온대기후대 단독주택의 야간 패시브 냉각에 대한 연구 -상변화물질의 비열 계산에 대한 검토- = A Study on Nighttime Passive Cooling of Houses in Warm Climate Zones -An Examination of Specific Heat for Phase Change Materials-

국문 초록 (Abstract)

이 연구는 온대 기후대에 위치한 주거 건물에서 야간 수동 냉각 전략의 효과를 조사하며, 특히 자연 환기와 위상 변화 물질(PCM)의 통합에 중점을 두고 있다. 야간 냉각 동안 PCM의 열적 성능에 대한 실측을 수행하고, PCM의 비열 계산 방법들을 평가하여 열평형 방정식 방법이 측정 데이터와 비교 시 오차 범위가 0.5°C 미만으로 가장 정확한 결과를 제공함을 확인하였다. 일본 쿠마가야의 목재 단층 건물에서 현장 측정을 활용하여 계절별 야간 환기 동안 PCM의 축랭 성능을 분석한 결과, PCM의 냉각 능력은 기상 조건에 따라 크게 달라지며, 온화한 기온의 5월에 최적의 성능을 보이는 반면, 6월이나 9월과 같이 기온이 높은 달에는 성능이 다소 떨어지는 것으로 나타났다. 또한, 건물의 방향이 냉각 효율에 큰 영향을 미침을 보여주었는데, 서향의 실내나 아침 태양 복사로부터 차단된 동향의 실내에서 더 우수한 냉방 효과가 관찰되었다. 연구 결과는 PCM과 야간 환기를 결합한 전략이 온대 기후의 냉방 에너지 수요를 줄이는 데 유망한 잠재력을 보이나, 단독 솔루션으로 적용하기보다는 보완적인 수동 설계 접근 방식이나 기계식 시스템과 통합할 때 최적의 결과를 얻을 수 있음을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study examines the effectiveness of nighttime passive cooling strategies in residential buildings located in warm climate zones, with a specific focus on integrating Phase Change Materials (PCM) with natural ventilation. The research conducts an empirical analysis of PCM's thermal performance during nighttime cooling and evaluates different specific heat calculation methods for PCM, determining that the heat balance equation method which is proposed previously provides the most accurate results with error margins below 0.5°C compared to measured data. The research utilized field measurements in a wooden single-story building in Kumagaya, Japan, analyzing PCM cold storage performance during nighttime ventilation over different seasonal periods. Results indicate that PCM's cooling capacity varies significantly with weather conditions, showing optimal performance during moderate temperature months (May) compared to warmer months (June, September). The study also demonstrates that building orientation significantly impacts cooling efficiency, with west-facing rooms or east-facing rooms shaded from morning solar radiation exhibiting superior performance in maintaining cooler indoor temperatures. The findings suggest that while PCM combined with nighttime ventilation shows promising potential for reducing cooling energy demand in temperate climates, optimal results are achieved when this passive cooling strategy is integrated with complementary passive design approaches or mechanical systems rather than implemented as a standalone solution. Future research should focus on determining optimal phase change temperature ranges for specific climate conditions and exploring hybrid passive-active cooling systems that maximize PCM's thermal storage capabilities.