KR20230037850A - 건물 단열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건물 단열장치에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 건물 단열장치는 건물의 외벽(1) 내에 마련된 벽체 공간에 삽입되는 건물 단열장치에 있어서, 상변화물질(10), 상변화물질(10)을 수용하고, 일면이 벽체 공간을 기준으로 외측을 향하는 외벽(1)의 외측부(1a)와 이격되어 마주보고, 타면이 벽체 공간을 기준으로 내측을 향하는 외벽(1)의 내측부(1b)와 이격되어 마주보도록 배치되는 케이스(20), 외벽(1)의 외측부(1a)와 케이스(20)의 일면 사이에 배치되고 복사열을 반사키는 판(plate) 형상의 반사부(31), 및 외벽(1)의 내측부(1b)와 케이스(20)의 타면 사이에 배치되고 복사열을 투과시키는 판(plate) 형상의 투과부(32)를 포함하고, 반사부(31)와 투과부(32)가 케이스(20)를 감싸는 폐루프 형태로 연결되며, 케이스(20)를 중심으로 회전하는 반사재(30), 및 반사재(30)를 회전시키는 동력부(40)를 포함한다.

Description

건물 단열장치{INSULATION APPARATUS OF BUILDING}

본 발명은 건물 단열장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상변화물질(Phase-Change-Material, PCM)과 반사재를 이용하여 건물 벽체의 단열성능을 향상시키고, 기존의 여름철 실내 냉방 및 겨울철 실내 난방에 필요한 현열부하를 줄이는 단열장치에 관한 것이다.

상변화물질(Phase-Change-Material, PCM)은 특정 온도에서 고체에서 액체 혹은 액체에서 고체로 상이 변하면서, 많은 열을 흡수 또는 방출할 수 있는 물질이다. 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 이러한 상변화물질을 건물 벽체, 천장, 바닥 등에 적용함으로써 상변화물질의 잠열에 의해 외부의 열적 변화를 흡수하는 축열기능에 의해 건축물의 단열 및 에너지 절감을 동시에 달성할 수 있다. 이러한 잠열을 이용한 열에너지 저장방법인 잠열 축열법은 단위 부피당 혹은 단위 무게당 많은 양의 열을 저장할 수 있다.

그러나 상변화물질은 흡열과 발열 과정에서 열 방향성을 스스로 조절하지 못하기 때문에, 실외 온도가 실내보다 높은 여름철 밤의 경우, 건물의 벽체에 적용된 상변화물질 단열재가 축적된 열을 실내 측으로 방열하여 오히려 실내 기온유지에 필요한 냉방 부하를 증가시키는 등의 문제를 발생시킬 수 있다.

이에 종래 상변화물질 단열재의 문제점을 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있는 상황이다.

KR 10-1492441 B1

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 능동적인 반사재 운용을 통해 상변화물질의 열전달 방향을 조절하여 건물의 단열성능을 향상시킬 수 있는 건물 단열장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 실시예에 따른 건물 단열장치는 건물의 외벽 내에 마련된 벽체 공간에 삽입되는 건물 단열장치에 있어서, 상변화물질; 상기 상변화물질을 수용하고, 일면이 상기 벽체 공간을 기준으로 외측을 향하는 상기 외벽의 외측부와 이격되어 마주보고, 타면이 상기 벽체 공간을 기준으로 내측을 향하는 상기 외벽의 내측부와 이격되어 마주보도록 배치되는 케이스; 상기 외벽의 외측부와 상기 케이스의 일면 사이에 배치되고 복사열을 반사키는 판(plate) 형상의 반사부, 및 상기 외벽의 내측부와 상기 케이스의 타면 사이에 배치되고 상기 복사열을 투과시키는 판(plate) 형상의 투과부를 포함하고, 상기 반사부와 투과부가 상기 케이스를 감싸는 폐루프 형태로 연결되며, 상기 케이스를 중심으로 회전하는 반사재; 및 상기 반사재를 회전시키는 동력부;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 건물 단열장치에 있어서, 상기 반사부는, 알루미늄을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 건물 단열장치에 있어서, 상기 투과부는, 고분자를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 건물 단열장치에 있어서, 상기 동력부는, 상기 반사재의 내면에 배치되는 고리형 벨트; 상기 고리형 벨트와 맞물려 상기 고리형 벨트를 회전시키는 한 쌍의 풀리; 상기 케이스의 일단 및 타단 각각에 배치되고, 한 쌍의 상기 풀리를 일대일로 고정하는 한 쌍의 고정대; 및 한 쌍의 상기 풀리 중 적어도 어느 하나 이상을 회전시키는 구동모터;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 건물 단열장치에 있어서, 상기 케이스는, 하면에 오목하게 함몰된 다수의 삽입공을 구비하고, 상기 벽체 공간의 바닥면에 고정되고, 다수의 상기 삽입공에 삽입되도록 상향으로 돌출된 다수의 돌기를 구비하는 고정판; 및 상기 외벽의 외측부 및 상기 외벽의 내측부 중 적어도 어느 하나와 상기 케이스의 상면을 연결하는 브라켓;을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 건물 단열장치에 있어서, 상기 건물의 실외와 실내 온도 차이를 기반으로, 상기 반사부가 상기 외벽의 외측부 또는 상기 외벽의 내측부를 향하도록, 상기 동력부를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따르면, 기존에 사용되어온 일반적인 건물의 단열시스템이 상변화물질 및 기타 단열재의 열 저항으로 인한 수동적으로 건물 벽체의 단열성능을 형성하는 것과는 달리, 반사재가 사용자의 의도에 따라 건물 벽체의 외측부 또는 내벽부와 마주보도록 이동하여 상변화물질의 열 흡수와 방출을 조절할 수 있다. 여름철 낮에는 벽체의 외측부와 상변화물질 사이에 반사재를 위치시켜 상변화물질에 흡열되는 열을 줄여 상변화의 Time-Lag을 지연시키고, 여름철 밤에는 상변화물질과 벽체의 내측부 사이로 반사재를 이동시켜 방열과정에서 발생하는 열의 실내 유입을 차단함으로써, 건물의 단열능력을 향상시킬 뿐만 아니라 결과적으로 여름철 냉방에 소요되는 에너지 또한 줄일 수 있다. 마찬가지로, 겨울에도 일교차 및 사용자의 능동적 고려하에 반사재를 운용하며 상변화물질의 상변화에 직접 관여함으로써, 기존보다 효율적으로 건물의 단열성능을 향상시킬 수 있다.

결과적으로 본 발명은 실내 냉ㆍ난방장치의 현열부하를 저감시키므로, 건축물의 총 에너지 절약에도 효율적이다. 나아가, 반사재의 재질 특성상 일반 단열재보다 그 두께가 얇기 때문에, 다른 단열 시스템보다 동 성능 대비 벽체의 두께를 줄여 효과적으로 건축물 내 공간을 활용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 건물 단열장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 건물 단열장치가 건물의 외벽에 삽입된 상태를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A' 라인에 따라 절단된 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 건물 단열장치의 동력부를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 건물 단열장치의 분리 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 건물 단열장치의 사시도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 건물 단열장치의 동작을 설명하는 도면이다.
도 10은 제1 시뮬레이션의 조건을 나타내는 도면이다.
도 11은 제1 시뮬레이션에 따른 여름철(6 ~ 8월) 내벽 측 온도변화 그래프이다.
도 12는 제1 시뮬레이션에 따른 여름철(6 ~ 8월) PCM 온도변화 그래프이다.
도 13은 제1 시뮬레이션에 따른 여름철(6 ~ 8월) 실내 열 유입량 분석 결과이다.
도 14는 제1 시뮬레이션에 따른 겨울철(12 ~ 2월) 내벽 측 온도변화 그래프이다.
도 15는 제1 시뮬레이션에 따른 겨울철(1월) 내벽 측 및 PCM 온도변화 그래프이다.
도 16은 제1 시뮬레이션에 따른 겨울철(12 ~ 2월) 실내 열 유출량 분석 결과이다.
도 17은 제2 시뮬레이션의 조건을 나타내는 도면이다.
도 18은 제2 시뮬레이션에 따른 여름철(6 ~ 8월) 내벽 측 열 유입량 분석 결과이다.
도 19는 제2 시뮬레이션에 따른 겨울철(12 ~ 2월) 내벽 측 열 유출량 분석 결과이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 건물 단열장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 건물 단열장치가 건물의 외벽에 삽입된 상태를 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 A-A' 라인에 따라 절단된 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 건물 단열장치의 동력부를 도시한 사시도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 건물 단열장치는 건물의 외벽(1) 내에 마련된 벽체 공간에 삽입되는 건물 단열장치에 있어서, 상변화물질(10), 상변화물질(10)을 수용하고, 일면이 벽체 공간을 기준으로 외측을 향하는 외벽(1)의 외측부(1a)와 이격되어 마주보고, 타면이 벽체 공간을 기준으로 내측을 향하는 외벽(1)의 내측부(1b)와 이격되어 마주보도록 배치되는 케이스(20), 외벽(1)의 외측부(1a)와 케이스(20)의 일면 사이에 배치되고 복사열을 반사키는 판(plate) 형상의 반사부(31), 및 외벽(1)의 내측부(1b)와 케이스(20)의 타면 사이에 배치되고 복사열을 투과시키는 판(plate) 형상의 투과부(32)를 포함하고, 반사부(31)와 투과부(32)가 케이스(20)를 감싸는 폐루프 형태로 연결되며, 케이스(20)를 중심으로 회전하는 반사재(30), 및 반사재(30)를 회전시키는 동력부(40)를 포함한다.

본 발명은 상변화물질을 기반으로 건물 벽체를 단열시키는 건물 단열장치에 관한 것으로, 종래 상변화물질 단열재는 흡열과 발열 과정에서 열 방향성을 스스로 조절하지 못하기 때문에, 특히 여름철 밤의 경우에는 실내로 축적된 열을 방열하여 냉방 부하를 증가시키는 등의 문제를 발생시키는바, 이에 대한 해결방안으로서 본 발명이 안출되었다.

구체적으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 건물 단열장치는 건물의 외벽(1) 내에 마련된 벽체 공간에 삽입되어 작동되고, 상변화물질(10), 케이스(20), 반사재(30), 및 동력부(40)를 포함한다.

여기서, 건물의 외벽(1)은 건물의 외주부에 있는 벽으로서, 건물의 외부와 내부를 격리하는 벽체를 의미한다. 벽체 공간은 건물의 외벽(1)에 마련된 중공으로서, 본 발명의 실시예에 따른 건물 단열장치가 삽입 배치된다. 벽체 공간을 기준으로 건물의 외측(외부)을 바라보며 외기와 맞닿는 부분을 외벽(1)의 외측부(1a)로, 벽체 공간을 기준으로 건물의 내측(내부)을 바라보는 부분을 외벽(1)의 내측부(1b)로 정의한다. 한편, 벽체 공간과 맞닿는 외벽(1)의 내측부(1b)의 내면에는 보온 부재(1c)가 배치되어도 무방하다.

상변화물질(Phase-Change-Material, PCM)(10)은 특정 온도에서 고체에서 액체 혹은 액체에서 고체로 변하는 특성을 가진 물질이다. 해당 상 변화과정에서 열에너지의 이동이 발생하는데, 이를 축열재처럼 사용하여 건물의 열용량을 증가시켜 에너지 절감을 수행하고 구조체 내에서의 온도 변화를 최소화시킬 수 있다.

케이스(20)는 상변화물질(10)을 수용하는 용기 부재이다. 케이스(20)의 일면은 외벽(1)의 외측부(1a)와 이격되어 마주보고, 케이스(20)의 일면의 반대 면인 타면은 외벽(1)의 내측부(1b)와 이격되어 마주보도록, 벽체 공간 내에 배치된다. 이 경우, 케이스(20)와 외벽(1)의 외측부(1a), 그리고 케이스(20)와 외벽(1)의 내측부(1b) 사이에 중공층이 형성되고, 그 중공층에 의해 건물 벽체가 1차 단열된다.

반사재(30)는 케이스(20)를 둘러싸도록 형성된 슬리브(sleeve) 형태로서, 반사부(31), 및 투과부(32)를 포함한다. 반사부(31)는 판(plate) 형상의 부재로서, 외벽(1)의 외측부(1a)와 케이스(20)의 일면 사이에 배치되고, 복사열을 반사시키는 성질을 가진다. 투과부(32)는 판(plate) 형상의 부재로서, 외벽(1)의 내측부(1b)와 케이스(20)의 타면 사이에 배치되고, 복사열을 투과시키는 성질을 가진다. 복사열은 물질의 도움 없이 전자기파의 형태로 이동하는 열로서, 건물 단열과 밀접한 관계를 가지는 전자기파는 태양에서 방출하는 전자기파이다.

한편, 반사부(31)가 반드시 복사열을 100% 반사시키는 소재로 이루어져야 하는 것은 아니다. 일례로, 알루미늄(Al)은 복사열의 에너지를 95% 이상 반사시키는바, 반사부(31)가 알루미늄을 포함할 수 있다. 여기서, 반사부(31)가 알루미늄만으로 이루어져야 하는 것은 아니고, 다른 성분을 더 포함할 수도 있다. 투과부(32)도 반드시 복사열을 100% 투과시키는 소재로 이루어져야 하는 것은 아니므로, 반사율이 낮은 고분자를 포함할 수 있다.

반사부(31)와 투과부(32)는 케이스(20)를 감싸는 폐루프(closed loop) 형태로 연결된다. 즉, 반사부(31)의 양말단과 투과부(32)의 양말단이, 케이스(20)의 양측부 상에서 서로 연결된다. 이때, 건물의 외부에서 내부 방향을 따라 외벽(1)의 외측부(1a), 반사부(31), 및 상변화물질(10)이 순차적으로 배열되므로, 외벽(1)의 외측부(1a)를 통과한 태양 복사열은 반사부(31)에서 대부분 반사되어 상변화물질(10)의 축열 타임래그(Time-Lag)가 지연되고, 반사부(31)를 투과한 일부 복사열은 상변화물질(10)에 의해 흡수된다. 이를 통해, 실내로 유입되는 외부의 열기가 차단되어, 실내 냉방장치의 냉방부하를 감소시킬 수 있다.

한편, 반사부(31)와 투과부(32)가 연결된 반사재(30)는 케이스(20)를 중심으로 회전할 수 있다. 반사재(30)의 회전에 따라, 케이스(20)의 일면에 대향하던 반사부(31)가 케이스(20)의 타면과 마주보게 되고, 케이스(20)의 타면에 대향하던 투과부(32)가 케이스(20)의 일면과 마주보게 된다. 이 경우, 건물의 외부에서 내부 방향을 따라, 외벽(1)의 외측부(1a), 투과부(32), 상변화물질(10), 반사부(31), 및 외벽(1)의 내측부(1b)가 순차적으로 배열된다. 여기서, 상변화물질(10)에 축적되었다가 방사되는 열은 반사부(31)에 의해 반사되기 때문에 실내로의 열 유입이 차단되고, 투과부(32)를 투과하여 외부로 이동하게 된다. 특히, 여름철 밤 실외 온도가 실내보다 높은 경우에, 상변화물질(10)과 외벽(1)의 내측부(1b) 사이에 반사부(31)가 배치됨으로써, 상변화물질(10)이 보다 직접적으로 외기와 열 교환하여 방열을 통해 재생되며, 실내로 방출된 복사열이 반사부(31)에 의해 반사되므로 실내 온도의 상승이 억제되고, 이로 인해 실내 냉방장치의 냉방부하를 절감시킬 수 있다.

반사재(30)가 회전할 수 있도록, 반사부(31) 및 투과부(32)는 유연하게 형성되거나, 또는 분리된 다수의 조각들이 서로 꺽일 수 있게 상호 결합되어 형성될 수 있다.

동력부(40)는 케이스(20)를 중심으로 반사재(30)를 원주방향으로 회전시키는 수단이다. 일례로 동력부(40)는 고리형 벨트(41), 한 쌍의 풀리(42), 한 쌍의 고정대(43), 및 구동모터(44)로 구현될 수 있다(도 4 참조). 여기서, 고리형 벨트(41)는, 케이스(20)를 바라보는 반사재(30)의 내면에 원주방향을 따라 배치되다. 한 쌍의 풀리(42)는 서로 마주보도록 배치되고, 고리형 벨트(41)와 맞물려 고리형 벨트(41)를 회전시킨다. 한 쌍의 고정대(43)는 케이스(20)의 일단 및 타단에 각각 하나씩 배치되고, 한 쌍의 풀리(42)를 일대일로 고정한다. 구동모터(44)는 한 쌍의 풀리(42) 중 적어도 어느 하나 이상을 회전시킨다. 결국, 고정대(43)를 통해 케이스(20)의 일단 및 타단에 각각 고정된 풀리(42)에, 고리형 벨트(41)를 매개로 반사재(30)가 결합되고, 구동모터(44)의 회전력이 풀리(42)에 전달되어 고리형 벨트(41)를 회전시킴으로써, 반사재(30)가 회전하게 된다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 건물 단열장치의 분리 사시도이다.

도 5를 참고로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 건물 단열장치는, 전술한 동력부(40)가 다수 개 배치될 수 있다. 여기서, 어느 하나의 고리형 벨트(41a)는 반사재(30)의 내면 상부에, 다른 하나의 고리형 벨트(41b)는 반사재(30)의 내면 하부에 각각 결합되어, 보다 안정적으로 반사재(30)를 회전시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 건물 단열장치의 사시도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 건물 단열장치는 케이스(20)를 벽체 공간 내에 고정하기 위한 고정수단으로서, 고정판(50), 및 브라켓(60)을 더 포함할 수 있다.

고정판(50)은 벽체 공간의 바닥면에 고정되는 부재로서, 케이스(20)의 하면을 향하는 상향으로 돌출된 다수의 돌기(51)를 구비한다. 여기서, 케이스(20)의 하면에는 오목하게 함몰된 다수의 삽입공(21)이 형성되어, 다수의 돌기(51)가 다수의 삽입공(21)에 일대일로 삽입되어, 케이스(20)의 하부를 고정한다.

브라켓(60)은 외벽(1)의 외측부(1a) 및 내측부(1b) 중 적어도 어느 하나와 케이스(20)의 상면을 연결하여, 케이스(20)의 상부를 고정한다. 일례로, 브라켓(60)은 "ㄱ" 자 형태로 형성되고, 상부의 "ㅡ" 부분은 케이스(20)의 상면에 결합되고, 하부의 "l" 부분은 외벽(1)의 외측부(1a) 및/또는 내측부(1b)에 결합될 수 있다. 이와 같은 "ㄱ" 자 형 브라켓(60)은 다수 개로, 케이스(20)의 상면에 서로 이격 배열될 수 있다.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 건물 단열장치의 동작을 설명하는 도면이다.

도 7을 참고로, 본 발명의 제4 실시예에 따른 건물 단열장치는 동력부(40)를 제어하는 제어부(70)를 더 포함할 수 있다.

제어부(70)는 건물의 실외와 실내 온도 차이를 기반으로, 반사부(31)의 위치가 변경되도록 동력부(40)를 제어한다. 여기서, 반사부(31)의 위치는 외벽(1)의 외측부(1a)와 케이스(20) 사이에서 외벽(1)의 내측부(1b)와 케이스(20) 사이로, 그리고 그 반대 방향으로 변경된다. 제어부(70)는 컴퓨팅 장치로서, 실외와 실내의 온도를 감지하는 온도센서로부터 실외 및 실내의 온도 정보를 수신하고, 기설정된 실외 및 실내 온도 차이별 반사부(31)의 위치에 따라, 반사재(30)가 회전되도록 동력부(40)를 제어할 수 있다.

일례로, 여름철 낮, 실외의 온도가 매우 높고, 실내 온도가 낮은 경우에, 외벽(1)이 외측부(1a)와 케이스(20) 사이에 반사부(31)가 배치되도록 한다(도 8 참조). 이때, 태양 복사열이 반사부(31)에 의해 반사되고, 반사부(31)를 투과한 복사열은 상변화물질(10)에 흡수된다. 한편, 여름철 밤, 실외의 온도가 실내 온도보다 높은 경우에, 외벽(1)이 내측부(1b)와 케이스(20) 사이에 반사부(31)가 배치되도록 한다(도 9 참조). 이때, 낮 동안 상변화물질(10)에 축적된 열이 방출되는데, 그 중 실내로 향하는 열은 반사부(31)에 의해 반사되어 실내로 유입되지 않고, 상변화물질(10)에서 방출된 대부분의 복사열은 투과부(32)를 투과하여 건물의 외부로 전달된다. 결국, 온도 기반으로 반사부(31)의 위치를 제어하는 능동적인 반사재(30)의 운영을 통해 여름철 복사열의 실내 유입을 차단하여 건물의 단열능력을 향상시키고, 여름철 냉방에 소요되는 에너지를 절감할 수 있다. 이러한 반사재(30)의 운영은 겨울철에도 건물의 단열성능을 향상시키는 데 이용될 수 있다.

종합적으로, 본 발명에 따르면, 기존에 사용되어온 일반적인 건물의 단열시스템이 상변화물질 및 기타 단열재의 열 저항으로 인한 수동적으로 건물 벽체의 단열성능을 형성하는 것과는 달리, 반사재가 사용자의 의도에 따라 건물 벽체의 외측부 또는 내벽부와 마주보도록 이동하여 상변화물질의 열 흡수와 방출을 조절할 수 있다. 여름철 낮에는 벽체의 외측부와 상변화물질 사이에 반사재를 위치시켜 상변화물질에 흡열되는 열을 줄여 상변화의 Time-Lag을 지연시키고, 여름철 밤에는 상변화물질과 벽체의 내측부 사이로 반사재를 이동시켜 방열과정에서 발생하는 열의 실내 유입을 차단함으로써, 건물의 단열능력을 향상시킬 뿐만 아니라 결과적으로 여름철 냉방에 소요되는 에너지 또한 줄일 수 있다. 마찬가지로, 겨울에도 일교차 및 사용자의 능동적 고려하에 반사재를 운용하며 상변화물질의 상변화에 직접 관여함으로써, 기존보다 효율적으로 건물의 단열성능을 향상시킬 수 있다.

결과적으로 본 발명은 실내 냉ㆍ난방장치의 현열부하를 저감시키므로, 건축물의 총 에너지 절약에도 효율적이다. 나아가, 반사재의 재질 특성상 일반 단열재보다 그 두께가 얇기 때문에, 다른 단열 시스템보다 동 성능 대비 벽체의 두께를 줄여 효과적으로 건축물 내 공간을 활용할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 효과를 검증한 시뮬레이션 결과에 대해 설명하다.

1. 제1 시뮬레이션

1-1. 시뮬레이션 조건

도 10은 제1 시뮬레이션의 조건을 나타내는 도면이다. 도 10을 참고로, 80 × 80㎜ 외벽(두께 20㎜)과 내벽(두께 30㎜)을 서로 마주보게 배치하고, 내벽 측에 두께 100㎜의 발포 폴리스티렌(Expanded Poly Styrene, EPS) 단열재를 결합시켰다. 외벽 측과 EPS 단열재 사이의 공간에, Case 1에서는 EPS 단열재를, Case 2에서는 PCM을, Case 3에서는 PCM과 알루미늄 반사재를 각각 삽입하였다. 여기서, 삽입된 EPS 단열재, 및 PCM은 두께를 40㎜로 동일하게 하였다. Case 3의 알루미늄 반사재는 여름철(6 ~ 8월) 8 ~ 24시까지, 겨울철(12 ~ 2월) 9 ~ 17시까지는 외벽 측을 향하도록 배치하고, 그 외의 시간에는 내벽 측을 향하도록 위치를 변경하였다. 제1 시뮬레이션에서는 동일 두께(단열재)일 때에, PCM 및 반사재 유무에 따른 내벽 측 온도 변화를 관찰한다.

1-2. 제1 시뮬레이션의 여름철 내벽 측 온도변화 분석

도 11은 제1 시뮬레이션에 따른 여름철(6 ~ 8월) 내벽 측 온도변화 그래프로서, 이를 참고하면, 6 ~ 7월에는 전체적으로 PCM이 삽입된 Case 2 및 3의 내벽 온도가 낮았다. 한편, 8월 온도가 피크(peak) 부하일 때, 반사재가 없는 Case 2는 PCM 방열이 제대로 되지 않아 실내 온도가 지속적으로 높게 형성된 반면, Case 3은 반사재 때문에 지속해서 안정적으로 실내 온도가 유지되었다.

1-3. 제1 시뮬레이션의 여름철 PCM 온도변화 분석

도 12는 제1 시뮬레이션에 따른 여름철(6 ~ 8월) PCM 온도변화 그래프이다. 도 12를 참고로, PCM의 온도를 확인해 본 결과, 전체적으로 Case 3은 반사재 때문에 축열 성능이 개선된 것을 확인할 수 있다. 이에 반해, 8월 온도가 피크(peak) 부하일 때에 반사재가 없는 Case 2는 PCM의 방열이 제대로 되지 않아 온도가 급격히 상승하는 것으로 나타났다.

1-4. 제1 시뮬레이션의 여름철 실내 열 유입량 분석

도 13은 제1 시뮬레이션에 따른 여름철(6 ~ 8월) 실내 열 유입량 분석 결과로서, 이를 참고하면, 반사재가 없는 Case 2의 경우, 전 구간에서 Case 1에 비해 높은 열유입량을 보인다. 반면, Case 3의 경우, Case 1에 비해 동일 면적 열 유입량이 약 54% 감소되었다. 이는 여름철 일반적인 PCM 사용보다 반사재 운영을 통해 PCM 재생 및 성능 개선이 이루어진다는 것을 의미한다.

1-5. 제1 시뮬레이션의 겨울철 내벽 측 및 PCM 온도변화 분석

도 14는 제1 시뮬레이션에 따른 겨울철(12 ~ 2월) 내벽 측 온도변화 그래프이고, 도 15는 제1 시뮬레이션에 따른 겨울철(1월) 내벽 측 및 PCM 온도변화 그래프이다.

도 14 내지 도 15를 참고로, 계절적인 요인 때문에 전 구간에서 PCM의 상변화를 관찰하기는 힘들었다. 그러나 PCM을 보유한 Case 2 및 3이 Case 1보다 겨울철 실내 온도 유지에 유리한 점을 확인할 수 있다. 또한, 축열 기간(09:00 ~ 16:00) 동안 방사율이 낮은 반사재가 외벽 측에 위치한 Case 3가 Case 2에 비해 많은 열을 축열하였다.

1-6. 제1 시뮬레이션의 겨울철 실내 열 유입량 분석

도 16은 제1 시뮬레이션에 따른 겨울철(12 ~ 2월) 실내 열 유출량 분석 결과이다. 이를 참고하면, 겨울철에는 PCM의 상변화구간이 없기 때문에 Case 2 및 3에서 뚜렷한 변화가 없었다. 그러나 PCM의 낮 동안 축열로 인해 실내 측 열손실이 일부 개선되었으며, Case 3의 경우, 대부분의 구간에서 Case 1 및 2에 비해 열 유출량이 적었다(기존 단열재(Case 1)보다 열 유출량 27% 감소). 결과적으로, 일반적인 PCM 사용보다 반사재 운영을 통해 PCM 축열 및 성능 개선이 있음을 알 수 있다.

2. 제2 시뮬레이션

2-1. 시뮬레이션 조건

도 17은 제2 시뮬레이션의 조건을 나타내는 도면으로, 제2 시뮬레이션에서는 반사재 사용 시 기존의 단열재 두께를 어느 정도 줄일 수 있는지 확인하였다. 상기 제1 시뮬레이션의 Case 3 조건에서, EPS 단열재 두께를 25%(Case 3-1), 및 50%(Case 3-2) 축소하고, 두께별 여름철 및 겨울철 실내 열 부하량을 관찰하였다.

2-2. 제2 시뮬레이션의 여름철 및 겨울철 실내 열 유입량 분석

도 18은 제2 시뮬레이션에 따른 여름철(6 ~ 8월) 내벽 측 열 유입량 분석 결과이고, 도 19는 제2 시뮬레이션에 따른 겨울철(12 ~ 2월) 내벽 측 열 유출량 분석 결과이다.

도 18 내지 도 19를 참고로, 여름철 성능은 Case 3-2가 고정구간의 단열재 두께를 50% 감소하였음에도, Case 1 대비 실내 열 유입량이 약 21% 감소하였다. 다만, 겨울철 성능 비교에서는 열 유출량이 15% 증가하였다.

반면, Case 3-1은 고정구간 단열재 두께가 25% 감소하였으나, Case 1 대비 여름철 열 유입량은 약 42% 감소하였고, 겨울철 열 유입량은 약 11% 감소하였다.

결과적으로, Case 3-1의 경우 고정구간 단열재 두께가 25% 감소하였음에도 전체적으로 성능이 개선되었는바, 반사재 운영을 통해 단열재 두께를 줄이되 단열 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1: 외벽 1a: 외측부
1b: 내측부 10: 상변화물질
20: 케이스 21: 삽입공
30: 반사재 31: 반사부
32: 투과부 40: 동력부
41: 벨트 42: 풀리
43: 고정대 44: 구동모터
50: 고정판 51: 돌기
60: 브라켓 70: 제어부

Claims (6)

1. 건물의 외벽 내에 마련된 벽체 공간에 삽입되는 건물 단열장치에 있어서,
   상변화물질;
   상기 상변화물질을 수용하고, 일면이 상기 벽체 공간을 기준으로 외측을 향하는 상기 외벽의 외측부와 이격되어 마주보고, 타면이 상기 벽체 공간을 기준으로 내측을 향하는 상기 외벽의 내측부와 이격되어 마주보도록 배치되는 케이스;
   상기 외벽의 외측부와 상기 케이스의 일면 사이에 배치되고 복사열을 반사키는 판(plate) 형상의 반사부, 및 상기 외벽의 내측부와 상기 케이스의 타면 사이에 배치되고 상기 복사열을 투과시키는 판(plate) 형상의 투과부를 포함하고, 상기 반사부와 투과부가 상기 케이스를 감싸는 폐루프 형태로 연결되며, 상기 케이스를 중심으로 회전하는 반사재; 및
   상기 반사재를 회전시키는 동력부;를 포함하는 건물 단열장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 반사부는, 알루미늄을 포함하는 건물 단열장치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 투과부는, 고분자를 포함하는 건물 단열장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 동력부는,
   상기 반사재의 내면에 배치되는 고리형 벨트;
   상기 고리형 벨트와 맞물려 상기 고리형 벨트를 회전시키는 한 쌍의 풀리;
   상기 케이스의 일단 및 타단 각각에 배치되고, 한 쌍의 상기 풀리를 일대일로 고정하는 한 쌍의 고정대; 및
   한 쌍의 상기 풀리 중 적어도 어느 하나 이상을 회전시키는 구동모터;를 포함하는 건물 단열장치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 케이스는, 하면에 오목하게 함몰된 다수의 삽입공을 구비하고,
   상기 벽체 공간의 바닥면에 고정되고, 다수의 상기 삽입공에 삽입되도록 상향으로 돌출된 다수의 돌기를 구비하는 고정판; 및
   상기 외벽의 외측부 및 상기 외벽의 내측부 중 적어도 어느 하나와 상기 케이스의 상면을 연결하는 브라켓;을 더 포함하는 건물 단열장치.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 건물의 실외와 실내 온도 차이를 기반으로, 상기 반사부가 상기 외벽의 외측부 또는 상기 외벽의 내측부를 향하도록, 상기 동력부를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 건물 단열장치.
   

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