R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201414CHUD-C061954-03 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 축열 성능이 향상된 슬래브를 이용한 저에너지 복사냉난방시스템 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2012-04-10 ~ 2015-02-09 | |||||
| 연구책임자 | 임재한 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
6명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
11명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 225,000,000 원 기업 : 87,500,000 원 계 : 312,500,000 원 |
총연구비 | 정부 : 575,000,000 원 기업 : 210,000,000 원 계 : 785,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 이화여자대학교 산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
○건축물 에너지효율 향상을 위한 구체축열 공조시스템 -최근 전력수요가 급증하면서 냉난방 에너지의 수급에 어려움을 겪고 있음 -이에 대한 대안으로 주로 심야 전력을 이용해 야간에 얼음이나 물에 축열하여 주간 냉난방에 이용하는 빙축열/수축열 공조시스템이 활발하게 연구, 보급됨 -구체축열 공조시스템이란 건물 구조체 일부인 바닥 슬래브의 콘크리트를 활용, 심야전력을 이용해 냉열이나 온열을 축적하고, 주간에 그 열을 방열하고 냉난방에 이용할 수 있는 구체축열 공조시스템을 일컬음 -이는 건물과 일체화된 축열 및 공조설비 기술로서 신재생에너지나 미활용에너지 등 저온수 난방열원, 고온수 냉방 열원을 활용하여 건물에서의 에너지 효율 향상을 꾀할 수 있음 ○PCM(상변화물질) 및 PC(Precast Concrete) 슬래브 구조체를 이용한 구체축열 공조시스템의 장점 -심야전력을 이용하여 전력부하의 평준화를 꾀할 수 있으며, 신재생에너지 등 친환경 열원을 냉난방에 활용함으로 온실가스 발생을 줄임 -구체 자체를 축열에 활용함으로써 축열조 등의 별도 기계실 면적이 소요되지 않으며, 공조설비에서 덕트 사이즈를 줄여 층고를 저감할 수 있으며, 장비 용량을 줄여 설비 투자비를 줄일 수 음 -사용자 입장에서 심야전기나 신재생에너지를 열원으로 활용함으로써 에너지 비용을 줄일 수 있음 -PCM을 활용하여 PC 슬래브의 축열량을 크게 증가시킴으로써, 슬래브의 두께를 증가시키지 않고도 축열 성능 및 구조안정성을 확보할 수 있음 -야간에 공조를 필요로 하지 않는 관공서, 사무소，학교，상가 등의 건물에 적용함으로써, 국가적 전력 수급 차원에서 건물 냉난방 운전 시간을 조절하여 전력 최대 수요를 억제(peak clipping)하고 피크 부하를 이동(peak shifting)할 수 있음 ○구체축열 공조시스템의 국내외 현황 -국내에서는 E대학 건물에서 콘크리트 슬래브 내에 배관을 매설하여 지열시스템과 연계한 구체축열 공조시스템이 적용되었으며, 국내 설계 프로젝트에서도 점차 보급이 시도되고 있는 추세이지만, 실제 적용 사례는 아직까지 활발하지 않음 -해외의 경우 최근에는 구체축열 공조시스템의 축열성능을 향상시키기 위해 PCM을 이용한 기술 개발을 진행하고 있으며, 이를 통해 신재생에너지나 미활용에너지의 활용이나 보급을 늘림으로써 건물에서의 에너지효율 향상 도모 -이와 같이 PCM을 활용한 구체축열 공조시스템을 개발하여 현장에 적용하기 위해서는 시스템의 설계단계에서 건축설비 및 건축구조, 건축재료적인 측면에서 세부 요소기술이 종합적으로 검토되고, 건물 운전단계에서 최대 전력 수요를 감안한 운전방법 및 건물에서의 에너지성능이 평가되어야 함 ○이에 본 연구과제에서는 국가적인 건물에너지 정책에 부합하는 제로에너지 건물의 복사냉난방시스템으로서 PCM을 활용한 구체축열 PC 슬래브 부재를 개발하고, 이를 건축 설계에 적용하기 위한 PCM 재료 및 구체축열 콘크리트의 배합 기술, 구체축열 PC 슬래브의 최적 구조설계 기술 및 냉난방 설계 기술을 개발하고자 함 ○또한, 이를 위해 건축재료 및 건축구조, 건축설비 분야의 세부적인 기술로 구분하여 단계별 성능 목표 수준을 수립하고, 구체축열 공조시스템의 설계 기술 및 가이드라인을 제시하고자 함 [최종목표] ○PCM을 활용한 구체축열 공조시스템을 개발하고, 이를 건축물에 적용하기 위해 PCM 재료의 콘크리트 배합 기술 및 PC 슬래브의 최적 구조설계 기술을 개발하는 것을 최종목표로 함 ○건축설비기술 분야 -PCM을 활용한 구체축열 공조시스템의 설계 및 운영 기술을 개발을 목표로, 구체축열 PC 슬래브 설계 단계 및 기준 등에 대한 매뉴얼과 운영 가이드라인을 작성함 ○건축재료기술 분야 -PCM 재료 및 구체축열용 콘크리트 배합 기술 개발을 목표로, 친환경 콘크리트 재료인 SSPCM을 개발하고 PCM 콘크리트 최적 배합비를 분석함 ○건축구조기술 분야 -PCM을 활용한 구체축열 PC 슬래브 최적 구조 설계 기법 개발을 목표로, PCM 활용 시작품 제작 시 구조성능분석 및 구조설계 매뉴얼을 작성함 [연구내용 및 범위] ○건축설비기술 분야 -기존 구체축열 공조시스템의 기술 개발은 기존 콘크리트 슬래브에 매설된 배관을 통해 온수나 냉수가 공급되어 냉난방이 수행되는 방식으로서 슬래브 구조 설계에 기반하여 축열량에 한계를 가짐 -이를 보완하기 위해 PCM 소재를 이용하여 슬래브의 두께를 늘리지 않고도 구체축열 성능을 향상하고, 공업화 건축 부재로서 표준적인 설계 기준을 도출 -주요 연구내용은 구체축열 슬래브의 동적 열거동 특성 분석 -구체축열 공조시스템의 최적 운영 기술 개발 -구체축열 공조시스템의 냉난방 및 환기 기술 개발 -신재생에너지와 연계된 구체축열 공조시스템의 운영 방안 개발 -전력 피크 부하 저감을 위한 구체축열 공조시스템의 운영 방안 개발 ○건축재료기술 분야 -국내 PCM 관련 연구는 대부분 에너지절감을 위한 고효율 축열 건자재 및 건축자재에 대한 개발에 대한 내용으로, 건축물 구조체가 아닌 건축 내장재에 적용하기 위한 연구가 이루어지고 있음 -본 연구에서는 기존 연구들과는 달리 건축 구조체인 PC 슬래브에 PCM을 적용하기 위하여 콘크리트에 SSPCM을 적용하는 연구를 수행하고자 함 -PCM을 활용한 구체축열 PC 슬래브 부재의 제조와 냉난방시스템의 성능평가를 위한 주요 연구내용은 구체 축열 시스템의 열적거동에 따른 적용 PCM의 선정, -친환경 콘크리트 재료를 이용한 SSPCM 제조 기술 개발 -SSPCM이 혼합된 축열 콘크리트 제조 -구체축열용 콘크리트의 축열 성능 향상 방안 연구 -고효율 축열 콘크리트 제조 기술 개발 ○건축구조기술 분야 -PC 중공슬래브와 관련하여 기존의 연구는 중공슬래브의 현장적용에 있어서 시공상의 어려움을 극복하기 위한 연구, 2방향 중공슬래브를 위해 경량체 개발 및 모듈화, 시공기법의 개발 연구 등이 일반적 -본 연구는 중공슬래브에 PCM을 도입함으로써 발생할 수 있는 구조거동의 특성을 파악하고, PCM과 콘크리트 거동의 일체화 여부, PCM에서 발생시키는 열응력이 구조거동에 미치는 영향을 분석하여 PCM이 도입된 PC 중공슬래브의 제작시 구조설계식에 고려되어야 할 점들을 제시하고, 이를 반영한 구조설계 기법을 제안하고자 함 -특히 슬래브와 기둥의 접합지점에서 발생할 수 있는 균열 및 뚫림 전단 특성을 바탕으로 접합부분의 전단설계 기법을 제안하여 보다 안전하고 신뢰성 있는 중공슬래브의 도입을 현실화 하고자 함 |
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