1.1 연구배경 및 목적

국내 건축물 중 주거용의 비중은 62.7%로 과반수 이상을 차지⁽¹⁾하며, 이러한 주거부문의 전체 에너지소비량 중 난방 부문의 비중은 42%를 차지한다고 한다.⁽²⁾ 국내 주거 건물의 경우 보편적으로 바닥복사난방시스템을 채택하고 있다. 바닥복사난방시스템은 실내 온도 분포가 균등하여 쾌감도가 높으며, 동일 방열량 대비 손실 열량이 적은 장점을 지닌다.⁽³⁾ 그러나, 긴 예열시간에 의해 실내 설정 온도 도달까지 장시간 소비되며, 현행 바닥구조 기준으로 인해 추가 열용량 확보에 제약이 발생하게 된다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 열용량이 큰 PCM(Phase Change Material)의 적용을 고려할 수 있다. PCM은 TES(Thermal Energy Storage)재료 중 하나이며 물체가 온도 변화 없이 고체에서 액체, 액체에서 기체 등 다른 상태로 상변화 하는 과정에서 잠열을 저장하거나 방출하는 물질이다.⁽⁴⁾ 기존 재료보다 단위 부피당 5~14배 많은 열을 저장할 수 있으며, 크게 유기물, 무기물, 혼합물 3가지로 분류된다.⁽⁵⁾ PCM을 건축적으로 적용하기 위해 축열보드, 콘크리트, 모르타르, 외장도료, 타일, 벽돌, 열교환기 등 다양한 분야에 적용하여 열쾌적성 상승 및 열에너지 저감하기 위한 연구들이 국내외에서 활발히 수행되고 있다.

기존에 수행된 연구들은 PCM을 바닥 마감 모르타르에 적용한 연구, PCM판을 이용한 시스템의 열성능에 관한 연구, 두 종류의 PCM층을 바닥구조에 적용한 연구 등이 있다.^(6-8) 그러나 기존 연구에서는 국내의 바닥난방 현황이 고려되지 않고, 바닥 복사난방시스템에서 PCM 적용하기에 적절한 융해온도에 관한 연구는 진행되지 않고 있는 실정이다.

따라서, 본 연구는 PCM 바닥복사난방시스템에서 융해온도(44℃, 35℃, 28℃)별 비교실험을 진행하였다. 이와 같은 연구는 바닥복사난방시스템에 PCM 적용시 가장 적합한 융해온도를 선정하고 이를 통해 최적의 축열효과를 얻기 위한 기초연구로서 활용될 것이다.

1.2 연구 방법 및 범위

본 연구의 바닥복사난방시스템은 난방에너지 저감을 위해 기존 바닥구조에 잠열 축열이 가능한 PCM을 적용한 시스템이다. PCM을 적용 시, 시스템에 적합한 융해온도를 선정해야 효율적인 열에너지 축열이 가능하기 때문에 챔버 실험을 통해 PCM 융해온도별 온도 변화 및 온도 유지 시간을 확인하였다. 사용된 PCM은 융해온도가 44℃, 35℃, 28℃인 것을 적용하였다.

실험을 위해 제작된 챔버는 외부 환경을 모사한 항온용 외부 챔버와 실내 환경을 모사한 내부 챔버로 구성된다. 실내 챔버에는 실험을 위해 기존 바닥구조 기준을 준용하여 제작한 PCM 바닥복사난방시스템을 설치하였다. 실내 온도는 겨울철 적정 실내 온도인 20℃~22℃를 유지하도록 설정하였으며, 이 때의 실내온도, 바닥표면온도를 측정 후 각 융해온도별 비교분석을 수행하였다.

2.1 챔버 제작

PCM의 융해온도별 비교 실험을 위해 Fig. 1과 같이 챔버를 제작하였다. 챔버는 겨울철 외기 온도를 모사하기 위한 외부의 항온 챔버와 바닥복사난방시스템이 설치된 내부 챔버로 구성된다. 외부 항온 챔버의 크기는 1,000 mm×1,000 mm×1,000 mm이며, 이 안에 크기 500 mm×500 mm×500 mm의 내부 챔버를 설치하였다.

Fig. 1 Experiment chamber.

Fig. 2 Constant temperature chamber.

Fig. 3 Inner chamber.

항온 챔버는 Fig. 2와 같이 6 mm MDF 합판과 88 mm 글라스울을 넣은 100 T 패널로 제작하여 열교를 최소화하였다. 이 안에는 냉각시스템을 설치하여, 실험 시 동일한 온도를 유지하도록 하였다. 내부 챔버의 크기는 바닥면적이 0.25 ㎡로 아파트 침실 평균 바닥면적의 약 1/30에 해당한다.⁽⁹⁾ 내부 챔버는 Fig. 3과 같이 100 T 압출법 보온판 단열재(XPS)를 사용하여 제작하였으며, 바닥에 40 mm 경량기포콘크리트, PCM 케이스, 15 mm 난방 배관, 40 mm 마감모르타르, 바닥마감재로 구성된 PCM 바닥복사난방시스템을 설치하였다. PCM의 위치는 선행 난방 배관 하부에 적용하여 하부로 손실되는 열을 축열하고 상부로 열을 공급할 수 있도록 설치하였다.⁽⁹⁾

2.2 실험 PCM의 특성

본 실험에 사용한 PCM은 Table 1과 같으며 SASOL 社에서 유통되고 있는 PARAFOL PCM을 사용하였다. 바닥 복사난방시스템 적용 시 과냉 현상이 발생하지 않고 융해온도를 만족하여 안정적인 상변화가 일어나 잠열 축열이 가능한 융해온도 44℃, 35℃, 28℃의 PCM을 사용하였다. PCM 케이스는 Fig. 4와 같이 상변화 과정 중 PCM이 누출되지 않고 변형, 파손되지 않으며 열전도율이 높고 내부식성인 알루미늄 재질로 제작하여 사용하였다. 또한, 케이스는 40 mm로 제작하였으며, 용량은 800 g이다.

Fig. 4 PCM case.

2.3 실험 조건

항온 챔버는 Fig. 5와 같이 챔버 내부에 설치된 냉각시스템을 이용하여, 11월 서울시의 평균온도인 7.5℃를 유지하도록 설정하였다.⁽¹¹⁾ 실내 챔버의 경우 난방시스템을 설치하였으며, ⁽¹⁾ Boiler에서 온수를 60℃로 가열시키고,^{(12) (2)} Pump를 통해 실험 챔버 난방 배관으로 공급되도록 구성하였다. 이 때, 실내 온도는 ⁽³⁾ Solenoid Valve와 ⁽⁴⁾ Thermostat Sensor를 이용해 실내 적정 온도인 20℃~22℃를 유지하도록 설정하였다.⁽¹³⁾ 즉, 실내온도가 20℃ 이하로 떨어지면 난방수를 공급하며, 22℃ 이상으로 상승할 경우 난방수 공급이 정지된다.

온도 측정 위치는 실험 챔버 바닥의 중앙점, 4등분한 바닥의 중앙점에서 측정하였으며, 실내 온도, 바닥 표면 온도, 온수 온도를 1분 간격으로 연속 측정하였다. 데이터 분석을 위해 13회 난방 cycle 중 중위값 3개 평균 값을 이용하였다.

실험 장비는 Table 2와 같으며, 실내 온도 ON-OFF 제어를 위해 세원社의 OKE-6428HC를 사용하였다. 또한, 온도 측정을 위한 Graphtec社의 Portable Data Logger GL820과 T-type 열전대 센서를 사용하였다.

Fig. 5 Experiment chamber overview.

3.1 실내 온도

PCM 융해온도별 실내 온도 변화는 Fig. 6, Table 3과 같다. 실내 온도의 경우 난방 설정 온도인 20 ~ 22℃ 범위의 ± 0.1℃ 내에서 적절히 유지되고 있었다. 그러나 보일러 가동 시 20℃에서 최고 온도까지 상승하는데 걸리는 시간과 보일러 정지 후 20℃까지 떨어지는데 걸리는 시간은 각 시스템별로 차이를 보였다.

실내 온도의 최고온도 도달 시간은 PCM을 적용하지 않았을 때, 173분으로 가장 빨랐으며, PCM을 적용시 이보다 3~17분 길게 나타났다. 최저온도 도달 시간의 경우 마찬가지로 PCM을 적용하지 않을 것이 243분으로 가장 짧았으며, PCM을 적용 시 43분에서 최대 167분까지 길게 나타났다. 이는 PCM 적용으로 인해 잠열 축열량이 추가되어 가열 시 최고온도 도달까지 시간이 증가하였으며, 추가된 축열량에 의해 실내 온도 유지시간이 증가된 것으로 판단된다. PCM을 적용한 경우 최고온도 도달시간이 가장 짧았던 융해온도는 44℃이며, 최저온도 도달시간이 가장 긴 것은 35℃로 나타났다.

Fig. 6 Indoor temperature change.

실내 온도의 경우 PCM 적용 시 실내 온도 범위를 20℃~22℃로 설정하여 난방 가동되었기 때문에 최고, 최저온도에서 큰 차이가 나타나지 않았지만, 실내 최고온도 도달까지 시간이 증가하였으며, 실내 온도 유지시간이 증가함을 확인하였다. 이는 PCM 적용으로 인해 잠열 축열량이 추가되어 가열 시 최고온도 도달까지 시간이 증가하였으며, 추가된 축열량에 의해 실내 온도 유지시간이 증가된 것으로 판단된다.

3.2 바닥 표면 온도

바닥 표면 온도 변화는 Fig. 7, Table 4와 같다. 최고온도는 44℃ PCM을 적용한 경우 26.3℃로 나타났으며, 그 이외에는 모두 26.0℃로 동일하게 나타났다. 최저온도의 경우 PCM을 적용하지 않은 경우와 35℃ PCM을 적용한 경우 23.7℃로 같았으며, 44℃ PCM은 이보다 0.1℃, 28℃ PCM은 0.2℃ 낮게 나타났다. 즉, 실내 온도 변화와 마찬가지로 바닥 표면 온도 변화에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.

Fig. 7 Floor surface temperature change.

그러나 최고온도와 최저온도에 도달하는 시간에서는 실내 온도보다 더 큰 차이를 보였다. 보일러 가동 시 최고 온도 도달 시간은 PCM을 적용하지 않은 경우는 173분으로 나타났으며, 44℃ PCM은 이보다 20분, 35℃ PCM은 38분 더 길게 나타났다. 반면, 28℃ PCM을 적용한 경우에는 PCM을 적용하지 않은 경우보다 9분 더 빠른 것으로 나타났다. 최저온도에 도달되는데 걸리는 시간은 PCM을 적용하지 않은 경우가 243분으로 가장 짧았고, PCM을 적용 시 59 ~ 146분 길어져 더 오랜 시간 온도를 유지하는 것으로 나타났다. 최저온도까지 도달하는데 걸리는 시간이 가장 긴 것은 35℃ PCM 적용 시로 나타났으며, 이를 통해 35℃가 다른 융해온도에 비해 현재 난방시스템에서 가장 많은 열을 축열하고 있음을 확인할 수 있었다.

바닥 표면 온도의 경우 실내 온도와 마찬가지로 PCM 적용 시 최고, 최저온도에서 큰 차이가 나타나지 않았다. 이는 난방 시 실내 온도 설정에 따라 난방 가동, 정지되기 때문으로 사료된다. 최고 온도 및 유지시간의 경우 최고온도 도달까지 시간이 증가하였으며, 바닥 표면 온도 유지시간이 증가함을 확인하였다. 이는 PCM 적용으로 인해 잠열 축열량이 추가되어 가열 시 최고온도 도달까지 시간이 증가하였으며, 추가된 축열량에 의해 바닥 표면 온도 유지시간이 증가된 것으로 판단된다.