Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 June 2022. 185-192
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20220016

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 챔버 실험 개요

  •   항온항습기 챔버

  •   PCM 복합패널 개발

  •   시험체의 종류

  •   PCM의 종류

  •   챔버 실험 조건

  • 결과 및 해석

  •   동절기 실험결과

  •   하절기 실험결과

  •   동·하절기 실험결과 비교

  •   논의 및 고찰

  • 결 론

서 론

기후 위기의 심각성이 커지면서 전 세계는 에너지 화두인 ‘탄소 중립’에 눈을 돌리고 있다. 대한민국 정부는 탄소 중립이라는 세계의 흐름에 대응하기 위해 ‘2050 탄소 중립 추진전략’을 마련하였으며, 건물 부문에서의 추진전략으로 재생에너지 보급과 함께 건물에너지 효율 개선을 목표로 하고 있다. 이에 맞춰 신축 건물에 강화된 법적 기준을 적용하여 높은 단열성능의 벽체 시공 및 효율적인 냉난방 장치 설치를 유도하여 건물 부문에서의 탄소 중립을 이루고자 하고 있다. 하지만 기존 건물에서는 액티브(Active) 기술(노후 냉난방설비 교체 및 노후 조명설비 등)과 패시브(Passive) 기술의 개선(노후 창호 교체 등)은 이루어지고 있으나 건물의 하중을 견디는 벽체의 단열성능 향상을 위한 시공은 제한적이다. 이에 기존 건물에너지 효율을 개선하는 방법으로 작은 부피에서 잠열 형태로 높은 열용량을 가진 PCM (Phase Change Material)을 활용하고자 한다.

PCM은 물질의 상태 변화과정(액체상태에서 고체상태, 고체상태에서 액체상태 등)에서 열을 축적하거나 저장한 열을 방출하는 특성인 잠열을 이용한 물질이다. 잠열을 이용한 높은 열용량과 타임랙(Time-Lag) 효과를 통해 외부의 열이 벽 구조체에 설치된 PCM에 저장되어 내부로 열전달 되는 시간을 지연시킬 수 있다. 이로 인해 내부공간의 피크부하가 감소하여 건물에너지 절감효과를 기대할 수 있다. PCM은 액티브 기술 요소 없이 급격한 실내온도 변화를 방지할 수 있는 물질로 반영구적으로 활용할 수 있다는 장점이 있어, 건축자재에 적용하는 많은 연구가 진행되고 있다.

도시 중심부의 기온이 주변 지역보다 현저히 높게 나타나는 열섬현상을 저감시키기 위한 방법으로 건물 옥상 마감재에 PCM을 사용한 Cool Roof System을 개발하였으며, 축소모형실험을 통해 열성능을 분석하여 지붕 건축마감재의 역할을 검증하였다(Kim et al., 2018). 국내 공동주택에서 대부분 온수를 이용한 바닥 난방시스템이 사용되고 있으며, 난방정지 시 온도가 저하되는 문제점을 해결하기 위해 Mock-up 실험실을 구축하여 PCM 적용 바닥 난방시스템에 PCM 삽입 위치와 난방 스케줄에 따른 열적 성능을 검증하였다(Choi et al., 2020). PCM을 적용한 축열벽 시스템을 개발하였으며, 기존 콘크리트 및 조적식 축열벽보다 축열부의 두께를 얇게 하면서도 잠열효과를 활용하였다(Lee et al., 2013). 냉방 기간에는 직사광선을 막아주고 난방 기간에는 태양에너지를 활용하여 실내 냉·난방에너지 사용량을 저감함으로써 재실자의 쾌적성을 검증하였다(Lee et al., 2014). 벽체 실내부착에 따른 적정 상변화 온도 및 절감효과를 분석하는 연구(Saffari, 2017)가 진행되고 있으나, 부착 위치에 따라 효과를 분석한 연구는 미비한 것으로 조사된다. 기존 연구에서는 PCM이 계절에 따라 다른 적정 상변화온도를 가지며, 건물에 적용할 경우 계절마다 상변화온도 변경이 어려운 한계를 확인하였다.

이에 본 연구는 PCM을 기존 건물의 벽체에 적용하기 위해 복합패널 형태로 개발하고, 챔버 실험을 통해 PCM 복합패널의 부착 위치에 따른 타임랙 효과를 검증하고자 한다.

챔버 실험 개요

항온항습기 챔버

본 연구는 PCM 적용 위치에 따른 실내 온도변화를 확인하기 위해 Table 1과 같이 챔버 환경을 설정하였다. 항온실(실내)은 2,400 mm(세로) X 2,100 mm(가로) X 2,100 mm(높이), 저온실(실외)은 1,800 mm(세로) X 2,100 mm(가로) X 2,100 mm(높이)로 구축하였으며, 항온실과 저온실 사이는 벽에 복합벽체 시험체를 고정할 수 있는 1,000 mm(세로) X 1,000 mm(가로) 크기의 고정틀을 설치하였다. 각 실에 설치된 냉동기 및 히터의 성능은 항온실(실내)이 10℃~ 30℃ 범위, 저온실(실외)은 –10℃~ 60℃ 범위로 온도조절이 가능하며, ± 0.5℃의 정확성과 ± 3.0℃의 균일성을 가지고 있다.

Table 1.

Chamber Basic Specifications

Category Specifications
Internal Dimension Dimension 2,400 mm X 2,100 mm X 2,100 mm
Capacity 10.6 ㎥
Temperature Range 10℃~ 30℃
Accuracy ± 0.5℃ at 20℃
Uniformity ± 3.0℃ at 20℃
Humidity Range 40~70% RH (at 30℃)
Accuracy ± 2% RH at 70%
Uniformity ± 5% RH at 70%
External Dimension Dimension 1,800 mm X 2,100 mm X 2,100 mm
Capacity 7.9 ㎥
Temperature Range -10℃~ 60℃
Accuracy ± 0.5℃ at 20℃
Uniformity ± 3.0℃ at 20℃
Humidity Range 25%~98% RH (at 30℃)
Accuracy ± 2% RH at 70%
Uniformity ± 5% RH at 70%

PCM 복합패널의 축열효과를 분석하기 위해 각 실의 측정요소는 실내 온도(항온실 온도), 실내표면 온도(항온실측 시험체 표면 온도), 실외온도(저온실 온도), 실외표면 온도(저온실측 시험체 표면 온도)이며, 각 측정요소에 대한 온도변화를 측정하였다. 온도측정을 위해 사용된 측정 장비는 Table 2와 같으며, 표면 온도를 측정하기 위한 센서는 주변 단열재의 영향을 받지 않도록 Figure 1과 같이 PCM 팩의 중심에 부착하였다.

Table 2.

Sensor Specifications

Category Specifications
CTV210 Temperature PT 100 Ω or Thermo couple-K type X 2SET
Humidity Electronic Sensor (SH-300) X 2SET
GP20 Recorder Digital Type Recorder - SAMWON TECH

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Figure 1.

Location of Sensor and PCM Module Configuration

PCM 복합패널 개발

기존 PCM 제품에서 1개의 상변화 온도만 반응하여 한 가지 계절만 대응하는 단점을 개선하기 위해 2개의 상변화 온도(하절기, 동절기)를 적용하는 형태로 개발하였으며, 챔버실험을 통해 효과를 검증하고자 한다.

시험체의 종류

챔버 실험에 적용된 벽체 시험체는 Table 3과 같이 PCM을 적용하지 않은 기본 벽체(Case 1), 1년 기준의 적정상변화온도를 가진 PCM을 한 가지만 적용한 형태(Case 2, Case 4), 하·동절기 기준의 적정상변화온도를 가진 PCM을 두 가지 적용한 형태(Case 3, Case 5)로 구분된다. Case 1은 열관류율 0.474 W/㎡·K로 중부(서울)지역 2007년도 벽체 열적 성능 기준인 0.47 W/㎡·K 값을 고려하여 제작하였고, Case 2~5는 열관류율 0.475 W/㎡·K로 Figure 1Figure 2 같은 형태로 PCM을 적용하여 복합패널 형태로 제작하였다. 적용된 PCM의 적정상변화온도와 적정두께는 선행연구(Kim et al., 2020)의 결과로서 서울 지역의 업무시설을 대상으로 선정하였다. 동·하절기의 적정상변화온도를 동시에 적용했을 때 타임랙 효과를 확인하기 위해 Case 2, 4는 1년 기준 적정상변화온도인 PCM을 10 mm 적용했으며, Case 3,5는 동·하절기 기준 적정상변화온도인 PCM을 각 5 mm씩(총 10 mm)로 적용하였다.

Table 3.

Case Classification

Category Attachment Site Specifications
Case 1 - Gypsum Board [9.5 mm] + Insulation [50 mm] + Gypsum Board [9.5 mm]
Case 2 Internal Gypsum Board [9.5 mm] + Insulation [50 mm] + PCM module 1
Case 3 Internal Gypsum Board [9.5 mm] + Insulation [50 mm] + PCM module 2
Case 4 External PCM module 3 + Insulation [50 mm] + Gypsum Board [9.5 mm]
Case 5 External PCM module 4 + Insulation [50 mm] + Gypsum Board [9.5 mm]

- PCM Module 1 : Gypsum Board[9.5 mm] + PCM[10 mm/22.0℃-1 Year] + Gypsum Board[9.5 mm]

- PCM Module 2 : Gypsum Board[9.5 mm] + PCM[5 mm/24.0℃-Summer] + Aluminum Sheet[0.5 mm] + PCM[5 mm/19.5℃-Winter] + Gypsum Board[9.5 mm]

- PCM Module 3 : Gypsum Board[9.5 mm] + PCM[10 mm/22.5℃-1 Year] + Gypsum Board[9.5 mm]

- PCM Module 4 : Gypsum Board[9.5 mm] + PCM[5 mm/18.0℃-Summer] + Aluminum Sheet[0.5 mm] + PCM[5 mm/22.5℃-Winter] + Gypsum Board[9.5 mm]

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Figure 2.

PCM Module Configuration

PCM의 종류

시험체에 적용된 PCM은 C사의 B제품으로 Table 4와 같이 열용량 2,000 J/kg·K, 잠열량 219 kJ/kg, 상변화온도 18℃와 28℃인 제품을 배합하여 각 Case 2~5 시료의 적정상변화온도를 가진 PCM을 제조하여 적용하였다.

Table 4.

PCM Material Property

Category Specifications Melting Temperature Range
Thermal conductivity 0.2 W/m·K /media/sites/kiaebs/2022-016-03/N0280160301/images/Figure_KIAEBS_16_3_01_T1.jpg
Density 880 kg/m3
Specific heat 2,000 J/kg·K
Latent heat 219 kJ/kg

챔버 실험 조건

챔버 온도조건은 국토교통부 건축물의 에너지절약설계기준을 근거로 실내온도는 동절기 20℃, 하절기 26℃로 설정하였고, 외기온도는 기상데이터 취득이 용이한 Meteonorm7.0 기상데이터를 활용하여 Table 5와 같이 동·하절기기간 동안 시간대별 평균값을 설정하였다. 항온실(실내)과 저온실(실외)은 Table 6과 같이 6시간 안정화 작업을 진행하였고 항온실(실내)의 작동을 종료하여 비공조 상태로 저온실(실외)을 작동하여 시험체에 외기조건을 부여하였으며, Figure 3 같이 부착된 센서를 통해 실내 온도(항온실 온도), 실내표면 온도(항온실측 시험체 표면 온도), 실외온도(저온실 온도), 실외표면 온도(저온실측 시험체 표면 온도)의 변화를 시간대별로 총 24시간 동안 측정하였다.

Table 5.

Chamber Temperature Condition

Category Internal[℃] External[℃]
Winter 20 Metenonorm7 Average outdoor temperature by time (Jun-Sep/1~24 h)
Summer 26 Metenonorm7 Average outdoor temperature by time (Dec-Feb/1~24 h)
Table 6.

Chamber Operation Stabilization

Time[h] Stabilization[6 H] Chamber Operation[24 H]
Internal[℃] ON OFF (Free Condition)
External[℃] ON ON

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Figure 3.

Experimental Chamber

결과 및 해석

동절기와 하절기 외기조건으로 나누어 실험하였다. Figure 4Figure 5는 동절기와 하절기의 온도변화 그래프이며, Table 7Table 8은 분석결과이다.

동절기 실험결과

Figure 4는 동절기 난방운전(실내온도 20℃ 난방운전)을 통해 6시간 안정화 후 Free 상태일 때 온도변화 그래프다. Case 별 실내표면온도는 안정화(6 h) 이후 시작온도(약 19℃)에서 외기조건에 의해 감소하며, Case 모두 감소하다 Case 1, 4, 5는 11시간 후, Case 2, 3은 13시간 후에 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 PCM을 실외벽체에 부착하는 형태보다 실내벽체에 부착하는 형태가 축열효과에서 유리한 것을 확인하였으며, PCM을 실내부착(Case 2, 3)하는 경우 약 2시간의 타임랙(Time-Lag)이 발생하여 실내온도 및 실내표면온도가 기본 벽체보다 높게 형성되는 것을 확인하였다.

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Figure 4.

Temperature Change (Winter)

Table 7.

Results (Winter)

Category Temperature of Internal air[℃] Temperature of Internal wall surface[℃]
ⓐ 1 hour ⓑ 24 hour Difference (ⓐ - ⓑ) ⓐ 1 hour ⓑ 24 hour Difference (ⓐ - ⓑ)
Case 1 21.09 17.28 3.81 19.10 15.08 4.03
Case 2 21.10 17.31 3.79 19.08 15.63 3.45
Case 3 21.09 17.96 3.13 19.00 15.93 3.08
Case 4 20.77 17.78 2.99 19.13 15.73 3.40
Case 5 20.36 17.90 2.46 19.18 15.88 3.00

하절기 실험결과

Figure 5는 하절기 난방운전(실내온도 26℃ 냉방 운전)을 통해 6시간 안정화 후 Free 상태일 때 온도변화 그래프다. Case 별 실내표면온도는 안정화(6 h) 이후 시작 온도(약 23℃)에서 외기조건에 의해 Case 1은 지속해서 감소하였고, Case 2~5 모두 Case 1보다 더디게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 PCM을 실외 및 실내부착하는 형태 모두 축열효과가 발생하는 것을 확인하였다. PCM을 실내부착(Case 2, 3)하는 경우 약 2시간의 타임랙(Time-Lag)이 발생하여 실내온도 및 실내표면온도 모두 기본 벽체보다 높게 형성되는 것을 확인하였다.

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Figure 5.

Temperature Change (Summer)

Table 8.

Results (Summer)

Category Temperature of Internal air[℃] Temperature of Internal wall surface[℃]
ⓐ 1 hour ⓑ 24 hour Difference (ⓐ - ⓑ) ⓐ 1 hour ⓑ 24 hour Difference (ⓐ - ⓑ)
Case 1 26.02 19.45 6.57 23.15 18.00 5.15
Case 2 26.10 20.20 5.90 23.15 19.78 3.38
Case 3 26.15 20.03 6.12 23.20 19.73 3.48
Case 4 26.34 20.69 5.65 23.25 19.63 3.63
Case 5 26.33 20.08 6.25 23.40 19.05 4.35

동·하절기 실험결과 비교

Table 7, Table 8은 동·하절기 실험결과이며, 챔버의 시작온도(1 hour)와 종료온도(24 hour)를 비교 분석하였다. 동절기의 경우, 동·하절기 기준 적정상변화온도인 PCM (Case 3, 5)이 1년 기준 적정상변화온도인 PCM (Case 2, 4)보다 온도 차(0.53~0.66℃) 및 표면 온도 차(0.37~0.40℃)가 낮았다. 하절기의 경우, 1년 기준 적정상변화온도인 PCM (Case 2, 4)이 동·하절기 기준 적정상변화온도인 PCM (Case 3, 5)보다 온도 차(0.22~0.60℃) 및 표면 온도 차(0.10 ~ 0.72℃)가 낮았다.

논의 및 고찰

본 연구에서는 동·하절기를 모두 대응하는 PCM 적용 복합패널을 개발하기 위해 두 가지 적정상변화온도를 적용하였다. PCM 적용 복합패널의 효용성을 확인하기 위해 실내·외에 부착하여 챔버실험을 실시하였다. 이를 통해 PCM의 타임랙(Time-Lag) 효과를 모두 확인하였으며, 추후 에너지 절감효과를 분석하는 것이 필요한 것으로 판단된다.

결 론

본 연구는 기존 건물의 벽체 내·외부에 PCM 모듈을 적용한 벽체 시스템의 축열 성능을 일반 벽체와 비교함으로써 PCM의 적용 가능성을 검증하였다. 이를 위해 동절기와 하절기 조건으로 안정화(6시간) 진행 후, 냉·난방운전 정지된 Free 상태에서 외부 조건(24시간)에 의해 실내온도 및 실내표면온도의 변화를 확인하였다.

실내온도 및 실내표면온도 변화 결과는 각 PCM 모듈(Case 2~5)을 기본 벽체(Case 1)와 비교하여 동절기에는 0~2시간의 타임랙이 발생하였고, 하절기에는 가동 시간(24시간)동안 타임랙이 발생하였다. 또한, PCM 모듈의 설치 위치에 따른 축열효과는 동절기에는 외부에, 하절기에는 내부에 설치한 경우 큰 것으로 나타났다.

챔버의 시작온도(1 hour)와 종료온도(24 hour)를 비교한 결과, 동절기의 경우, 동·하절기 기준 적정상변화온도인 PCM (Case 3, 5)이 축열효과가 높았다. 하절기의 경우, 1년 기준 적정상변화온도인 PCM (Case 2, 4)이 축열효과가 높았다. 이는 벽체에 같은 용량의 PCM을 적용하여도 PCM의 적정상변화온도 기준(1년 기준, 동·하절기 기준)과 부착 위치에 따라 축열효과가 다르게 나타나는 것을 확인하였다. 추후 부착 위치와 적정상변화온도 기준에 따른 에너지 절감효과를 분석하는 것이 필요하며, 추후 연구를 진행할 예정이다.

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