[논문]동적 에너지 시뮬레이션을 이용한 PCM보드의 설계변수 분석에 관한 연구

이진욱; 안상민; 김태연; 이승복

문제 정의

따라서 본 논문에서는 동적에너지 시뮬레이션을 이용하여 상변화물질을 국내 건축물에 올바르게 적용하기 위한 PCM의 타당한 설계 변수를 분석하는 것이 목적이다.
건물의 열환경을 개선하기 위해서 상변화물질의 상변화온도 범위가 실내에 어떠한 영향을 미치는지 건물에너지 시뮬레이션 프로그램을 통해 비정상해석을 실시하였다. 본 연구에서는 상변화 온도범위 증가에 따른 실내 온열환경 변화를 분석하였다. 표 4에 시뮬레이션 분석 케이스를 명시하였다.
본 연구에서는 잠열량 증가에 따른 실내 열환경 변화를 분석하였다. 잠열량 변화에 따른 실내 열환경 분석시, 상변화온도 및 상변화온도범위 변화에 따른 분석 결과를 바탕으로 축열 성능이 가장 뛰어난 22℃(상변화온도), 21∼23℃(상변화온도 범위)로 선정하였다.

가설 설정

냉난방시스템은 작동하지 않았으며 PCM 변수에 따른 정확한 분석을 위하여 내부발열을 제거하였다. 표 1에 PCM을 분석하기 위해 가정한 시뮬레이션 사용법을 기술하였으며, 표 2에 PCM보드 설계 변수 분석을 위한 시뮬레이션 개요를 분석하였다.
표 4에 시뮬레이션 분석 케이스를 명시하였다. 본 연구에서는 상변화물질의 냉각 프로세스는 고려하지 않았다.

제안 방법

본 연구의 방법으로는 미국 에너지성에서 제공하는 EnergyPlus 6.0 version을 이용하여 PCM의 핵심 변수인상변화온도, 상변화온도범위, 잠열량, 열전도율 변화에 따른 실내 열환경 변화 여부를 분석하였다. 본 연구에서는 마이크로캡슐화된 상변화물질을 석고보드와 혼합·제조 하여 만든 실내 건축 마감재료를 Microencapsulated PCM Wallboard로 정의 한 후, 동, 서, 남, 북 측 벽면에만 설치하는 Wallboards 개념으로 적용하였다.
본 연구에서는 마이크로캡슐화된 상변화물질을 석고보드와 혼합·제조 하여 만든 실내 건축 마감재료를 Microencapsulated PCM Wallboard로 정의 한 후, 동, 서, 남, 북 측 벽면에만 설치하는 Wallboards 개념으로 적용하였다.
PCM의 핵심 변수인 상변화온도, 상변화온도범위, 잠열량, 열전도율 변화에 따른 실내 열환경 분석하였다. PCM 을 주거건물, 업무시설, 학교 시설 등 건축물에 적용하기 전, 상변화물질의 핵심변수를 정확히 이해하고 올바르게 적용하기 위해 기본적 변수에 대한 분석을 동적 에너지 시뮬레이션을 이용하여 실시하였다.
PCM의 핵심 변수인 상변화온도, 상변화온도범위, 잠열량, 열전도율 변화에 따른 실내 열환경 분석하였다. PCM 을 주거건물, 업무시설, 학교 시설 등 건축물에 적용하기 전, 상변화물질의 핵심변수를 정확히 이해하고 올바르게 적용하기 위해 기본적 변수에 대한 분석을 동적 에너지 시뮬레이션을 이용하여 실시하였다. PCM적용 부위는 PCM Wallboards 개념으로 동, 서, 남, 북 측 벽면에만 적용하였다.
잠열량 변화에 따른 실내 열환경 분석시, 상변화온도 및 상변화온도범위 변화에 따른 분석 결과를 바탕으로 축열 성능이 가장 뛰어난 22℃(상변화온도), 21∼23℃(상변화온도 범위)로 선정하였다.
앞에서 언급한 열전달 부분을 바탕으로 상변화온도 분석 대안을 선정하였다. 분석에 앞서 에너지시뮬레이션을 통해 석고보드를 적용한 건물의 실내온도 및 벽체표면온도 분포를 분석하였다. 표 3에 상변화온도 변화에 따른 축열 성능 분석을 위한 대안을 나타내었다.
상변화물질의 경우 고유의 상변화온도와 상변화온도 범위에 걸쳐 응고 및 융해를 한다. 건물의 열환경을 개선하기 위해서 상변화물질의 상변화온도 범위가 실내에 어떠한 영향을 미치는지 건물에너지 시뮬레이션 프로그램을 통해 비정상해석을 실시하였다. 본 연구에서는 상변화 온도범위 증가에 따른 실내 온열환경 변화를 분석하였다.
김수민 외 3명(2011)은 Exfoliated graphic nanoplatelets (xGnp)를 이용하여 PCM의 열전도율 개선을 하였다. 본 연구에서는 열전도율과 PCM의 축열 성능을 건물에너지 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 분석하였다. 표 6에 PCM 열전도율 변화에 따른 축열 성능을 분석하기 위한 해석 대안을 나타내었다.
8로 향상된 대안의 경우, 상변화온도 23℃부근에서 장시간 온도를 유지함을 판단 할 수 있다. 열전도율 향상에 따른 PCM보드의 축열 성능을 정량적으로 분석하기 위하여 PCM보드의 잠열로 인한 저장된 열을 실내의 열평을 맞추기 위해 방출한 에너지의 합을 그래프에 나타내었다. 그래프를 통해, 열전도율 0.
본 연구는 상변화물질의 핵심 변수 인 상변화온도, 상변화온도 범위, 잠열량 및 열전도율 변화에 따른 PCM 보드의 축열 성능을 동적 에너지 시뮬레이션을 이용하여 분석한 연구이며, 건물에너지 시뮬레이션 해석을 통한 결론은 아래와 같다.
본 연구 결과는 시뮬레이션을 통해 PCM보드를 벽면에 적용하여 상변화물질의 핵심 변수에 따른 축열 성능을 분석하였다. 추후 연구 진행 사항으로 실내 내부마감재로써 벽체 외에, 바닥과 천장에 PCM보드를 적용 한 후 건물의 실내 열환경에 대한 변화 여부를 평가하는 것이 필요하다.

대상 데이터

상변화물질의 상변화온도는 PCM보드의 가장 큰 변수이며, 올바른 온도산정을 통해 실내 열환경을 개선할 수 있을 것으로 판단된다. 앞에서 언급한 열전달 부분을 바탕으로 상변화온도 분석 대안을 선정하였다. 분석에 앞서 에너지시뮬레이션을 통해 석고보드를 적용한 건물의 실내온도 및 벽체표면온도 분포를 분석하였다.

이론/모형

따라서 전도 유한차분법(Conduction Finite Difference Solution)을 적용한 알고리즘을 이용하여 해석해야 한다. 이 알고리즘은 상변화 에너지를 명확히 구현 하기 위해 음함수형 유한차분법(Implicit Finite Difference)과 엔탈피-온도 함수를 결합하여 사용한다. 이때 내부 절점(node)에 대한 음함수 식은 다음과 같다.

성능/효과

위의 식은 실내온도 및 실내평균온도와 상변화온도와의 관계를 나타낸 식이다. 실내온도가 상변화온도 보다 높을 때, 하루 동안에 벽체에 전달되는 열, 즉 저장할 수 있는 열의 양은 대류 현상에 의해 고체 표면에서 유체에 열을 전달하는 크기를 나타내는 계수인 표면 열전달 계수 값에 비례하고 실내온도가 상변화온도보다 온도가 높은 시간이 길수록 저장할 수 있는 열, 즉 열의 전달이 잘됨을 알 수 있다. 반대로, 실내온도의 변화폭이 일정할 경우, 상변화물질의 융해 및 응고 과정 (Melting & Freezing Process)이 미비하여 축열 성능이 저하함을 알 수 있다.
위에 나타난 식과 다이어그램을 통해, 평균 상변화온도가 평균 실내온도에 가까울수록 축열량이 증가하고 평균 상변화온도와 평균 실내온도 차이가 커지면 축열량이 감소하는 것을 알 수 있다. 시간지연효과의 경우, 평균상변화온도보다 약간 높은 경우에 최대값을 나타내며, 상변화 온도구간이 크면 최대 축열량은 작지만 평균 실내온도에서 벗어난 환경에서 일정한 축열 성능 및 시간지연 효과에 영향을 미치는 것으로 알 수 있다.
표준편차 및 진폭감쇄율 분석 결과, Tw2 (21∼23℃)의 PCM보드가 가장 축열 성능이 우수하여 실내온도 변동폭이 크지 않은 것으로 나타났다.
진폭감쇄율은 일반적으로 외벽체에 설치된 축열체에서 일어난 열류의 최대편차와 열용량이 0으로 가정된 구조체 내에서 발생하는 열류의 최대편차와의 비를 말한다. 본 연구에서는 실내최고온도대비 최저 온도 비율을 진폭감쇄율로 정의하였으며 1에 가까울수록 실내 온도 변동폭이 크지 않음을 의미 한다.[7] 표준편차를 비교해 보면 평균 벽체표면온도와 동일하게 설정한 경우가 0.
90 실내온도가 평균온도 범위에서 큰 변화 없이 유지하는 것으로 나타났다. 진폭감쇄율 분석 결과, 벽체 표면온도와 동일하게 설정한 22℃의 PCM보드가 가장 우수한 것으로 나타났다. 그림 8은 상변화온도 변화에 따른 Surface Convection Rate를 표시하였다.
EnergyPlus 프로그램에서는 실내의 열평형을 맞추기 위해 벽체에서 방출하거나 축열한 에너지의 합을 의미하는 Surface Convection Rate 결과 값을 제공한다. 벽체 평균온도와 동일하게 설정한 상변화온도 22℃의 PCM보드가 상변화 물질의 응고 및 융해과정이 가장 활발히 발생하여 가장 높은 에너지의 양을 나타냈다. 분석을 통해, PCM보드의 적정상변화온도는 벽체평균표면온도와 동일하게 설정해야 함을 알 수 있으며, 실내온도패턴이 제어되지 않고 일교차가 큰 중간기에 축열 효과를 최대화 할 수 있을 것으로 사료된다.
벽체 평균온도와 동일하게 설정한 상변화온도 22℃의 PCM보드가 상변화 물질의 응고 및 융해과정이 가장 활발히 발생하여 가장 높은 에너지의 양을 나타냈다. 분석을 통해, PCM보드의 적정상변화온도는 벽체평균표면온도와 동일하게 설정해야 함을 알 수 있으며, 실내온도패턴이 제어되지 않고 일교차가 큰 중간기에 축열 효과를 최대화 할 수 있을 것으로 사료된다.
그림 24는 상변화온도 범위 변화에 따른 PCM보드의 축열 성능을 분석하기 위하여 시뮬레이션에 입력한 온도 변화에 따른 엔탈피 값을 의미한다. 그래프를 통해, 상변화온도범위가 좁은 경우, 특정 상변화온도 범위에서 축열량이 증대하고, 상변화온도범위가 넓은 경우, 넓은 온도 범위에서 축열이 가능하지만 각 상변화온도 때의 축열량은 감소하는 것을 확인할 수 있다.
실내평균온도보다 높은 범위에서 설정된 상변화온도로 인하여 주간에 일사를 저장하고 야간에 방출하여 실내평균온도 범위에서 장시간 실내온도를 유지하는 것으로 판단된다. 또한 너무 넓지도 않은 상변화온도 범위 설정으로 온도 때 별 잠열량이 낮지 않게 설정되어 PCM보드의 축열 성능이 가장 활발하게 작용한 것으로 판단된다. 하지만, 상변화온도가 너무 좁게 설정된 경우 축열 성능이 활발히 일어나지 않는 것으로 나타났다.
5월의 실내온도의 경우, 최저 16℃에서 최고 27℃온도 분포를 나타내는데, 상변화온도 범위가 좁을 경우, 변화하는 실내온도에서 열을 저장할 수 있는 시간 범위 또한 줄어들어, 상변화과정이 활발하게 일어나지 않은 것으로 사료된다. 반면, 상변화온도 범위를 넓게 선정한 경우, 실내온도 변동 폭이 쾌적 범위 내에 장시간 머무는 것으로 나타났다. 상변화온도 범위가 넓을수록 다양한 온도범위에서 실내의 열을 저장할 수 있으므로 장시간 재실자가 원하는 쾌적 범위에서 온도를 유지하는 것으로 판단된다.
그림 14∼18 까지는 잠열량 변화에 따른 온도 분포 곡선 및 축열 성능을 그래프로 나타내었다. 분석 결과, 잠 열량이 증가 할수록 상변화물질이 축열을 하거나 방출할 수 있는 에너지의 양이 증가하여 실내 열환경이 향상되는 것으로 나타났다. 높은 잠열량 일수록 상변화온도 범위 내에서 각 온도 별 축열량의 증가로 인하여 설정된 쾌적 범위 안에서 장시간 실내온도를 유지하는 것으로 판단된다.
(2) 상변화온도범위의 경우, 상변화온도를 기준으로 ±1∼2℃로 선정하는 것이 실내 열환경 개선에 가장 효율적인 것으로 나타났다.
(1) PCM보드의 설계 변수 분석 결과, 상변화온도의 경우, 벽체표면온도와 동일하게 설정하면 축열 성능이 가장 활발히 일어나는 것으로 판단되었다. 시뮬레이션 해석을 통해, 건물 벽체 표면온도 분석을 통해 선정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
(1) PCM보드의 설계 변수 분석 결과, 상변화온도의 경우, 벽체표면온도와 동일하게 설정하면 축열 성능이 가장 활발히 일어나는 것으로 판단되었다. 시뮬레이션 해석을 통해, 건물 벽체 표면온도 분석을 통해 선정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
(3) 잠열량의 경우, 잠열량이 증가할 수록 실내 열환경개선이 가능한 것으로 판단되어 PCM자체 비열이 높고 잠열량이 높은 유기질 물질을 선택하는 것이 잠열량 측면에서 바람직한 것으로 사료된다.
(4) 시뮬레이션 결과, PCM의 열전도율이 높을수록 축 열량의 증가로 인해 실내 온도 변동 폭이 크지 않아 건물의 열환경 측면이 개선될 수 있을 것으로 판단된다. 가급적, 열전도율이 높은 상변화물질이 주입된 PCM보드를 이용하여 건물에 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

후속연구

상변화물질의 상변화온도는 PCM보드의 가장 큰 변수이며, 올바른 온도산정을 통해 실내 열환경을 개선할 수 있을 것으로 판단된다. 앞에서 언급한 열전달 부분을 바탕으로 상변화온도 분석 대안을 선정하였다.
(4) 시뮬레이션 결과, PCM의 열전도율이 높을수록 축 열량의 증가로 인해 실내 온도 변동 폭이 크지 않아 건물의 열환경 측면이 개선될 수 있을 것으로 판단된다. 가급적, 열전도율이 높은 상변화물질이 주입된 PCM보드를 이용하여 건물에 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
본 연구 결과는 시뮬레이션을 통해 PCM보드를 벽면에 적용하여 상변화물질의 핵심 변수에 따른 축열 성능을 분석하였다. 추후 연구 진행 사항으로 실내 내부마감재로써 벽체 외에, 바닥과 천장에 PCM보드를 적용 한 후 건물의 실내 열환경에 대한 변화 여부를 평가하는 것이 필요하다. 또한, 에너지 소비 경향이 다른 주거용 건물과 상업용 건물에 일반적으로 사용하는 냉·난방시스템을 구현 한 후 적합한 PCM보드의 설계 변수에 대한 분석과 에너지 절감 가능성에 대한 연구가 필요할 것으로 사료 된다.
추후 연구 진행 사항으로 실내 내부마감재로써 벽체 외에, 바닥과 천장에 PCM보드를 적용 한 후 건물의 실내 열환경에 대한 변화 여부를 평가하는 것이 필요하다. 또한, 에너지 소비 경향이 다른 주거용 건물과 상업용 건물에 일반적으로 사용하는 냉·난방시스템을 구현 한 후 적합한 PCM보드의 설계 변수에 대한 분석과 에너지 절감 가능성에 대한 연구가 필요할 것으로 사료 된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지 소비량을 저감하기 위한 기술은 어떻게 나뉠 수 있는가?	온실가스 배출과 밀접한 관계가 있는 에너지의 소비는 전 세계적으로 산업, 수송, 건물 분야에서 집중되어 있고, 특히 건물에서의 에너지 소비량은 전체의 약 30%에 달한다. 이처럼 건물에서 발생하는 에너지 소비량을 저감하기 위한 기술을 살펴보면 크게 옥상, 벽면 녹화, 단지환경 개선과 같은 외부 열 환경적 분야와 창호, 벽체의 개선과 관련된 건물 분야, 냉난방시스템 및 환기시스템, 신재생에너지 기술과 같은 시스템 분야로 나눌 수 있다. 그 중에서 건물분야와 관련하여 건물의 외피는 핵심적인 요소로 냉난방에너지 소비량과 밀접한 관계가 있다.
	전도 유한차분법을 이용한 알고리즘은 어떻게 사용되는가?	따라서 전도 유한차분법(Conduction Finite Difference Solution)을 적용한 알고리즘을 이용하여 해석해야 한다. 이 알고리즘은 상변화 에너지를 명확히 구현 하기 위해 음함수형 유한차분법(Implicit Finite Difference)과 엔탈피-온도 함수를 결합하여 사용한다. 이때 내부 절점(node)에 대한 음함수 식은 다음과 같다.
	에너지의 소비는 어디에 집중되어 있는가?	최근 기후변화로 인해 온실가스 저감 정책 및 기술 개발의 필요성이 대두되고 있다. 온실가스 배출과 밀접한 관계가 있는 에너지의 소비는 전 세계적으로 산업, 수송, 건물 분야에서 집중되어 있고, 특히 건물에서의 에너지 소비량은 전체의 약 30%에 달한다. 이처럼 건물에서 발생하는 에너지 소비량을 저감하기 위한 기술을 살펴보면 크게 옥상, 벽면 녹화, 단지환경 개선과 같은 외부 열 환경적 분야와 창호, 벽체의 개선과 관련된 건물 분야, 냉난방시스템 및 환기시스템, 신재생에너지 기술과 같은 시스템 분야로 나눌 수 있다.

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