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프로메테우스가 불을 훔쳐다 준 덕분에 인간은 추위에서 벗어날 수 있었다는 신화가 있습니다. 난방이란 땔감을 연소시킬 때 발생하는 열에너지를 얻는 것입니다. 난방은 쾌적한 실내 환경을 만들기 위한 HVAC (Heating, Ventilation, Air-Conditioning) 기술 중 가장 오래된 것입니다. 불을 피울 때 발생하는 열을 효과적으로 인체에 전달하고 부수적으로 발생하는 연소가스를 분리해내는 방법을 궁리하는 과정에서 지역별로 독특한 난방방식과 난방기술이 발달했습니다.

 

인체 열평형

사람이 느끼는 열 쾌적성은 인체 열평형 모델로 설명할 수 있습니다. 인체는 음식이라는 연료를 먹고 신진대사로 발생하는 체열을 외부로 방출시키는 일종의 열기관입니다. 체열을 충분히 발산시키지 못하면 더위를 느끼고 열을 너무 많이 빼앗기면 추위를 느낍니다.

▲ 인체 열평형 모델

인체와 주위 환경은 복사, 전도, 대류의 세 가지 원리로 열 교환을 합니다. 복사는 멀리 떨어진 태양에서 따뜻함을 느끼는 것처럼 전자기파에 의한 에너지 전달이고, 전도는 물체와 직접 접촉하면서 피부를 통해서 전도되는 열전달입니다. 그리고 대류는 주변 공기의 흐름에 의해서 인체 표면과 공기의 온도 차에 의해서 일어나는 열전달입니다. 대류에 의한 열 교환량은 주변 온도와 기류 속도에 의해서 결정됩니다.

VAC 엔지니어들은 계절에 따라 사람들이 쾌적하게 느끼는 온도 범위를 설정해서 냉난방 설계에 반영하고 있습니다. 열 쾌적 범위는 개인차가 크고, 여러 가지 요인(활동량, 의복량, 습도 등)에 따라서 달라지지만, 대체로 겨울에는 20~24도, 여름에는 25~28도 정도의 범위에 머무는 것으로 알려져 있습니다.

 

난방 방식

난방 방식은 주된 인체 열 교환 원리에 따라서 복사 난방, 전도 난방, 대류 난방으로 나누어집니다. 고온의 난방기구로 멀리서 복사열을 전달하는 방식, 벽체나 바닥을 가열하여 전도열을 전달하는 방식, 그리고 주변 공기를 데우는 대류 방식이 그것입니다.

첫째, 복사난방은 모닥불처럼 고온의 열원을 이용합니다.

모닥불을 실내로 가지고 들어온 것이 벽난로나 화롯불 같은 것들입니다. 복사열은 빛처럼 직진하기 때문에 불을 직접 마주 보이는 곳에만 전달됩니다. 불을 쬐고 있는 쪽은 뜨겁고 반대쪽은 차갑기 때문에 국소적인 불쾌감이 생기기 쉽습니다. 또 불이 꺼지는 순간 복사에너지는 바로 사라집니다. 오랫동안 열을 보존하기 위해 페치카처럼 화염 주변에 벽돌을 쌓아 축열을 합니다. 최근에는 천장에 열선을 깔아 복사난방을 하는 경우를 종종 볼 수 있습니다. 특히 호텔 입구처럼 건물 밖에서 일하는 사람들에게 공기 온도를 높이지 않더라도 부분적으로 복사열을 전달할 수 있습니다.

둘째, 전도에 의한 난방 방식입니다.

▲ 온돌의 구조(출처: 위키백과)

우리나라 온돌이 대표적입니다. 서 있을 때는 발바닥을 따뜻하게 하고, 앉아 있을 때는 궁둥이를 데워주며, 누워있을 때는 온몸을 따뜻하게 해줍니다. 실내공기가 차더라도 인체는 따뜻한 물체와 닿아 있기 때문에 따뜻함을 느낍니다. 그만큼 열에너지를 효과적으로 이용하는 것입니다. 실내공기를 차게 유지할 수 있기 때문에 머리는 시원하게 하면서 발은 따뜻하게 즉 두한족열(頭寒足熱)의 쾌적감을 제공할 수 있습니다. 하지만 요즘처럼 단열이 잘 된 건물에서는 바닥을 뜨겁게 했다가는 자칫 과잉 난방이 될 우려가 있습니다.

우리나라 바닥 난방은 과거 땔감을 때던 구들 형태로 시작해서 연탄 온돌로 바뀌었다가 이제는 대부분 배관을 통해 물을 순환시키는 온수 방식으로 발전했습니다. 특별한 경우 전기코일이 깔린 전기온돌이 사용되기도 합니다. 최근에는 유럽이나 중국 등지에서 고급 아파트나 목욕탕을 중심으로 바닥 난방이 설치되는 사례가 늘어나고 있습니다.

셋째, 대류 난방입니다.

대류 난방이란 공기를 가열하여 실내 온도를 높이는 난방방식입니다. 대형 건물에서 주로 쓰이는 방식으로 덕트를 통한 공기 순환 방식이나 창문 옆 라디에이터에 온수를 공급하는 물순환 방식 등이 있습니다. 이 방식은 직접 공기 온도를 조절하기 때문에 전체 실내공간을 균일한 온도로 유지할 수 있지만, 넓은 공간을 데우기 위해 에너지 소모가 많고 겨울철 실내 공기가 건조해질 우려가 있습니다.

▲ 온도성층화(출처: 공대생도 잘 모르는 공학이야기)

또 최근 냉난방 겸용 에어컨이 널리 사용되고 있습니다. 개별실 온도 제어가 편리하지만, 겨울철에는 천장에서 더운 공기가 공급되다 보니 위쪽 공기는 따듯하고, 아래는 찬 공기가 머무르면서 온도 차가 커지고 온도 성층화가 이루어져, 발은 차갑고 머리는 뜨거운 쾌적하지 못한 환경이 만들어질 수 있습니다.

 

난방 연료의 변화

각종 난방에 사용되는 연료는 해방 초기에 나무와 연탄 등 고체 연료에서 시작해서 1970년대 주유종탄 정책 이후 석유로 바뀌었고 80년대부터 본격적으로 도시가스가 공급되면서 기체연료로 바뀌었습니다. 고체보다는 액체가, 액체보다는 기체가 위험성이 높지만 유동성이 좋고 사용이 편리한 것은 사실입니다.

최근에는 자동 조절이 쉽고 깨끗하다는 점 때문에 전기히터 사용이 급격히 늘고 있습니다. 부분적으로 사용되는 가정용 복사형 전기히터나 전도열을 공급하는 전기 매트뿐 아니라 열풍을 공급하는 덕트 형 대류방식에도 전기가 종종 사용되기도 합니다.

벌써 겨울입니다. 한겨울의 추위를 이겨내기 위해 몇 가지 생활 속 에너지 절약 법칙 소개해 드립니다.

<겨울철 에너지 절약 Tip>

1) 가급적 햇볕 복사열을 자주 쬡니다.
2) 주머니 속 손 난로를 이용해 전도열을 받는 것도 좋은 방법이 될 것입니다.
3) 난방 에너지를 절약하기 위해 활동량을 높여 체열 발생을 증가시킵니다
4) 내복으로 단열효과를 높이는 방법도 강력 추천합니다.

인체 열평형 모델과 난방 기술의 원리 재밌게 보셨나요? 공간에 알맞은 효율적 난방방식을 고려해 보시고, 안전하게 사용하시기를 바라면서, 올해도 모두가 건강하고 따뜻한 겨울을 보내시길 바랍니다.

 

※이 칼럼은 해당 필진의 개인적 소견이며 삼성디스플레이 뉴스룸의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다.

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