[국내논문]동절기 이중외피 시스템에 적용 가능한 PCM재료의 온도설정에 따른 실내 열 성능 분석에 관한 연구 Study on Indoor Thermal Performance Analysis upon PCM Temperature applicable to the Double Skin Facade System in the Winter원문보기
Purpose: Recently, many countries around the world are actively looking for the ways to make full use of natural energy sources and also develop and apply an environmentally friendly system designed to save building energy consumption. Under these circumstances, this study intended to determine the ...
Purpose: Recently, many countries around the world are actively looking for the ways to make full use of natural energy sources and also develop and apply an environmentally friendly system designed to save building energy consumption. Under these circumstances, this study intended to determine the applicability and energy saving effect by deriving the indoor thermal performance characteristics and the PCM temperature appropriate for a double skin façade to reduce indoor energy consumption through the application of different PCM temperatures to double skin façade and perform a performance evaluation depending on the application or non-application of PCM to a double skin façade. Method: For this study, the physical variables of the double skin façade with PCM were configured through a preliminary examination based on an experimental measurement, and experimental measurements were taken with a total of 7 types of mockup cases: Type-1 (Basic), the basic double skin façade, Type-2 (PCM $18^{\circ}C$) which was applied to the inner skin of the double skin façade depending on the phase-change temperature of PCM, Type-3 (PCM $20^{\circ}C$), Type-4 (PCM $22^{\circ}C$), Type-5 (PCM $24^{\circ}C$), Type-6 (PCM $26^{\circ}C$), and Type-7 (PCM $28^{\circ}C$) with reference to the data analysis of the basic double skin façade which preceded this study, to analyze the indoor thermal performance of the double skin façade depending on PCM temperature and the installation or non-installation of a double skin façade applying PCM based on the selected unit space. Result: Indoor thermal performance was analyzed depending on the PCM temperature applicable to double skin façade, and the analysis of heating energy reduction showed that Type-2 (PCM $18^{\circ}C$) gained 15.9% more heat compared with Type-1 (Basic) and secondly, Type-3 (PCM $20^{\circ}C$) gained 11.5% more heat. Based on these findings, it is deemed possible that the use of energy for heating can be reduced when heat coming indoors increases during the heating period, and the appropriate temperature for PCM applied to the inner skin of a double skin façade to reduce heating energy in winter, Type-2 (PCM $18^{\circ}C$) showed the highest efficiency and Type-3 (PCM $20^{\circ}C$) was also deemed appropriate.
Purpose: Recently, many countries around the world are actively looking for the ways to make full use of natural energy sources and also develop and apply an environmentally friendly system designed to save building energy consumption. Under these circumstances, this study intended to determine the applicability and energy saving effect by deriving the indoor thermal performance characteristics and the PCM temperature appropriate for a double skin façade to reduce indoor energy consumption through the application of different PCM temperatures to double skin façade and perform a performance evaluation depending on the application or non-application of PCM to a double skin façade. Method: For this study, the physical variables of the double skin façade with PCM were configured through a preliminary examination based on an experimental measurement, and experimental measurements were taken with a total of 7 types of mockup cases: Type-1 (Basic), the basic double skin façade, Type-2 (PCM $18^{\circ}C$) which was applied to the inner skin of the double skin façade depending on the phase-change temperature of PCM, Type-3 (PCM $20^{\circ}C$), Type-4 (PCM $22^{\circ}C$), Type-5 (PCM $24^{\circ}C$), Type-6 (PCM $26^{\circ}C$), and Type-7 (PCM $28^{\circ}C$) with reference to the data analysis of the basic double skin façade which preceded this study, to analyze the indoor thermal performance of the double skin façade depending on PCM temperature and the installation or non-installation of a double skin façade applying PCM based on the selected unit space. Result: Indoor thermal performance was analyzed depending on the PCM temperature applicable to double skin façade, and the analysis of heating energy reduction showed that Type-2 (PCM $18^{\circ}C$) gained 15.9% more heat compared with Type-1 (Basic) and secondly, Type-3 (PCM $20^{\circ}C$) gained 11.5% more heat. Based on these findings, it is deemed possible that the use of energy for heating can be reduced when heat coming indoors increases during the heating period, and the appropriate temperature for PCM applied to the inner skin of a double skin façade to reduce heating energy in winter, Type-2 (PCM $18^{\circ}C$) showed the highest efficiency and Type-3 (PCM $20^{\circ}C$) was also deemed appropriate.
본 연구는 제안 시스템의 적정 온도를 찾기 위한 기초연구로 차후 진행되는 하절기 실측 실험 Data 도출과 연계하여 사계절 적용 가능한 적정 PCM온도 도출을 목적으로 한 선행 연구이다. 따라서 본 연구는 이중외피 시스템에 각기 다른 PCM온도를 적용함으로써 실내 열성능 특성 및 실내 에너지저감 위한 이중외피 시스템에 적합한 PCM온도 도출과 이중외피 시스템에 PCM의 적용 유‧무에 따른 성능 평가를 수행하여 적용 가능성 및 에너지저감 효과를 확인하는데 연구의 목적이 있다.
가설 설정
본 연구에서는 실내 개구부를 모두 폐쇄하여 자연대류가 없는 경우 실내온도변화에 영향을 주는 직접적인 요인은 태양에너지라고 가정하였으며, 본 연구의 실험체는 동일 조건에서 실측 실험으로 목업체의 벽체조건은 모두 동일하게 적용하였으므로 변인에서 제외하여 벽체의 열관류율은 고려치 않았다. 실내온도와 실내 가상 설정온도의 차 및 실내 공간 용적, 공기 비열을 이용하여 다음 식(1)로 태양에너지를 받아 PCM의 상변화 온도에 따른 실내온도가 가상설정 온도보다 높아지는 구간의 열량을 각 타입별로 계산하였다.
제안 방법
둘째, 선정한 단위 공간을 기준으로 PCM을 적용한 이중외피시스템의 설치 여부 및 PCM온도에 따른 이중외피 시스템의 실내 열적성능 분석을 위하여 선행된 기본 이중외피 시스템의 데이터 분석을 바탕으로 선정한 PCM온도를 이중외피 내측외피에 적용, 총 7가지 타입의 상이한 실험체를 제작한다. 난방기간 중 3일간 데이터의 실측을 실시하고 결과 값의 분석을 통하여 PCM을 적용한 이중외피 시스템의 설치 가능성 검증 및 이중외피 시스템에 적합한 PCM온도에 따른 실내 에너지저감 효과 및 적정 온도 도출을 확인한다
둘째, 선정한 단위 공간을 기준으로 PCM을 적용한 이중외피시스템의 설치 여부 및 PCM온도에 따른 이중외피 시스템의 실내 열적성능 분석을 위하여 선행된 기본 이중외피 시스템의 데이터 분석을 바탕으로 선정한 PCM온도를 이중외피 내측외피에 적용, 총 7가지 타입의 상이한 실험체를 제작한다. 난방기간 중 3일간 데이터의 실측을 실시하고 결과 값의 분석을 통하여 PCM을 적용한 이중외피 시스템의 설치 가능성 검증 및 이중외피 시스템에 적합한 PCM온도에 따른 실내 에너지저감 효과 및 적정 온도 도출을 확인한다
대상 데이터
본 연구에서는 이중외피 시스템에 PCM을 적용하였으며, 이중외피 시스템의 내피면 PCM의 두께 산출은 재료의 최적의 두께를 찾는 연구가 아님을 반영하여 명확한 데이터를 취득하기 위해 복층유리의 두께와 같이 16 mm로 설정 하였다2). 이중외피 시스템의 개구부의 운영방법에 따른 주간, 야간의 운영방식이 이루어져야 하나 목업체의 실측 실험에 대한 제약이 따르므로 실내 공간에 난방기기가 가동되고 있다는 것을 가정하여 폐쇄하였다.
성능/효과
(1) 실측 실험을 통해 측정된 실내 공간 온도 변화 폭을 비교결과 18℃ PCM 온도를 적용한 이중외피 시스템의 실내온도 폭이 가장 적게 나타났으며, 20℃ PCM 온도, 22℃ PCM 온도, 24℃ PCM 온도, 28℃ PCM 온도, 26℃ PCM 온도, 기본형 이중외피 시스템 순으로 실내 공간 온도 변화 폭이 적게 나왔다.
(2) 기존 이중외피 시스템 대비 이중외피 시스템의 내측외피에 PCM 온도별에 따른 열량획득을 비교한 결과 18℃ PCM 온도를 적용한 경우 15.9%, 20℃ PCM 온도를 적용한 경우 11.5%, 22℃ PCM 온도를 적용한 경우 8.9%, 24℃ PCM 온도를 적용한 경우 7.0%, 28℃ PCM 온도를 적용한 경우 1.9%, 26℃ PCM 온도를 적용한 경우는 0.2%로 나타났다.
5%로 열량이 유입되어졌다. 이와 같은 사항으로 난방기간 실내로 유입되는 열량이 높으면 난방에너지 사용량을 줄일 수 있다고 판단되며 동절기 난방에너지 저감을 위한 이중외피 시스템의 내측외피에 적용되어지는 PCM의 적정 온도는 Type-2(PCM 18℃)가 가장 높은 효율을 보이며, Type-3(PCM 20℃) 또한 적정한 것으로 판단되어진다.
후속연구
차후 후속 연구로써 동절기 기간뿐만 아니라 하절기 기간에 적용되어지는 PCM 적정 온도를 도출에 대한 성능평가를 통해 동절기 및 하절기에 적용 가능한 적정 PCM 온도 도출 및 이중외피 시스템의 운용 방식이 이루어져야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
온실가스 배출 비중은 어떻게 되는가?
국가 온실가스 인벤토리 보고서에 따르면 2010년 국가 온실가스 총 배출량의 주요 증가요인은 화력발전과 철강업 등 제조업의 배출량이 증가했기 때문이나, 이에 대한 영향은 폭염, 한파로 인한 냉·난방용 전력수요 증가 등으로 화력발전을 통한 온실가스 배출량이 총 증가량의 약 42% 차지하였다. 또한 분야별 온실가스 배출 비중을 보면 건축분야(에너지 소비)에서는 85.3%, 산업공정 9.4%, 농업 3.2%, 폐기물이 2.1%를 차지하는 것으로 조사 되었다(2010, 환경부). 에너지 사용 비중 및 온실가스 배출 비중이 높은 건축분야에서는 사용자의 쾌적성 향상과 더불어 건축물 에너지 사용량저감 및 효율성 향상에 대한 연구 및 정책이 지속적으로 개발 추진 중이다.
국가 온실가스 인벤토리 보고서에 따르면 온실가스 총 배출량의 주요 증가요인은 무엇인가?
최근 세계 각국에서는 자연에너지를 적극적으로 활용하며, 건물사용에너지 절약을 위한 친환경 시스템의 개발 및 적용에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 국가 온실가스 인벤토리 보고서에 따르면 2010년 국가 온실가스 총 배출량의 주요 증가요인은 화력발전과 철강업 등 제조업의 배출량이 증가했기 때문이나, 이에 대한 영향은 폭염, 한파로 인한 냉·난방용 전력수요 증가 등으로 화력발전을 통한 온실가스 배출량이 총 증가량의 약 42% 차지하였다. 또한 분야별 온실가스 배출 비중을 보면 건축분야(에너지 소비)에서는 85.
건축 분야의 친환경적 시스템 기술 요소의 예는 무엇이 있는가?
이러함에 따라 건축 분야에서는 친환경적 시스템 기술 요소들을 도입함으로 실내 에너지 저감 및 실내 쾌적성 향상을 위해 적용성이 좋은 친환경 기술요소를 도입하고 있는 시점이다. 대표적 요소로는 자연환기, 축열을 통한 히팅 및 냉각, 이중외피 등이 있다. 이중외피 시스템은 외부의 기후조건에 대해 실내 환경을 수동적으로 조절하는 일반적 건물 외피와는 달리 기존 외피에 하나의 외피를 추가 하여 외피 사이에 열적 완충층 즉, 중공층을 형성하여 외부 환경 변화에 대응할 수 있는 능동적인 건물외피의 개념으로 건물 외피 부하 및 실내에너지 부하를 저감시킬 수 있는 기술이다.
류리, 지충구, 김용성, "PCM을 적용한 창호형 이중외피 시스템 연구", 대한건축 학회지(학술논문),제29권 제4호 통권 제294호, pp.227-234, 2013.04 // (Ri Ryu, Chung-gu Ji, Young-Seong Kim, A Study of Window-Type Double Skin System Using PCM: Focusing on Energy Reduction for Heating and Cooling , Architectural Institute of Korea, Vol. 29 No. 04, pp.227-234, 2013.04)
이규영, 류리, 서장후, 김용성, "냉방에너지 저감을 위한 PCM적용 축열벽 시스템 연구", 대한건축설비공학회 논문집, Vol. 26 No. 06, pp.247-256, 2014.06 // (Kyuyoung Lee, Ri Ryu, Janghoo Seo, Yongseong Kim , Study on PCM applied Thermal Storage Wall System to reduce Cooling Energy, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering , Vol. 26 No. 06, pp.247-256, 2014.06)
이건호, 김현수, 장대희, 문수영, "다양한 기후조건에 대응하는 이중외피시스템 개발에 관한 실험적 연구", 한국생태환경건축학회 논문집(학술논문), Vol. 5 No. 2, pp 19-26, 2005 // (Lee Keon-ho, Kim Hyeon-soo, Jang Dae-hee, Moon Soo-young, Experimental Study on Developing of Double Facade System dealing with the various climatic Conditions, Vol. 5 No. 2, pp 19-26, 2005)
오정익, "Huri Focus : 기후변화대응 축열 건자재의 개발 동향 제 36호", 주택도시 연구원, 2009 // (Oh, Jung-gik, Huri Focus : Climate change, the development trend of building materials corresponding regenerative, House and City Research Institute, 2009)
Ri Ryu, Chung-gu Ji, Janghoo Seo, Young-Seong Kim, A study on the analysis of indoor temperature according to the PCM temperature applied to the double skin facade system for saving cooling energy during summer season, Contemporary Engineering Sciences, 2014
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