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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.

Open Access, Monthly

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ISSN : 1229-6422 (Print)
ISSN : 2465-7611 (Online)

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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean J. Air-Cond. Refrig. Eng. Vol. 30, No. 11, p.497-507

ISSN (print) :

1229-6422

ISSN (online) :

2465-7611

Received : 9 August 2018Revised : 15 August 2018Accepted : 10 September 2018

DOI :

https://doi.org/10.6110/KJACR.2018.30.11.497

바닥 복사 난방시스템에서 PCM 적용에 따른 Mock-up 실험

Mock-up Test Applicate to Phase Change Material in Floor Radiant Heating System

김태원 (Tae Won Kim) ¹ 양영권 (Young Kwon Yang) ² 김환식 (Hwan-Sik Kim) ³ 박진철 (Jin Chul Park) ⁴^†

중앙대학교 대학원 석사과정 (Master's Course, Graduate School, Chung-Ang University, Seoul, 06974, Korea)
중앙대학교 대학원 박사수료 (Complete a Doctorate, Graduate School, Chung-Ang University, Seoul, 06974, Korea)
유원대학교 건축공학과 교수 (Professor, Department of Architectural Engineering, U1 University, Chungcheongbuk-do, 29131, Korea)
중앙대학교 건축학부 교수 (Professor, School of Architecture and Building Science, Chung-Ang University, Seoul, 06974, Korea)

^†Corresponding author, E-mail: jincpark@cau.ac.kr

License :

No part of this publication may be reproduced or distributed in any form or any means, or stored in a data base or retrieval system, without the prior permission of the publisher(www.sarek.or.kr).

Abstract

This study represent an experimental study of PCM floor radiant heating system. The results obtained from the study are summarized as follows; 1) PCM floor radiant heating system is an insertion of a 10 mm thick PCM into the existing standard floor structure, which has the advantage of good construct ability due to no additional process. 2) It was confirmed that the PCM thread remains higher than the normal room. In particular, it was found that the temperature of hot water pipes under the pipes was maintained at 36℃ or higher after four hours after the boiler was stopped. Therefore, we have seen that the room temperature of the PCM floor radiant heating system is longer than the general floor heating system, PCM Floor Radiant Heating is considered to improve the comfort of indoor residents.

Key words

바닥 복사 난방(Floor radiant heating), 상변화물질(Phase change material), 실물모형(Mock-up)

기호설명

Q：온수배관으로부터 PCM으로 전달되는 열량 [W]

T_pipe：온수배관 온도 [℃]

T_PCM：PCM 온도 [℃]

H_st：축열 시간 [h]

PCM_tc：PCM 축열량 [kJ]

R_mortar：모르타르의 열저항 [℃/W]

1. 연구배경 및 목적

전 세계 각국의 무분별한 에너지 사용과 온실가스 배출은 심각한 기후변화로 나타났으며, 이를 해결하기 위해 교토의정서(Kyoto Protocol), 파리기후협정(Paris Climate Change Accord) 등 국제체제 합의가 이루어지는 계기가 되었다. 특히, 건물분야에서 온실가스 배출량이 높아 건물에너지의 에너지 절감이 그 어느 때 보다도 중요한 시점에 우리나라도 2030년 배출전망치(BAU) 대비 37% 감축을 목표로 설정하고, 각 분야별 에너지 정책을 수립 및 반영하여 온실가스 감축을 달성하기 위해 노력하고 있다.⁽¹⁾ 건물분야의 온실가스 배출량은 전체 온실가스 배출량의 23%이며, 그 중 난방에너지 소비로 인한 온실가스 배출량은 주거용과 비주거용 각각 약 54%, 23%로 매우 높은 비율을 차지하고 있다.⁽²⁾ 온실가스 배출 저감을 위해서는 우선적으로 난방에너지의 절감이 매우 중요하다고 판단된다. 국내 공동주택의 난방시스템은 일반적으로 콘크리트기반 바닥 복사 난방 형식으로, 열원은 보일러를 이용하여 가열된 온수의 열에너지를 바닥 표면에서 실내로 복사 방출되어 난방 하는 방식이다.^(3,⁴⁾ 바닥 구성 요소 중 경량기포 콘크리트와 모르타르는 구조적인 기능 외에도 온수배관의 열을 축열하여 난방 시간이 더 오래지속 될 수 있는 역할도 담당하는데, 축열량이 높을 재료일수록 온도 하락의 Time-leg이 길게 발생하여 높은 온도로 난방효과를 오랜 유지할 수 있다.⁽⁵⁾

따라서, 본 논문에서는 국내 바닥 복사 난방시스템에 상변화물질(Phase Change Material; PCM)을 적용하여 실내온도변화를 측정한 것으로 특히, 국내 바닥 복사 난방의 표준바닥구조에 PCM을 다양한 방법으로 적용한 Mock-up 실험동을 구축하여 난방가동전후에 따른 PCM 상변화 온도, 바닥표면온도 및 실내온도를 측정하였다. 이와 같은 연구는 추후 온실가스 저감 핵심 기술 중 하나인 ‘축열체의 건물 적용’을 적극 활용한 에너지소비 저감의 선행기초연구가 될 것이다.

2. 표준바닥구조와 온수난방공법구조

2.1 표준바닥구조

우리나라 건축물의 모든 아파트 건물의 층간 바닥은 국토교통부고시 제2015-319호의 소음방지를 위한 층간 바닥충격음 차단 구조기준의 표준바닥구조를 따르는데 이는 건축법에서 공동주거 형식 건축물의 세대간 소음방지를 위해 경량충격음과 중량충격음을 차단할 수 있는 구조에 근거를 두고 있다.⁽⁶⁾ 즉, 바닥 복사 난방 구조에 적용되는 구조는 Table 1~Table 3과 같이 콘크리트슬래브, 완충재, 경량기포 콘크리트, 모르타르로 이루어진 레이어로 구성되고 특수한 상황에 적용이 가능하도록 재료별 두께 및 시공 순서를 기준․제시하고 있다.

Table 1. [2015-319] MOLIT notification standard floor structure 1

Type	Structure	① Concrete slab	② Buffer	③ Lightweight Aerated Concrete Block	④ Surface Finishing Mortar
Ⅰ	box frame construction or mixed construction	$\geq$ 210 ㎜	$\geq$ 20 ㎜	$\geq$ 40 ㎜	$\geq$ 40 ㎜
	rhamen construction	$\geq$ 150 ㎜
	mushroom construction	$\geq$ 180 ㎜
Ⅱ	box frame construction or mixed construction	$\geq$ 210 ㎜	$\geq$ 20 ㎜	-	$\geq$ 40 ㎜
	rhamen construction	$\geq$ 150 ㎜
	mushroom construction	$\geq$ 180 ㎜
Apartments with 30 or more generations(except dormitories), Inter-level floor within the generation of officetels

Table 2. [2015-319] MOLIT notification standard floor structure 2

Type	Structure	① Concrete slab	② Lightweight Aerated Concrete Block	③ Buffer	④ Surface Finishing Mortar
Ⅰ	box frame construction or mixed construction	$\geq$ 210 ㎜	$\geq$ 40 ㎜	$\geq$ 20 ㎜	$\geq$ 40 ㎜
	rhamen construction	$\geq$ 150 ㎜
	mushroom construction	$\geq$ 180 ㎜
Ⅱ	box frame construction or mixed construction	$\geq$ 210 ㎜	-	$\geq$ 20 ㎜	$\geq$ 40 ㎜
	rhamen construction	$\geq$ 150 ㎜
	mushroom construction	$\geq$ 180 ㎜
Apartments with 30 or more generations, studio apartment, dormitories, multi-family housings, Inter-level floor in a household of multiple living facilities

Table 3. [2015-319] MOLIT Notification standard floor structure 3

Type	Structure	① Concrete slab	② Buffer	③ Surface Finishing Mortar
Ⅰ	box frame construction or mixed construction	$\geq$ 210 ㎜	$\geq$ 40 ㎜	$\geq$ 50 ㎜
	rhamen construction	$\geq$ 150 ㎜
	mushroom construction	$\geq$ 180 ㎜
1. Balconies(except when the balcony is reshaped for residential purposes), porch, laundry room, escape space, walled warehouse. 2. The lower floor space is a non-residential space(parking lot, machine room), a floor facing the floor, and a top floor clean room. 3. The part that the licensee considers to be unnecessary because the possibility of damages due to interlayer noise is low.

2.2 온수난방 공법 구조

습식공법 및 온수를 이용한 바닥 복사 난방 구조는 국토교통부에서 제시한 바닥구조 및 두께 기준을 준용하면서 열매체가 흐르는 온수배관을 마감모르타르에 삽입하여 시공되어진다. 표준바닥구조를 준용한 습식 온수 바닥 복사 난방시스템의 구조는 다음의 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. [2015-319] MOLIT Notification apartment radiant floor heating structure.

이러한 구조에서 보일러 가동 시 에너지원은 온수배관이며 배관에서 방출되는 열을 직접적으로 맞닿아 축열하고 바닥표면으로 방출하는 부위가 마감 모르타르이다. 하지만 이 레이어 구역은 열용량이 낮아 효과적인 축열체 역할을 담당하기에는 무리가 있다. 이는 실내의 쾌적한 바닥 표면온도의 유지를 위해서 난방온수의 지속적 공급을 필요로 하게 되고 이에 따라 에너지 소비의 증가를 야기한다.⁽⁷⁾

3. 선행연구 분석 및 Mock-up 실험동 구축

3.1 선행연구 분석(최적 PCM 선정)

본 연구진은 선행 연구 수행을 통해 ‘최적 PCM 선정’, ‘PCM 열성능 검증’을 실시하였다. Baek⁽⁸⁾은 축소모형 실험을 통해 바닥 복사 난방시스템에 적절한 PCM(42℃, n-docosane)을 선정하였고, 최적 용량(500 g/pack)을 산정하였다. 상세 내용은 다음과 같다.

(1) 바닥표면에서 1 m 이격된 공간의 실내온도를 22℃라고 가정할 때, 바닥 쾌적온도 범위를 만족시킬 수 있는 PCM 온도를 수학적 모델 및 계산식을 이용하여 접근하였다. 그 결과 바닥 표면온도가 26.2℃에서 31.1℃일 때 실내온도가 22℃인 것으로 계산되었으며, 이를 통해 바닥 쾌적온도 범위를 유지시킬 수 있는 PCM의 융해온도는 각각 42℃, 44℃인 제품으로 분석되었다.

(2) 선정된 PCM 42℃, 44℃인 제품을 각각 500 g씩 알루미늄 팩에 진공포장하여 자동온도조절이 가능한 항온챔버에서 열성능 실험을 실시하였다. 열성능 실험 결과 PCM 42℃가 PCM 44℃보다 융해지점에서 잠열의 축열이 더 길게 나타나는 것을 확인하였다.

3.2 Mock-up 실험동 구축

3.2.1 Mock-up 실험동 개요

PCM의 적용 유무에 따른 바닥 복사 난방시스템 성능 비교․검증을 위하여 국토교통부에서 제시한 표준바닥 구조를 준용하여 Mock-up 실험동을 구축하였다. 실험동은 총 두 개의 실로 구획하였고 각 실은 표준바닥구조 1에 기준을 두었다. 각 실의 바닥면적은 3.6 m², 실 체적은 10.6 m³로 성인 남성 1인이 최소한의 활동을 할 수 있는 크기로 구축하였다. 실의 각 벽면은 200 mm의 단열층을 두어 외부와의 열적 교류가 없도록 하였으며 실내에 설치된 실험실이기에 외부조건은 모두 동일하다. 실험동의 조감도는 다음의 Fig. 2와 같으며, 구축된 Mock-up 실험개요는 다음의 Table 4와 같다.

Fig. 2. Mock-up construction 3D plan.

Table 4. Mock-up summary

Room Size	2.2m×2m×2.4m(width×length×height)
Room Volume	10.6 m³
Floor Area	7.2 m²(3.6 m² per each space)
External Condition	Identical(Indoor Mock-up)
Room Composition	Room 1(general) : General floor heating
Room Composition	Room 2(Bottom) : base of pipe PCM(RT42)

실1(Room1) : 일반 바닥 복사 난방시스템/실2(Room2) : PCM 바닥 복사 난방시스템

3.2.2 PCM 적용 바닥 복사 난방시스템

선행연구를 통하여 PCM 42℃를 선정하여 국토교통부에서 제시한 표준바닥구조 1 두께 기준을 준용하여 경량기포 콘크리트와 모르타르 층에 삽입하였다. 표면바닥구조 1의 적용은 우리나라 대부분 주거형태에 적용 가능한 시스템이다. PCM 바닥 복사 난방 구조는 Fig. 3과 같이 210 mm 콘크리트슬래브, 20 mm 완충재, 40 mm 경량기포 콘크리트, 40 mm 모르타르로 형성되어 표준바닥구조 1 두께 기준은 그대로 유지하고 경량기포 콘크리트 층에 10 mm 두께의 PCM만을 삽입하여 타설하는 방식이다.

Fig. 3. PCM radiant floor heating system structure.

이와 같은 구조는 PCM이 온수배관 하부에 설치되기 때문에, 온수배관 하부로 소실되는 폐열이 PCM을 통하여 축열되어 기존에 사용되어지고 있던 경량기포 콘크리트와 모르타르 층 전체의 축열 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 PCM의 설치와 경량기포 콘크리트를 모르타르로 대체하는 것 외에 추가정인 공정이 없기 때문에 현재의 공정을 그대로 유지하는 측면에서 시공성이 매우 용이하다는 장점을 가진다. 또한 기존 표준바닥구조에서 경량기포 콘크리트 대신 밀도가 큰 모르타르와 PCM으로 대체했기 때문에 중량 및 경량 충격음에 대한 고시 기준을 만족시킬 수 있을 것으로 판단된다. 그러나, 국토교통부 고시 표준바닥구조에 적용을 위해서는 추후 중량 및 경량충격음 기준에 대한 인정과정이 수행되어야 할 것으로 판단된다.

3.2.3 PCM 용량 산정

PCM 용량 산정을 위해 온수배관로부터 PCM으로 전달되는 열량을 계산하였다. 즉, 하루 보일러의 가동 시간(8시간)동안 상변화물질의 완전 융해를 위한 최소량으로 산정하였으며, 이를 위해 배관온도, PCM 온도, 축열 시간, PCM 축열량을 고려하였다. PCM의 축열량은 제조사에서 제공 된 ‘PCM 시험성적서’에 근거하여 165 kJ/kg으로 적용하였으며, 관련식은 다음의 식(1)과 같다. PCM 바닥난방은 하부로 버려지는 폐열을 축열하기 때문에 온수배관에서 방출되는 열량 중 상부와 측면을 제외한 총발열량의 1/4로 계산하였다. 이를 통해 도출된 PCM의 축열량은 3,376 kJ이었으며,⁽¹⁴⁾ 이에 적절한 PCM의 최적 용량은 20 kg/Room으로 도출되었다.

(1)

Q = \frac{T_{p i p e} - T_{P C M}}{R_{m o r t a r}}

(2)

Q \cdot H_{s t} \leq P C M_{t c}

3.2.4 PCM Packing

상변화물질은 상이 변하는 과정에서 액체-고체로 상태가 변하기 때문에 누출에 대한 대안이 필요함을 고려하여 진공포장을 통한 완전 밀봉하였다. 모르타르와의 접착성과 자체 내부식성, 높은 열전도율을 고려하여 박막 알루미늄을 선정하였으며 두께는 0.05 mm로 바닥구조의 총 두께에도 영향을 미치지 않도록 하였다. 부피 감소를 위해 진공포장기기로 내부의 공기를 제거하고 동시에 200℃ 이상의 이중열선을 통해 입구를 밀봉시켰다. Packing된 PCM의 최종 모습은 Fig. 4와 같으며 크기는 모두 동일하다.

Fig. 4. PCM packing image.

3.2.5 온수보일러 가동 스케줄

보일러 가동 스케줄 우리나라의 일반적인 4인 가족을 기준으로 정하였다. 비 거주시간에는 보일러를 가동하지 않고 거주시간과 취침시간에만 보일러를 운용하는 것으로 설정하였다. 다음의 Table 6과 같이 퇴근 및 방과 후, 가정 활동시간인 18시부터 취침 1시간 전인 23시까지 난방을 가동하고 4시간 후 취침시간인 3시부터 6시까지 8시간(2회)의 간헐적 난방을 실시하였다. 온수 공급온도는 55℃로 두 개의 실에 동일하여 적용하였으며, 상세한 내용은 다음의 Table 5와 같다.

Table 5. Hot-Water Boiler Operation Outline

Condition	For Families of Four with A Job
Timetable	08:00~18:00 nonresidence
	18:00~24:00 activity
	24:00~08:00 bedtime
Supply water temperature	55℃	Running Time	twice-8hours

Table 6. Hot-Water Boiler Operation Schedule

Time

10h

11h

12h

13h

14h

15h

16h

17h

18h

19h

20h

21h

22h

23h

24h

operation

OFF

3.2.6 온도 측정

온도 측정을 위해 각각의 바닥면을 4면으로 구획하고, 온도 측정 위치는 각 실에 공급되는 온수배관, PCM 상부, 바닥 마감재 표면, 모르타르 표면 기준 실내 1,200 mm 지점이다. 온도 측정에 사용된 센서는 T-type 열전대 (T0.32-Y-W-15)를 사용하였고, Graphtec사의 Midi Logger GL820을 사용하여 1분단위로 데이터 취득을 하였다 (Fig. 5 참조). 사용된 T-type열전대와 데이터로거는 다음의 Fig. 5와 같으며, 온도센서 설치 위치는 Table 7에 상세히 나타내었다. PCM 온도 측정 시 상부 표면만을 측정하였는데, 이는 축열 후 열을 방출하면서 하부로 소실되는 PCM의 축열 에너지는 재실자가 활동하는 바닥 표면온도에 미미한 영향을 끼치는 것으로 판단하였기에 개별적 측정은 하지 않았다.

Fig. 5. T-type thermocouple and data logger.

Table 7. Temperature sensor position for each layer per

Temperature Sensor Position
Room 1	Hot water pipe	Floor Panel Surface	Indoor(1,200 mm)
Room 2	Hot water pipe	Floor Panel Surface	upper PCM	Indoor(1,200 mm)

4. 실험 결과

4.1 온수배관 상부 온도

각 실내에 공급되는 온수의 온도 측정 결과, 보일러 가동시간인 18~23시와 취침시간인 03~06시에 설정된 공급 온수온도가 55℃까지 정상적으로 상승하였으며 10℃ 이하로 내려가게 되면 재가동하는 것을 확인하였다. 보일러 가동 시에는 일반 바닥 복사 난방을 적용한 실1보다 PCM을 적용한 실2가 평균 0.2℃ 낮게 나타났으며, 보일러 가동 중지 8시간 후 실1(29.8℃)보다 실2(30.8℃)가 1℃ 높게 유지되는 모습을 확인하였다. 이 때 보일러 가동 시 PCM을 적용한 온수배관의 온도가 더 낮게 나타나는 것은 온수배관 하부에 맞닿아 있는 PCM이 하부로 소실되는 열 보다 더 많은 양의 열을 빼앗아 가기에 미미한 영향을 끼치는 것으로 판단되며, 가동 중지 시 PCM을 적용한 온수배관의 온도가 보다 높게 나타나는 것은 하부로 소실되는 열을 통해 축열한 PCM이 재방사하는 과정에서 온수배관에 영향을 주는 것으로 판단된다. 다음의 Fig. 6과 Table 8은 상세한 실험 결과를 나타낸다.

Fig. 6. Hot water piping temperature graph.

Table 8. Hot Water Piping Temperature Distribution

Room 1 Upper	Room 2 Upper	Time	operation
26.4℃ 50.5℃ 55.1℃ 45.0℃ 50.5℃	26.3℃ 50.2℃ 54.7℃ 44.9℃ 50.4℃	18:00 19:00 20:00 21:00 22:00	ON
43.1℃ 35.3℃ 33.1℃ 31.9℃	42.9℃ 35.3℃ 33.4℃ 32.2℃	23:00 24:00 1:00 2:00	OFF
54.3℃ 44.2℃ 50.0℃	54.0℃ 44.1℃ 49.8℃	3:00 4:00 5:00	ON
43.5℃ 35.8℃ 33.5℃ 32.5℃ 31.7℃ 31.1℃ 30.6℃ 30.2℃ 29.8℃	43.6℃ 36.2℃ 34.3℃ 33.1℃ 32.3℃ 31.9℃ 31.5℃ 31.2℃ 30.8℃	6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00	OFF

Room 1 Upper

Room 2 Upper

Time

operation

26.4℃

50.5℃

55.1℃

45.0℃

50.5℃

26.3℃

50.2℃

54.7℃

44.9℃

50.4℃

18:00

19:00

20:00

21:00

22:00

43.1℃

35.3℃

33.1℃

31.9℃

42.9℃

35.3℃

33.4℃

32.2℃

23:00

24:00

1:00

2:00

OFF

54.3℃

44.2℃

50.0℃

54.0℃

44.1℃

49.8℃

3:00

4:00

5:00

43.5℃

35.8℃

33.5℃

32.5℃

31.7℃

31.1℃

30.6℃

30.2℃

29.8℃

43.6℃

36.2℃

34.3℃

33.1℃

32.3℃

31.9℃

31.5℃

31.2℃

30.8℃

6:00

7:00

8:00

9:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

OFF

4.2 PCM 상부 표면온도

온수배관의 하부로 방출되는 열을 PCM 적용에 따른 온도 변화를 측정하기 위한 것으로 실1에는 PCM이 적용되어 있지 않기 때문에 실2만 측정을 하였으며 Fig. 7과 Table 9에 상세한 실험 결과를 나타내었다. 18시 보일러 가동 5시간 후 PCM 온도는 35.8℃까지 상승하였다. 그러나 이와 같은 온도는 사용된 PCM(42℃)의 상변화 온도(38℃)에 약간 미치지 못하고 있었다. 그러나, 보일러 중단 후 4시간 경과 후에도 PCM의 온도는 저하되지 않고 34℃ 이상의 온도분포를 나타내고 있었고 다시 가동 후에는 초기보다 2.7℃ 상승한 상변화온도 이상의 38.5℃까지 상승하였다. 특히, 보일러 중단 후 4시간 경과 시에도 초기보다 2℃ 이상 높은 36℃ 이상으로 유지되는 것으로 나타났다. 보일러 가동 후 PCM(42℃)의 상변화 온도(38℃)까지 7시간이 소요되었고 보일러 중단 후 4시간 경과 시에도 36℃ 이상의 온도를 유지하는 것으로 나타났다(일반구조 비교 2℃ 이상 상승).

Fig. 7. Temperature variation graph of the top of PCM.

Table 9. PCM upper temperature distribution

Room 2 PCM	Time	operation
26.5℃ 28.8℃ 31.2℃ 33.0℃ 34.7℃	18:00 19:00 20:00 21:00 22:00	ON
35.8℃ 35.7℃ 35.1℃ 34.7℃	23:00 24:00 1:00 2:00	OFF
34.7℃ 36.2℃ 37.6℃	3:00 4:00 5:00	ON
38.5℃ 38.2℃ 37.6℃ 36.8℃ 36.3℃ 35.7℃ 35.3℃ 35.0℃ 34.6℃	6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00	OFF

Room 2 PCM

Time

operation

26.5℃

28.8℃

31.2℃

33.0℃

34.7℃

18:00

19:00

20:00

21:00

22:00

35.8℃

35.7℃

35.1℃

34.7℃

23:00

24:00

1:00

2:00

OFF

34.7℃

36.2℃

37.6℃

3:00

4:00

5:00

38.5℃

38.2℃

37.6℃

36.8℃

36.3℃

35.7℃

35.3℃

35.0℃

34.6℃

6:00

7:00

8:00

9:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

OFF

4.3 바닥 표면온도

Fig. 8과 Table 10에서와 같이 PCM을 적용한 실2가 PCM이 없는 일반 바닥 복사 난방의 실1보다 지속적으로 높은 온도를 유지하는 것으로 나타냈다. 즉, 18시 보일러 가동 5시간 후 실1(32.2℃)보다 실2(32.7℃)가 0.5℃ 높은 분포, 보일러 가동 중단 4시간 후 에도 PCM의 실2가 0.7℃ 높은 분포를 나타내고 있었다. 또한, 재가열 시와 중단 후에도 PCM 의 실2가 평균 0.8℃ 높게 나타나 지속적으로 높은 온도를 유지하는 것이 확인되었다. 이는 실2의 온수배관 하부에 삽입된 PCM이 축열되어 있던 열을 일정량 재방사하며 바닥 표면에 영향을 끼치는 것으로 판단된다.

Fig. 8. Floor surface temperature graph.

Table 10. Floor surface temperature distribution

Room 1	Room 2	Time	operation
26.1℃ 27.5℃ 29.2℃ 30.6℃ 31.6℃	26.0℃ 27.5℃ 29.6℃ 31.0℃ 31.9℃	18:00 19:00 20:00 21:00 22:00	ON
32.2℃ 31.9℃ 31.2℃ 30.5℃	32.7℃ 32.3℃ 31.6℃ 31.0℃	23:00 24:00 1:00 2:00	OFF
29.9℃ 31.1℃ 32.0℃	30.5℃ 31.8℃ 32.8℃	3:00 4:00 5:00	ON
32.7℃ 32.3℃ 31.7℃ 31.1℃ 30.5℃ 30.1℃ 29.7℃ 29.5℃ 29.1℃	33.5℃ 33.1℃ 32.4℃ 31.8℃ 31.3℃ 30.9℃ 30.5℃ 30.3℃ 29.9℃	6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00	OFF

Room 1

Room 2

Time

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9:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

OFF

4.4 실내온도

바닥표면으로부터 1,200 mm 지점의 실내온도 측정결과는 Fig. 9, Table 11과 같다. 즉, PCM을 적용한 실2가 PCM이 없는 일반 바닥 복사 난방의 실1보다 지속적으로 높은 온도를 유지하는 것으로 나타났다. 세부적으로는 18시 보일러 가동 5시간 후 실내온도는 Room 2(28.5℃)가 0.2℃로 높게 나타났고. 보일러 가동 중지 후 4시간 후에도 실2가 0.2℃의 높게 그리고 재가열 후 중지 후에도 평균 0.4℃ 실2가 높게 유지하고 있었다. 보일러 가동 중지 8시간 후, 실1과 실2의 온도 차이가 0.4℃로 PCM을 적용한 바닥 복사 난방시스템이 더욱 높은 온도를 유지하는 것을 확인하였다.

Fig. 9. Room temperature graph.

Table 11. Room Temperature Distribution

Room 1	Room 2	Time	operation
26.0℃ 26.3℃ 26.9℃ 27.5℃ 28.0℃	26.0℃ 26.2℃ 26.8℃ 27.5℃ 28.0℃	18:00 19:00 20:00 21:00 22:00	ON
28.3℃ 28.4℃ 28.4℃ 28.2℃	28.5℃ 28.7℃ 28.7℃ 28.5℃	23:00 24:00 1:00 2:00	OFF
27.9℃ 28.3℃ 28.7℃	28.3℃ 28.5℃ 28.9℃	3:00 4:00 5:00	ON
29.1℃ 29.2℃ 29.0℃ 28.8℃ 28.6℃ 28.5℃ 28.4℃ 28.3℃ 28.1℃	29.3℃ 29.4℃ 29.3℃ 29.2℃ 29.0℃ 28.9℃ 28.8℃ 28.7℃ 28.5℃	6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00	OFF

Room 1

Room 2

Time

operation

26.0℃

26.3℃

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26.0℃

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28.5℃

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27.9℃

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28.7℃

28.3℃

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29.1℃

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28.8℃

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28.4℃

28.3℃

28.1℃

29.3℃

29.4℃

29.3℃

29.2℃

29.0℃

28.9℃

28.8℃

28.7℃

28.5℃

6:00

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10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

OFF

5. 결 론

본 연구는 국내 바닥 복사 난방시스템에 상변화물질(Phase Change Material; PCM)을 적용하여 실내온도변화를 측정한 것으로 특히, 국내 표준바닥구조에 PCM을 적용한 Mock-up을 구축하여 난방가동에 따른 공급온수온도, PCM 상부 표면온도, 바닥표면온도 및 실내온도를 측정하였다. 그 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) PCM 바닥 복사 난방 구조는 210 mm 콘크리트슬래브, 20 mm 완충재, 40 mm 경량기포 콘크리트, 40 mm 모르타르로 형성된 기존 표준바닥구조를 그대로 유지하고 경량기포 콘크리트 층에 10 mm 두께의 PCM만을 삽입한 것으로 추가정인 공정이 없어 시공성이 매우 용이하다는 장점을 가진 구조임을 확인할 수 있었다.

(2) 선행연구를 통한 PCM 42℃(n-docosane)를 선정하고 축열량 3,376 kJ인 PCM을 20 kg/Room으로 산정하여 두께는 0.05 mm로 알루미늄박막에 진공포장하여 제작된 PCM를 바닥구조체에 삽입하여 일반 바닥구조체와 비교 실험하였다. 실험결과 PCM 적용 실이 일반실보다 온도가 높게 유지되는 것을 확인하였다. 특히, PCM 상부 표면의 경우 보일러 중단 후 4시간 경과 시에도 36℃ 이상의 온도를 유지하는 것으로 나타났다(일반구조 비교 2℃ 이상 상승). 또한, 바닥 표면온도와 실내온도 모두 PCM 적용한 실이 높은 온도를 유지하는 것을 확인하였다.

따라서, 지금까지의 Mock-up 실험결과를 종합해 볼 때 PCM을 적용한 바닥구조는 일반바닥구조보다 축열량이 높아 바닥표면온도와 실내온도가 높은 온도분포를 유지하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 온수배관 하부로 소실되는 폐열이 PCM을 통하여 축열되고 방출되는 과정에서의 온도상승 효과라 볼 수 있다.

후 기

이 논문은 2018년도 한국연구재단의 이공분야기초연구사업 지원을 받아 연구되었음(No. NRF-2016R1D1A1B01015616).

References

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KJACRKorean Journal ofAir-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.

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Mock-up Test Applicate to Phase Change Material in Floor Radiant Heating System

Abstract

Key words

기호설명

1. 연구배경 및 목적

2. 표준바닥구조와 온수난방공법구조

2.1 표준바닥구조

Table 1. [2015-319] MOLIT notification standard floor structure 1

Table 2. [2015-319] MOLIT notification standard floor structure 2

Table 3. [2015-319] MOLIT Notification standard floor structure 3

2.2 온수난방 공법 구조

Fig. 1. [2015-319] MOLIT Notification apartment radiant floor heating structure.

3. 선행연구 분석 및 Mock-up 실험동 구축

3.1 선행연구 분석(최적 PCM 선정)

3.2 Mock-up 실험동 구축

3.2.1 Mock-up 실험동 개요

Fig. 2. Mock-up construction 3D plan.

Table 4. Mock-up summary

3.2.2 PCM 적용 바닥 복사 난방시스템

Fig. 3. PCM radiant floor heating system structure.

3.2.3 PCM 용량 산정

(1)

(2)

3.2.4 PCM Packing

Fig. 4. PCM packing image.

3.2.5 온수보일러 가동 스케줄

Table 5. Hot-Water Boiler Operation Outline

Table 6. Hot-Water Boiler Operation Schedule

3.2.6 온도 측정

Fig. 5. T-type thermocouple and data logger.

Table 7. Temperature sensor position for each layer per

4. 실험 결과

4.1 온수배관 상부 온도

Fig. 6. Hot water piping temperature graph.

Table 8. Hot Water Piping Temperature Distribution

4.2 PCM 상부 표면온도

Fig. 7. Temperature variation graph of the top of PCM.

Table 9. PCM upper temperature distribution

4.3 바닥 표면온도

Fig. 8. Floor surface temperature graph.

Table 10. Floor surface temperature distribution

4.4 실내온도

Fig. 9. Room temperature graph.

Table 11. Room Temperature Distribution

5. 결 론

후 기

References

Article Information (continued)

Key words

KJACRKorean Journal of
Air-Conditioning and Refrigeration Engineering