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상변화물질을 활용한 건물에너지효율화 방안 연구

요약

목차
01. 서론 19
 1. 연구배경 및 목적 21
 2. 연구범위 및 방법 22
02. 서울시 온실가스 감축목표 및 현황 분석 23
 1. 서울시 온실가스 현황 및 감축목표 25
  1.1 서울시 온실가스 현황 25
  1.2 서울시 온실가스 감축목표 27
 2. 서울시 온실가스 감축사업 32
  2.1 제로에너지건물 의무화 조기추진 32
  2.2 노후건축물의 그린리모델링 34
  2.3 기존 신재생에너지 시스템 34
 3. 새로운 신재생에너지 발굴 필요성 35
  3.1 서울시 건물 분야 화석연료 사용현황 35
  3.2 해외 열에너지효율화 사례 36
03. 상변화물질 활용한 건물에너지효율화 기술분석 39
 1. 상변화물질의 개념과 종류 및 특성 41
  1.1 상변화물질(PCM, Phase Change Materials) 개념 41
  1.2 상변화물질 종류 및 특성 43
 2. 상변화물질 활용한 건물에너지효율화 기술분석 50
  2.1 건축물 적용방안 50
  2.2 패시브 기술 51
  2.3 액티브 기술 60
  2.4 신재생에너지 기술 63
 3. 상변화물질 활용한 건물에너지효율화 사례분석 67
  3.1 건축물 적용방안 67
  3.2 패시브 시스템 67
  3.3 액티브 시스템 72
  3.4 신재생 시스템 75
  3.5 소결 77
04. 상변화물질 활용한 건물열저장시스템 기술분석 81
 1. 상변화물질 활용한 건물열저장시스템 기술원리 83
  1.1 상변화물질 활용한 열에너지 저장 방법 83
  1.2 상변화물질 활용한 열저장시스템 종류 및 특성 85
 2. 상변화물질 활용한 건물열에너지저장시스템 시장동향 86
  2.1 국내외 상변화물질 활용한 건물열에너지저장시스템 연구 동향 86
  2.2 국내외 상변화물질 활용한 건물열에너지저장시스템 특허 동향 88
  2.3 국내외 상변화물질 활용한 건물열에너지저장시스템 시장동향 90
 3. 상변화물질 활용한 건물열저장시스템 기술사례 94
  3.1 열에너지저장시스템 연결된 태양열 공기 히터 94
  3.2 열에너지저장시스템 연결된 태양열 온수난방?급탕 96
  3.3 열에너지저장시스템 연결된 하이브리드 신재생에너지 시스템 98
  3.4 열에너지저장시스템 연결된 히트펌프(중앙냉난방장치) 102
  3.5 열에너지저장장치 연결된 대단위 단지 난방(지역난방) 104
 4. 소결 105
05. 상변화물질 활용한 건물열저장시스템 기술제안 107
 1. 제안된 건물열저장시스템의 개념 및 실험개요 109
  1.1 제안된 건물열저장시스템의 개념도 109
  1.2 연구 추진 체계 및 실험 프로토콜 설정 110
  1.3 실험체 세팅 112
  1.4 해석 세팅 118
  1.5 해석검증 120
 2. 실험 결과 분석 123
  2.1 축?방열 실험 결과 123
  2.2 해석 및 실험 결과 125
 3. 제안된 건물열저장시스템의 난방활용 시뮬레이션 실험 131
  3.1 시뮬레이션 조건별 해석 모델 설계 및 변수 도출 131
  3.2 상변화물질 시스템의 전산수치해석 진행 132
  3.3 해석 결과 137
  3.4 상변화물질 시스템 실험실 실험 및 해석 결과의 검증 148
 4. 소결 149
  4.1 난방활용 가능성 평가 149
  4.2 난방활용 경제성 평가 150

표 목차
[표 2-1] 서울시 기후변화 25
[표 2-2] 서울시 온실가스 배출량 추이 26
[표 2-3] 서울시 온실가스 감축 정책 관련 주요 사건 28
[표 2-4] 로드맵 이행에 따른 연도별 ZEB 건축물 비중 33
[표 3-1] 유기물 PCM 열적 특성 44
[표 3-2] 무기물 PCM 열적 특성 46
[표 3-3] 공융 혼합물 PCM 열적 특성 46
[표 3-4] PCM 융해온도에 따른 활용 분야 49
[표 3-5] 선행연구에 나타난 PCM 구조체의 적용효과 55
[표 3-6] PCM이 포함된 패시브기술 제품 종류 및 특성 78
[표 3-7] PCM이 포함된 액티브기술 제품 종류 및 특성 79
[표 3-8] 건물에서 활용 가능한 PCM 기술요소 및 특성 80
[표 4-1] PCM 열에너지 저장 방법 분류 83
[표 4-2] PCM 열에너지 저장 방법 장단점 및 사용용도 85
[표 4-3] 탱크형태에 따른 열저장시스템의 종류 및 특성 85
[표 4-4] PCM 관련 주요 연구과제 86
[표 4-5] PCM 열저장시스템(축열/냉조) 관련 주요 연구과제(한국) 87
[표 4-6] PCM 열저장시스템(축열/냉조) 관련 주요 논문 88
[표 4-7] PCM 열저장시스템(축열/냉조) 주요 특허 90
[표 4-8] PCM 국외 공급사 93
[표 4-9] 열에너지저장시스템 연결된 태양열 온수난방?급탕 제품 97
[표 4-10] 히트펌프와 연결된 상변화축열조 활용사례 103
[표 4-11] 태양열 계간축열을 활용한 공동주택 단지규모 난방사례 104
[표 4-12] PCM 열저장시스템을 사용할 수 있는 건물설비 105
[표 5-1] PCM을 적용한 공기식 태양열 난방 시스템 구동 원리 110
[표 5-2] 사용한 실험장비 상세 스펙 113
[표 5-3] PCM의 물성치 [Octadecane][CH 3 -(CH 2 ) 16 -CH 3 ] 116
[표 5-4] Single Cell, Module, Pack 설정 117
[표 5-5] 경계 조건 119
[표 5-6] 지배방정식 119
[표 5-7] Mesh independent test 120
[표 5-8] 해석 조건 131
[표 5-9] 경계 조건 132
[표 5-10] 지배방정식 132
[표 5-11] PCM pouch의 변수 132
[표 5-12] PCM 파우치 배열형상 1의 격자 의존도 테스트 진행 134
[표 5-13] PCM 파우치 배열형상 2의 격자 의존도 테스트 진행 135
[표 5-14] 경계 조건 136
[표 5-15] 난방활용 가능성 평가결과 149
[표 5-16] 1Cell, 1Module, 1Pack에 따른 경제 비용 및 효율 계산 151
[표 5-17] 난방활용 경제성 평가 결과 151

그림 목차
[그림 2-1] 서울시 인구수 및 세대수 변화 / 지역 내 총생산 변화 26
[그림 2-2] 서울시 부문별 온실가스 배출 현황(2018년 기준) 26
[그림 2-3] 부문별 온실가스 배출 변화(2005~2018년) 27
[그림 2-4] 서울시 온실가스 감축 정책 관련 주요 사건 타임라인 28
[그림 2-5] 서울시 2050 온실가스 감축전략 연도별 감축목표 30
[그림 2-6] 2022~2026 서울시 기후변화대응 종합계획 31
[그림 2-7] 서울시 2050 제로에너지 건축(ZEB) 로드맵 32
[그림 2-8] 서울시 건물 전체 전력소비량 중 태양광에너지 생산량 비율 34
[그림 2-9] 서울시 건물에너지 소비 특성 35
[그림 2-10] 전력발전소의 피크타임이 차지하는 에너지 소비 종류 37
[그림 3-1] 가열곡선(Heating curve) 42
[그림 3-2] PCM 종류 및 분류 43
[그림 3-3] 상 안정화 PCM 개념도 47
[그림 3-4] 마이크로캡슐 PCM 사용 사례 48
[그림 3-5] 마이크로캡슐 PCM 49
[그림 3-6] PCM 건물난방활용 전략 51
[그림 3-7] PCM 패시브 시스템 적용 위치 52
[그림 3-8] PCM 구조체 적용 방법 52
[그림 3-9] 패킹형 PCM 제품 사례 53
[그림 3-10] PCM이 포함된 건축자재 사례 54
[그림 3-11] PCM 지붕을 통한 열섬 저감 효과 56
[그림 3-12] 습식 공법을 이용한 PCM 바닥복사난방 구조 57
[그림 3-13] 건식 공법을 이용한 PCM 바닥복사난방 구조 58
[그림 3-14] PCM을 적용한 벽 구조 58
[그림 3-15] PCM을 적용한 트롬월 시스템 60
[그림 3-16] PCM 환기 및 외기 냉방시스템 개념도 61
[그림 3-17] 천장 PCM 설치 사진 62
[그림 3-18] PCM 창호 환기시스템 개념도 62
[그림 3-19] PCM을 적용한 HVAC 시스템 개념도 63
[그림 3-20] PCM을 활용한 태양열 공기 난방시스템 1 64
[그림 3-21] PCM을 활용한 태양열 공기 난방시스템 2 65
[그림 3-22] PCM을 이용한 태양열 난방?급탕시스템 66
[그림 3-23] PCM을 이용한 지열-PVT시스템 66
[그림 3-24] 일반 타일과 PCM 타일 적용 비교 67
[그림 3-25] PCM 블랭킷 천장 시공 사례 68
[그림 3-26] Negishi 社 바닥복사난방시스템 68
[그림 3-27] PCM 적용 바닥난방시스템 시공 사례 69
[그림 3-28] 일반 타일과 PCM 타일 적용 비교 69
[그림 3-29] AB Tech의 Sycamore 온실 내부 70
[그림 3-30] PCM 트롬월 시스템 개념도 71
[그림 3-31] 적용된 PCM 모듈 71
[그림 3-32] PCM 트롬월 설치 사진 71
[그림 3-33] 외기 냉방시스템 설치 사례 72
[그림 3-34] Marxer Haus in Liechtenstein 73
[그림 3-35] PCM을 적용한 블레이드 73
[그림 3-36] PCM 탱크를 이용한 HVAC 시스템 구조 74
[그림 3-37] PCM 탱크 74
[그림 3-38] PCM 태양열 에너지저장시스템 개념도 75
[그림 3-39] Politecnico di Torino 연구센터 전경 76
[그림 3-40] PCM 잠열 저장시스템 77
[그림 3-41] 시스템 내부 구성 77
[그림 4-1] Capsule Type 84
[그림 4-2] Bulk Type 84
[그림 4-3] PCM 열저장시스템(축열/냉조) 누적 논문 수 87
[그림 4-4] 국제 PCM 특허 출원 건수 89
[그림 4-5] 국내 PCM 특허 출원 건수 89
[그림 4-6] 미국 열에너지저장시스템 시장 2016~2027 규모 전망 91
[그림 4-7] 건축용 PCM 시장 규모 예측 91
[그림 4-8] 글로벌 기업별 PCM 판매 수입 및 판매점유율(2011~2016) 92
[그림 4-9] 국가별 PCM 판매 수입 및 판매점유율(2011~2016) 92
[그림 4-10] PCM 가격 구조(좌), PCM(Paraffin) 가격변화 트렌드(우) 93
[그림 4-11] PCM 저장장치 연결된 태양열 공기 히터 운영원리 94
[그림 4-12] Toyota Motor Manufacturing(프랑스) 95
[그림 4-13] Goodyear 타이어(온타리오, 캐나다) 95
[그림 4-14] 노던 애리조나 대학교(애리조나 주 플래그 스태프 미국) 96
[그림 4-15] 패시브 하우스(Kings Langley, 영국) 98
[그림 4-16] Midlothian의 사회주택(영국) 99
[그림 4-17] Core 364 공동주택(영국) 100
[그림 4-18] Politecnico di Torino 연구센터(이탈리아) 100
[그림 4-19] PCM 잠열 저장시스템 101
[그림 4-20] 시스템 내부 구성 101
[그림 4-21] Wirral Met College for Furnature Education(영국) 102
[그림 5-1] PCM을 적용한 공기식 태양열 난방 시스템 Schematic 109
[그림 5-2] 연구 추진 체계 111
[그림 5-3] 실험 프로토콜 설정 112
[그림 5-4] Lab scale 실험 모식도 113
[그림 5-5] Desk scale single module test mock-up 114
[그림 5-6] Lab scale 목업 내부의 TC 위치 115
[그림 5-7] PCM 내부에 TC위치 115
[그림 5-8] PCM 파우치 패킹 과정 116
[그림 5-9] Single Cell, Module, Pack의 정의 117
[그림 5-10] 해석 모델 설정 118
[그림 5-11] 해석 모델 경계 조건 118
[그림 5-12] Mesh independent test chart 120
[그림 5-13] 가열된 공기 온도(실험) 121
[그림 5-14] 가열된 공기 온도(해석) 121
[그림 5-15] 배기구 온도(실험) 122
[그림 5-16] 배기구 온도(해석) 122
[그림 5-17] 집열판에 의해 가열된 공기의 온도 그래프 123
[그림 5-18] 가열된 공기의 PCM 축열 시 온도변화 124
[그림 5-19] 방열 시, 급기온도에 따른 PCM 온도변화 125
[그림 5-20] 축열 시, Radiation 세기에 따른 공기의 상승 온 도 그래프 (For single module) 125
[그림 5-21] Radiation 세기에 따른 집열 시, 획득된 공기 열량(For Single pack) 126
[그림 5-22] 집열온도 차이에 따른 PCM 축열속도(For Single pack) 127
[그림 5-23] 축열 과정에서의 시간에 따른 PCM 온도와 축열량(For Single pack) 127
[그림 5-24] 방열 시 제공하는 난방 공기의 유량에 따른 온도(For Single pack) 128
[그림 5-25] 방열 시 제공하는 시간에 따른 난방 공기의 열량(PCM과 열교환 후) 129
[그림 5-26] 방열 시 방의 난방에 쓰인 순수 유용 에너지 130
[그림 5-27] 축열, 방열 시 각 부위별 열전달 효율 130
[그림 5-28] 상변화물질 축열 시스템 아이디어 3 해석 모델 설계 및 변수 131
[그림 5-29] 72mL 파우치(좌), 170mL 파우치(우)의 크기 133
[그림 5-30] PCM pouch 크기별, 배치별 전산수치해석 모델 설계 133
[그림 5-31] PCM 파우치 배열 형상 1(좌), 형상 2(우) 134
[그림 5-32] 상변화물질 시스템 Lab scale 실험의 해석 모델 1 설계 및 변수 설정 135
[그림 5-33] 부분 형상 격자 생성, 230만개 136
[그림 5-34] 아이디어 4의 전체 형상 경계 조건 설정(좌), 9등분 집열판(우) 137
[그림 5-35] 배열에 따른 Outlet 온도 137
[그림 5-36] 170mL 겹치기 2(Zig-Zag)의 수렴성 오차 그래프 138
[그림 5-37] 170mL 겹치기 3(Zig-Zag)의 수렴성 오차 그래프 138
[그림 5-38] 형상 1의 벡터장 139
[그림 5-39] 형상 1의 측면 압력장(좌), 형상 2의 측면 압력장(우) 140
[그림 5-40] 형상 1의 정면 압력장(좌), 형상 2의 정면 압력장(우) 141
[그림 5-41] 형상 1의 윗면 압력장(좌), 형상 2의 윗면 압력장(우) 142
[그림 5-42] 형상 1의 측면 온도장(좌), 형상 2의 측면 온도장(우) 143
[그림 5-43] 형상 1의 윗면 온도장(좌), 형상 2의 윗면 온도장(우) 144
[그림 5-44] 형상 1의 정면 온도장(좌), 형상 2의 정면 온도장(우) 145
[그림 5-45] Inlet 유속과 온도에 따른 솔라월 내부의 온도 분포 146
[그림 5-46] 상변화물질 시스템 Lab scale 해석 모델 1의 온도장(좌), 압력장(우) 146
[그림 5-47] 온도장(좌), 벡터장(우) 147
[그림 5-48] 상변화물질 시스템 Lab scale 해석 모델 1의 Streamline 147
[그림 5-49] 상변화물질 Lab scale 해석 모델 1의 Validation 위치 148
[그림 5-50] 실험과 해석의 집열판 Outlet 온도 비교 148
[그림 5-51] 실험과 해석의 PCM tank outlet 온도 비교 149
[그림 5-52] 난방활용 경제성 평가 결과 151

참고문헌