의해서 불어날 가능성이 있어서 내부에 뼈대를 붙이기로 했다. 넓은 부분에는 두 개의 뼈대를 붙이고, 좁은 부분에는 한 개의 뼈대를 붙였다.

물통을 제작한 후, 새는 곳이 없는지 점검을 한다. 입으로 공기를 집어넣은 다음 용접 부위에 물을 뿌려봐서 거품이 나면 불량이라고 볼 수 있다. 다행히 새는 곳은 없었다.

옥상에 올려서 테스트를 해 보았다. 어느 정도의 성능인지 알아보기 위해서 물통은 보온을 하지 않고 하루동안 방치해 보니, 내부의 약 80% 정도가 따뜻한 물로 채워지는 것을 볼 수 있었다.

성능 확인이 끝났으므로, 보온작업을 하기로 했다. 직육면체 모양으로 물통을 제작해서 그런지 보온작업은 간편하게 할 수 있었다.

비닐로 겉을 싸고, 틈새 부분은 우레탄 폼을 쏴서 채웠다. 며칠 정도 운영해 본 다음 열판의 추가 여부를 결정해야겠다.

기온이 25℃ 까지 상승했고, 연무가 끼었던 날에 가동한 결과이다. 165L 정도 되는 통에 45℃ 정도 되는 물이 가득 찼다. 3사람 정도가 샤워를 할 수 있는 용량이다. 차가운 물은 온수통의 아래쪽으로 유입이 되고, 뜨거운 물은 위쪽으로 나가므로 온수가 바로 식지는 않는다. (서서히 차가워지는것이 아니라, 온수가 다 빠져나오면 찬물이 나오기 시작) 

하지만, 통이 옆으로 누워있어서 그런지 아침이 되면 물이 식어버리는 현상이 나타난다. 따뜻한 물을 사용하면, 차가운 물이 아래쪽으로 유입되어 아침이 되면 통 전체가 미지근한 물이 되어버리기 때문인 듯 하다. 

통을 세워서 설치하면 이런 현상이 줄어들겠지만, 물탱크의 수위가 옥상 바닥에서 110cm 정도밖에 되지 않았기 때문에 세워서 설치하는것은 힘들다. 

똑같은 장치를 하나 더 만들어서, 저녁용 아침용으로 따로 운영하는 방법을 쓰면 해결될 것 같기도 하다. 

이번에 만든 것은 일과를 마치고 저녁에 샤워하는 용도로 사용하는 것이 적합할 듯 보인다. 

재료비가 40만원 정도 들었으므로, 기름보일러 기준으로  1년 정도 사용하면 손익분기점에 도달할 듯 하다. 

이 방식의 태양열 온수기는 사용할 온수가 직접 열판을 지나서 가열되는 방식이므로, 한겨울에는 동파의 위험이 있다. 필자의 동네는 겨울에 영하 5℃ 이하로 떨어지는 날이 거의 없어서 이런 방식으로 만들었지만, 영하로 떨어지는 동네에서는 동파 방지대책을 세워야 한다. 한 겨울에는 물을 빼내거나 열교환식으로 만들어서 열판을 순환하는 액체에는 부동액을 사용하는 등의 방법을 써야 한다.

몇 개월간 운영해 본 후기 - 한여름에는 당연히 뜨거운 물이 많이 생겨서 빨래 등을 할 때, 뜨거운 물로 세탁을 할 수 있는 여건이 되었다. 가을철에도 봄철 정도는 아니지만 햇빛이 잘 드는 날에는 비교적 온수가 많이 생성되었다. 한여름에 온수를 사용하지 않으면 물이 끓지 않을까 했었는데, 열판의 비닐이 열을 완전히 차단하지 않아서 다행히 물이 끓지는 않는다. 하지만 온수통 위쪽에 에어가 약간 차는 것이 관측되었다. 

온수를 전혀 사용하지 않았을 때에는 아침에도 비교적 뜨거운 물이 나오는 것을 볼 수 있었다. 2~3개 정도 만들어서 3방 밸브 등으로 온수탱크를 선택할 수 있도록 하면 좋을 것 같다. 

결론 - 한겨울에 동파 방지만 해 주면 별 다른 추가비용이나 관리없이 온수를 사용할 수 있는 정도이다.