[학위논문]건물에너지 절감을 위한 천연 상변화물질의 동적 열전달 성능 평가 Thermal performance evaluation of natural phase change materials using dynamic heat transfer analysis for building energy savings원문보기
위승환
(Soongsil University
Department of Architecture
국내석사)
최근 건물의 열에너지를 효율적으로 사용하기 위한 방법으로 열에너지저장 시스템이 대두되고 있다. 대표적인 열에너지 저장 물질로써, 상변화물질은 상변화시의 잠열을 이용하여 열 에너지를 방출 또는 저장하는 과정을 통해 효과적인 에너지 사용을 도모할 수 있다. 상변화물질의 열 저장능력을 이용하는 방법은 다양한 분야에 걸쳐 연구되고 있으며, 그 중 유기 ...
최근 건물의 열에너지를 효율적으로 사용하기 위한 방법으로 열에너지저장 시스템이 대두되고 있다. 대표적인 열에너지 저장 물질로써, 상변화물질은 상변화시의 잠열을 이용하여 열 에너지를 방출 또는 저장하는 과정을 통해 효과적인 에너지 사용을 도모할 수 있다. 상변화물질의 열 저장능력을 이용하는 방법은 다양한 분야에 걸쳐 연구되고 있으며, 그 중 유기 지방산 에스테르에 속하는 천연 상변화물질은 재생 가능한 원료로부터 만들어진다. 따라서 친환경적이고, 경제적이며 대량 생산이 가능한 장점이 있다. 그러나, 상변화물질을 건축물에 적용하기 위해서는 고체-액체로의 상 변화시 누출에 대한 문제가 필수적으로 고려되어야 한다. 누출에 대한 고려 없이 건축물에 상변화물질을 적용할 경우, 구조적 강도의 저하, 건축재료의 내구성 저하, 부식 등의 치명적인 문제를 야기할 수 있다. 누출에 대한 문제점은 상변화물질이 다양한 분야에 적용되기 위해 극복해야 할 점이며, 이에 대한 대책으로써 상 안정화방법을 통해 상변화물질의 상 변화시의 누출을 방지하는 방안이 연구되고 있다. 따라서 본 연구에서는, 건축물 적용을 위한 상변화물질의 상 변화시 누출에 대한 문제를 해결하기 위한 기법이 고려되었다. 먼저, 뛰어난 축열성능을 지닌 상변화물질을 최대로 함량하며 누출을 방지하는 진공패킹기법과, 판상형 건축재료에 적용하기 위해 강도의 저감을 최소화하며 누출을 방지할 수 있는 도막형성 기법을 개발하였다. 두 가지 기법을 바탕으로 제조된 시편을 이용하여 흡열-발열반응, 엔탈피, 잠열 성능, 상변화구간, 상변화온도, 열전도율 등의 열적 성능을 분석하였다. 또한 선행연구 고찰을 통해 전열해석장비를 개발하고, 개발된 장비를 이용하여 상변화물질의 동적 열 전달 분석을 진행하였다. 그 결과, 천연 상변화물질은 열 저장 성능이 우수하였고, 건축물 적용 시의 피크온도 부하 저감, 열 전달 지연효과 발생 등을 통해 궁극적으로 건물에너지 절감에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
최근 건물의 열에너지를 효율적으로 사용하기 위한 방법으로 열에너지저장 시스템이 대두되고 있다. 대표적인 열에너지 저장 물질로써, 상변화물질은 상변화시의 잠열을 이용하여 열 에너지를 방출 또는 저장하는 과정을 통해 효과적인 에너지 사용을 도모할 수 있다. 상변화물질의 열 저장능력을 이용하는 방법은 다양한 분야에 걸쳐 연구되고 있으며, 그 중 유기 지방산 에스테르에 속하는 천연 상변화물질은 재생 가능한 원료로부터 만들어진다. 따라서 친환경적이고, 경제적이며 대량 생산이 가능한 장점이 있다. 그러나, 상변화물질을 건축물에 적용하기 위해서는 고체-액체로의 상 변화시 누출에 대한 문제가 필수적으로 고려되어야 한다. 누출에 대한 고려 없이 건축물에 상변화물질을 적용할 경우, 구조적 강도의 저하, 건축재료의 내구성 저하, 부식 등의 치명적인 문제를 야기할 수 있다. 누출에 대한 문제점은 상변화물질이 다양한 분야에 적용되기 위해 극복해야 할 점이며, 이에 대한 대책으로써 상 안정화방법을 통해 상변화물질의 상 변화시의 누출을 방지하는 방안이 연구되고 있다. 따라서 본 연구에서는, 건축물 적용을 위한 상변화물질의 상 변화시 누출에 대한 문제를 해결하기 위한 기법이 고려되었다. 먼저, 뛰어난 축열성능을 지닌 상변화물질을 최대로 함량하며 누출을 방지하는 진공패킹기법과, 판상형 건축재료에 적용하기 위해 강도의 저감을 최소화하며 누출을 방지할 수 있는 도막형성 기법을 개발하였다. 두 가지 기법을 바탕으로 제조된 시편을 이용하여 흡열-발열반응, 엔탈피, 잠열 성능, 상변화구간, 상변화온도, 열전도율 등의 열적 성능을 분석하였다. 또한 선행연구 고찰을 통해 전열해석장비를 개발하고, 개발된 장비를 이용하여 상변화물질의 동적 열 전달 분석을 진행하였다. 그 결과, 천연 상변화물질은 열 저장 성능이 우수하였고, 건축물 적용 시의 피크온도 부하 저감, 열 전달 지연효과 발생 등을 통해 궁극적으로 건물에너지 절감에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
Thermal energy storage (TES) systems can be used to reduce buildings dependency on fossil fuels, to contribute to the more efficient use of energy, and to supply heat reliably. Thermal energy storage is one of the most important technologies for the environmental friendly heating and cooling of buil...
Thermal energy storage (TES) systems can be used to reduce buildings dependency on fossil fuels, to contribute to the more efficient use of energy, and to supply heat reliably. Thermal energy storage is one of the most important technologies for the environmental friendly heating and cooling of buildings. This technology can be used for the utilization of renewable energy sources and waste heat for heating. The phase-change materials (PCMs) for thermal storage are used in a variety of fields. The natural PCM are used for thermal-storage systems, and they are made from types of organic fatty-acid ester that are derived from under-used and renewable feedstocks. However, they possess one major drawback, namely their phase instability in the liquid state. The leakage during liquid state of PCM is to be considered the most important because the liquid state of PCM can cause a critical effect such as strength reduction of structure and corrosion of applied material in buildings. Therefore, the application of PCM is difficult in a variety of fields due to their phase instability in the liquid state, and PCM therefore need shape stabilization. In recent years, new kinds of compound PCMs, so-called shape-stabilized PCMs (SSPCMs), have attracted the interest of many researchers due to their large apparent specific heat, suitable thermal conductivity, ability to maintain the shape of the PCM stabilized during the phase-change process, and strong performance over long-term multiple thermal cycles. Therefore, the macro-packing and forming the layer of PCM were developed to prevent leakage during liquid state of PCM. In this study, the macro-packed PCM and layered PCM using natural PCM were prepared for thermal storage system in buildings. Both of form-stabilized PCM were analyzed by various analyzer device. The thermal storage performances of the natural PCM were analyzed using differential scanning calorimetry (DSC). The latent heat levels of the beeswax (BW), palm wax (PW), eco soywax (ES), and nature soywax (NS) during the endothermic process are 173.6 J/g, 178.1 J/g, 127.2 J/g, and 106.9 J/g, respectively. The thermal conductivity analysis was conducted using the TCi thermal-analyzer device. Also, the phase change analysis and enthalpy analysis of natural PCM and form-stabilized PCM were performed. The thermal performance test device was used for a dynamic heat-transfer analysis. Through this research, the overall capability, including the thermal properties, of natural PCM has been confirmed regarding their applicability for heat-storage structures and a variety of other fields.
Thermal energy storage (TES) systems can be used to reduce buildings dependency on fossil fuels, to contribute to the more efficient use of energy, and to supply heat reliably. Thermal energy storage is one of the most important technologies for the environmental friendly heating and cooling of buildings. This technology can be used for the utilization of renewable energy sources and waste heat for heating. The phase-change materials (PCMs) for thermal storage are used in a variety of fields. The natural PCM are used for thermal-storage systems, and they are made from types of organic fatty-acid ester that are derived from under-used and renewable feedstocks. However, they possess one major drawback, namely their phase instability in the liquid state. The leakage during liquid state of PCM is to be considered the most important because the liquid state of PCM can cause a critical effect such as strength reduction of structure and corrosion of applied material in buildings. Therefore, the application of PCM is difficult in a variety of fields due to their phase instability in the liquid state, and PCM therefore need shape stabilization. In recent years, new kinds of compound PCMs, so-called shape-stabilized PCMs (SSPCMs), have attracted the interest of many researchers due to their large apparent specific heat, suitable thermal conductivity, ability to maintain the shape of the PCM stabilized during the phase-change process, and strong performance over long-term multiple thermal cycles. Therefore, the macro-packing and forming the layer of PCM were developed to prevent leakage during liquid state of PCM. In this study, the macro-packed PCM and layered PCM using natural PCM were prepared for thermal storage system in buildings. Both of form-stabilized PCM were analyzed by various analyzer device. The thermal storage performances of the natural PCM were analyzed using differential scanning calorimetry (DSC). The latent heat levels of the beeswax (BW), palm wax (PW), eco soywax (ES), and nature soywax (NS) during the endothermic process are 173.6 J/g, 178.1 J/g, 127.2 J/g, and 106.9 J/g, respectively. The thermal conductivity analysis was conducted using the TCi thermal-analyzer device. Also, the phase change analysis and enthalpy analysis of natural PCM and form-stabilized PCM were performed. The thermal performance test device was used for a dynamic heat-transfer analysis. Through this research, the overall capability, including the thermal properties, of natural PCM has been confirmed regarding their applicability for heat-storage structures and a variety of other fields.
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