TECHNICAL REPORT - 지속가능한 시멘트.콘크리트 기술(1) 에너지 절약형 PCM 시멘트.콘크리트 기술

(1)

TECHNICAL REPORT

에너지 절약형 PCM 시멘트・콘크리트 기술

전 세계에 걸쳐 발생되고 있는 지구 온난화(Global warming) 및 이상 기후 현 상(Climate change)은 인류 활동에 의해 발생된 온실가스(Greenhouse Gas)에 기인한 것이다. 이중 CO

2

는 그 배출 비율이 77%나 차지하고 있어 CO

2

를 줄이 는 노력은 지속가능한 세상을 실현하기 위해 반드시 필요하다.

¹

특히 건설 분야 는 전체 에너지 소비의 1/3, 전체 CO

2

배출량의 42%를 차지하고 있어

²

, 시멘 트・콘크리트 분야를 비롯한 모든 건설 분야에서는 지속가능성장과 지구 온난 화 문제를 해결하기 위해 최우선적으로 에너지와 CO

2

배출을 줄여야 한다.

특히, 건축물은 전생애주기(Life Cycle)에 걸쳐 이산화탄소를 배출하며, 건축물 에서의 에너지 소비는 매년 3.5%씩 꾸준히 증가하는 추세를 보이고 있다.

³

특 히, 건축물에서 발생하는 CO

2

의 대부분은 운영・유지단계에서의 에너지 사용에 서 비롯한 것임을 고려할 때

⁴

, 건물의 화석 연료의 사용 및 에너지 저감을 통한 CO

2

발생량 저감 방안 마련 및 시멘트・콘크리트를 위시로 한 저탄소・에너 지절약 건설 재료 개발이 절실히 요청되며, 이를 위한 창조적이고 혁신적

인 건설재료 기술 개발이 그 어느 때보다도 필요하다고 판단된다.

이러한 측면에서 이번 Technical Report 시리즈에서는 지속가능 한 시멘트・콘크리트 기술이라는 주제로 그림과 같이 총 4회에 걸쳐 창조적이고 혁신적인 시멘트・콘크리트 기술을 소개하고자 한다.

이번 호는 그 첫 번째 순서로 먼저 흡열 및 발열 과정을 통한 열 축적 및 저장 기능을 가진 혁신적인 온도 조절 물질인 상변화물질 (Phase Change Material, 이하 PCM)을 활용한 시멘트・콘크리 트기술개발 현황과 가능성에 대해 설명한다.

이한승

정교수 /

김 진

석・박사통합과정 1기

한양대학교 ERICA캠퍼스 한양대학교 대학원 건축환경공학과 공학대학 건축학부

에너지 절약형 PCM

시멘트・콘크리트 기술

지속가능한 시멘트・콘크리트 기술 ①

01* 서언

1

한양대학교 ERICA 친환경건축연구 센터, http://susb.hanyang.ac.kr/

2

고효율성축열 건자재 제조 및 이용 기술 개발, 지식경제부연구보고서, 2008

3

에너지관리공단, www.kemco.or.kr

4

건설 생애 주기별 지구 온난화 대응 기술, 대한주택공사 세미나, 2008

F O O T N O T E

Technical Report 연재순서 1회

PCM 시멘트・콘크리트 2회 CO₂고정 시멘트・콘크리트

3회

Zero Energy 시멘트・콘크리트 4회

아미노산 시멘트・콘크리트

(2)

PCM의 정의

PCM은 그림 1 과 같이 온도가 변화함에 따라 물질의 형태가 고체, 액체, 기체 로 변화하면서 열을 흡수하거나 방출하는 물질을 말한다. 이 때 물질이 상태 변 화하는 과정에서 그림 2 와 같이 열에너지의 증가에도 불구하고 온도는 일정함 을 볼 수 있는데, 이는 고체에서 액체로 상이 변화하면서 많은 양의 에너지를 흡 수하거나 방출하기 때문이다.

이와 같이 상태 변화 과정에서 흡수되거나 방출되는 열을‘잠열’ 이라 부른다. 이 잠열의 흡수・방출 효과로 인해 낮에는 PCM이 고체에서 액체 상태로 변하면서 건축물에서 발생하는 열을 최대한 흡수하고, 밤에는 액체에서 고체로 변하면서 축적된 열을 최대한 방출함으로써 건축물 내의 온도가 일정하게 유지될 수 있도 록 할 수 있다.

⁵

이 때 그림 2 의 잠열 축적 부분에서 볼 수 있듯이, PCM 자체의 온도에는 변화 가 없기 때문에 온도 변화에는 영향을 주지 않는다.

2.2. PCM의 종류

PCM 종류는 매우 다양하여 4,000여 종의 물질이 분류되고 있으나, 실질적으로 적용 가능한 물질은 200여 종이다. 이 중에서도 건설자재용으로 사용될 수 있는 PCM은 약 15종류로 알려져 있다.

⁸

각각의 상변화물질이 가진 특성은 물질마다 다르기 때문에 사용 목적에 따라 적합한 물질을 선택해야 유용하게 활용할 수 있다.

2.2.1. 화학적 구성에 따른 PCM의 분류

PCM은 화학적 구성에 따라 표 1 과 같이 유기계(organic) PCM, 무기계 (inorganic) PCM및 유기물과 무기물의 혼합물로 구성된 공융(eutectic) PCM으

57 56

2012. SPRING

5

건축물 에너지 저감을 위한 Phase change material(PCM) 적용에 대한 고찰, 정수광, 전지수, 서정기, 김수민, 2011

6

열에너지 이용 기술 연구, 한국생산 기술연구원(KITECH)

7

건축물의 쾌적 환경 조성을 위한 축 열 재료의 활용, 이문환, 2008

F O O T N O T E

8

열에너지 이용 기술 연구, 한국생산 기술연구원(KITECH)

F O O T N O T E

고체 ↔ 액체 액체 ↔ 고체

그림 1 PCM의 열 흡수・방출

⁶

그림 2 상변화물질의 에너지 흐름

⁷

흡열시

외부

따뜻한공기

내부

신체온열 내부

신체온열

발열

따뜻한온기

흡열

차가운냉기

외부

차가운공기

발열시

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에너지 절약형 PCM 시멘트・콘크리트 기술

로 구분할 수 있다. 유기계 PCM은 부식에 강하고 화학적・열적 안정성 측면에 서 강하지만 상변화엔탈피 및 열 전달률이 낮으며 가연성이 큰 단점이 있다.

반대로 무기계 PCM은 상변화엔탈피가 크지만 부식에 약하고 열적으로 불안정 하다. 따라서 건축 재료 분야에서는 유기계 PCM이 주로 쓰이고 있다. 특히 유 기계 물질끼리 결합한 공융 PCM 중에서도 녹는점이 실내 쾌적 온도 범위에 근 접하는 Octadecane, Eicosane과 같은 물질들이 건축물의 축열재로 주로 사용 된다.

⁹

2.2.2. 형태에 따른 PCM의 분류

PCM은 그 형태에 따라 비캡슐 형태인 paraffin wax 형태와 마이크로 단위로 캡슐화된 분말 형태(micro-encapsulated powdered form)의 PCM이 존재한 다. 파라핀 왁스 형태(paraffin-wax form)의 PCM이 그림 3 과 같은 내부 구 조를 가진 마이크로 캡슐화(powder-formed micro-encapsulated)된 PCM이 되면, 그림 4 와 같이 구형의 형태가 된다.

¹⁰

이 때 마이크로 캡슐화된 PCM은 상변화 시 10%의 부피 팽창으로 인한 상분리 현상을 일으켜 거동성이 불리해지는 파라핀 계열의 PCM에 비해 더욱 효율적일 뿐만 아니라 내부 물질의 내구성이 증가하고, 물질의 손실을 최소화할 수 있다

유기계 (organic)

PCM

대분류 소분류 종류 녹는점(℃) 잠열(kJ/kg)

무기계 (inorganic)

PCM

공용 (eutectic)

PCM

파라핀계 (paraffins)

비파라핀계 (Non-paraffins)

염수화물 (Salt Hydrates)

금속 (Metallic)

유기-유기

무기-무기

유기-무기

Paraffin C

15

-C

16

Paraffin C

22

-C

45

n-Hexadecane Cynamide O-Nitroaniline

MOF

6

H

3

PO

4

SnBr

4

n - Octadecane n - Eicosane Methyl eicosanate

Benzoic acid O-Mannitol NH

4

Cl.Na

2

SO

4

.10H

2

O 11

Na

2

CO

3

.10H

2

O Al

2

(SO

4

)

3

.18H

2

O C

5

H

5

C

6

H

5

+ (C

6

H

5

)

2

O Mg(NO

3

)

2

.6H

2

O+Al(NO

3

)

2

.9H

2

O

AlCl

3

+NaCl+KCl

8 58~60

16.7 44 50 17 26 30 28.2

37 45 121.7

166 11 33~36

88 12 61 93

153 189 237 209 93 50 147 28 245 247 230 142.8

294 163 247 218 97.9 148 213

표 1 화학적 구성에 따른 PCM의 종류

9

Latent Heat Storage Materials and Systems ; A Review, S.D.

Sharma, KazunobuSagara, 2007

10

Development of phase change materials based microencapsulated technology for buildings ; A review, V.V. Tyagi, S.C. Kaushik, S.K.

Tyagi, T. Akiyama, 2010

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59 58

2012. SPRING

는 장점을 가지게 된다.

¹¹

따라서 표 2 와 같이 다양한 기능성 재료들이 마이크 로 캡슐화되어 시멘트, 콘크리트, 모르타르 등과 같은 건축재료와 함께 사용된다.

2.3. PCM의 활용 사례 2.3.1. 건축분야에서의 활용 사례

건축 분야에서는 건물의 냉난방을 위한 축열재나 잠열재로 대부분 설비 시스템 에 적용되는 방식으로 연구되어 왔으며, PCM을 혼입한 콘크리트 또는 PCM을 활용한 바닥온돌, 벽체 패널, 페인트, 보드, 시트 등을 통해 PCM을 융합한 건설 재료 개발 연구가 이루어져왔다. 그 예로 그림 5 (ㄹ)의 PCM을 혼입한 보드는 온도가 빠르게 식는 일반 보드와 비교하여 온도 변

화의 정도가 크지 않기 때문에 일정 범위 내의 적정한 실온을 유지하는데 그 효과가 크다. 특 히, 여름철의 경우 약 2℃의 온도 변화가 낮아 지면 냉방기의 가동 횟수를 반으로 줄일 수 있다.

¹²

방화・방재 동결 융해 방지 팽창 수축 방지 콘크리트와 모르타르의 수화

수화열 저감 수분 흡수 감소

소음 흡수 항균 보호

색 변화

온도 조절

화재 지연제, 소화물질 정전기 방지 단위체 광유(mineral oil), 계면활성제(surfactant)

물 수화열저감제 폴리우레탄(polyurethane) 자기성 입자를 포함한 유기용매

항균 물질 감온 변색 재료 (thermochromic materials)

축열재, 상변화물질

PCM 활용 목적 캡슐화 PCM 물질

표 2 건축 재료에서의 마이크로 캡슐화 기술의 활용

11

Latent Heat Storage Materials

and Systems ; A Review, S.D.

Sharma, KazunobuSagara, 2007

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12

건축물의 쾌적 환경 조성을 위한 축열 재료의 활용, 이문환, 2008

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Core material (D-Limonene)

Membrane reinforcement (Zeolite or zeocarbon)

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에너지 절약형 PCM 시멘트・콘크리트 기술

2.3.2. 건축 이외의 타 산업 분야 활용 사례

표 3 에서 볼 수 있듯이, 현재까지의 PCM에 대한 연구는 건축 분야 이외에도 섬유의류, 자동차, 전자, 통신기기 등 다양한 분야에서 이루어지고 있으며, 열 저장 기능을 가진 섬유를 활용한 의복

¹⁹¹⁹

, 신발 및 모자 등을 비롯하여 유통 과정 의 cold-chain system에서의 축열 기능 활용 등 열 저장 및 온도 조절과 관련 한 다양한 사례가 존재한다.

²⁰²⁰

3.1. 축열성능

3.1. 축열성능 활용 활용 사례 사례

3.1.1. PCM 혼입 시멘트・모르타르

²¹²¹

PCM을 혼입한 방통 모르타르는 PCM을 혼입한 시멘트 모르타르를 바닥 난방 식에 적용하는 방식으로 활용된다. 이 때 표 4 와 같은 배합비를 통해 제작된

13

Thermal testing and numericalsimulation of a prototype cell using light wallboards coupling vacuum isolation panels and phase change material, Ahmad M, Bontemps A, Sallee H, Quenard D., 2006

14

PCM을 이용한 온돌 패널의 실험 및 특성 연구, 윤두한, 최봉수, 홍희기, 2006

15

태양광 패널 온도 제어를 위한 PCM 시스템 최적화에 관한 실험적 연 구, 이효진, 2009

16

건축물의 쾌적 환경 조성을 위한 축열 재료의 활용, 이문환, 2008

17

Latent Heat Storage Materials and Systems ; A Review, S.D.

Sharma, KazunobuSagara, 2007

18

상변화 물질을 조합한 히트 파티프 의 성능 특성에 관한 연구, 박영학, 정 의국, 부준홍, 2007

19

PCM 마이크로 캡슐을 이용한 열 조절 섬유 소재 개발, 신윤숙, 정영옥, 전향란, 손경희, 2004

20

http://artemis.kitech.re.kr/teag/

pcm/2/2-1.htm (열에너지 이용 그룹)

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PCM 혼입 시멘트・콘크리트 기술 동향

03*

첨단 산업 분야

자동차, 항공 우주, 첨단 무기, 전자・통신 기기, 의학 기기 등 레저용 선박, 수산업, 주방 용품,

특수 의복 농・수・축산물의 생산・저장・유통 등

에너지 이용 효율 극대화・합리화 생활 산업

분야 식품 산업

분야 에너지

분야

분야 내용 활용분야

표 3 건축 이외의 분야에서의 PCM 활용 사례

21

PCM을 혼입한 모르타르의 열적 성능 및 경제성 평가에 관한 연구, 김

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(ㄱ) 벽체 패널13 (ㄴ) 바닥 온돌 패널14 (ㄷ) 태양광 패널태양광 패널15

(ㄹ) PCM 혼입 보드1616 (ㅁ) Heat storage tank1717 (ㅂ) PCM 혼입 히트 파이프1818

그림 5 건축 분야에서의 PCM 활용 사례

Ventilation

outilet

PCM PCM

방열 외부핀 또는 내부핀 태양광패널

방열판

inlet surface of panel

600 550

900

Hot water

PCM

From cold Water tank

To collectors Gridiron

From collectors Fisa wire siete Water

Water Insolation

(6)

61 60

2012. SPRING

PCM 혼입 모르타르의 열 성능 평 가인 그림 6 에서 알 수 있듯이 PCM 혼입량이 클수록 열전달성 이 낮고, 잠열 성능은 우수함을 알 수 있다. 이는 PCM을 혼입한 모 르타르의 온도 유지 능력이 뛰어 남을 의미하며, 이를 통해 PCM혼 입을 통해 실내 난방에 큰 효과를 가져 올 수 있음을 뜻한다.

3.1.2. PCM 혼입 콘크리트

^22,^{22, 23}²³

PCM 혼입 콘크리트의 가장 큰 목 적은 냉난방 에너지 저감에 있다.

마이크로 캡슐화 PCM을 콘크리 트에 혼입하여 냉각 전력의 저감 정도를 측정한 실험에서는 그림 7 과 같이 5%의 PCM을 콘크리트 패널에 혼합하여 cubicle을 만들 어 콘크리트에 PCM을 혼합한 cubicle과 콘크리트만으로 만들어 진 cubicle의 남쪽 면에 대한 온도 를 측정하였다.

그림 8 에서 알 수 있듯이 PCM 이 들어간 cubicle의 온도가 2℃

정도 낮음을 볼 수 있다. 또한, 일 반시험체의 벽체온도보다 PCM이 들어간 cubicle 벽이 상대적으로 온도편차가 적음을 알 수 있다.

이는 PCM의 잠열로 인해 열을 저장하는 능력이 크고, 이와 동시에 열의 손실 변 화가 작았기 때문이다. 따라서 PCM 혼입 콘크리트가 냉난방 에너지 저감을 위 한 재료로 활용도가 큼을 알 수 있다.

22

Use of microencapsulated PCM in concrete walls for energy savings, Luisa F. CAbeza, Cecilia Castellon, MiquelNogues, Marc Medrano, Ron Leppers, OihanaZubillaga, 2006

23

건축물 에너지 저감을 위한 Phase change material(PCM) 적용에 대한 고찰, 정수광, 전지수, 서정기, 김수민, 2011

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3.6 4 2 2 0%

-

10%

0.4 20%

0.8 30%

1.2 그림 7 콘크리트 블록 시험체

그림 8 PCM이 들어간 cubicle의 온도변화 그림 6 PCM 혼입 모르타르의

열 성능 평가 실험 및 결과

외부온도

열전달 성능 확인

Temperature (℃)

Heating time(min) 용융점 31 ℃ PCM

B 표면온도

다-2

라-2

잠열 성능확인

100 50

40

30

20

10

0

-10

200 300 400 500

OPC표면 pcm30표면 pcm20표면 pcm10표면

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에너지 절약형 PCM 시멘트・콘크리트 기술

3.1.3. PCM 혼입 경량 골재

²⁴²⁴

PCM 혼입 경량 골재(PCM-filled lightweight aggregates, LWA)는 다공성 경량 골재의 공극 안에 PCM을 주입한 골재로 콘크리트 제작 시에 골재로 주입 하여 열 저장 기능을 할 수 있도록 한다. PCM을 골재 안의 공극에 주입한 열에 너지 저장 골재(thermal energy storage aggregates, TESAs)는 그림 9 와 같이 다공성의 골재와 액체 상태의 PCM에 진공 펌프(vacuum pump)와 진공 미터(vacuum meter)를 이용하여 진공 함침법을 통해(vacuum impregnation) 만들어진다.

그림 10 은 PCM을 주입하기 전의 골재 상태와 PCM 주입 후의 골재 상태를 비 교한 사진이다. 이 골재를 이용하여 열에너지 저장 콘크리트(TESC)를 만들게 된다. 이 방법은 다공성 골재의 높은 공극량을 통해 PCM을 함유 할 수 있는 공 간을 제공하고 다공성 골재를 포함한 밀도 있는 콘크리트를 만듦으로써 PCM의 유출 및 그로 인한 재료 손상을 막을 수 있다는 장점이 있다.

3.2. 수화열

3.2. 수화열 저감 저감 성능 성능 활용 활용 사례 사례 3.2.1. PCM 혼입 수화열 저감 콘크리트

²⁵²⁵

PCM 혼입 콘크리트는 수화열 저감을 위한 목적으로도 쓰일 수 있다. 이는 수화 열에 의해 상승하는 콘크리트 내부의 온도를 내부에 혼입시킨 상변화물질을 통 해 흡수시킴으로써 수화열을 감소시키는 것이다. 이를 위해 혼입된 상변화물질 은 최대 60kcal/g으로 시멘트의 이론적 수화발열량인 120kcal/g과 비교하여 50% 정도를 흡수하게 되어 매스 콘크리트에 사용 시 큰 온도 저감 효과를 기대 할 수 있다.

또한, 그림 11 과 같이 상변화물질을 혼입한 콘크리트의 중심부 최고 온도를 측

25

상변화 물질을 이용한 저발열 콘크 리트 개발에 관한 연구, 손명수, 이완 조, 정윤중, 김진근, 황인동, 2006

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24

Development of thermal energy storage concrete, cement and concrete research, Zhang D, Li Z, Zhou J, Wu K, 2004

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그림 9 PCM 혼입 경량 골재의 제조 과정 그림 10 PCM 주입 전과 후의 골재의 모습

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63 62

2012. SPRING

지금까지 새로운 혁신재료인 PCM 활용 시멘트 모르타르, 축열 및 수화열 저감 콘크리트, 다공성 경량 골재를 통해 PCM 혼입 시멘트・콘크리트 기술의 사례 를 살펴보았다. PCM은 열 축적・저장 기술을 가진 온도 조절 물질로 시멘트모 르타르, 콘크리트와 같은 건축 재료와 융합하여 사용함으로써 냉・난방 에너지 저감 및 이산화탄소 저감을 통한 친환경적・경제적 파급 효과가 클 것으로 예상 된다. 특히, PCM은 화학적 구성과 형태에 따라 다양한 물성을 가지고 있어 모 르타르 및 콘크리트와의 혼입 시 그 사용 목적에 따라 적절한 PCM과 배합비가 사용된다면 열적 성능 발휘 측면에서 더 큰 효과를 얻을 수 있을 것이다.

또한, 마이크로캡슐화 기술을 통해 향후 시멘트・콘크리트뿐만 아니라 도장・

미장 재료와 같은 건축 마감재와의 혼입과 같이 다양한 건축 재료와의 융합을 통해 더욱 그 활용 분야와 가치가 커질 것으로 예측된다.

이를 위하여, PCM 자체의 열적 특성에 대한 실험적 연구를 통해 원천 소재 자체 의 기초적 물성에 대해 연구함으로써 이에 대한 기초적 자료를 마련하는 노력이 선행되어야 할 것이다. 또한, 마이크로 캡슐화 PCM의 안정성・내구성 검토를 통해

²⁶²⁶

, 그에 대한 개발 연구가 이루어져야 할 것이다.

이와 더불어, 다양한 건축 재료와의 활용 방안 및 적합한 배합비 산출을 위한 실 험・연구를 통해 냉난방 에너지 저감을 위한 PCM 혼입 건축 재료 분야를 더욱 발전시켜나갈 수 있을 것으로 예상된다.

특히, 시멘트・콘크리트 산업계에서는 CO

2

저감을 위한 기술개발이 절실히 요 청되는 만큼 PCM을 성장동력으로 발전시켜 저탄소, 에너지절약시대의 차세대 시멘트・콘크리트기술로 발전시켜야 한다고 판단된다.

26

The stability of phase change materials in concrete, D.W. Hawes, D. Banu and D. Feldman, 1991

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