열저장 매체 적용을 위한 초고성능 콘크리트의 고온에서의 열특성

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, a study was conducted on the development of a thermal energy storage medium, which is one of the methods of utilizing solar energy. A goal was set for the development of concrete as a thermal energy storage medium, and it is necessary to evaluate the characteristics and performance of concrete for efficient thermal energy storage. Solar energy is forced into an environment where it is exposed to repetitive high temperatures. Accordingly, the material properties, temperature distribution, and heat transfer performance of the concrete were evaluated.
Ultra high performance concrete (UHPC) possesses a high level of strength and exhibits relatively greater durability than ordinary concrete when exposed to high temperatures. The ultra-high-performance concrete applied in this study was set at 120 MPa and 180 MPa levels, and for comparison, ordinary mortar similar to the material composition of ultra-high-performance concrete was set as a standard, and experiments were also conducted on this. Steel fiber, which is one of the constituent materials of ultra-high-performance concrete and has a high unit weight that can be applied as an important factor in thermal energy storage media, exhibits high thermal conductivity. High unit weight and thermal conductivity are elements that promote efficient heat storage, and concrete, which has high durability in repeated high temperature applications, is a suitable material that can serve as a thermal energy storage medium. A study on the material properties of ultra-high performance concrete was conducted to analyze the durability performance at high temperatures.
The target heat source in this study is solar energy. Therefore, a thermal cycle was set up and applied to concrete to simulate the repetitive cycle of day when solar heat can be obtained and night when solar heat cannot be obtained. The mechanical properties and thermal properties of concrete materials before and after application of the thermal cycle were analyzed. Typically, unit weight and thermal conductivity rapidly decrease when exposed to one thermal cycle, but show a similar trend from 2 to 3 heat cycles. Although the compressive strength and splitting tensile strength of ultra-high-performance concrete show a large decrease after application of heat cycle, it shows superior mechanical performance compared to ordinary concrete.
Finally, in order to be used as a thermal energy storage medium, it is necessary to analyze the efficient heat storage and heat dissipation characteristics of concrete. For effective heat transfer, a concrete block with a heat transfer pipe inserted was fabricated, a repetitive heat cycle was applied, and the temperature distribution and thermal energy information were analyzed. After applying one thermal cycle, the temperature distribution and thermal energy decrease, but from the application of two or more thermal cycles, a similar trend is shown without a clear decrease. In addition, as the surface heat transfer area per unit length increases, the heat transfer performance improves, and it is very easy to store and dissipate heat.
Numerical analysis of heat transfer was performed based on experimental values of material properties of ultra-high performance concrete blocks for thermal energy storage media, and performance evaluation was performed through cross-validation with experimental values of ultra-high performance concrete blocks. The 180 MPa class ultra-high-performance concrete showed the largest temperature distribution and thermal energy, which corresponds to excellent heat transfer performance, and is judged to be the best within the scope of this study because it serves as a thermal energy storage medium. Representatively, the maximum thermal energy of the 180 MPa class ultra high performance concrete was improved by 25.1% and 14.4%, respectively, compared to normal concrete and 120 MPa class ultra high performance concrete. Therefore, it is judged that 180 MPa class ultra-high performance concrete will be able to produce high-efficiency heat energy as well as stable operation of a heat energy storage medium through durability capable of resisting high temperatures in consideration of excellent material characteristics.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 태양열 에너지를 활용하는 방법의 하나인 열에너지 저장 매체 개발에 관한 연구를 수행하였다. 열에너지 저장 매체로써 콘크리트 개발에 목표를 설정하였으며, 효율적인 열에너지 저장을 위해 콘크리트의 특성 및 성능 평가가 필요하다. 태양열 에너지는 반복적인 고온에 노출되는 환경이 강제된다. 그에 따른 콘크리트의 재료 특성, 온도분포 및 열전달 성능 평가를 수행하였다.
초고성능 콘크리트(ultra high performance concrete, UHPC)는 높은 강도 수준을 보유하며 고온 노출에서 보통 콘크리트보다 상대적으로 뛰어난 내구성을 나타낸다. 본 연구에서 적용한 초고성능 콘크리트는 120 MPa 및 180 MPa 수준으로 비교를 위해 초고성능 콘크리트의 재료 구성과 유사한 보통 모르타르를 기준으로 설정하였으며, 이에 대한 실험도 수행하였다. 열에너지 저장 매체에 중요한 요소로 적용될 수 있는 높은 단위중량을 가지며, 초고성능 콘크리트의 구성 재료 중 하나인 강섬유는 높은 열전도도를 나타낸다. 높은 단위중량과 열전도도는 효율적인 축열을 도모할 요소이며, 더불어 반복적인 고온 적용에서 높은 내구성은 갖는 콘크리트는 열에너지 저장 매체의 역할을 수행할 수 있는 적합한 재료이다. 고온에서 내구성능을 분석하기 위하여 초고성능 콘크리트의 재료 특성에 관한 연구를 수행하였다.
본 연구에서 목표로 하는 열원은 태양열 에너지이다. 따라서 태양열을 얻을 수 있는 낮과 얻지 못하는 밤의 반복적인 사이클을 모사하기 위하여 열사이클(thermal cycle)을 설정하여 콘크리트에 적용하였다. 열사이클 적용 전과 후의 콘크리트 재료 특성인 역학적 특성과 열적 특성 분석을 수행하였다. 대표적으로 1회의 열사이클 노출에서는 단위중량, 열전도도는 급격히 감소하나, 2∼3회 이상의 열사이클부터는 유사한 경향을 나타낸다. 초고성능 콘크리트의 압축강도 및 쪼갬인장강도는 열사이클 적용 후의 큰 감소를 나타내지만, 보통 콘크리트에 비해 우수한 역학적 성능을 나타낸다.
최종적으로 열에너지 저장 매체로써 사용되기 위해서는 콘크리트의 효율적인 축열 및 방열 특성 분석이다. 이에 효과적인 열전달을 위해 열전달용 파이프가 삽입된 콘크리트 블록을 제작하여 반복적인 열사이클을 적용하였으며, 온도분포 및 열에너지 정보를 분석하였다. 1회의 열사이클 적용 후에는 온도분포 및 열에너지는 감소하나, 2∼3회 이상의 열사이클 적용부터는 확연한 감소없이 유사한 경향을 나타낸다. 또한, 단위 길이당 표면적인 전열 면적이 클수록 열전달 성능은 향상되며, 축열 및 방열에 매우 용이하다.
열에너지 저장 매체용 초고성능 콘크리트 블록의 재료특성 실험값을 토대로 열전달 수치해석을 수행하였으며, 초고성능 콘크리트 블록의 실험값과 교차검증을 통한 성능평가를 수행하였다. 180 MPa급의 초고성능 콘크리트가 가장 큰 온도분포와 열에너지를 나타냈으며, 이는 열전달 성능이 우수한 것과 상응하며, 열에너지 저장 매체 역할을 수행하기에 본 연구범위 내에서 가장 우수한 것으로 판단된다. 대표적으로 180 MPa급의 초고성능 콘크리트는 보통 콘크리트 및 120 MPa급의 초고성능 콘크리트보다 최대 열에너지가 각각 25.1% 및 14.4% 향상되었다. 따라서, 180 MPa급의 초고성능 콘크리트는 우수한 재료 특성을 고려하여 고온에 저항할 있는 내구성을 통해 안정적인 열에너지 저장 매체 운용과 더불어 고효율의 열에너지 생산이 가능할 것으로 판단된다.

참고문헌 (Reference)

• 1 Bentz, D. P., Valdez, P., Peltz, M. A., Juarez, C. A, Duran-Herrera, A., "Thermal properties of high-volume fly ash mortars and concretes", 34(3), 263-275, 2011
• 2 강수태, 류금성, 고경택, "초고성능 콘크리트의 재료적 특성 및 개선 방향", 콘크리트학회지, 28(1), 21-25, 2016
• 3 Hugi, E., Winnefeld, F., Wakili, K. G., Schnewlin, P., Karvonen, L., "Thermal behaviour of autoclaved aerated concrete exposed to fire", 62, 52-58, 2015
• 4 Akhiani, A. R., Shafigh, P., Mahyuddin, N. B., Hashemi, M., Asadi, I., "Thermal properties of cement mortar with different mix proportions", 70(339), e224-e224, 2020
• 5 Graybeal, B. A, "Material property characterization of ultra-high performance concrete (", No. FHWA-HRT-06-103, 2006
• 6 Cabeza, L. F., Segarra, M., Martínez, M., Martorell, I., Fernández, A., "Selection of materials with potential in sensible thermal energy storage", 94(10), 1723-1729, 2010
• 7 Alva, G., Liu, L., Huang, X., Fang, G., "Thermal energy storage materials and systems for solar energy applications", 68, 693-706, 2017
• 8 Choi, Y. C., Yang, I. H., Lee, J. H., "Thermal and Mechanical Properties of Alumina Cementitious Composite Materials", 3(3), 199-205, 2015
• 9 Bao, X., Yang, H., Memon, S. A., Dong, Z., Cui, H., "Thermal properties of cement-based composites for geothermal energy applications", 10(5), 462, 2017
• 10 Bahl, C., Lehmann, D., Laing, D., Fiß, M., "Test results of concrete thermal energy storage for parabolic trough power plants", 131(4), 2009
• 11 Beaucour, A. L., Xing, Z., Noumowe, A., Ledesert, B., Hebert, R., "Aggregate’s influence on thermophysical concrete properties at elevated temperature", 95, 18-28, 2015
• 12 Lyzwa, J., Zehfuss, J., "Experimental investigations of ultra-high performance concrete exposed to natural fires", 125, 103399, 2021
• 13 Chen, G., Zhu, Y., Kumar, A., Hussein, H., "A review: Material and structural properties of UHPC at elevated temperatures or fire conditions", 123, 104212, 2021
• 14 Akca, A. H., Özyurt, N., "Effects of re-curing on residual mechanical properties of concrete after high temperature exposure", 159, 540-552, 2018
• 15 He, W., Wu, Z., Wu, L., Shi, C., "Effects of steel fiber content and shape on mechanical properties of ultra high performance concrete", 103, 8-14, 2016
• 16 Wang, W. C., "Compressive strength and thermal conductivity of concrete with nanoclay under Various High-Temperatures", 147, 305-311, 2017
• 17 Adl-Zarrabi, B., Johansson, P., Hagentoft, C., "Using transient plane source sensor for determination of thermal properties of vacuum insulation panels", 1(4), 334-340, 2012
• 18 Kim, K. C., Yang, I. H., "Mechanical and thermal characteristics of cement-based composite for solar thermal energy storage system", 20(4), 9-18, 2016
• 19 Gustafsson, S. E., "Transient plane source techniques for thermal conductivity and thermal diffusivity measurements of solid materials", 62(3), 797-804, 1991
• 20 Chan, Y. N., Sun, W., Luo, X., "Compressive strength and pore structure of high-performance concrete after exposure to high temperature up to 800 C.", 30(2), 247-251, 2000
• 21 Saafi, M., Yu, M., Ye, J., Xue, C., Xu, L., Xu, H., "Experimental study on thermal performance of ultra-high performance concrete with coarse aggregates at high temperature", 314, 125585, 2022
• 22 Han, T. S., Suh, J., Kim, S. Y., Kim, S. J., "Analysis of Microstructure and Thermal Conductivity of Concrete Thermal Energy Storage based on Amount of Graphite Mixture", 34(5), 293-300, 2021
• 23 Brooks, A. L., Zhou, H., "Thermal and mechanical properties of structural lightweight concrete containing lightweight aggregates and fly-ash cenospheres", 198, 512-526, 2019
• 24 Aydın, S., Yazıcı, H., Baradan, B., "High temperature resistance of normal strength and autoclaved high strength mortars incorporated polypropylene and steel fibers", 22(4), 504-512, 2008
• 25 Choi, Y. C., Yang, I. H., Kim, K. C., "Effect of cementitious composite on the thermal and mechanical properties of fiber-reinforced mortars for thermal energy storage", 28(4), 395-405, 2016