KR20160107516A - PCM(Phase Change Materials)이 포함된 차열 콘크리트 및 차열 콘크리트의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 외기의 열 전달을 최소화하는 차열성능을 갖는 차열 콘크리트에 있어서, PCM(Phase Change Materials)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차열 콘크리트가 제공된다.
본 발명에 따르면 시멘트 모르타르에 PCM을 포함토록 하여 콘크리트의 차열 성능을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면 시멘트 모르타르에 PCM을 포함토록 하여 콘크리트의 차열 성능을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 토목 기술 분야에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상변화 물질인 PCM(Phase Change Materials)을 이용한 차열 성능이 뛰어난 차열 콘크리트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 전 세계는 인류활동으로 인하여 방출되는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4) 등의 온실가스(greenhouse grass, GHG)로 인한 지구온난화 방지에 최우선의 노력을 기울이고 있다.
이에 따라 전 지구적 차원의 대응 방안으로서 1992년 기후변화협약(united nations framework conventionon 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 기후 변화의 주요 원인이 되는 온실가스 중 CO2에 의한 영향은 55% 이상으로 다른 요소에 비해 월등히 높은 것으로 밝혀졌기 때문에 CO2저감에 따른 온실가스 감축 기술이 중요하게 고려되고 있다. 국내 전체 산업별 CO2 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 CO2를 꾸준히 배출하고 있으며 그 중 건물의 운영 유지관리 단계에서 전체의 70% 이상을 차지하고 있다.
건물에서 발생되는 CO2의 대부분은 에너지 사용에서 비롯된다. 건물의 에너지 부하는 그 건물의 냉ㅇ난방시 실내 쾌적 환경을 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 CO2저감에 매우 효과적인 부분으로 작용될 수가 있다.
이에 건설 재료 부분에서도 효율적 설비 시스템을 기반으로 에너지 저감 및 CO2저감 방안 마련을 위한 건축 자재, 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 온도 조절 기능을 하는 혁신적 인 온도 조절 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.
일반적으로 냉ㅇ난방에서의 에너지 저감에 대한 방안은 크게 단열과 잠열에 의한 방식을 예로 들 수 있다.
기존 연구를 근거로 단열에 의한 방식은 이미 많은 연구가 진행 되어 왔고 실용화되어 왔다.
하지만 잠열에 의한 방식과 비교해 열저장 성능을 이유로 그 효과에 대한 효율이 다소 적은 기술이라 여겨지고 있으며 창의적 요소 또한 적다.
따라서 잠열에 의한 냉ㅇ난방에서의 에너지 저감방안이 중요시 되는 연구 주제로 고려됨에 따라 1980년대 이후부터 열저장 및 열 조절 기능을 하는 혁신적인 온도조절 물질인 PCM에 대한 연구가 꾸준히 진행되어 왔다.
최근, 이를 이용한 재료적 에너지 저감 방안이 연구자들 사이에서 많은 두각을 나타내고 있으며 이에 따른 재료적 방안을 살펴보면 보드나 패널 등의 건식 재료로써 건물 외적인 부분이 대부분을 차지하고 있다.
이러한 기술들의 대부분은 효율적 재료 사용, 시공 및 유지관리 측면에 적지 않은 문제점을 나타내고 있으며 이에 따른 경제성 또한 많은 문제로 제기되고 있다.
따라서 잠열 방식에 따른 에너지 저감 형태를 지향하면서 건물 외적 부분이 아닌 구조체 자체로서의 에너지 저감 방안의 모색이 요구된다.
이에 PCM을 모르타르에 혼입하여 건축물 적용을 위한 모르타르 물성 및 성능을 파악하고 PCM의 잠열과 효율적 용융 온도 조절에 따른 건축물에서의 냉ㅇ난방 동시적 에너지 저감 방안에 관한 기술의 도출이 요구된다.
본 발명의 목적은 시멘트 모르타르에 PCM을 포함토록 하여 차열 성능이 뛰어난 차열 콘크리트를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 콘크리트의 차열성능을 극대화하기 위한 PCM의 성분비를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 콘크리트의 차열성능을 극대화할 수 있는 PCM의 포함구조를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 외기의 열 전달을 최소화하는 차열성능을 갖는 차열 콘크리트에 있어서, PCM(Phase Change Materials)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차열 콘크리트가 제공된다.
여기서 시멘트, 물, 골재 및 상기 PCM이 배합되며, 상기 시멘트에 대한 상기 PCM 의 비가 10% 인 것을 특징으로 하는 차열 콘크리트일 수 있다.
또한, 상기 골재는 규사인 것을 특징으로 하는 차열 콘크리트일 수 있다.
또한, 상기 PCM은 마이크로 캡슐에 수납되는 것을 특징으로 하는 차열 콘크리트일 수 있다.
또한, 상기 마이크로 캡슐(100)은 상기 PCM이 수납되는 내부공간(110) 및 상기 내부공간(110)을 폐쇄하는 외피(120)를 포함하며, 상기 외피(120)는 열 전도성이 높은 부재로 형성된 것을 특징으로 하는 차열 콘크리트일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 외기의 열 전달을 최소화하는 차열성능을 갖는 차열 콘크리트의 제조방법에 있어서, 상기 차열 콘크리트는 PCM(Phase Change Materials)을 포함하되, 상기 차열 콘크리트의 배합비는 시멘트 : 물 : 골재 : PCM 의 비가 2 : 1 : 3 : 0.2 인 것을 특징으로 하는 차열 콘크리의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따르면 시멘트 모르타르에 PCM을 포함토록 하여 콘크리트의 차열 성능을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCM 수납 마이크로 캡슐의 구조도.
도 2는 PCM을 포함하지 않은 일반 콘크리트 배합시의 콘크리트의 차열 효율을 나타내는 데이터 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCM이 시멘트 대비 10%가 포함된 경우 콘크리트의 차열 효율을 나타내는 데이터 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCM이 시멘트 대비 20%가 포함된 경우 콘크리트의 차열 효율을 나타내는 데이터 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐에 담긴 PCM의 온도변화 및 잠열구간을 나타내는 데이터 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐에 담긴 PCM의 잠열구간을 나타내는 데이터 도면.
도 2는 PCM을 포함하지 않은 일반 콘크리트 배합시의 콘크리트의 차열 효율을 나타내는 데이터 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCM이 시멘트 대비 10%가 포함된 경우 콘크리트의 차열 효율을 나타내는 데이터 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCM이 시멘트 대비 20%가 포함된 경우 콘크리트의 차열 효율을 나타내는 데이터 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐에 담긴 PCM의 온도변화 및 잠열구간을 나타내는 데이터 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐에 담긴 PCM의 잠열구간을 나타내는 데이터 도면.
본 발명에 따른 PCM(Phase Change Materials)이 포함된 차열 콘크리트의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부된 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.
또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간의 접촉 관계에 있어, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.
본 발명은 차열성능이 향상된 차열 콘크리트에 관한 것이다. 본 발명에서는 콘크리트의 차열 성능을 향상시키기 위하여 콘크리트 배합시 PCM(Phase Change Materials)을 포함시키는 것을 특징으로 한다.
PCM이란 상변화물질을 뜻하며 잠열재, 축열재, 축냉재, 열조절성 물질로 이해할 수 있다.
상변화물질은 상변화과정을 통하여 많은 양의 열에너지를 축적하거나 저장된 열에너지를 방출하며, 어떤 물질이 고체에서 액체상태, 액체에서 고체상태, 액체에서 기체, 기체에서 액체상태 등, 하나의 상태에서 다른 상태로 변화는 일종의 물리적 변화과정을 이용하여 열을 축적하거나 저장한 열을 방출하는 물질이다.
상변화과정에서 모든 물질은 화학적 결합이나 형성 같은 화학적 반응이 아닌 분자의 물리적인 배열이 바뀌게 된다.
상변화물질은 크게 유기물질과 무기물질로 분류할 수 있으며, 실질적으로 적용가능한 물질은 약 200여종이다.
유기물질의 예로는 탄소와 수로로 이루어진 탄화수소계열의 테트라데칸, 옥타데칸, 노나테칸 등의 물질이 있다.
무기물질의 예로는 6개의 물분자가 결합된 수화물형태의 염화칼슘 등이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차열 콘크리트는 PCM이 포함된다. 특히 PCM은 마이크로 캡슐에 수납된 상태에서 포함되는 것이 바람직하다(도 1).
PCM은 물질의 상변화를 통해 열을 축적하거나 방출하므로 일정 분량의 PCM이 폐쇄된 일정영역에서 물질의 상변화를 수행하는 것이 콘크리트 전체에 분산되는 것보다 더 높은 효율을 가질 수 있다.
마이크로 캡슐(100)은 PCM이 수납될 수 있는 내부공간(110) 및 내부공간(110)을 폐쇄하는 외피(120)를 포함할 수 있다(도 1).
이 경우 외피(120)는 열 전도성이 높은 부재로 형성된 것이 내부공간(110)의 PCM의 상변화 촉진에 효율적이다.
외피(120)를 구성할 수 있는 열 전도성이 높은 부재로는 흑연이 포함될 수 있다.
도 5과 도 6을 참조하면, 마이크로 캡슐에 수납된 PCM의 비율이 높아질 수록 상승 온도 구간에서 표면 온도 상승과 하강이 늦어지는 것을 확인할 수 있다(도 6). 이는 마이크로 캡슐에 수납된 PCM이 상변화 온도(28ㅀC)를 경계로 하여 상변화를 일으켜 흡열 및 발열을 하기 때문으로 판단된다.
또한, 모르타르의 잠열구간을 확인할 수 있는데(도 7), 이는 30ㅀC 이하 부분에서 서서히 상변화를 일으킨 마이크로 캡슐에 수납된 PCM이 다시 액체에서 고체로 되어 PCM이 흡수한 열을 PCM 주위로 발열하여 시험체의 표면 온도 하강을 늦추는 것으로 이해할 수 있다.
도 2 내지 도 4는 PCM을 포함시키지 않은 콘크리트 시험체(도 2)와 포함시킨 시험체(도 3 및 도 4)의 차열 성능을 비교할 수 있는 실험 데이터이다.
각 시험체는 3번의 시험을 수행하였으며, 각 시험회차는 같은 외기 조건에서 같은 시간동안 시험을 수행하였다.
각 시험체는 물 - 시멘트 비를 50%로 배합 하였으며, 골재는 시멘트 함유량의 3/2의 비율로 배합하였다. PCM은 시멘트에 대해 0%(도 2), 10%(도 3), 20%(도 4)의 비율로 배합하였다.
골재는 규사를 사용하였다.
각 시험체의 최고온도를 비교하면, 시멘트에 대한 PCM의 비율이 10%인 경우 가장 낮은 평균온도 및 최고온도를 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
즉 시멘트에 대한 PCM의 비율이 20% 이상인 경우에는 오히려 10%인 경우보다 더 높은 최고온도를 기록하고 있어 10%의 비율이 최적의 차열성능을 갖는 것으로 판단할 수 있다.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.
100 : 마이크로 캡슐
Claims (6)
- 외기의 열 전달을 최소화하는 차열성능을 갖는 차열 콘크리트에 있어서,
PCM(Phase Change Materials)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차열 콘크리트.
- 제1항에 있어서,
시멘트, 물, 골재 및 상기 PCM이 배합되며,
상기 시멘트에 대한 상기 PCM 의 비가 10% 인 것을 특징으로 하는 차열 콘크리트.
- 제2항에 있어서,
상기 골재는 규사인 것을 특징으로 하는 차열 콘크리트.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 PCM은 마이크로 캡슐에 수납되는 것을 특징으로 하는 차열 콘크리트.
- 제4항에 있어서,
상기 마이크로 캡슐(100)은 상기 PCM이 수납되는 내부공간(110) 및 상기 내부공간(110)을 폐쇄하는 외피(120)를 포함하며, 상기 외피(120)는 열 전도성이 높은 부재로 형성된 것을 특징으로 하는 차열 콘크리트.
- 외기의 열 전달을 최소화하는 차열성능을 갖는 차열 콘크리트의 제조방법에 있어서,
상기 차열 콘크리트는 PCM(Phase Change Materials)을 포함하되,
상기 차열 콘크리트의 배합비는 시멘트 : 물 : 골재 : PCM 의 비가 2 : 1 : 3 : 0.2 인 것을 특징으로 하는 차열 콘크리의 제조방법.
Priority Applications (1)
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| KR1020150030353A KR101707904B1 (ko) | 2015-03-04 | 2015-03-04 | PCM(Phase Change Materials)이 포함된 차열 콘크리트 및 차열 콘크리트의 제조방법 |
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| KR1020150030353A KR101707904B1 (ko) | 2015-03-04 | 2015-03-04 | PCM(Phase Change Materials)이 포함된 차열 콘크리트 및 차열 콘크리트의 제조방법 |
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ID=57103464
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| KR1020150030353A KR101707904B1 (ko) | 2015-03-04 | 2015-03-04 | PCM(Phase Change Materials)이 포함된 차열 콘크리트 및 차열 콘크리트의 제조방법 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102058316B1 (ko) * | 2019-06-14 | 2019-12-24 | 힘찬건설 주식회사 | 기능성 결합재를 포함한 균열 저감형 초속경 시멘트 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 도로포장 보수공법 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008239860A (ja) * | 2007-03-28 | 2008-10-09 | Toyokazutada Kk | 蓄熱体 |
| KR20130136599A (ko) * | 2012-05-31 | 2013-12-13 | 한경대학교 산학협력단 | 상변화 물질을 함유하는 마이크로캡슐 형태의 잠열 축열재의 제조방법 및 이를 포함하여 제조된 콘크리트 조성물 |
-
2015
- 2015-03-04 KR KR1020150030353A patent/KR101707904B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
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| JP2008239860A (ja) * | 2007-03-28 | 2008-10-09 | Toyokazutada Kk | 蓄熱体 |
| KR20130136599A (ko) * | 2012-05-31 | 2013-12-13 | 한경대학교 산학협력단 | 상변화 물질을 함유하는 마이크로캡슐 형태의 잠열 축열재의 제조방법 및 이를 포함하여 제조된 콘크리트 조성물 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102058316B1 (ko) * | 2019-06-14 | 2019-12-24 | 힘찬건설 주식회사 | 기능성 결합재를 포함한 균열 저감형 초속경 시멘트 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 도로포장 보수공법 |
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