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Executive Summary
목차
제1장 서론 24
1. 연구 개요 및 필요성 24
1.1. 연구 개요 24
1.2. 연구 필요성 25
2. 연구배경 및 연구원 고유기능 부합성 26
2.1. 연구 배경 26
2.2. 연구원 고유 기능 부합성 27
3. 최종 연구개발 목표와 연차별 목표 28
3.1. 최종 목표 28
3.2. 연차별 목표 및 연구 내용 28
제2장 국내외 기술개발 현황 30
1. 상전이물질의 나노가공기술(함침) 30
1.1. Core-shell(중심 껍질) 함침 31
1.2. Longitudinal 함침 33
1.3. Interfacial(계면) 함침 35
1.4. Porous(공극) 함침 36
2. 나노단위 PCM 함침의 적용방안 38
2.1. 에너지 변환 및 저장 38
2.2. 온도 조절 약물전달 39
2.3. 요약 및 전망 40
3. PCM을 이용한 에너지파일/지중열교환기 시공 소재 개발 42
3.1. 개요 42
3.2. 채움재 45
3.3. 지열 히트펌프 시스템 설계와 성능 분석(시뮬레이션) 48
제3장 연구수행 내용 및 방법 52
1. 상전이 물질의 선정 52
1.1. 상전이물질의 선정 52
2. 열흡수 및 방출 특성 계측실험 장치 및 소재 특성분석 장치 53
2.1. 열흡수 및 방출 특성 계측실험장치 53
3. 상전이물질 담지소재의 합성 및 특성 평가 55
3.1. 다공성 상전이물질로의 상전이물질 담지 55
3.2. 표면화학반응을 통한 PCM - SiO₂ capsule 제조 56
3.3. 모세관 흡수에 의한 자연계 소재로의 PCM 담지방법 56
3.4. 고다공성 소재의 물리화학적 흡수 흡착 메카니즘 및 특성평가 57
3.5. Modified T-history 방법을 통한 열물성 평가 57
4. 열흡수 방출 도료의 제조 58
5. 열흡수 방출 도료의 실내 정온성 평가 59
6. 상전이물질 혼합 소재의 건축물 적용 효과 분석 60
6.1. 대상 건물 60
6.2. 대상 건물 모델링과 에너지 요구량 시뮬레이션 62
7. PCM을 이용한 에너지파일/지중열교환기 시공 소재 개발 64
7.1. 기존 채움재와 PCM 혼합 채움재의 열물성 분석 65
7.2. 시뮬레이터를 이용한 에너지파일/지중열교환기 성능 실험 75
7.3. 수치해석을 통한 열전달 성능 분석 76
7.4. 시뮬레이션을 통한 채움재의 영향 분석 79
제4장 연구수행 결과 및 고찰 84
1. 상전이물질의 열 흡수 및 방출 84
2. 상전이물질 담지소재의 합성 및 특성 평가 86
2.1. 다공성 상전이물질로의 상전이물질 담지 86
2.2. PCM - SiO2 capsule 93
2.3. 모세관 흡수에 의한 자연계 소재로의 PCM 담지방법 95
2.4. 각 매체별 상전이 물질 흡수 및 흡착특성, 열물성 비교 97
2.5. 셀룰로스 섬유의 상전이물질 흡습 메카니즘 규명 98
3. 고다공성 소재의 물리화학적 흡수 흡착 메카니즘 및 특성평가 98
4. 에너지 저장 방출소재 적용 건축소재의 열흡수/방출특성 평가 100
4.1. 실내용 페인트 100
4.2. 실외용, 옥상용, 아스팔트용 페인트 101
5. 열흡수 방출 건축소재의 경제성 평가 102
5.1. 공정비교 102
5.2. 생산단가 비교 102
6. 상전이물질의 건축물 적용 효과 분석 103
6.1. 대상 건물 103
6.2. 대상 건물 모델링과 에너지 요구량 시뮬레이션 104
6.3. 적용 효과 분석 결과 105
7. 에너지파일/지중열교환기 채움재 물성 측정 107
7.1. 고성능 채움재의 열물성 측정 결과(1차년도) 107
7.2. 기존 채움재와 PCM 혼합 채움재의 열물성 측정 결과(2차, 3차년도) 111
7.3. 결과 종합 118
8. 에너지파일/지중열교환기 성능 실험 119
8.1. 개요 및 실험 장치 구성 119
8.2. 실험 결과 119
9. 수치해석을 통한 열전달 성능 분석 121
9.1. 시뮬레이터 유한요소(FEM) 해석 121
9.2. 열전달 성능 시뮬레이션 129
10. 시뮬레이션을 통한 채움재 열물성의 영향 분석 133
10.1. 중규모 상업용 건물 133
10.2. 대학교 건물 141
10.3. 고등학교 건물 147
11. 설계 및 시공 지침 157
제5장 결론 163
1. 에너지 저장 및 방출 기능성 소재 개발 분야 163
1.1. 상전이 물질 함침 소재 개발 및 함침방법 개발 163
1.2. 열흡수 방출기능을 갖는 건축소재 개발 163
1.3. 모델링을 통한 개발소재 열물성의 정량화 및 함침 메카니즘 규명 163
1.4. 개발 다공성 소재의 적용성 다양화 연구 수행 163
1.5. 상용소재와의 비교평가를 통한 실용화 가능성 입증 164
1.6. 상전이물질의 건축물 적용 효과 분석 164
2. 에너지파일/지중열교환기 시공 소재 개발 165
2.1. 에너지파일/지중열교환기 채움재의 열물성 분석 165
2.2. 시뮬레이터를 이용한 성능 실험 165
2.3. 수치해석을 통한 열전달 성능 분석 166
2.4. 시뮬레이션을 통한 채움재 열물성의 영향 분석 167
2.5. 설계 및 시공 지침 구축 168
제6장 참고문헌 169
서지자료 173
판권기 174
표 1.3.1. 연차별 연구 목표와 세부 연구 내용 29
표 2.3.1. 다양한 지질의 투수도 47
표 3.6.1. 대상 건물 정보 61
표 3.7.1. 열전도도 측정기(QL-30)의 측정 항목과 오차 67
표 3.7.2. 채움재 열물성 측정 장비 68
표 3.7.3. 점도 측정기(DV2T) 규격 68
표 3.7.4. 시료 혼합 비율(질량비) 69
표 3.7.5. 염수 농도별 혼합 비율 71
표 3.7.6. 일반 채움재와 고성능 채움재 시료의 혼합 비율 72
표 3.7.7. 기존 채움재와 PCM 혼합 채움재 시료의 혼합 비율 73
표 3.7.8. 시뮬레이터 대표 구성 요소와 사양 75
표 3.7.9. 해석 모델과 물리적 조건 78
표 4.6.1. 대상 건물 정보 103
표 4.7.1. 열전도도 측정 결과 107
표 4.7.2. 점도 측정 결과 108
표 4.7.3. 염분 농도에 따른 열전도도 측정 결과 109
표 4.7.4. 염분 농도에 따른 점도 측정 결과 110
표 4.7.5. 제조사별 열전도도 측정 결과 : D사 112
표 4.7.6. 제조사별 열전도도 측정 결과 : Y사 112
표 4.7.7. 제조사별 열전도도 측정 결과 : H사 113
표 4.7.8. 제조사별 열전도도 측정 결과 : C사 113
표 4.7.9. 첨가제(실리카샌드) 혼합 비율에 따른 열전도도 변화 114
표 4.7.10. 제조사별 점도와 열전도도 측정 결과 114
표 4.7.11. 첨가제(실리카샌드) 혼합 비율에 따른 점도(cP) 변화 114
표 4.7.12. 채움재 시료의 열물성 측정 결과 115
표 4.7.13. 첨가제(실리카샌드) 혼합 비율에 따른 겔 응력(N/m²) 변화 116
표 4.7.14. 기존 채움재와 PCM 혼합 채움재의 열전도도 측정 결과 117
표 4.9.1. 수치 시뮬레이션을 위한 물리 조건 124
표 4.10.1. 시뮬레이션 결과와 각 조건별 효과 분석 140
표 4.10.2. 시스템 설계 변수와 사양 142
표 4.10.3. 채움재 적용 효과 분석 결과: 대학교 건물 146
표 4.10.4. 건물 공조 면적과 최대 냉난방 요구량 149
표 4.10.5. 지중 열물성과 지중열교환기 설계 사양 150
표 4.10.6. 설계 조건별 최고 EST 변화 결과 155
표 4.10.7. 채움재 적용 효과 분석 결과: 고등학교 건물 156
표 4.11.1. 설계 및 시공 가이드라인 158
그림 1.1.1. 연구(기술 개발) 개요 25
그림 1.2.1. 기술 상용화 로드맵 27
그림 1.3.1. 연구 달성도와 추진 실적 29
그림 2.1.1. 상전이 물질의 나노함침기술 31
그림 2.1.2. core-shell 상전이 물질의 구조 32
그림 2.1.3. 전기방사법을 이용하는 PCM의 longitudinal 함침법 33
그림 2.1.4. PCM의 확산으로 CNT 내부로 삽입되는 공정 34
그림 2.1.5. GO시트의 환원, 치환, 자기조립 35
그림 2.1.6. Free radical PHDA 물질의 GO 이식 36
그림 2.1.7. 실리카겔을 이용한 PCM 공극함침 37
그림 2.1.8. CNT 스폰지에 함침된 파라핀 왁스 37
그림 2.2.1. 태양열 에너지의 변환 및 저장 39
그림 2.2.2. 온도에 의해 조절되는 스마트 약물전달 시스템 40
그림 2.3.1. 지열 히트펌프 시스템 개념도 42
그림 2.3.2. 비주거용 건물에 적용된 지중열교환기 43
그림 2.3.3. 에너지파일 종류 44
그림 2.3.4. 지열 히트펌프 시스템 설계 절차 49
그림 2.3.5. 지중열교환기 채움재에 따른 지중 순환수 온도 변화 49
그림 2.3.6. DST 모델의 2차원 격자 구조 51
그림 3.2.1. 상전이 물질의 열의 흡수 및 방출을 알아보기 위한 튜브형 반응조 및 보온장치 54
그림 3.2.2. 튜브내의 온도변화를 측정하기 위한 자동 온도기록장치 54
그림 3.2.3. 열 흡수 방출 측정을 위한 항온기 54
그림 3.3.1. 다공성 흡착소재로의 상전이 물질 담지 56
그림 3.3.2. 표면화학반응을 통한 PCM-SiO₂ capsule 제조 56
그림 3.3.3. 모세관 흡수에 의한 자연계 소재로의 PCM 담지방법 56
그림 3.3.4. Double Beam UV/Vis spectroscopy(좌), DR6000(우) 57
그림 3.4.1. 열흡수 방출 도료 제조 방법 58
그림 3.5.1. 실내외용 페인트 실험 반응기 59
그림 3.5.2. 옥상용/아스팔트용 페인트 실험 시료 59
그림 3.6.1. PCE 적용 효과 분석을 위한 시뮬레이션 절차 60
그림 3.6.2. 외기 온도에 따른 전력과 가스 소비량 검침 데이터 변화 61
그림 3.6.3. 시뮬레이션 대상 건물(H 어린이집)의 1층 평면도 62
그림 3.6.4. 대상 건물 외관과 모델링 결과 63
그림 3.6.5. 대상 건물 일사 궤적 63
그림 3.7.1. 에너지파일/지중열교환기 시공 소재 개발 연구 흐름 64
그림 3.7.2. 기존 채움재와 PCM 혼합 채움재의 열물성 분석 절차 65
그림 3.7.3. 열전도도 측정기(QL-30) 본체와 측정 프로브 66
그림 3.7.4. 기존 채움재와 PCM 혼합 채움재의 열물성 측정 장비 67
그림 3.7.5. 시료 혼합 비율 69
그림 3.7.6. 시료 준비 및 열전도도 측정 70
그림 3.7.7. 시료 단면도 71
그림 3.7.8. 기존 채움재와 PCM 혼합 채움재의 열물성 측정 74
그림 3.7.9. 에너지파일/지중열교환기 성능 실험 장치(시뮬레이터) 75
그림 3.7.10. 수치시뮬레이션 절차 76
그림 3.7.11. 열전달 성능 분석 모델 77
그림 3.7.12. 열전달 성능 분석을 위한 격자(mesh) 생성 78
그림 3.7.13. 지중열교환기 채움재의 영향 분석을 위한 시뮬레이션 대상 건물 79
그림 3.7.14. 분석 대상 건물의 실제 외관과 3D 모델링 결과 80
그림 3.7.15. 시뮬레이션 대상 건물의 조감도, 실제 외관, 모델링 결과 80
그림 3.7.16. 상용 프로그램(GLD V8.0)을 이용한 지열 히트펌프 시스템 설계 81
그림 3.7.17. 시스템 설계 시 지중열교환기 사양 입력 81
그림 4.1.1. Alkane계 상전이물질의 열 흡수 및 방출 경향 84
그림 4.1.2. 무기계 상전이물질의 열 흡수 및 방출 경향 85
그림 4.1.3. 유기계 상전이물질의 열 흡수 및 방출 경향 86
그림 4.2.1. 활성탄에 담지된 유무기 상전이물질의 열 흡수 방출 곡선 88
그림 4.2.2. 저점도 상전이 물질의 충진방법 및 충진 후 열흡수 및 방출 경향측정 결과 89
그림 4.2.3. 고점도 상전이 물질의 충진방법 및 충진 후 열흡수 및 방출 경향측정 결과 90
그림 4.2.4. 점도 상전이 물질의 충진을 위한 mesoporous 기공제조 방법 및 상전이 물질 충진 후 열흡수 및 방출 경향측정 결과 90
그림 4.2.5. 상전이물질이 흡습된 분말형 상용 실리카겔의 열 흡수 방출 특성 91
그림 4.2.6. 상전이물질이 흡습된 분말형 CaSiO₂의 열 흡수 방출 특성 92
그림 4.2.7. 상전이물질이 흡습된 분말형 CaSiO₂의 열 흡수 방출 특성 반복실험 93
그림 4.2.8. Wax 류의 capsulation 94
그림 4.2.9. 다양한 계면활성제를 활용하여 제조한 PCM capsule의 열 방출 특성 94
그림 4.2.10. PCM 함침 셀룰로스의 열 흡수 방출 95
그림 4.2.11. PCM 함침 왕겨의 열 흡수 방출 95
그림 4.2.12. PCM 함침 셀룰로스의 열 흡수 방출 반복실험 96
그림 4.2.13. 상용 PCM의 열 흡수 방출 반복실험 96
그림 4.2.14. 개발 소재의 상전이물질 흡수율 및 잠열량 97
그림 4.2.15. 셀룰로스 구조 및 표면 반응기 98
그림 4.3.1. UV 조사에 의한 철담지 실리케이트의 구조 변화 99
그림 4.3.2. 철담지 실리케이트와 UV조사 철담지 실리케이트의 BTEX 흡착 특성 99
그림 4.4.1. 상전이물질 함침 셀룰로스 페인트의 실내온도 변화 100
그림 4.4.2. 상전이물질 함침 셀룰로스 페인트의 실내온도 변화 및 표면온도 변화 101
그림 4.6.1. 대상 건물 외관과 모델링 결과 104
그림 4.6.2. 대상 건물 일사 궤적 105
그림 4.6.3. 대상 건물 보육실의 전력 소비량과 시뮬레이션 결과 비교 105
그림 4.6.4. 에너지 소비량 검침 결과와 시뮬레이션 결과 비교 106
그림 4.6.5. 시뮬레이션을 통한 PCM 적용 효과 106
그림 4.7.1. 시료별 열전도도 측정 결과 107
그림 4.7.2. 시료별 점도 측정 결과 108
그림 4.7.3. 염분 농도에 따른 열전도도 변화 109
그림 4.7.4. 염분 농도에 다른 점도 변화 110
그림 4.7.5. 제조사별 채움재의 열전도도 측정 결과 111
그림 4.7.6. 첨가제(실리카샌드) 혼합 비율에 따른 열전도도 변화 113
그림 4.7.7. 첨가제(실리카샌드) 혼합 비율에 따른 점도 변화 115
그림 4.7.8. 첨가제(실리카샌드) 혼합 비율에 따른 겔 응력 변화 116
그림 4.8.1. 시뮬레이터 측정 결과와 유한요소해석 결과 비교 : 일반 채움재 120
그림 4.8.2. 시뮬레이터 측정 결과와 유한요소해석 결과 비교 : 고성능 채움재 120
그림 4.9.1. 시뮬레이터 형상 121
그림 4.9.2. 에너지파일 형상 모델링 122
그림 4.9.3. 해석 경계 조건 123
그림 4.9.4. 파일 중심 온도와 깊이에 따른 단면 온도 분포 : 채움재 A 125
그림 4.9.5. 횡 방향(x=0~0.75m) 온도 분포 : 채움재 A 125
그림 4.9.6. 횡 방향(x=0~0.75m)과 깊이에 따른 온도 분포 : 채움재 A 125
그림 4.9.7. 파일 중심 온도와 깊이에 따른 단면 온도 분포 : 채움재 B 126
그림 4.9.8. 횡 방향(x=0~0.75m) 온도 분포 : 채움재 B 126
그림 4.9.9. 횡 방향(x=0~0.75m)과 깊이에 따른 온도 분포 : 채움재 B 126
그림 4.9.10. 파일 중심 온도와 깊이에 따른 단면 온도 분포 : 채움재 C 127
그림 4.9.11. 횡 방향(x=0~0.75m) 온도 분포 : Grout C 127
그림 4.9.12. 횡 방향(x=0~0.75m)과 깊이에 따른 온도 분포 : 채움재 C 128
그림 4.9.13. 유한요소(FEM) 해석 결과 종합 128
그림 4.9.14. 온도 분포 시뮬레이션 : 투입 열량 100W 129
그림 4.9.15. 온도 분포 시뮬레이션 : 투입 열량 75W 130
그림 4.9.16. 온도 분포 시뮬레이션 : 투입 열량 50W 131
그림 4.9.17. 온도 분포 시뮬레이션 : 투입 열량 25W 131
그림 4.9.18. 투입열량 및 채움재 열전도도에 따른 온도 변화 132
그림 4.10.1. 시뮬레이션 대상 건물 외관과 에너지파일 형상 134
그림 4.10.2. 대상 건물 지하층 평면도와 에너지파일 위치 134
그림 4.10.3. 시뮬레이션 대상 시스템 개념도 135
그림 4.10.4. 외기 온도와 연중 시간대별 에너지 요구량 136
그림 4.10.5. 에너지파일 순환수의 단기(1년) 온도 변화 : 기준 조건 137
그림 4.10.6. 냉난방 특정 주간에서 에너지파일 순환수의 온도 변화 137
그림 4.10.7. 월별 에너지 전달량과 에너지파일 순환수의 장기간 온도 변화 138
그림 4.10.8. 에너지파일 순환수의 연중 온도 변화 : 기준 조건, 20년 경과 후 138
그림 4.10.9. 시뮬레이션 조건에 따른 에너지파일 순환수의 온도 변화 139
그림 4.10.10. 채움재에 따른 히트펌프 성능 변화 : 중규모 상업용 건물 139
그림 4.10.11. 기준 조건에서 에너지파일 시스템의 연간 에너지 밸런스 140
그림 4.10.12. 대상 건물 외관과 3D 모델링 141
그림 4.10.13. 시뮬레이션 대상 건물(대학교 건물)의 연중 시간대별 에너지 요구량 142
그림 4.10.14. 시뮬레이션 적용 히트펌프의 냉난방 성능 특성 143
그림 4.10.15. 시뮬레이션 조건에 따른 지중 순환수 온도 변화 144
그림 4.10.16. 채움재에 따른 성능 향상 효과 144
그림 4.10.17. 채움재에 따른 지중열교환기 길이 절감 효과 145
그림 4.10.18. 채움재에 따른 히트펌프 성능 변화 : 대학교 건물 146
그림 4.10.19. 대상 건물(고등학교 건물) 조감도와 실제 외관 147
그림 4.10.20. 각 층별 공조 구역과 시뮬레이션을 위한 3D 모델링 148
그림 4.10.21. 외기 온도와 대상 건물의 시간대별 냉난방 에너지 요구량 149
그림 4.10.22. 보어홀 개수에 따른 EST 변화 151
그림 4.10.23. 지중 순환수의 장기(20년) 온도 변화 : 64홀, 채움재 0.82W/mK 152
그림 4.10.24. 선형열원 모델과 DST 모델 비교 : 64홀, 일반 채움재 적용 153
그림 4.10.25. Case A와 Case B의 지중 순환수 온도 : 일반 채움재 적용 153
그림 4.10.26. 고성능 채움재 적용 시 지중 순환수 온도 변화 : 보어홀 56홀 154
그림 4.10.27. 고성능 채움재 적용 시 지중 순환수 온도 변화 : 보어홀 42홀 155
그림 4.10.28. 채움재에 따른 성능 향상 효과 : 고등학교 건물 155
그림 4.11.1. 설계 가이드라인(절차) 요약 157
그림 4.11.2. 시공 가이드라인(절차) 요약 157