상변화 물질을 포함하여 냉온 축열 성능이 향상된 모르타르 조성물

상변화 물질을 포함하여 냉온 축열 성능이 향상된 모르타르 조성물{Motar with improved thermal storage performance comprising Phase Change Materials}

본 발명은 상변화 물질을 포함하는 모르타르 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 파라핀계열의 상변화 물질을 포함하여 축열 성능이 향상된 모르타르 조성물에 관한 것이다.

최근 전 세계는 인류활동으로 인하여 방출되는 이산화탄소(CO ₂ ), 메탄(CH ₄ ) 등의 온실 가스(Greenhouse Grass, GHG)로 인한 지구온난화 방지에 최우선의 노력을 기울이고 있다. 이에 따라 전 지구적 차원의 대응 방안으로서 1992년 기후변화협약(United Nations Framework Convention On Climate Change, UNFCCC)을 채택하고 각 나라별 자체 대응전략, 정책을 수립하는 등 현재까지 지속적인 노력을 기울이고 있다. 기후변화협약의 구체적 이행 방안으로 발의된 1997년 교토의정서(Kyoto Protocol) 발표 이후 온실가스 감축에 대한 국제적 관심은 더욱 고조되고 있으며, 특히 기후변화의 주요 원인이 되는 온실가스 중 CO ₂ 에 의한 영향은 55% 이상으로 다른 요소에 비해 월등히 높은 것으로 밝혀졌기 때문에 CO ₂ 저감에 따른 온실가스 감축 기술이 중요하게 고려되고 있다.

국내 전체 산업별 CO ₂ 배출량 중 건설 분야에서 차지하는 부분은 약 35%로 상대적 큰 규모이다. 또한 건축물 시공, 운영, 유지관리, 철거, 해체에 이르기까지 건물의 전 생애주기기간(LCC) 동안 CO ₂ 를 꾸준히 배출하고 있으며 그 중 건물의 운영 유지관리 단계에서 전체의 70% 이상을 차지하고 있다. 건물에서 발생되는 CO ₂ 의 대부분은 에너지 사용에서 비롯된다. 건물의 에너지 부하는 그 건물의 냉·난방시 실내 쾌적환경을 지속적으로 유지하기 위해 필요한 열량을 의미하며 공조기, 냉동기, 보일러 등이 이를 유지하기 위한 수단으로 사용된다. 따라서 이러한 설비 시스템의 효율적인 사용에 의한 에너지 저감은 자동적으로 CO ₂ 저감에 매우 효과적인 부분으로 작용될 수가 있다.

이에 건설재료 부분에서도 효율적 설비시스템을 기반으로 에너지 저감 및 CO ₂ 저감 방안 마련을 위한 건축자재, 재료 및 공법 개발에 다분한 노력을 기울이고 있으며 그에 따른 결과를 토대로 한 다수의 신기술들이 현재 실용화 단계까지 이르고 있다.

이러한 기술 중 열저장에 따른 재료 및 기술은 매우 효과적이며 획기적인 기술이 될 수 있다. 때문에 재료 분야에서는 1980년대 후반부터 열저장 및 온도조절 기능을 하는 혁신적인 온도조절 물질인 Phase Change Materials(이하, PCM)을 발견하고 이에 대한 연구적 노력을 점차 이루어 왔지만 국내에서는 그 수준이 아직 미미한 단계이다. 현행의 PCM에 의한 에너지 저감 기술의 발전 추세를 살펴보면 건축물 외장재와 같은 구조체 외적 요소에 의한 기술들이 대부분이다. 이러한 기술들의 대부분은 시공 및 유지관리 측면에서 적지 않은 문제점들이 발견되고 있으며 그에 따른 경제성 또한 문제점으로 제기되고 있다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 상변화 물질을 포함하여 냉·온 축열 성능을 가지며 이를 이용한 냉·난방기의 효과적인 작동에 따라 에너지 저감 및 이산화탄소 배출 감소를 유도할 수 있는 모르타르 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 모르타르 조성물을 제조함에 있어서 상변화 물질의 부피 팽창에 따른 모르타르 경화 후 발생하는 균열을 제어하기 위하여 배합순서를 특정화한 모르타르 조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 상기 상변화 물질을 포함하는 모르타르 조성물을 이용한 에너지 및 이산화탄소 저감형 건축자재를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여,

시멘트, 모래, 물 및 파라핀계 상변화 물질을 포함하고, 상기 상변화물질은 전체 모르타르 조성물 중 시멘트 중량 기준 3-35 중량%이고, 녹는점이 23-32 ℃인 것을 특징으로 하는 상변화 물질을 포함하는 모르타르 조성물을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 모르타르 조성물은 압축강도가 16-33 MPa이고, 유동성이 120-160 mm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 상변화 물질은 구형의 마이크로 캡슐화된 형태로 모르타르 조성물에 포함될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 상변화 물질은 탄소수 13 내지 24의 파라핀계 물질로서, 밀도 0.65-0.75 kg/l이고, 열전도도 4-4.5 kcal/hm℃, 평균입자크기 150-250 ㎛, 열저장용량 110-180 kJ/kg, 비열용량 1.0-2.0 kJ/(kg×K)일 수 있다.

본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여,

파라핀계 상변화 물질과 시멘트를 건비빔으로 혼합한 후에, 상기 상변화 물질과 시멘트의 혼합물에 모래와 물을 투입하는 배합순서로 제조하는 모르타르 조성물의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 상기 세 번째 과제를 달성하기 위하여,

상기 상변화 물질을 포함하는 모르타르 조성물을 이용한 건축물의 마감 미장재료로서, 또는 바닥 방통 모르타르로서 냉, 난방기의 효과적 작동에 따라 발생되는 에너지 및 이산화탄소 저감형 축열재를 제공한다.

본 발명에 따른 상변화 물질을 포함하는 모르타르 조성물은 실험에 의해서 열적 성능에 있어서 우수한 냉온 축열 성능과, 이를 방통 모르타르에 적용시 에너지 저감 효과를 확인하여, 본 발명에 따른 PCM 모르타르의 냉온 축열성능을 이용하여 건축물에 적용할 경우에 냉·난방기 효율적 사용에 따라 이산화탄소 저감 및 에너지 저감을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 PCM 모르타르에 대해서 챔버를 이용하여 실험한 열적 성능 실험 방법의 단면을 나타낸 개략도이다.
도 2는 하기 도 2는 PCM 혼입량에 따른 모르타르에서의 PCM 분포정도를 확인할 수 있는 이미지이고, 도 2b 내지 도 2f에서 캡슐화된 구형의 PCM 입자의 고른 분포도를 확인할 수 있다.
도 3은 23 ℃ 용융점을 가지는 PCM을 혼입한 모르타르의 열전달 성능을 실험한 그래프이다.
도 4는 23 ℃ 용융점을 가지는 PCM을 혼입한 모르타르의 열전달 성능을 실험한 그래프이다.
도 5는 31 ℃ 용융점을 가지는 PCM을 혼입한 모르타르의 열전달 성능을 실험한 그래프이다.
도 6은 31 ℃ 용융점을 가지는 PCM을 혼입한 모르타르의 열전달 성능을 실험한 그래프이다.
도 7은 28 ℃ 용융점을 가지는 PCM을 혼입한 모르타르의 열전달 성능을 실험한 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 최근 가속진행 되고 있는 에너지 고갈 및 이산화탄소(CO ₂ ) 배출 방지대책에 대한 하나의 방안으로서 우수한 잠열성능을 가진 PCM(Phase Change Materials)을 모르타르에 혼입하고, PCM의 적정 혼입량 및 모르타르 물성, 성능, 바닥 방식에서의 냉난방 적용에 대한 PCM 최적의 용융점을 도출하였으며, 자체 열적성능 실험을 통하여 열 전달 및 잠열성능을 확인하였다.

따라서, 본 발명에 따른 PCM을 포함하는 모르타르 조성물을 건축물에 적용시 냉난방 에너지 저감효과를 기대할 수 있고, 건축물 내에서 냉난방기 On-Off 작동 조절에 의한 에너지 저감 및 그에 따른 CO ₂ 저감을 기대할 수 있다.

본 발명은 시멘트, 모래, 물 및 파라핀계 상변화 물질을 포함하고, 상기 상변화물질은 전체 모르타르 조성물 중 시멘트 기준 3-35 중량%이고, 녹는점이 23-32 ℃인 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 모르타르 조성물은 압축강도가 16-33 MPa이고, 유동성이 120-160 mm이다.

본 발명에 따른 PCM 혼합 모르타르 조성물의 방통 모르타르 적용성 평가를 위하여 실제 바닥 난방 시스템 시공시와 유사한 방식으로 계획한 후 시험체를 제작하여 평가하였다. 박스형태의 실험체를 제작하였고, 바닥콘크리트 타설, 경화 후 0 ℃에서 60 ℃까지의 온도조절이 가능한 열선을 바닥에 설치 한 다음 OPC(일반 포틀랜드 시멘트), PCM(본 발명에 따른 상변화 물질) 3%, 5%, 10%, 20%, 30%를 혼입한 모르타르를 각각 40 mm씩 타설하였다. 충분한 기간의 기건 양생을 거친 후 내부벽면을 단열재로 마감하고 실험시 시험체 외부로의 열 유출에 대한 열손실을 최소한으로 줄일수 있도록 제작하였다. 그리고, 온도센서를 박스 내부중앙과 바닥 표면 중앙에 부착하여 박스내부 대기 및 표면 온도를 측정할 수 있도록 하였다.

제작한 시험체를 -20 ℃에서 100 ℃까지 온도 조절이 가능한 챔버에 넣고 챔버 내부 온도를 겨울철 온도(0~-5 ℃)와 유사하게 설정할 수 있도록 하였다. 내부 온도 설정 후 시험체에 장착한 온도 조절기를 이용하여 시험체의 바닥 온도를 동일하게 설정할 수 있도록 하였다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

실시예

본 발명에서는 PCM을 혼입한 모르타르의 물성과 열적 성능을 확인하고, 본 발명에 따른 PCM 모르타르를 건축 구조체에 적용시 에너지 저감효과를 확인하였다.

모르타르 실험은 KS L ISO 679에 준하여 실시하였고, 본 발명에서 사용한 시멘트는 하기 [표 1]의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 모래는 KS L ISO 679에 규정된 표준사를 사용하였다.

또한, [표 2]는 본 발명에서 사용한 PCM의 성능을 나타낸 것으로서, 효율적인 PCM의 접목 사용을 위해 실내 쾌적 온도를 고려한 용융점 선택을 위하여 PCM Melting point 23 ℃, 28 ℃, 31 ℃의 두 가지 조건을 고려하여 실험하였다. 또, 파라핀계 PCM의 상변화시 부피팽창 특성에 따라 시멘트와 PCM의 혼합 후 모래, 물을 투입하는 형태의 배합순서를 적용하여 PCM의 입자 분포를 고르게 하는 방법으로 입자의 집중현상을 줄임으로서 체적팽창을 최소화하였다.

또한, PCM Melting point 23, 31 ℃에서 실험한 PCM 모르타르 배합 조건을 하기 [표 3]에 나타내었다.

하기 [표 4]는 시멘트의 중량비로 PCM을 치환한 배합표를 나타낸 것이며, 배합 후에는 자체 제작한 100 mm × 115 mm × 20 mm 시험체와 40 mm × 40 mm × 160 mm 표준 몰드에 각각 타설하고 28일 기건 양생을 실시하였다.

28일 양생이 끝난 PCM 혼입량별 모르타르 시험체와 실험에 사용된 세 가지 단열재는 동등한 조건의 비교실험을 위하여 격자모양 실험체에 고정시켰다. 또한, 실험체 간의 열전달을 최소화하기 위해 각 실험체 사이에 단열섬유를 삽입함으로서 보다 정확한 실험을 유도하였다.

하기 도 1과 같이 실험체를 챔버 입구에 고정시키고 실험체 내·부 표면에 온도센서를 부착함으로서 여러가지 가열 온도에 대한 각 실험체 내·외부 변화를 비교 측정하였다. 각 온도별 실험 시간은 PCM모르타르와 비교해 열전도성이 큰 일반 OPC 시험체의 온도 변화가 정지된 때를 기준으로 하였다. 하기 도 1은 본 발명에 따른 PCM 모르타르에 대해서 챔버를 이용한 열적 실험방식의 단면형태를 나타낸 개략도이다. 챔버 내부에서 가열하여 실험체로 열을 전달시키는 형태로서 전체적인 열을 실험체 전체에 균등하게 분포될 수 있도록 설정하였다.

평가예

(1) 하기 도 2는 PCM 혼입량에 따른 모르타르에서의 PCM 분포정도를 확인하기 위해 촬영된 이미지이다. 캡슐화된 구형의 PCM 입자의 고른 분포도를 확인할 수 있다.

(2) 하기 [표 5]는 PCM의 혼입량에 따른 모르타르의 유동성 및 압축강도를 실험한 결과를 나타내는 것으로서, 두 실험 모두 PCM 첨가량이 높을수록 그 값이 저하하는 경향을 나타내었으며 플로우의 경우 첨가량에 따라 비교적 균일한 폭을 가지며 저하하는 것을 확인하였다. 위 결과를 토대로 건축 구조체로서의 사용을 위한 유동성 및 강도에 대한 보정이 필요할 것으로 판단된다.

(3) 하기 [표 6]은 PCM 모르타르의 열 성능 실험에서 챔버를 이용한가열 온도이력을 나타낸 것이다. PCM 모르타르의 냉·난방 설비 시스템 적용 사용시 가장 효율적이고 효과적인 사용을 고려한 용융점 선택을 위해 23, 31 ℃ 두 가지 용융점을 가지는 PCM이 모르타르에 혼입 적용하였다.

하기 도 3은 23 ℃ 용융점을 가지는 PCM을 혼입한 모르타르의 열전달 성능을 실험한 값이다. [표 6]의 A의 가열 온도이력으로 총 360 분에 걸쳐 가열한 조건으로서 각 시험체의 외부 표면 온도 변화를 측정하였다. 도 3a는 PCM의 혼입량에 따라 OPC, 기타 단열재와의 비교를 한 것으로서 PCM 30%가 가장 우수한 단열 성능을 보였다. 이것은 PCM의 기본적인 축열 성능을 확인한 결과로서 우수한 냉축열 성능을 나타낸 결과라 할수 있다. 도 3b는 도 3a의 2차적 그래프로서 성능이 가장 우수한 PCM 30%와 OPC, 기타 단열재와의 비교를 한 것으로서, PCM 30%가 다른 재료에 비해 우수한 축열 성능을 나타냄을 확인하였다.

(4) 하기 도 4는 23 ℃ 용융점을 가지는 PCM을 혼입한 모르타르의 잠열성능을 실험한 결과 값이다. [표 6] B의 가열 온도이력을 조건으로 실시하였다. 열적 성능이 적은 3%, 5%의 혼입은 제외하였다. 도 4a의 그래프에서는PCM 30%를 혼입한 모르타르가 기타 단열재, OPC와 비교하여 월등한 잠열 성능을 가지는 것을 알 수 있으며, 도 4b의 2차 그래프에서는 PCM 30%의 우수한 잠열성능과 함께 실험에 사용된 PCM 용융점 23 ℃부근에서부터 20 ℃까지 그 효과를 크게 발휘하는 것을 알 수 있었다. 또한, 상변화 이후 그 기능이 빠르게 상실되는 것을 확인하였으며, 상변화 구간이 용융점을 기준으로 약 ± 5 ℃임을 알 수 있다.

(5) 하기 도 5는 [표 6]의 C와 같은 가열 온도 이력으로 31 ℃ 용융점을 가지는 PCM의 열전달 실험을 시행한 결과이다. PCM 30%가 냉축열에 가장 우수한 성능을 나타 내는 것을 알수 있었으며 OPC와 비교해 약 5 ℃ 이상의 상대적인 성능을 발휘하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 5b의 2차 그래프를 통해 시간이 지남에 따라 축열 기능을 상실하고 기타 재료와 비슷해지는 것을 확인하였다. 따라서 이러한 냉축열 성능을 이용하여 냉방기 On-Off 조절을 이용한다면 효율적 에너지 절감이 가능할 것이라 판단된다.

(6) 하기 도 6은 [표 6]의 D와 같은 가열 온도 이력으로 31 ℃ 용융점을 가지는 PCM의 잠열실험을 시행한 결과이다. 하기 도 6a에서 용융점 약 31±5 ℃의 범위에서 상변화 현상을 나타내며 잠열 성능을 발휘하는 것을 확인하였다. 또한, 도 6b의 2차 그래프에서도 PCM 30%가 31±5 ℃의 범위에서 상변화 양상을 띄며 잠열효과를 나타냄을 확인할 수 있다. 따라서, 두 가지 용융점에 대한 실험결과 31 용융점의 PCM을 혼입한 모르타르가 냉·온 축열 성능을 모두 만족시키며 냉·난방기 On-Off 형태를 이용한 냉·난방 실내 쾌적온도(24-28 ℃)를 효율적으로 유지시킬 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 실험에서 나타낸 결과를 토대로 OPC와 비교시 쾌적온도 내에서 평균 약 5 ℃ 이상, 90 분 이상의 차이를 나타내는데 이는 냉·난방기 작동 정지에 따른 에너지 저감과 그에 따른 CO ₂ 저감에 매우 효과적으로 작용할 수 있음을 의미한다.

이와 같이, SEM 이미지에서 Micro encapsulated PCM의 모르타르 혼입에 따른 고른 입자 분포를 확인하였고, 열적성능 실험을 통해 PCM 모르타르가 OPC에 비해 실내 쾌적온도대(24-28 ℃) 내에서 평균 약 5 ℃이상, 90분 이상의 온도유지 효과를 나타냄을 알 수 있었다.

또한, 실험을 통해 PCM 용융점 23 ℃, 28℃, 31 ℃ 적용에 따른 냉·온 축열 구간 온도범위를 판단한 결과 실내 쾌적온도(24-28 ℃) 효과적 유지를 위한 PCM 용융점이 31 ℃인 것을 알 수 있었다.

따라서, OPC와 비교시 상대적으로 우수한 본 발명에 따른 PCM 모르타르의 냉온 축열성능을 이용하여 건축물 냉난방기 On-Off 조절에 따른 에너지 저감 가능성을 확인하였다.