국내 공동주택의 대부분은 콘크리트 기반의 습식공법과 온수를 이용한 바닥 복사 난방 시스템을 채택하고 있으며, 국토교통부에서 제시한 표준바닥 구조 기준을 준용하고 있다. 이 중, 바닥 구조에서 실질적으로 난방을 수행하는 재료들은 바닥 상부에 설치되는 경량기포 콘크리트와 모르타르이다. 그러나 이러한 재료들은 오직 잠열 축열 및 방출 구간만을 가지기 때문에, 설정된 실내 난방 온도 및 바닥 ...
국내 공동주택의 대부분은 콘크리트 기반의 습식공법과 온수를 이용한 바닥 복사 난방 시스템을 채택하고 있으며, 국토교통부에서 제시한 표준바닥 구조 기준을 준용하고 있다. 이 중, 바닥 구조에서 실질적으로 난방을 수행하는 재료들은 바닥 상부에 설치되는 경량기포 콘크리트와 모르타르이다. 그러나 이러한 재료들은 오직 잠열 축열 및 방출 구간만을 가지기 때문에, 설정된 실내 난방 온도 및 바닥 표면온도를 지속적으로 유지시키기 위해서는 대량의 온수와 에너지를 소비한다. 따라서 본 연구에서는 기존 바닥 복사 난방 시스템의 축열 및 방출 성능을 향상시키기 위해 경량기포 콘크리트를 고성능 잠열 축열 및 방출 재료인 PCM으로 대체한 PCM 바닥 복사 난방 시스템을 제안하였다. 이러한 시스템은 현열뿐만 아니라 잠열을 활용할 수 있기 때문에, 기존 시스템과 비교하여 열적 및 에너지 성능을 극대화 할 수 있는 장점을 가진다. 뿐만 아니라, 국토교통부에서 제시한 바닥 두께를 충족시킬 수 있기 때문에, 신축 및 기존 공동주택에서 난방에너지를 감소시키기 위한 차세대 시스템으로서 적용이 가능하다. 본 연구는 PCM 바닥 복사 난방 시스템을 개발하기 위한 초기 연구로서, 우선 제안된 시스템의 구조 및 시공방법을 설명하고, PCM 적용에 따른 바닥 시스템의 열적 거동을 수치적으로 분석하였다. 또한 수치 해석 결과를 바탕으로, 국내 공동주택에 적용 가능한 PCM의 융해 온도 범위를 계산하였다. 이러한 이론적 결과들을 바탕으로, 기존 시스템과 비교하여 PCM 바닥 복사 난방 시스템의 축열 및 방출 성능을 검증하기 위해 실증실험을 위한 소형 모듈을 제작하고 항온 챔버를 이용하여 그 성능을 분석하였다. 아울러, 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 PCM 바닥 복사 난방 시스템의 적용에 따른 난방에너지 절감 효과 또한 분석하였다. 이러한 연구 과정을 통해 도출된 결과들은 다음과 같이 요약될 수 있다.
(1) 국내 공동주택의 바닥 복사 난방 시스템은 경량기포 콘크리트 및 모르타르의 낮은 축열 성능으로 인해, 실내 및 바닥 표면의 설정온도를 유지하기 위해서는 지속적인 온수 공급과 난방에너지를 소비하는 단점을 가진다. 이러한 에너지 다소비 형태의 바닥 구조를 개선하기 위해 본 연구에서는 기존 바닥 구조에 고성능 잠열 축열재인 PCM(Phase Change Material)을 삽입하여 축열 성능을 향상시키면서 난방에너지를 절감시킬 수 있는 PCM 바닥 복사 난방 시스템을 제안하였다.
(2) 본 연구에서 제안한 PCM 바닥 복사 난방 시스템의 구조는 210 mm 콘크리트 슬라브 위에 20 mm 이상의 완충재(단열재), 15 mm 이상의 모르타르, 10 mm PCM 컨테이너, 15 mm 이상의 모르타르, 40 mm 이상의 마감 모르타르(온수파이프 포함) 순으로 시공될 수 있다. 이러한 구조는 PCM의 잠열로 인해 일정 시간 동안 동일한 바닥의 표면온도를 유지하면서 급격한 표면온도 저하를 억제할 수 있기 때문에 간헐적인 온수 공급과 더불어 난방에너지 소비를 절감시킬 수 있다. 또한 제시된 설계안을 바탕으로 한 열전달 해석을 통해, 바닥의 표면온도를 예측하여 PCM의 최적 융해온도를 산정할 수 있는 방정식들을 도출했으며, 이러한 수치적 방법론을 이용한다면 바닥 구조 및 온도 변화 등 다양한 조건에서도 적절한 PCM의 융해온도를 결정할 수 있다.
(3) 국내 공동주택에 본 연구에서 제시한 PCM 바닥 복사 난방 시스템을 적용했을 때, 앞서 제시된 방정식과 더불어 선행연구 및 국내 권고 기준에 의한 실내 난방온도 22 ℃ 및 바닥 표면온도 28～30 ℃의 쾌적 조건을 만족시킬 수 있는 PCM의 융해온도는 35～45 ℃(오차범위: ± 1 ℃ 포함)인 것으로 산정되었다. 이러한 온도 범위의 PCM 중, 대표 표본을 44 ℃로 선정하여 실제와 동일한 축소형 모듈을 제작하고 온수 공급이 중단될 시의 기존 및 PCM 적용 모듈의 표면온도 변화 패턴을 분석한 결과, 기존 모듈의 표면온도는 급속하게 저하되는 반면, PCM 모듈은 PCM의 융해온도 지점에서 약 20～30분간 동일한 온도를 유지한 이후에 표면온도가 완만하게 저하되는 패턴을 보였다. 이는 PCM의 잠열이 방출되어 표면온도 감소 시점을 지연시키는 효과(Time-lag)와 더불어 PCM이 삽입된 모듈의 현열 방출 성능이 더 우수하기 때문에 나타난 결과라 판단된다.
(4) 축소형 바닥 모듈 실험 결과를 바탕으로, 실제 공동주택에 본 시스템이 적용될 시, 연간 난방에너지 절감량을 정량적으로 예측하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 그 결과, 기존 공동주택의 연간 난방에너지 사용량은 약 123,844.7 kWh인 반면, PCM이 적용된 공동주택은 연간 약 121,844.7 kWh의 난방에너지를 소비한 것으로 계산되어 기존 대비, 약 2.4 %가 절감된 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 난방 시간대에서 PCM의 잠열 방출로 인해 온수 공급을 간헐적으로 운영함과 더불어 비난방 시간대에서 PCM이 적용된 바닥표면의 최저 온도가 기존 바닥표면의 최저 온도보다 높게 유지되었기 때문인 것으로 확인되었다. 또한 기존 대비, PCM이 적용된 공동주택의 연간 난방에너지 절감 효율을 상승시키기 위해 PCM의 두께를 20～50 mm까지 증가시켰으며 그 결과, PCM이 20 mm가 적용될 경우, 연간 난방에너지가 기존 대비, 약 7.3 % 감소되었으며, 30 mm의 경우는 약 10.7 %, 40 mm의 경우는 약 13.3 %, 그리고 50 mm가 적용될 경우는 약 15.3 %의 연간 난방에너지가 절감되는 것으로 분석되었다.
(5) 난방에너지 절감량을 증가시키기 위해 대용량의 PCM이 바닥에 적용될 경우, PCM의 적용 용량이 증가할수록 온수 공급이 점차 줄어들어 에너지 소비는 절감시킬 수 있지만, 난방부하에 의한 최대 에너지 요구량보다 더 많은 PCM이 적용될 경우, 불필요한 PCM의 잠열 방출로 인해 난방 및 비난방 시간대에서 실내 온도 및 바닥 표면온도가 쾌적 조건을 벗어날 수 있는 가능성이 있기 때문에 PCM의 적정 용량을 정량적으로 산출하거나 온수 유량이나 온도 등의 조절이 필요할 것으로 보이며, 아울러 PCM 용량에 따른 층간 슬래브의 하중 문제 등의 구조적 검토 또한 수행되어야 할 것으로 사료된다.
국내 공동주택의 대부분은 콘크리트 기반의 습식공법과 온수를 이용한 바닥 복사 난방 시스템을 채택하고 있으며, 국토교통부에서 제시한 표준바닥 구조 기준을 준용하고 있다. 이 중, 바닥 구조에서 실질적으로 난방을 수행하는 재료들은 바닥 상부에 설치되는 경량기포 콘크리트와 모르타르이다. 그러나 이러한 재료들은 오직 잠열 축열 및 방출 구간만을 가지기 때문에, 설정된 실내 난방 온도 및 바닥 표면온도를 지속적으로 유지시키기 위해서는 대량의 온수와 에너지를 소비한다. 따라서 본 연구에서는 기존 바닥 복사 난방 시스템의 축열 및 방출 성능을 향상시키기 위해 경량기포 콘크리트를 고성능 잠열 축열 및 방출 재료인 PCM으로 대체한 PCM 바닥 복사 난방 시스템을 제안하였다. 이러한 시스템은 현열뿐만 아니라 잠열을 활용할 수 있기 때문에, 기존 시스템과 비교하여 열적 및 에너지 성능을 극대화 할 수 있는 장점을 가진다. 뿐만 아니라, 국토교통부에서 제시한 바닥 두께를 충족시킬 수 있기 때문에, 신축 및 기존 공동주택에서 난방에너지를 감소시키기 위한 차세대 시스템으로서 적용이 가능하다. 본 연구는 PCM 바닥 복사 난방 시스템을 개발하기 위한 초기 연구로서, 우선 제안된 시스템의 구조 및 시공방법을 설명하고, PCM 적용에 따른 바닥 시스템의 열적 거동을 수치적으로 분석하였다. 또한 수치 해석 결과를 바탕으로, 국내 공동주택에 적용 가능한 PCM의 융해 온도 범위를 계산하였다. 이러한 이론적 결과들을 바탕으로, 기존 시스템과 비교하여 PCM 바닥 복사 난방 시스템의 축열 및 방출 성능을 검증하기 위해 실증실험을 위한 소형 모듈을 제작하고 항온 챔버를 이용하여 그 성능을 분석하였다. 아울러, 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 PCM 바닥 복사 난방 시스템의 적용에 따른 난방에너지 절감 효과 또한 분석하였다. 이러한 연구 과정을 통해 도출된 결과들은 다음과 같이 요약될 수 있다.
(1) 국내 공동주택의 바닥 복사 난방 시스템은 경량기포 콘크리트 및 모르타르의 낮은 축열 성능으로 인해, 실내 및 바닥 표면의 설정온도를 유지하기 위해서는 지속적인 온수 공급과 난방에너지를 소비하는 단점을 가진다. 이러한 에너지 다소비 형태의 바닥 구조를 개선하기 위해 본 연구에서는 기존 바닥 구조에 고성능 잠열 축열재인 PCM(Phase Change Material)을 삽입하여 축열 성능을 향상시키면서 난방에너지를 절감시킬 수 있는 PCM 바닥 복사 난방 시스템을 제안하였다.
(2) 본 연구에서 제안한 PCM 바닥 복사 난방 시스템의 구조는 210 mm 콘크리트 슬라브 위에 20 mm 이상의 완충재(단열재), 15 mm 이상의 모르타르, 10 mm PCM 컨테이너, 15 mm 이상의 모르타르, 40 mm 이상의 마감 모르타르(온수파이프 포함) 순으로 시공될 수 있다. 이러한 구조는 PCM의 잠열로 인해 일정 시간 동안 동일한 바닥의 표면온도를 유지하면서 급격한 표면온도 저하를 억제할 수 있기 때문에 간헐적인 온수 공급과 더불어 난방에너지 소비를 절감시킬 수 있다. 또한 제시된 설계안을 바탕으로 한 열전달 해석을 통해, 바닥의 표면온도를 예측하여 PCM의 최적 융해온도를 산정할 수 있는 방정식들을 도출했으며, 이러한 수치적 방법론을 이용한다면 바닥 구조 및 온도 변화 등 다양한 조건에서도 적절한 PCM의 융해온도를 결정할 수 있다.
(3) 국내 공동주택에 본 연구에서 제시한 PCM 바닥 복사 난방 시스템을 적용했을 때, 앞서 제시된 방정식과 더불어 선행연구 및 국내 권고 기준에 의한 실내 난방온도 22 ℃ 및 바닥 표면온도 28～30 ℃의 쾌적 조건을 만족시킬 수 있는 PCM의 융해온도는 35～45 ℃(오차범위: ± 1 ℃ 포함)인 것으로 산정되었다. 이러한 온도 범위의 PCM 중, 대표 표본을 44 ℃로 선정하여 실제와 동일한 축소형 모듈을 제작하고 온수 공급이 중단될 시의 기존 및 PCM 적용 모듈의 표면온도 변화 패턴을 분석한 결과, 기존 모듈의 표면온도는 급속하게 저하되는 반면, PCM 모듈은 PCM의 융해온도 지점에서 약 20～30분간 동일한 온도를 유지한 이후에 표면온도가 완만하게 저하되는 패턴을 보였다. 이는 PCM의 잠열이 방출되어 표면온도 감소 시점을 지연시키는 효과(Time-lag)와 더불어 PCM이 삽입된 모듈의 현열 방출 성능이 더 우수하기 때문에 나타난 결과라 판단된다.
(4) 축소형 바닥 모듈 실험 결과를 바탕으로, 실제 공동주택에 본 시스템이 적용될 시, 연간 난방에너지 절감량을 정량적으로 예측하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 그 결과, 기존 공동주택의 연간 난방에너지 사용량은 약 123,844.7 kWh인 반면, PCM이 적용된 공동주택은 연간 약 121,844.7 kWh의 난방에너지를 소비한 것으로 계산되어 기존 대비, 약 2.4 %가 절감된 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 난방 시간대에서 PCM의 잠열 방출로 인해 온수 공급을 간헐적으로 운영함과 더불어 비난방 시간대에서 PCM이 적용된 바닥표면의 최저 온도가 기존 바닥표면의 최저 온도보다 높게 유지되었기 때문인 것으로 확인되었다. 또한 기존 대비, PCM이 적용된 공동주택의 연간 난방에너지 절감 효율을 상승시키기 위해 PCM의 두께를 20～50 mm까지 증가시켰으며 그 결과, PCM이 20 mm가 적용될 경우, 연간 난방에너지가 기존 대비, 약 7.3 % 감소되었으며, 30 mm의 경우는 약 10.7 %, 40 mm의 경우는 약 13.3 %, 그리고 50 mm가 적용될 경우는 약 15.3 %의 연간 난방에너지가 절감되는 것으로 분석되었다.
(5) 난방에너지 절감량을 증가시키기 위해 대용량의 PCM이 바닥에 적용될 경우, PCM의 적용 용량이 증가할수록 온수 공급이 점차 줄어들어 에너지 소비는 절감시킬 수 있지만, 난방부하에 의한 최대 에너지 요구량보다 더 많은 PCM이 적용될 경우, 불필요한 PCM의 잠열 방출로 인해 난방 및 비난방 시간대에서 실내 온도 및 바닥 표면온도가 쾌적 조건을 벗어날 수 있는 가능성이 있기 때문에 PCM의 적정 용량을 정량적으로 산출하거나 온수 유량이나 온도 등의 조절이 필요할 것으로 보이며, 아울러 PCM 용량에 따른 층간 슬래브의 하중 문제 등의 구조적 검토 또한 수행되어야 할 것으로 사료된다.
Most apartment housing in Korea have adopted the underfloor heating system using concrete-based wet construction method and hot water, applying the standard floor structure criterion presented by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT). The materials conducting heat in such floor ...
Most apartment housing in Korea have adopted the underfloor heating system using concrete-based wet construction method and hot water, applying the standard floor structure criterion presented by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT). The materials conducting heat in such floor structures are autoclaved lightweight concrete and mortar that are installed on the upper part of the floor. However, since these materials only have sensible heating storage and discharge sections, a large amount of hot water and energy are consumed to keep the set indoor heating temperature and the floor surface temperature constant. To improve the thermal storage and discharge of the existing system, this study proposed a PCM underfloor heating system in which autoclaved lightweight concrete is replaced with PCM, a high-performance latent heat storage and discharge material. The proposed system has advantages that can maximize thermal and energy performance by utilizing not only sensible heat but also latent heat in operating underfloor heating systems. Furthermore, as the proposed system meets the floor thickness standard presented by MOLIT, it is possible to apply to both newly-constructed and existing apartment housing as an advanced heating system to reduce energy consumption. As a fundamental study to develop the PCM underfloor heating system, this research explained the structural features and construction method for the system, and also analyzed the thermal behavior within the floor structure by applying PCM numerically. In addition, the melting point range of PCM which could be applied to domestic apartment housing was calculated with the results of the numerical interpretation. Based on the theoretical results, small modules for experimental test were produced to verify and analyze the thermal storage and discharge performance of the PCM underfloor heating system in comparison with an existing system by using a constant-temperature chamber. Finally, the effects of the proposed PCM underfloor heating system on heating energy reduction were analyzed with a computer simulation program. The results deducted from the above study can be summarized as follows.
(1) underfloor heating systems in domestic apartment housing consume hot water and energy constantly for heating times to keep set-points of indoor and floor surface due to the low thermal storage performance of autoclared lightweight concrete and finishing mortar. In order to solve this problem, this study proposes a PCM (Phase Change Material) underfloor heating system which can improve thermal storage and heating energy performance by inserting PCM as a latent heat material into floor structures of existing underfloor heating systems.
(2) The structure of PCM underfloor heating system is as follows: ① 210 mm concrete slab, ② 20 mm cushioning material, ③ 15 mm mortar, ④ 10 mm PCM container, ⑤ 15 mm mortar, ⑥ 40 mm mortar ⑦ finishing material. The system can reduce hot water supply and heating energy consumption as surface temperatures can be kept at the set-point for certain times, and can prevent fast reduction of floor surface temperatures by latent heat discharged from PCM. In addition, the equations which can calculate optimal PCM melting point, meeting various indoor temperatures and floor surface temperatures in apartment housing were proposed.
(3) It was calculated that the temperature range that meets an indoor temperature, 22 ℃ and a floor surface temperature, 30 ℃, which are the comfort conditions in domestic apartment housing, is 35-45 ℃(Including error range, ±1 ℃). Furthermore, the thermal storage test using the curtailed underfloor heating modules the representative PCM, 44 ℃ of calculated PCM melting point range were performed by a constant–temperature chamber, focusing on the surface temperature of the module. As the results, the surface temperature of the PCM underfloor heating module was kept as the identical temperature for about 20-30 minutes more than the existing module regardless of heat energy supply.
(4) the computer simulation program was used to calculate annual heating energy consumption in the apartment housing applied to the existing and PCM underfloor heating system. As the results, while annual heating energy consumed in apartment housing with the existing system is about 165,563.1kWh, the apartment housing applied to PCM underfloor heating system used heating energy of about 161,549.7 kWh annually. Also, when PCM thickness was increased from 20 mm to 50 mm instead of 10 mm PCM, heating energy consumptions were 153,490.7 kWh, 147,821.7 kWh, 143,582.5 kWh, and 140,267.8 kWh respectively compared to the existing apartment housing. In the case of energy reduction ratio, the apartment housing applying 10 mm PCM reduced by about 2.4 %, and the reduction ratios in apartment housing applied to 20, 30, 40, 50 mm PCM were 7.3 %, 10.7 %, 13.3 %, 15.3 % respectively, compared to the existing apartment housing.
(5) Although this study suggested the design of a PCM underfloor heating system and analyzed the reduction performance of heating energy consumptions, to popularize this system, an additional study for hot water systems, controllers for temperature and flow rate, and economic evaluation should be conducted as well in future research.
Most apartment housing in Korea have adopted the underfloor heating system using concrete-based wet construction method and hot water, applying the standard floor structure criterion presented by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT). The materials conducting heat in such floor structures are autoclaved lightweight concrete and mortar that are installed on the upper part of the floor. However, since these materials only have sensible heating storage and discharge sections, a large amount of hot water and energy are consumed to keep the set indoor heating temperature and the floor surface temperature constant. To improve the thermal storage and discharge of the existing system, this study proposed a PCM underfloor heating system in which autoclaved lightweight concrete is replaced with PCM, a high-performance latent heat storage and discharge material. The proposed system has advantages that can maximize thermal and energy performance by utilizing not only sensible heat but also latent heat in operating underfloor heating systems. Furthermore, as the proposed system meets the floor thickness standard presented by MOLIT, it is possible to apply to both newly-constructed and existing apartment housing as an advanced heating system to reduce energy consumption. As a fundamental study to develop the PCM underfloor heating system, this research explained the structural features and construction method for the system, and also analyzed the thermal behavior within the floor structure by applying PCM numerically. In addition, the melting point range of PCM which could be applied to domestic apartment housing was calculated with the results of the numerical interpretation. Based on the theoretical results, small modules for experimental test were produced to verify and analyze the thermal storage and discharge performance of the PCM underfloor heating system in comparison with an existing system by using a constant-temperature chamber. Finally, the effects of the proposed PCM underfloor heating system on heating energy reduction were analyzed with a computer simulation program. The results deducted from the above study can be summarized as follows.
(1) underfloor heating systems in domestic apartment housing consume hot water and energy constantly for heating times to keep set-points of indoor and floor surface due to the low thermal storage performance of autoclared lightweight concrete and finishing mortar. In order to solve this problem, this study proposes a PCM (Phase Change Material) underfloor heating system which can improve thermal storage and heating energy performance by inserting PCM as a latent heat material into floor structures of existing underfloor heating systems.
(2) The structure of PCM underfloor heating system is as follows: ① 210 mm concrete slab, ② 20 mm cushioning material, ③ 15 mm mortar, ④ 10 mm PCM container, ⑤ 15 mm mortar, ⑥ 40 mm mortar ⑦ finishing material. The system can reduce hot water supply and heating energy consumption as surface temperatures can be kept at the set-point for certain times, and can prevent fast reduction of floor surface temperatures by latent heat discharged from PCM. In addition, the equations which can calculate optimal PCM melting point, meeting various indoor temperatures and floor surface temperatures in apartment housing were proposed.
(3) It was calculated that the temperature range that meets an indoor temperature, 22 ℃ and a floor surface temperature, 30 ℃, which are the comfort conditions in domestic apartment housing, is 35-45 ℃(Including error range, ±1 ℃). Furthermore, the thermal storage test using the curtailed underfloor heating modules the representative PCM, 44 ℃ of calculated PCM melting point range were performed by a constant–temperature chamber, focusing on the surface temperature of the module. As the results, the surface temperature of the PCM underfloor heating module was kept as the identical temperature for about 20-30 minutes more than the existing module regardless of heat energy supply.
(4) the computer simulation program was used to calculate annual heating energy consumption in the apartment housing applied to the existing and PCM underfloor heating system. As the results, while annual heating energy consumed in apartment housing with the existing system is about 165,563.1kWh, the apartment housing applied to PCM underfloor heating system used heating energy of about 161,549.7 kWh annually. Also, when PCM thickness was increased from 20 mm to 50 mm instead of 10 mm PCM, heating energy consumptions were 153,490.7 kWh, 147,821.7 kWh, 143,582.5 kWh, and 140,267.8 kWh respectively compared to the existing apartment housing. In the case of energy reduction ratio, the apartment housing applying 10 mm PCM reduced by about 2.4 %, and the reduction ratios in apartment housing applied to 20, 30, 40, 50 mm PCM were 7.3 %, 10.7 %, 13.3 %, 15.3 % respectively, compared to the existing apartment housing.
(5) Although this study suggested the design of a PCM underfloor heating system and analyzed the reduction performance of heating energy consumptions, to popularize this system, an additional study for hot water systems, controllers for temperature and flow rate, and economic evaluation should be conducted as well in future research.
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