건물 외벽에 ‘상변화물질층’ 추가해 냉난방 효율 높인다

KIST 강상우 박사 "건물 벽에 상변화물질과 기포 주입…외부 열 차단 효과 높여"

국내 연구진이 건물 외벽에 온도에 따라 고체에서 액체로 변하는 상변화물질 층을 추가해 외부 열이 실내로 전달되는 것을 차단, 냉난방 효율을 높이는 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 국가기반기술연구본부 강상우 박사팀은 8일 건물 외벽에 양초의 원료로 상변화물질(PCM)인 파라핀 오일 층을 만들어 건물 벽을 통해 외부 열이 침투하는 것을 줄이는 데 성공했다고 밝혔다.

지구온난화 등으로 여름철 폭염이 심해지고 기간도 길어지면서 외부 열이 건물 내부로 전달되는 것을 차단해 냉난방 효율을 높이는 효율적인 단열기술 연구가 활발히 진행되고 있다.

그런 기술 중 하나가 주변의 온도가 상승하면 열을 흡수하고 온도가 낮아지면 열을 방출하는 상변화물질을 건물 외벽에 적용해 외부열의 침입을 줄이는 것이다. 고체상태의 상변화물질은 액체로 변하는 동안 주변 열을 흡수하기 때문에 건물 벽에 적용하면 열이 내부로 전달되는 것을 지연시킬 수 있다.

하지만 상변화물질을 건물 벽에 적용하면 열을 흡수해 녹을 때 건물 바깥쪽부터 안쪽으로 일정하게 녹지 않는 문제점이 있다. 바깥쪽부터 녹아 따뜻해진 액체가 위로 올라가면서 액체층이 형성되면 이 부분으로 열이 내부로 전달돼 열차단 효과가 금세 떨어진다.

강 박사팀은 이런 불균일한 상변화 현상 문제를 기포를 주입하는 방법으로 해결했다. 외부에서 열을 흡수해 상변화가 일어나는 동안 아래쪽에서 기포를 주입해 액체화된 상변화물질이 아래위로 골고루 순환하게 한 것이다.

연구팀이 한 변의 길이가 30㎝인 정육면체를 만들고 한 면에 두께 1.4㎝의 상변화물질 층을 만든 다음 가열하며 기포를 주입하는 실험을 한 결과 안으로 전달되는 열이 기포를 주입하지 않을 때보다 28% 감소하고 내부 온도는 2.5℃ 더 낮게 유지되는 것으로 나타났다.

연구팀은 앞으로 상변화물질을 이용한 단열층과 기포 공급 시스템에 열교환 장치를 추가해 단열층에서 흡수된 열을 모아서 저장했다가 활용하는 냉난방 시스템을 개발할 계획이다.

강 박사는 “상변화물질을 이용한 단열 기술은 건물 벽에 단열재와 함께 적용해 열침투 경감 성능을 높이고 제로에너지 건물의 외벽 소재로도 활용할 수 있다”며 “상변화물질 기포 발생 장치를 이용한 단열 벽체가 건물 냉난방 에너지 절감에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

이 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 전환과 관리'(Energy Conversion and Management) 최신호에 게재됐다.

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