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문제 정의
- 7). 이 논문은 축열층의 가열과 냉각과정에서 열화상 정보와 고정 센스로부터 획득한 온도변화와 전력사용량에 관해 기술하고 있다.
- 산업에 이용되는 광물자원 일부는 방습, 탈취 등 환경개선 분야에 이용되고 있고 고에너지와 층간소음을 줄이기 위한 제품으로 상용화되었으나 개별적인 기능에 특화된 제품군이 대부분이며 별도의 시공법과 경제성 부족으로 확대 보급되지 못하고 있다. 이 연구는 다공성 구조를 가지고 있는 장석을 이용하여 주거환경개선과 에너지 저감을 위한 복합기능성 재료의 실용화기술개발을 위해 시도되었고 그 중 바닥 축열층에 사용되는 모르타르의 열적 특성에 관한 실험 결과를 기술하였다.
- 이러한 배경에서 이 연구는 천연의 산업 광물을 기반으로 주거환경 개선에 필요한 소음, 진동, 항균, 탈취, 축열 및 단열 등의 복합기능 재료의 가공과 시공을 위한 기술개발이라는 목표를 가지고 시도되었다. 그동안의 친환경 재료는 단일 기능에 치중되어 상용화에 걸림돌이 되었고 비싼 재료의 사용으로 경제성을 확보하지 못하는 단점을 가지고 있었다.
가설 설정
- 4℃였다. 냉각과정에서 기준동의 온도감소율이 크게 관찰되었고 보일러의 재가동 온도를 25℃로 가정하면 기준동은 240분에 재가동 되는 것에 반해 시험동은 290분에 재가동된다.
제안 방법
- 그러나 Fig. 1의 (c)와 같이 600℃ 이상의 온도에서 장석 표면은 용융으로 다공질의 구조가 제거되는 것을 확인하여 연구에 사용한 장석 분말을 480℃에서 20분간 소성하여 제작하였다.
- 콘크리트 슬래브 상부에 단열재와 경량기포 콘크리트를 시공하고 14일 후 온수 배관을 설치하였다. 1, 2차 모두 기준동은 모래와 보통포틀랜드시멘트를 3:1 비율로 배합한 모르타르를 제작하고 두께 50 mm로 시공하였다. 시험동은 평균 입경 1.
- 1차 실험은 기준동과 시험동에 55℃의 온수를 3시간 공급하였고 축열층의 표면 최고온도가 되었을 때 온수 공급을 차단하고 창호를 개방하여 냉각과정의 온도변화를 관찰하였다. 가열 실험은 축열층 표면이 15℃인 상황에서 시작하여 단열을 유지한 상태에서 3시간 동안 온수를 공급하며 실시간 온도변화를 관찰하였다.
- 가열 실험은 축열층 표면이 15℃인 상황에서 시작하여 단열을 유지한 상태에서 3시간 동안 온수를 공급하며 실시간 온도변화를 관찰하였다. 2차 실험은 2회에 걸쳐 45℃의 온수와 보일러의 최고 공급온도에 해당하는 65℃의 온수를 공급하며 온도변화를 관찰하였다. Fig.
- 2차 실험은 평균 입경이 40m 크기의 다공성 장석 분말을 증가시킨 배합비의 축열층과 기준동에 대한 온도변화를 관찰하였고, 2회에 걸쳐 45℃와 65℃ 온수를 공급하였다. Fig.
- 가열 실험에서 축열층의 최대온도는 37℃에 도달하였고, 온수 공급을 중단한 채 창호(단열)를 개방하고 냉각과정의 온도를 관찰하였다. Fig.
- 1차 실험은 기준동과 시험동에 55℃의 온수를 3시간 공급하였고 축열층의 표면 최고온도가 되었을 때 온수 공급을 차단하고 창호를 개방하여 냉각과정의 온도변화를 관찰하였다. 가열 실험은 축열층 표면이 15℃인 상황에서 시작하여 단열을 유지한 상태에서 3시간 동안 온수를 공급하며 실시간 온도변화를 관찰하였다. 2차 실험은 2회에 걸쳐 45℃의 온수와 보일러의 최고 공급온도에 해당하는 65℃의 온수를 공급하며 온도변화를 관찰하였다.
- 온수공급과정은 경량패널 컨테이너 내부온도를 7-8℃로 유지하고 2중으로 단열하였으나 냉각과정에는 창호를 개방하여 열 손실 차이가 발생할 여지가 있다. 기온의 영향을 줄이기 위해 일몰 후 열전도 실험을 수행하였다. 1차 실험에서 외부 온도 차이는 최대 6℃ 정도의 차였는데 기준동에 비해 시험동이 낮은 기온 조건이었다.
- 주택에 사용되는 시멘트는 미장, 조적, 바닥용 등 용도에 따라 일정 범위의 압축강도가 요구되므로 재령기간 중 다공성 장석 모르타르의 강도 특성을 파악하였다. 기준동과 시험동의 축열층 모르타르 시공 시 직경 5 cm, 높이 10 cm 규격의 시편을 제작하였고 재령 21일과 28일에 일축압축강도를 측정하였다. 기준동 축열층 시편의 압축강도는 재령 21일 기준으로 10 MPa 이하였고 재령 28일이 지난 후 10.
- 다공성 구조의 장석을 기반으로 건축물의 실대형 모형 제작과 축열층을 시공하고 주택 시공기준의 기준동과 대비하여 열전달 및 소비전력에 관한 비교 실험을 수행하였다.
- 축열층은 재료의 배합비를 달리하여 2회에 걸쳐 제작하였고 회차별로 열전도실험을 수행하였다. 다공성 장석의 최적 배합비 산정을 위해 1차 실험에 사용한 축열층(단열재+경량기포+바닥 모르타르)을 제거한 후다른 배합비의 모르타르를 제작하고 1차와 같은 방법으로 축열층을 재시공하였다. Fig.
- 1%의 수용성 고화제를 첨가한 모르타르를 제작한 후 온수관이 설치된 부분에 50 mm 두께로 시공하였다. 동일 실험 조건을 위해 기준동과 시험동은 동시에 시공하였고 재령 28일이 지난 후 소음, 진동 및 열전도 특성에 관한 측정을 수행하였다.
- 2-a) 내부에 가로×세로×높이를 3 m×4 m×3 m으로 하여 무량판구조의 철근콘크리트 모형 2개 동(기준동과 시험동)을 제작하였다. 모형의 바닥과 기둥, 천장은 국토교통부 기준에 따라 철근콘크리트조로 두께 200 mm으로 제작하였고 벽체는 150 mm 두께의 단열패널로 제작하여 내부의 온도가 보존되도록 시공하였다. 또한, 기초지반의 온도 영향을 줄이기 위해 모형은 지상에서 50 cm 높이로 이격하였다(Fig.
- 보일러의 운전에 따른 온도변화와 전력사용량을 파악하기 위해 축열층에 80 cm 간격으로 천공한 후 온도계를 설치하고 2주에 걸쳐 가열과 냉각의 반복 과정 온도변화와 소비전력을 실시간 원격으로 측정하였다. 원격계측을 위해서는 라즈베리파이(Raspberry PI)의 확장 GPIO(General Purpose IO) 포트를 이용하여 온도, 진동, 소음 센서를 부착하였고, 측정된 자료는 무선공유기를 사용하여 인터넷망에 전송하여 클라우드 서비스에 데이터를 저장하였다(Ferdoush and Li, 2014;Choi et al.
- 보통포틀랜드시멘트를 이용한 모르타르 축열층(기준동)과 다공성 장석을 이용한 축열층(시험동)의 성능을 비교하기 위해 2개의 실대형 모형의 바닥면에 “소음방지를 위한 바닥충격음 차단구조기준(국토교통부 고시제2015-319호)”의 바닥 상세단면도(Fig. 3-a)를 기초로30 mm 완충단열재를 시설하고 상부에 경량기포콘크리트 50 mm를 시공하였다(Fig. 3-b).
- 보통포틀랜드시멘트와 다공성 장석 모르타르의 축열과 소비전력을 비교하기 위해 적외선 열화상 카메라를 이용하여 축열층의 가열과 냉각과정 동안의 온도변화를 바닥에 고정한 온도계로 모니터링하고 보일러의 전기사용량을 측정하였다.
- 소비전력은 보일러 자체의 사용량도 무시할 수 없겠으나 연구에서는 보일러의 전기사용량을 포함한 소비전력을 산정하였다. 사용량은 보일러에 공급되는 전력선에 개별적으로 한국전력 인증의 아날로그 적산전력계를 설치하고 서버와 동기화된 CCTV를 통하여 실시간 사용량을 확인하였다. Fig.
- 실험에서 확인하고자 하는 중요한 요소의 하나가 에너지 절감이며 보일러의 전기사용량을 이용하여 다공성 장석을 활용한 축열층의 효율을 파악하였다. 소비전력은 보일러 자체의 사용량도 무시할 수 없겠으나 연구에서는 보일러의 전기사용량을 포함한 소비전력을 산정하였다. 사용량은 보일러에 공급되는 전력선에 개별적으로 한국전력 인증의 아날로그 적산전력계를 설치하고 서버와 동기화된 CCTV를 통하여 실시간 사용량을 확인하였다.
- 시험동은 평균 입경 1.0 mm 크기로 제작한 다공성 장석 모래와 40 µm 입경의 규산염 분말과 시멘트를 2:1로 혼합하여 분말 바인더를 만들고 이를 장석 모래와 3:1 비율로 배합하고 0.1%의 수용성 고화제를 첨가한 모르타르를 제작한 후 온수관이 설치된 부분에 50 mm 두께로 시공하였다.
- 실대형 모형의 온수 공급은 전기보일러를 이용하였으며 내부 코일 온도가 설정값에 도달하면 보일러의 동작이 정지되고 설정된 온도 이하로 떨어지면 재가동된다. 실험에서 확인하고자 하는 중요한 요소의 하나가 에너지 절감이며 보일러의 전기사용량을 이용하여 다공성 장석을 활용한 축열층의 효율을 파악하였다. 소비전력은 보일러 자체의 사용량도 무시할 수 없겠으나 연구에서는 보일러의 전기사용량을 포함한 소비전력을 산정하였다.
- 실험을 위해 두 개의 실대형 모형 건물을 지은 후 하나의 모형은 주택시공기준의 배합비에 따라 축열층을 시공하였고(기준동), 다른 하나는 다공성 장석을 이용한 축열층을 제작하였다(시험동). 축열층이 완전히 건조된 후 온수관을 통한 가열과 냉각실험을 실시하였고 시간적, 공간적 온도변화를 토대로 축열, 열전도율, 단열효과를 검증하였다.
- 9 MPa 범위의 압축강도가 측정되어 기준동에 비해 최대 70%이상 증가된 결과를 보여준다(Table 1). 압축강도는 시멘트 함량에 비례하여 증가하는 것이 일반적이고 축열층의 전체 체적 중 기준동의 시멘트 함량은 시험동에 비해 5% 많고, 골재를 제외한 축열층의 바인더(시멘트+장석 파우더) 제작에서 시멘트 비율을 70% 줄이고 0.1%의 규산염 고화제를 첨가하였다(Fig. 4). 결합에 기여하는 고화제는 함수비, 화학조성 등과 같이 재료의 종류에 따라 압축과 표면강도의 기여도가 상이하며 20-30% 정도의 압축강도를 개선하는 것으로 알려져 있으나(Kim et al.
- 에너지 사용량과 열전도를 관찰을 위한 모형으로는 외부 온도 영향을 줄이기 위해 높이 3.5 m 면적 80 m2 넓이의 경량 단열패널 컨테이너를 시공하였고(Fig. 2-a) 내부에 가로×세로×높이를 3 m×4 m×3 m으로 하여 무량판구조의 철근콘크리트 모형 2개 동(기준동과 시험동)을 제작하였다.
- 연구에서 다공질 장석을 축열층 시공에 적합한 모래와 바인더 입자 크기로 분체한 후 소성 가공하였다. 장석의 다공체 구조로 인해 비표면적이 증가하며, 체적특성은 감소하고 표면특성이 증대되어 이에 따른 전기/자기적, 광학적 성질이 발현된다(Park & Lee,2000).
- 3-c). 온수 공급을 위한 보일러는 2 kW 용량의 전기보일러를 기준동과 시험동에 독립적으로 설치하였고 소비전력을 파악하기 위해 단상 2선식 적산전력계를 보일러와 직접 연결하였다.
- 적외선 열화상 관찰을 위해 일반 모르타르로 시공한 기준동과 다공성 장석을 이용한 시험동 모두에 슬라이드캠을 설치하고 적외선 열화상 카메라를 부착한 후축열층의 가열과 냉각과정의 온도변화를 모니터링하였다. 외적 요인을 최소화하기 위해 카메라와 바닥까지의 거리를 일정하게 유지하였고 초점거리와 시야각을 동일하게 적용하였다. 1차 모형실험에서 열화상 측정은 IR 분해능 320×240픽셀을 가지는 FLIR(미)의 T335모델을 사용하였고 2차 실험은 IR 분해능 640×480픽셀의 FLIR A615 모델을 사용하였다(Fig.
- 보일러의 운전에 따른 온도변화와 전력사용량을 파악하기 위해 축열층에 80 cm 간격으로 천공한 후 온도계를 설치하고 2주에 걸쳐 가열과 냉각의 반복 과정 온도변화와 소비전력을 실시간 원격으로 측정하였다. 원격계측을 위해서는 라즈베리파이(Raspberry PI)의 확장 GPIO(General Purpose IO) 포트를 이용하여 온도, 진동, 소음 센서를 부착하였고, 측정된 자료는 무선공유기를 사용하여 인터넷망에 전송하여 클라우드 서비스에 데이터를 저장하였다(Ferdoush and Li, 2014;Choi et al., 2016). 라즈베리파이의 무선 인터넷 환경접속은 USB 타입의 무선랜 카드를 이용하였다.
- 3-b). 재령 2주가 지난 후 축열과 열전도 실험을 위해 250 mm 간격으로 온수관을 설치하고 축열을 위한 모르타르를 시공하였다(Fig. 3-c). 온수 공급을 위한 보일러는 2 kW 용량의 전기보일러를 기준동과 시험동에 독립적으로 설치하였고 소비전력을 파악하기 위해 단상 2선식 적산전력계를 보일러와 직접 연결하였다.
- 적외선 열화상 관찰을 위해 일반 모르타르로 시공한 기준동과 다공성 장석을 이용한 시험동 모두에 슬라이드캠을 설치하고 적외선 열화상 카메라를 부착한 후축열층의 가열과 냉각과정의 온도변화를 모니터링하였다. 외적 요인을 최소화하기 위해 카메라와 바닥까지의 거리를 일정하게 유지하였고 초점거리와 시야각을 동일하게 적용하였다.
- 라즈베리파이의 무선 인터넷 환경접속은 USB 타입의 무선랜 카드를 이용하였다. 적외선 열화상 분석을 위한 가열과 냉각 동안 사용된 전력사용량은 적산전력계를 통해 확인하였고, 유지관리 동안 사용된 총 전력량은 CCTV를 통해 전력계 영상을 송신 받아 계산하였다(Fig. 7). 이 논문은 축열층의 가열과 냉각과정에서 열화상 정보와 고정 센스로부터 획득한 온도변화와 전력사용량에 관해 기술하고 있다.
- 적외선 열화상 카메라를 이용한 축열층의 온도변화측정은 3회에 걸쳐 수행하였다. 1차 실험은 재령 28일 후에도 축열층에 남아 있는 수분을 제거하기 위해 3일간 40℃의 온수를 공급하여 건조한 후 24시간 동안 냉각하였다.
- 주택에 사용되는 시멘트는 미장, 조적, 바닥용 등 용도에 따라 일정 범위의 압축강도가 요구되므로 재령기간 중 다공성 장석 모르타르의 강도 특성을 파악하였다. 기준동과 시험동의 축열층 모르타르 시공 시 직경 5 cm, 높이 10 cm 규격의 시편을 제작하였고 재령 21일과 28일에 일축압축강도를 측정하였다.
- 축열층은 재료의 배합비를 달리하여 2회에 걸쳐 제작하였고 회차별로 열전도실험을 수행하였다. 다공성 장석의 최적 배합비 산정을 위해 1차 실험에 사용한 축열층(단열재+경량기포+바닥 모르타르)을 제거한 후다른 배합비의 모르타르를 제작하고 1차와 같은 방법으로 축열층을 재시공하였다.
- 실험을 위해 두 개의 실대형 모형 건물을 지은 후 하나의 모형은 주택시공기준의 배합비에 따라 축열층을 시공하였고(기준동), 다른 하나는 다공성 장석을 이용한 축열층을 제작하였다(시험동). 축열층이 완전히 건조된 후 온수관을 통한 가열과 냉각실험을 실시하였고 시간적, 공간적 온도변화를 토대로 축열, 열전도율, 단열효과를 검증하였다.
대상 데이터
- 1차 모형실험에서 열화상 측정은 IR 분해능 320×240픽셀을 가지는 FLIR(미)의 T335모델을 사용하였고 2차 실험은 IR 분해능 640×480픽셀의 FLIR A615 모델을 사용하였다(Fig. 6).
- 적외선 열화상 측정은 2017년 2월 8일부터 2017년 2월 10일(1차)과 2017년 3월 21일부터 2017년 3월23일(2차)에 걸쳐 수행하였다. Fig.
성능/효과
- , 2015) 실험에 사용한 축열층의 배합비에서 30-70%의 강도 증가를 확인하였다. 1, 2차 시험동 축열층의 제작에서 다공성 장석 모래와 분말의 배합 비율을 다르게 하였고 가열-냉각실험에서 장석 모래의 함량이 높은 1차 모형은 2차 모형에 비해 가열과정의 소비전력이 감소하였다. 비교동 축열층의 압축강도는 일반적인 주택의 시공기준으로 제작한 기준동에 비해 30%의 여유가 있고, 향후의 실험에서 장석 모래의 구성비를 증가시킨 축열층의 열전도 실험을 계획 중이다.
- 8의 (a)는 55℃ 온수를 공급한 1차 가열 실험의 온도분포를 나타낸 것으로 가열 후 2분 이내에 관로 주변으로 온도가 상승함에 따라 축열층 내부에 시설된 배관의 실제 규격과 같은 크기의 열화상을 볼 수있다. 가열 10분 후 다공성 장석을 적용한 모형에서 관로에 인접한 부분의 온도가 2℃ 정도 온도가 높아지며, 30분과 60분 후는 관로 사이의 축열제 부분의 온도가 기준동에 비해 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 가열 2시간 영상에서 기준동과 시험동의 최대온도는 3℃ 차이가 나며 기준동의 경우 관로에서 거리가 가장 먼 곡선 부분의 온도는 17.
- 이는 시험동 축열층이 열적 평형에 빨리 도달하는 것을 지시한다. 가열 온도 30℃를 기준으로 산정한 소비전력은 2.2배 차이를 보였고 단계별 온도 상승에서 소비전력은 66% 절감되었다.
- 기준동과 시험동의 축열층 모르타르 시공 시 직경 5 cm, 높이 10 cm 규격의 시편을 제작하였고 재령 21일과 28일에 일축압축강도를 측정하였다. 기준동 축열층 시편의 압축강도는 재령 21일 기준으로 10 MPa 이하였고 재령 28일이 지난 후 10.4-14.1 MPa 범위를 보였다. 시험동 축열층은 재령 21일 기준으로 최소 압축강도가 12.
- 냉각실험에서 시험동의 축열층 표면온도는 기준동에 비해 지속해서 2℃이상 높은 온도를 유지하였고 이러한 축열 효과로 인해 보일러의 재가동 시간이 연장되는 것을 고려하면 에너지 효율은 더 증가할 것이다. 온실가스의 총량은 에너지 사용량과 비례하므로 연구성과의 실용화는 CO2 배출 억제에 기여할 것이다.
- 실험에서 제시된 온도변화에서 확인한 바와 같이 다양한 온수 조건에서시험동 축열층은 열적 평형에 도달하는 시간이 짧아 난방열을 일정하게 공급할 수 있다. 또한 실험에서 보일러의 단속 없이 연속해서 3시간을 가열하였고 거의 모든 주택에서 실내온도에 따른 자동온도조절장치를 이용하여 가열/냉각 범위를 선택적으로 운용되는 조건을 반영하지 않았으나 축열에 의한 열의 보존 시간이 기존의 시멘트 모르타르로 제작된 축열층에 비해 상당시간 연장되는 것으로 볼 때 운용 중 보일러의 가동시간은 줄어들 것으로 예상된다.
- 1 MPa 범위를 보였다. 시험동 축열층은 재령 21일 기준으로 최소 압축강도가 12.7 MPa이었고 28일에는 16.8-22.9 MPa 범위의 압축강도가 측정되어 기준동에 비해 최대 70%이상 증가된 결과를 보여준다(Table 1). 압축강도는 시멘트 함량에 비례하여 증가하는 것이 일반적이고 축열층의 전체 체적 중 기준동의 시멘트 함량은 시험동에 비해 5% 많고, 골재를 제외한 축열층의 바인더(시멘트+장석 파우더) 제작에서 시멘트 비율을 70% 줄이고 0.
- 시험동의 축열층은 온수관으로부터 열이 효과적으로 전달되었고 지속적인 가열에서 도달한 최고온도 0.5℃미만이었으나 보일러 가동 조건의 온도에서는 평균 2-3.5℃의 온도 차이를 보였고 온수관에서 멀어질수록 4-4.8℃ 차이는 증가하였다. 이는 시험동 축열층이 열적 평형에 빨리 도달하는 것을 지시한다.
- 10). 실험에서 제시된 온도변화에서 확인한 바와 같이 다양한 온수 조건에서시험동 축열층은 열적 평형에 도달하는 시간이 짧아 난방열을 일정하게 공급할 수 있다. 또한 실험에서 보일러의 단속 없이 연속해서 3시간을 가열하였고 거의 모든 주택에서 실내온도에 따른 자동온도조절장치를 이용하여 가열/냉각 범위를 선택적으로 운용되는 조건을 반영하지 않았으나 축열에 의한 열의 보존 시간이 기존의 시멘트 모르타르로 제작된 축열층에 비해 상당시간 연장되는 것으로 볼 때 운용 중 보일러의 가동시간은 줄어들 것으로 예상된다.
- 28 kWh를 소비되어 표면 온도를 1℃ 올리기 위해 57%의 전기가 추가되었다. 온도가 높아질수록 사용량은 증가하여29℃에서 30℃까지 1℃ 온도를 상승시키기 위해 시험동과 기준동은 각각 0.48 kWh와 0.73 kWh의 전력을소비하여 66%의 차이를 보였다.
- 우리나라에서 건축물이 차지하는 에너지는 전체 사용량의 20% 이상이며, 향후 40% 수준으로 증가할 것으로 전망하고 있다. 파리 기후변화협약 체결과 함께 한국은 온실가스감축 목표를 2030년 온실가스 배출전망치(BAU; business as usual) 대비 37%로 설정하고 ‘기후기술’을 반드시 확보해야 할 대상으로 지정하였다.
후속연구
- 또한, 제로에너지 빌딩과 패시브하우스에 필요한 단열은 국내 건축기준의 3배 이상이 요구되며 건축물 에너지 효율을 제고하기 위해서는 상변화 물질(PCM;phase change material)을 이용한 축열층 연구 등과의 융합연구가 필요하다.
- 비교동 축열층의 압축강도는 일반적인 주택의 시공기준으로 제작한 기준동에 비해 30%의 여유가 있고, 향후의 실험에서 장석 모래의 구성비를 증가시킨 축열층의 열전도 실험을 계획 중이다.
- 냉각실험에서 시험동의 축열층 표면온도는 기준동에 비해 지속해서 2℃이상 높은 온도를 유지하였고 이러한 축열 효과로 인해 보일러의 재가동 시간이 연장되는 것을 고려하면 에너지 효율은 더 증가할 것이다. 온실가스의 총량은 에너지 사용량과 비례하므로 연구성과의 실용화는 CO2 배출 억제에 기여할 것이다.
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