■ 일반적으로 건물 외피는 정상상태(Steady-state)라 가정하고 설계하지만, 실제 주변 환경은 끊임없이

    변화하며 건물 외피는 이에 대한 영향을 받게 됨.
■ 저에너지 주택을 연구？개발 과정에서 종래의 단열재는 건물 외피의 에너지성능을 개선하는 데 있어

   반드시 가장 비용효율적인 방법이 될 수 없음이 밝혀짐.
■ 본 보고서는 냉방부하를 절감하는 동시에 Peak 부하를 Off-peak 부하 발생시간대로 이동시킬 수

    있는 상변화물질(Phase Change Materials, PCMs)의 건물 외피 적용에 대한 연구를 수행함.
■ 본 연구에서는 Fraunhofer Center for Sustainable Energy System 연구진들이 상변화물질이 적용된

    건물 외피의 비용효율을 평가하기 위해 이에 대한 경제성 분석을 수행하고, 상변화물질이 종래의

    단열재와 가격 경쟁력을 갖추기 위한 적정 가격 수준을 제시함.
■ 상변화물질의 건물 적용방식은 크게 2가지로 구분하여 진행함: 석보고드에 상변화물질을

   삽입하여 제조한 방식과 분사형 상변화물질(캡슐화시킨 상변화물질을 섬유질 등에 분사하여

   상변화물질 혼합 단열재를 제조하는 방식)
■ 본 보고서는 상변화물질이 적용된 건물 외피의 성능을 이해하기 위해 Fraunhofer의 연구결과 외에도

    미국에서 수행된 선행 연구들도 정리하여 제시함.(표 1. 참조)(ix:1~ix:18)

■ 단열재와 상변화물질의 배합비율을 분석하기 위해 수치해석적 매수변수 연구를 수행함.
■ 특히, 상변화물질이 혼합된 여러 단열재의 비정상상태 열유속 데이터를 생성하기 위해 실제

   외기온도를 기반으로 1차원의 동적 에너지 시뮬레이션(시뮬레이션 모델은 [그림 1] 참조)을 수행함

   (ix:19~ix:21) 

■ 단열재와 유기 상변화물질의 혼합체(여기서는 [그림 2] (a) 타입을 적용함)의 는 상당량의 에너지

   저장 능력을 보여줌. 

■ 상변화물질이 혼합된 단열재를 적용한 구조체는 2가지 두께로 구분하여 시뮬레이션을 수행함:

    5.5 inch(0.14m) 벽체와 11.8 inch(0.3m) 다락층 바닥.
■ 에너지절감 측면에서는 상대적으로 두꺼운 다락층 바닥(11.8 inch)이 얇은 벽체(5.5 inch)에 비해

    3~5배가량 냉방부하를 많이 절감함.([그림 3] 참조)

■ 열유속 데이터를 비교해보면 주기적으로 외기에 노출된 벽체 속 상변화물질 혼합 단열재가 Peak

    부하 발생 시 열유속을 감소시키고, Peak 열유속 발생시간을 지연시켜줌.
■ 두꺼운 다락층 바닥 구성에서도 같은 효과가 나타남. 그러나 Peak 열유속 발생시간을 보다 많이

    지연시켰으며(약 11시간), 얇은 벽체에 비해 약 4배가량 Peak 냉방부하를 감소시킴.(ix:22~ix:35)

■ 시뮬레이션 결과 역시 같은 결과를 보여줌: 주기적으로 열환경에 노출된 상변화물질 혼합 단열재를

    포함한 다락층 바닥 구조체가 상변화물질이 없는 구조체와 비교했을 때, 열유속이 역전되는 현상,

    다시 말해 열이 반대 방향으로 흐르기 시작하는 현상이 나타남.
■ 상변화물질이 포함된 다락층 바닥(11.8 inch)의 경우, 열유속 역전현상이 하루의 약 70%까지(17시간)

    나타날 수 있는 것으로 분석됨.
■ 이러한 현상은 패시브(passive)한 냉방 효과를 가져와 결과적으로 에어컨에서의 에너지소비량을

   줄일 수 있음.
■ 다락층 바닥에 상변화물질 혼합 단열재를 적용하는 경우, 시뮬레이션 분석 결과 패시브 냉방 효과로

    인한 냉방부하 절감 효과는 약 25%에 달할 것으로 예측 됨.
■ 또한 시뮬레이션 결과 실내 설정온도와 상변화물질 녹는점이 거의 비슷할 때(본 연구에서는

    3.6℉(2℃) 차이) 냉방부하 절감 효과가 가장 극대화되는 것으로 나타남.
■ 수치해석 결과, 이러한 냉방부하 절감 효과(3.6℉(2℃) 차이 나는 경우)는 실내 설정온도와 상변화

    물질 녹는점이 12.6℉(7℃) 차이 나는 경우에 비해 4배 이상 큰 것으로 나타남.
■ 상변화물질 혼합 물질은 대게 냉방기에만 성능을 잘 발휘하므로, 본 연구는 다른 기후대에서 상변화

    물질 적용에 따른 열적 성능을 동적으로 평가하기 위해 연간 기후데이터를 바탕으로 장기

    성능평가에 대한 연구가 진행되어야 함을 강조함.(ix:36~x:12) 

■ 미국 내 5개 지역(Atlanta, Bakersfield, Fort Worth, Miami, Phoenix)의 외기데이터, 전력요금을

   반영하여 상변화물질의 투자회수기간을 산출함.
■ 투자회수기간 산출 조건은 실내온도 25℃, 최고 외기온도 (a) 45℃, (b) 65℃, 상변화물질

    가격 $1.50/lb~＄7.50/lb, 상변화물질 엔탈피 52Btu/lb(120KJ/Kg), 65Btu/lb(150KJ/Kg),

    82Btu/lb(190KJ/Kg), 95Btu/lb(220KJ/Kg)와 같음.
■ 상변화물질은 11.8inch(0.3m) 다락층 단열재의 30%에 해당하는 것으로 설정, 셀룰로우즈 비중

    1.6lb/ft3, 다락층 프레임 및 설비시스템 등으로 인한 부피를 제외하여, 다락층 상변화물질은

    총 522lb(237kg)이 적용된 것으로 설정함.
■ 상변화물질 가격에 따른 투자회수기간 산출 결과는 [그림 4]~[그림 8]과 같음.(p.32) 

■ 최고 외기온도 (a) 45℃, 상변화물질 투자회수기간 최대 10년으로 설정할 경우, 아래 3개 지역에서

   상변화물질 적용이 용이한 것으로 나타남.
  - Phoenix : 상변화물질 엔탈피가 82Btu/lb, 95Btu/lb(190KJ/Kg, 220KJ/Kg)인 경우 가격 상한선

   ＄4.50/lb, 유럽에서 가장 일반적으로 적용되는 엔탈피 52Btu/lb(120KJ/Kg)인 경우  가격 상한선

   ＄2.50/lb
  - Bakersfield : 상변화물질 엔탈피 82Btu/lb, 95Btu/lb(190KJ/Kg, 220KJ/Kg), 가격 상한선 ＄3.50/lb
  - Miami : 상변화물질 엔탈피 82Btu/lb, 95Btu/lb(190KJ/Kg, 220KJ/Kg), 가격 상한선 ＄2.50/lb
■ 최고 외기온도 (a) 45℃, 상변화물질 투자회수기간 최대 7년으로 설정할 경우, 아래 3개 지역에서

    상변화물질 적용이 용이한 것으로 나타남.
  - Phoenix : 상변화물질 엔탈피 82Btu/lb, 95Btu/lb(190KJ/Kg, 220KJ/Kg), 가격 상한선 ＄3.50/lb
  - Bakersfield : 상변화물질 엔탈피 82Btu/lb, 95Btu/lb(190KJ/Kg, 220KJ/Kg), 가격 상한선 ＄3.00/lb
  - Miami : 상변화물질 엔탈피 95Btu/lb(220KJ/Kg), 가격 상한선 ＄2.00/lb(p.38) 

■ 미국 내 5개 지역(Atlanta, Bakersfield, Fort Worth, Miami, Phoenix)의 외기데이터, 전력요금을

    반영하여 상변화물질의 투자회수기간을 산출함.
■ 투자회수기간 산출 조건은 실내온도 25℃, 최고 외기온도 (a) 45℃, (b) 65℃, 상변화물질 가격

   ＄1.50/lb~＄7.50/lb, 상변화물질 엔탈피 52Btu/lb(120KJ/Kg), 65Btu/lb(150KJ/Kg), 82Btu/lb(190KJ/Kg),

    95Btu/lb(220KJ/Kg)와 같음.
■ 상변화물질은 3.3inch(0.14m) 벽체 단열재의 30%에 해당하는 것으로 설정, 셀룰로우즈 비중 1.6lb/ft3,

    벽체 프레임 및 중공층 등을 고려하여 벽체에 상변화물질이 총 203lb(129kg) 적용된 것으로 설정함.
■ 상변화물질 가격에 따른 투자회수기간 산출 결과는 [그림 9]~[그림 13]과 같음.(p.44:18~p.45:13) 

■ 최고 외기온도 (a) 45℃, 상변화물질 투자회수기간 최대 10년으로 설정할 경우, 아래 3개 지역에서

   상변화물질 적용이 용이한 것으로 나타남.
  - Phoenix : 상변화물질 엔탈피가 82Btu/lb, 95Btu/lb(190KJ/Kg, 220KJ/Kg)인 경우 가격 상한선

                  ＄4.00/lb, 엔탈피 52Btu/lb(120KJ/Kg)인 경우 가격 상한선 ＄2.50/lb 
  - Bakersfield : 상변화물질 엔탈피 82Btu/lb, 95Btu/lb(190KJ/Kg, 220KJ/Kg), 가격 상한선 ＄2.50/lb
  - Miami : 상변화물질 엔탈피 82Btu/lb, 95Btu/lb(190KJ/Kg, 220KJ/Kg), 가격 상한선 ＄1.50/lb
■ 최고 외기온도 (a) 45℃, 상변화물질 투자회수기간 최대 7년으로 설정할 경우, 아래 3개 지역에서

   상변화물질 적용이 용이한 것으로 나타남.
  - Phoenix : 상변화물질 엔탈피 82Btu/lb, 95Btu/lb(190KJ/Kg, 220KJ/Kg), 가격 상한선 ＄3.00/lb
  - Bakersfield : 상변화물질 엔탈피 82Btu/lb, 95Btu/lb(190KJ/Kg, 220KJ/Kg), 가격 상한선 ＄2.00/lb
  - Miami : 상변화물질 엔탈피 95Btu/lb(220KJ/Kg), 가격 상한선 ＄1.50/lb (p.48) 

■ 본 보고서는 종래의 건물용 단열재와 가격 경쟁을 할 수 있는 상변화물질의 적정 가격 수준을

    평가하는데 목적이 있음.
■ 본 연구의 주요 결과는 다음과 같음.
1. 분사형 상변화물질을 다락이나 벽체에 적용하는 것은 냉방부하 절감 측면에서 매우 효과적임:

    다락 또는 벽체의 열유속을 절감시켰으며, Peak 부하 발생시간을 지연시킴.
2. 다락이나 벽체에 적용한 분사형 상변화물질은 비용효율적이며, 건물 적용 시 투자회수기간은

   10년 미만으로 나타남.
3. 비수기 전력요금 할인제도가 상변화물질의 건물 적용 시 비용효율을 높일 수 있는 중요한 수단임.
4. 향후 상변화물질의 가격 인하는 다음과 같은 방법을 통해 기대할 수 있음.
  - 엔탈피가 높은(약 86Btu/lb 또는 200kJ/kg) 상변화물질을 적용함: 널리 알려진 물질로는 바이오

    상변화물질(예를 들어, 지방산과 코스모스 지방 결합체) 또는 저렴한 가격의 염수화물 등이 있음.
  - 상변화물질 원자재 가격을 낮춤(예를 들어, 무기 상변화물질을 사용함).
  - Microencapsulation 가격을 낮추거나 보다 저렴하게 Micropackaging하는 방법을 개발함.
  - 보다 저렴한 무기 상변화물질의 Microencapsulation 방법을 개발함.
  - 건물 외벽에 상변화물질의 적용을 최적화한 제품을 개발함.
  - 상변화물질의 적정 가격을 설정해야 함: 남아메리카의 경우 상변화물질의 투자회수기간을 목표치를

    10년으로 설정할 경우 엔탈피 82Btu/lb~95Btu/lb(190kJ/kg~220kJ/kg)인 상변화물질의 가격 상한선은

   ＄3.50/lb~＄4.00/lb사이가 되어야함.(p.59)