[논문]창호 블라인드와 상변화물질 적용에 의한 냉방 에너지 사용량 절감효과에 대한 검토 연구

송영학; 김기태; 구보경; 이건호

doi:10.6110/kjacr.2014.26.1.026

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This study looks into changing building energy use by application of phase change material (PCM). PCM does not need extra energy for operation and is used for reducing building energy use and, CO2 output by displaying semi-permanent effects after installation. It also is able to avoid the maximum el...

This study looks into changing building energy use by application of phase change material (PCM). PCM does not need extra energy for operation and is used for reducing building energy use and, CO2 output by displaying semi-permanent effects after installation. It also is able to avoid the maximum electric power time-zone by inducing a time lag phenomenon of cooling and heating loads with high thermal capacity using latent heat. To verify the efficiency of blinds and PCM, tests about the PCM operation mechanism using air conditioning machinery and nocturnal panel cooling were done. In the test results of the case using PCM installation, a $45^{\circ}$ blind angle with machinery air conditioning and nocturnal panel cooling at the same time shows a 22 percent energy saving effect against general space. The test results of each case were compared and analyzed based on the blind and window opening settings. Finally, the energy reduction of existing buildings using PCM application was reviewed based on the final measurement results.

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문제 정의

그동안 PCM에 대한 연구가 동적 시뮬레이션을 이용한 최적 적용방안 도출, PCM 자체의 성능 검증을 위한 테스트, 주거에의 적용 검토 등에 집중되어 온 경향이 있으나, 본 연구에서는 보다 폭넓은 활용 가능성을 확인하기 위해 비주거 건물에의 적용을 검토하고자 하였다.
이를 위해 창호 블라인드를 포함하여 오피스 건물을 상정한 실물공간을 구축하였고, 실험과 실측을 통해 블라인드의 각도변화와 PCM의 적용에 따른 건물에너지 절감효과를 확인하는 것을 본 논문의 주요 목적으로 하였다.

가설 설정

운전시간은 오전 8시부터 9시까지 예냉운전을, 이후 9시부터 오후 6시까지 업무시간을 가정한 냉방운전을 하며 중식시간에 해당하는 정오 12시부터 오후 1시까지는 운전을 정지하는 것으로 설정하였다.

제안 방법

앞서 언급한 바와 같이 사무실 등의 비주거 건물을 구현하기 위해 실험실을 구축하였다. 4층 규모의 건물중 3층에 위치한 동일 공간을 대상으로 하였으며, 그 사이즈는 Fig.
PCM 미설치 조건인 레퍼런스 룸은 블라인드의 각도를 90°인 전폐(Closed) 상태로 유지하여 외부 일사에 의한 영향이 발생하지 않도록 하였고, 룸 에어컨을 이용한 기계냉방으로만 운전하였다.
8 kW)의 벽걸이식 룸 에어컨을 설치한 후 온도센서를 분리하여 실 중앙의 온도 값과 연동시켰다. 가동 조건은 실온 26℃에서 운전 개시, 24℃에서 운전 중단이며, 이 때 소비되는 전력을 1분 단위로 24시간 측정하였다. 온도 계측장비는 T사의 Robust velocity probe를 이용하여 전력과 동일하게 1분 간격 측정하였고, 디지털 신호 변환 및 데이터 저장 등에 Lab View 8.
사무실 공간을 구현한 실험실 운전을 반영하기 위해 창호 블라인드를 설치하였다. 본 논문에서의 블라인드 각도는 Fig.
PCM이 설치되어 있는 테스트 룸은 크게 두 가지 상황을 고려하여 실험 케이스를 구성하였다. 먼저 PCM 응고를 위해 실온을 낮추기 위한 방법으로 운전시간 종료 후, 창문을 개방하여 야간복사냉방 항목을 추가 하였다. 이를 기준으로 기계냉방만을 실시하는 Case A와 기계 및 야간복사냉방을 동시에 활용하는 Case B를 설정하였다.
또한, 실제 사무실의 탄력적인 블라인드 운용을 고려하여 각도를 90°, 45°, 0°의 3가지 단계로 구분하였다.
이를 기준으로 기계냉방만을 실시하는 Case A와 기계 및 야간복사냉방을 동시에 활용하는 Case B를 설정하였다. 운전시간은 사무실 운영을 반영하여 오전 9시부터 오후 6시까지로 냉방운전을 하며, 업무시작 전 1시간 동안 예냉운전(Pre cooling)을 실시하였다. 또한, 실제 사무실의 탄력적인 블라인드 운용을 고려하여 각도를 90°, 45°, 0°의 3가지 단계로 구분하였다.

대상 데이터

본 실험에 적용된 PCM은 미국 B사의 제품이며, 그 주요 재원을 Table 1에 표시하였다. 또한, Fig.
앞서 언급한 바와 같이 사무실 등의 비주거 건물을 구현하기 위해 실험실을 구축하였다. 4층 규모의 건물중 3층에 위치한 동일 공간을 대상으로 하였으며, 그 사이즈는 Fig. 2와 같이 가로 2.7 m, 세로 4.3 m, 높이 2.3 m의 직방형 형태이며, 실과 실 사이에 회의실 등의 완충 공간(Buffer zone)을 계획하여 양 실의 영향을 최소한으로 하였다. Pic.
PCM 적용에 의한 에너지 저감량을 파악하는 것이 본 실험의 목적이므로, Pic. 1과 같이 레퍼런스로 활용되는 A실(이하, 레퍼런스 룸)은 PCM을 설치하지 않은 상태로 실온과 냉방 전력량을 측정하였으며, 실험대상인 B실(이하, 테스트 룸)의 천장과 양 벽면의 일부에 PCM 제품을 노출상태로 설치하였고 그 면적은 24 m²이다. 또한, 각 실에는 동일한 용량(0.

성능/효과

PCM이 설치된 테스트 룸의 경우, 블라인드 각도 90° 일 때, 일일 전력사용 누적량은 0.234 kWh, 45°와 0° 시, 각각 0.346, 0.506 kWh의 일일 전력 누적량을 나타내었으며, 각도가 낮아질수록 증가하는 경향을 보였다.
테스트 룸을 기준으로 블라인드 각도가 90°인 Case A-1의 일일 전력 누적량은 1.102 kWh, Case A-2(블라인드 각도 45°)는 1.432 kWh, Case A-3(블라인드 각도 0°)은 1.180 kWh로 나타났으며, PCM 미설치 및 블라인드 각도가 90°로 고정된 레퍼런스 룸의 일일 전력 누적량은 각각 1.374, 1.608, 1.259 kWh로 나타났다.
블라인드 각도와는 무관하게 08시부터 냉방운전이 실시됨과 동시에 실온이 하락하고, 냉방 중지가 되면 실온이 상승하는 패턴을 보였다. 운전시간 동안 레퍼런스 룸과 테스트 룸의 실온 제어목표는 26℃이나, 냉방운전 on/off에 의한 온도 변화의 폭은 약 2~6 K로 비교적 안정적이지 못한 실온분포로 나타났다. 이는 시판되는 에어컨 중 가장 용량이 작은 기종을 설치하였으나, 모델 실험 공간 자체가 협소하고, 실내 내부발열 기기가 배제되어 나타나는 현상이라 사료된다.
한편, 블라인드는 각도가 낮을수록 실내에 부분 직달 및 천공일사량이 입사되어 냉방부하가 증가하므로, 그 결과 Case A, B 모두 낮은 블라인드 각도에서 에너지 절감량이 줄어드는 경향을 보였다.
(1) 사무실 환경을 가정한 모델 실험을 실시하였고, 블라인드 각도제어와 PCM 적용에 의해 6.3~19.8%의 에너지 절감효과를 확인하였다.
(3) 블라인드 각도가 낮아질수록 에너지 절감량 효과는 낮은 경향을 보였다. 그러나 낮은 블라인드 각도는 자연채광 활용 가능성을 의미하므로, 냉방에너지와 조명에너지를 동시에 평가하는 후속 연구가 필요할 것으로 보인다.
또한, 기계냉방만을 적용한 Case A의 경우 블라인드 각도에 따라 차이가 있으나 절감율은 6.3~19.8%, 기계 냉방 및 야간외기냉방을 동시에 적용한 Case B의 절감율은 2.3~43.6%로 Case B의 에너지 절감율이 평균 8.9%높은 것으로 나타났다. 야간 외기냉방에 의해 실내에 축적된 잉여부하가 제거되고, PCM이 예냉 운전시각 이전에 외기조건만으로 응고된 것이 주요 원인으로 사료된다.
(2) 야간복사냉방은 PCM의 효과적인 운용에 적합한 것으로 나타났으며, 블라인드 각도 등에 따라 최대 43.6%의 에너지 절감율을 나타내었다.

후속연구

(3) 블라인드 각도가 낮아질수록 에너지 절감량 효과는 낮은 경향을 보였다. 그러나 낮은 블라인드 각도는 자연채광 활용 가능성을 의미하므로, 냉방에너지와 조명에너지를 동시에 평가하는 후속 연구가 필요할 것으로 보인다.
향후, 추가연구에서 실제 사무실 건물을 대상으로 현실성을 구현한 결과를 도출해 나갈 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건축자재로써 널리 적용되는 PCM은 어떤 계열인가?	한편, 건축자재로써 널리 적용되는 PCM은 파라핀 (Paraffin wax) 계열로 제조 공정에서 용융점에 대한 조절이 가능하므로 특정 온도대의 상품이 시판되고 있다. 그동안 낮은 열전도성과 내화성능 등의 제한 등으로 널리 활용되지 않았으나, 최근 십여 년 사이에 이러한 문제점들이 개량되면서 관련연구와 적용사례가 증가하고 있다.
	넓은 의미에서의 PCM란?	넓은 의미에서의 PCM은 대량의 열에너지를 축적하거나 저장된 열에너지를 방출하는 잠열재, 축열재, 축냉재 등을 일컫는다. 특정온도에서 상변화가 일어나면서 잠열 형태로 열교환이 이루어지는데, 주변 온도가 높아지면 고체에서 액체로 융해되면서 열을 흡수하고, 반대 조건에서 응고 현상이 일어나면서 주변에 열을 발산하는 것이 기본 원리이다.
	PCM의 원리는?	넓은 의미에서의 PCM은 대량의 열에너지를 축적하거나 저장된 열에너지를 방출하는 잠열재, 축열재, 축냉재 등을 일컫는다. 특정온도에서 상변화가 일어나면서 잠열 형태로 열교환이 이루어지는데, 주변 온도가 높아지면 고체에서 액체로 융해되면서 열을 흡수하고, 반대 조건에서 응고 현상이 일어나면서 주변에 열을 발산하는 것이 기본 원리이다. 상변화 시에 수반되는 잠열을 활용할 경우, 열 저장매체의 부피와 무게를 줄일 수 있으며, 특정 온도에서 제어가 가능한 장점이 있다.

참고문헌 (8)

Jeon, J. S., Jeong, K. S., and Kim, S. M., 2012, Consideration for Application of Phase Change Material (PCM) for Building Energy Saving, Proceedings of the KSES, pp. 470-474.
Yoo, H. G., Baek, J. H., Park, S. S., Jwong, D. Y., and Park, I. H., 2011, Experimental study on Charging/Discharging Characteristic of Using Tow Kinds of PCM in a Thermal Storage System, Proceedings of SAREK Korea, pp. 383-388.
Yoon, D. H., Choi, B. S., and Hong, H. G., 2006, Experiments and Property Study of Ondol Panel Based on Phase Change Material, Proceedings of SAREK Korea, pp. 122-125.
Ahn, S. M., Jeong, C. H., Hwang, S. H., Lee, S. B., and Kim, T. Y., 2010, An Analysis of Optimum Phase change Temperature of PCM using Wallboard for Cooling Energy Saving in Apartment Buildings, Proceedings of KIAEBS, pp. 141-144.
Muruganantham, K., Phelan, P., Horwath, P., Ludlam, D., and McDonald, T., 2010, Experimental Investigation of a Bio-based Phase Change Material to Improve Building Energy Performance, Proceedings of ASME 2010, 4th International Conference on Energy Sustainability, Phoenix, US.
Im, B. C., Choi, H. S., Choi, S. H., and Moon, G. S., 2008, The Study on Possibility of PCM Application in Buildings, Institute of Construction Technology, Dong-A University, Vol. 31, No. 2, pp. 29-37.
Lee, S. J., Lee, H. H., Kim, S. M., Im, J. H., and Song, S. Y., 2012, A Study on the Heat Storage and Dissipation of Thermally Activated Building System Applied with Phase Change Materials, Proceedings of KIAEBS, pp. 75-78.
Horwath, P., 2008, BioPCMTM Longevity Cycle Testing, Phase Change Energy Solution, Inc.

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