상태변화 캡슐 이용해 안전한 온수공급 핵심기술 개발
적정온도 유지하는 '열에너지 플러스 빌딩'가능성 기대

PCM수송을 이용한 4세대 열에너지 네트워크 모식도.<사진=KIST 제공>
PCM수송을 이용한 4세대 열에너지 네트워크 모식도.<사진=KIST 제공>
온수관·건축물에 활용할 수 있는 새로운 난방기술이 개발됐다.  

KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 신유환 박사팀이 차세대 난방기술로 PCM(Phase Change Material, 상태변화 물질) 캡슐을 이용한 열 수송 기술을 제시했다고 29일 밝혔다.

PCM의 대표적인 물질은 양초의 재료인 파라핀 오일이다. 이 재료는 고체에서 액체로 상태변화 시 열을 흡수해 저장한다. 반대로 다시 고체로 변화 시 저장된 열을 방출한다. 본 기술의 핵심은 열을 흡수시킨 PCM을 작은 타원형 구슬모양으로 캡슐화해 배관을 통해 이동시키는 것이다.

개발된 PCM 신 물질은 고체에서 액체로 상태변화시 약 50도의 온도를 유지한다. 이때 같은 온도의 물보다 70배 이상의 열을 저장할 수 있다. 따라서 PCM 캡슐을 활용해 기존 110도로 수송했던 온수를 50도로 수송할 수 있다.

결과적으로 온수 수송시 열 손실이 감소하고 배관의 안전성 문제가 해결된다. 이 물질은 반영구적으로 사용이 가능해 환경적·경제적 장점을 갖는다.

신유환 KIST 박사팀은 2017년부터 PCM 열 수송 기술 개발·연구를 진행하고 있다. 연구팀은 열 수송 핵심기술인 딱딱한 구슬모양의 열 저장 용기를 아주 작은 사이즈의 유연한 타원형 PCM 캡슐 형태로 바꿨다. 개선된 PCM 캡슐은 기존 대비 열 전달 성능이 5.5배 증가했고, 열 저장시 소요되는 시간이 50% 감소됐다.

연구팀은 주유소처럼 열 스테이션을 분기점별로 조성해 온수를 안정적으로 공급하는 아이디어를 제시했다. 현재 이 기술을 건축물 온도제어에 활용하는 '열에너지 플러스 빌딩'응용연구가 진행 중이다. 

연구팀이 개발중인 열에너지 플러스 빌딩은 적정온도를 유지하는 건축물이다. 여름철 건물 외벽의 뜨거운 열을 벽면 내부 PCM 캡슐에 저장한 후 건물 지하 20m 땅속에 단열보관한다. 겨울철이 되면 PCM 캡슐에 저장된 열을 다시 꺼내 건물의 온도를 올린다. 반대로 겨울철 냉기를 저장해 여름철에 냉방용으로 사용할 수 있다. 

KIST 국가기반기술연구본부는 차후 3년간 이 기술을 중점적으로 연구해 2025년 민간에 보급하는 것을 목표로 하고 있다.

신 박사는 "이번 연구를 통해 개발된 기술이 정부와 산·학·연의 협력기반으로 작용했으면 좋겠다"며 "PCM 열 수송 기술이 미래 신산업으로 발전되길 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 에너지분야 국제저널 'Energy Conversion and Management' 최신호에 게재됐다.

PCM을 이용한 온수 수송 원리.<사진=KIST 제공>
PCM을 이용한 온수 수송 원리.<사진=KIST 제공>
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