복사냉방-2

열적 느낌의 차이

지난번에 OT (Operation Temperature) 와 열적 쾌적감의 6가지 요소에 관해 언급한 바 있다. 6가지 중 건구온도와 복사온도 가 있다.

방의 온도가 26도로 대류공조 (에어컨 가동) 로 유지하는 두곳이 있다고 생각해보자.

한 방은 대류공조만으로 26도를 유지하고 있다. 이 방의 바닥, 천정, 벽의 온도는 28도 이다. 일반적으로 에어컨으로 유지하는 방의 온도는 대략 이렇다. 대부분의 경우 26도로 에어컨을 유지하면 덥다고 느끼는 경우가 많다.

또 다른 방도 대류공조로 26도이다. 하지만 복사 온도는 25도 이다. 복사 냉방으로 복사면 온도를 조정할 수 도있다. 이때의 26도는 전혀 느낌이 다른것이다. 이 예는 실제로 겪어보지 않으면 상상이 잘 안된다.

그러나 경험해본 결과 맞다. 지난 몇년간 밤에 주로 거실에 앉아 게임이나 책을 보면서 거실의 온도계를 살펴보면 항상 25도 이상 이였다. 그렇지만

덥다고 느끼지는 못했다. 복장은 편한 상태였고 활동은 거의 없는 상태였다.

우리가 사용하는 온도계는 건구온도계이고 습도의 정도를 반영한 습구 온도계라는 것이 있고 복사 온도를 측정하는 복사온도계도 있다. 이 복사온도계는 각 복사면의 표면온도를 측정하는 것이다. 코로나 때문에 많이 사용해온 비접촉 온도계를 생각하면 된다.

이렇게 온도는 벽면의 복사온도가 느낌에는 확실하게 영향을 준다.

복사냉방의 현재 상황

십년 전에 복사공조가 국내 건설에서 유행몰이를 하던때가 있었다. 지금까지 이어진 경우는 거의 없어 보인다. 아파트를 주 시장으로 하는 건설회사에서 보편적인지 않은 복사 냉방을 실천하기에는 어려움이 많았을 것이고 그래서 대부분 연구소의 과제로만 진행하다가 지금은 

접은 상태가 대부분이다. 결로문제등등 이유는 많다. 내가 보기엔 접근에 잘못이 있었다고 본다. 근본적인 원리에서 그 원리를 구현할 방법을 찾았어야 했는데 외국회사의 복사 판넬이나 제습 제어시스템등의 각론에 집중하고 이것을 강조하다 보니 결과적으론 고비용의 방식으로 치부되었다.  적용 대상 부터가 문제가 있었다. 위 언급한 6가지 쾌적감의 요소중 의복 상태가 있다. 복사는 인체 표면과 복사면의 온도차이로 인한 에너지의 교환 메카니즘이다. 그들이 주로 대상으로 생각한 사무실의 의복은 여름철 0.7정도이다. 0.5가 반바지, 반팔 상태이다.  자, 사무실 출근 복장이 과연 복사 메카니즘을 전달할수 있겠는가? 되긴 된다. 목표를 달성하는 공학적인 방법은 많이 있다. 그러나 이 경우는 필연적을 고비용의 설비와 운전비로 그 본연의 취지와는 맞지 않기 쉽다. 

당연하지만 넥타이까지 착용한 복장이 어떻게 복사의 에너지 전달이 가능한가? 보호막을 두르고 있는데. 복사의 원 취지대로 최소의 에너지로 최대의 효과를 볼수 있는 건축환경은 주거공간이 맞다.

복사냉방을 해보면서

가정 규모의 복사는 적절히 응용된다면 충분히 경제적인 냉방방식이 될수 있다.  세가지의 고민이 있다.

첫째는 결로는 어떻게 해결할 것인지? 

그 시작

4년전 갑자기 일을 저질렀다. 수입한 히트펌프를 이용해서 바닥 냉방을 해보자는 꿈같은 생각만으로 시작했다. 보일러 배관을 중간 커트한 후 각각 볼밸브를 달아 여름에는 칠러를 통해 바닥에 냉수가 흐르도록 작업을 했다. (지금조 똑같지만 그림과 같다)

칠러의 설정온도 (출구)는 18도로 맞췄다. 처음에는 20도였던것 같다. 아무튼 좋았다. 시작은.. 위의 26도 쾌적함을 느끼며 아 이거구나 했다. 6월 중순이 되니 조금씩 달라 짐을 느꼈다. 바닥에 물방울이 맺히기 시작했다. 하루 아침에 달라 지더만, 한국의 습도란게..

결로가 보이니 당연히 제습기를 꺼내고 켜기 시작했다. 그러나  제습기는 상대 습도와 절대 습도를 낮추지만 건구온도는 무지 올린다는 걸 나중에 깨닫았다. 전문가로서 창피하지만 그땐 진짜 몰랐다. 천정의 실링팬과 제습기만으로 가능하리라고 생각했었다. 그러나 

제습기와의 조합은 최악이였다.  더웠다. 그래서 바닥면 출구 온도를 18도에서 15도 까지 낮춰보았다. 절대 정답이 아니었다. 발바닥은 차고 위는 더운 이상한 상태가 되고 말았다. 열이 많이 안나는 제습기로도 구해보고 몇 주간 고생했다. 그당시 우리집엔 에어컨을 설치하지 않았다. 인테리어 공사시부터 복사냉방을 구현하고 싶어 계획을 하지 않았다…

아무튼 미안한 몇주가 지나고 장마도 끝나고 문득 든 생각이 에어컨의 제습 효과였다. 이전에는 에어컨에서 냉각코일의 출구의 공기가 상대 습도 90% 에 달하기에 오히려 결로에 도움이 되지 않을거 아닌가 싶었다. 이때 절대 습도의 감소는 간과했었다. 이렇게 반신반의한 상태에서 조그만 에어컨 (그냥 평범한 에어컨) 을 설치했다.

조그마한 에어컨 설치 이후의 변화

60평의 면적에 3kw 용량의 에어컨은 기존 대류냉방이라면 절대 불가능한 조합이었다. 3kw 의 에어컨은 8평 용량도 될까말까한 냉방 능력이다. 그날 드라마틱하게 바닥의 결로는 사라졌고 쾌적해졌다. 허얼씬~~ 이때가 기억엔 8월 초였다.  낯시간엔 창문을 통한 복사 부하로 부족했지만 일몰이후엔 천정의 실링팬과 더불어 쾌적한 날을 보냈다.  한 일주일 쯤 됐나, 잠을 이루지 못해 깬 날이 있었다. 바닥에 또다시 결로가 생기고. 다시 악몽이 생각났다. 에어컨이 고장이 난것이다. 자 분명한 결론이다. 잠열을 잡기위해 제습보단 현열과 잠열을 일정부분 담당하게 하는게 맞다. 이때 이후 시스템은 변화가 없다. 개선점은 분명있다. 3년을 귀차니즘에 그냥 지내고 있다.

작동의 방법

100% 메뉴얼 시스템이다 보니 6월에는 바닥 분배기 밸브의 전원을 끈다. 밸브는 전원이 꺼지면 수동으로 열수 있다. 한국의 분배기는 난방에만 작동을 한다. 그래서 전원을 차단하면 수동개폐가 가능하다. 냉각 파이프 라인은 겨울에는 모두 배수를 해둔다. 동파가 되기 때문이다. 보일러의 난방에는 별도 밸브를 설치해서 잠그고 냉각라인 밸브를 열고 물을 채워둔다. 

보일러 안에는 순환펌프가 있다. 냉각장치에도 별도의 펌프가 필요하다. 이 사진의 장치는 내장 펌프가 있다. 없는 장치라면 별도로 설치해야 한다.

60평 아파트의 분배기는 두곳에 있다. 그리고 분배기의 보냉이 되어 있질 않다. 매년 여름에 분배기에는 결로가 생긴다. 해야지 하면서 올해도 밑에 수건만 받치고 여름을 날것 같다. 이러면 바닥에 냉수를 순환하기위한 준비는 끝이다.에어컨도 별도로 켜고 끈다. 바닥 냉수 칠러는 요일별 타이머와 실내 온도로 작동한다. 예를 들어 월요일은 오후 5시부터 작동하고 실내온도 25도 이상일때만 작동한다. 오후 5시이후 라도 25도 이하면 작동하지 않다가 25도 이상이면 작동을 한다. 냉수의 출구 온도는 18도를 최저이다.

먼저 바닥면의 heat flux 를 40-50w/m2 로 선정한다고 했었다. 일반 아파트의 바닥면의 파이프 피치(간격)은 250mm 정도이다. ISO11855에 딱 맞는 기준은 아니지만 유추하면 45w/m2 이고 좀 여유율을 감안하면 40w/m2 적용이 무난하고 실제도 그정도 에너지량으로 검증된다.

우리가 냉방의 -Q 에너지는 피크 부하 어쩌구하는 말이 있다. 일년중 최고 온도는 한국은 8월2-3일경 오후 3시이다.  하지는 6월23일 경인데 실제 최고 온도는 8월3일 이다? 동지는 12월23일, 연중 한국의 최저 기온은 1월3일 이다. 느낌이 오지 않나? 남부 유럽의 최고 기온의 날자는 대략 7월 초순이다. 한국의 여름의 최고온도가 하지에서 한참을 지난 날인 이유는 수증기 때문이다. 수증기는 에너지이다. 기체가 된 상태이라서 이미 건조 공기의 비엔탈피는 1.01kj/kg 이지만 수증기는 1.85kj/kg 거의 두배의 에너지를 포함한다.

사막에는 열대야가 없지 않은가?

설계 샘플:

지난 번의 설계 샘플을 다시 보면,

25평의 총 냉방 부하: 25*160kcal/hr = 4,000kcal/hr (4.7kw)

난방 코일 면적 20평 기준 : 20x3.3x40w/m2= 2,64kw

현열비 란 용어가 있다. SHF (sensible Heat Factor) 라고 표시하고

SHF = 현열/(현열+잠열) 이다.

전체 냉방 부하 중 현열의 % 를 의미한다. 공간에 따라 부하의 특성이 다르므로 SHF는 차이가 있다. 사무실이 0.8, 가정주택을 0.7로 정의한다.  이 SHF 는 전문적인 영역이다. 용도는 공조기 냉수 코일의 노점을 정하기 위해 필요한 개념이다. 이 그림이 psychrometric chart (습공기선도) 이다. 그림의 1이 실내 공급하는 공기의 상태이고 SHF0.75 일때의 공조기 코일의 출구 상태가 2이다. 만일 SHF 가 0.6라면 2는 훨씬 왼쪽으로 이동한다. 경우에 따라 포화증기곡선과 안 만날수가 있다. 그러면 설계는 다시 검토해야 한다. 어려운 얘기일 것이니 넘어가는게 나을듯 함.

얘기하려고 하는것은 전체 부하 4.7kw 중, 복사면의 능력이 -2.6kw 이다. 남은 부하는 -2.1kw. 이런 질문이 할 수도 있다. 남은 부하 2.1kw 를 다시 SHF 0.7 를 곱해서 2.1*0.7을 현열 2.1*0.3를 잠열로 다시 계산하는 것이 맞을것이냐? 전체 부하 중 현열로 이미 감소된 부하가 이미 현실인 것이다. 대류냉방 (에어컨)의 기술자료를 보면 현열능력 *kw, 잠열 능력 *능력 으로 표시한 자료도 있다. 코일의 입구와 출구 조건에 따라 결과적으로 해석된 수치이다. 엔탈피는 엔탈피이다. 잠열이던 현열이던 엔탈피는 KJ/KG 이다. 

이제 남은 부하 2.1 kw 에 맞는 대류냉방을 맞추면 된다. 

가능한 장치는 어떤게 있을까?

대류냉방은 아주 쉽다. 에어컨이면 사실 끝이다. 혹 열회수 환기장치의 덕트를 이용한 냉방이 가능하지 않을까 하는 생각을 하시는 분들이 많다. 맞기도 하고 위험하기도 한 발상이라고 본다.

왜? 환기장치의 풍량을 본적이 있는가? 환기장치는 30평에 천정높이 2.2m 라면 30*3.3*2.2 = 218M3 이고 가정의 환기횟수 0.5회/시간 이면 218*0.5=110CMH  이다. 덕트길이의 정압손실등으로 150CMH 징도의 환기장치가 설치된다. 

그러면 에어컨의 풍량은 얼마인가? 10평 에어컨의 풍량이 600CMH 가 넘는다. 그런데 복사냉방으로 이미 부하가 감소되어 작은 에어컨의 풍량으로도 어느 정도 커버가 가능하다. 그러나 덕트를 통해 에어컨의 찬 공기를 이동하는 이 아이디어는 고려할 부분이 많다. 

그러니 가장 손 쉬운 방법은 10평 벽걸이 에어컨이다. 

두번째 바닥면으로 -2.6kw 를 만들어 줄 장치가 필요하다. 가장 싼 방법은 횟집 냉각기이다. 1마력이 50-60만원으로 검색된다. 우리가 필요한 냉수 온도는 18도이다. 펌프가 하나 필요하다. 펌프는 1/6마력이 7만원 정도이니 70만원 정도이다. 밸브나 배관은 전혀 넣지 않은 금액이지만 배관까지 넣어도 100만원으로 본다.

효과

복사를 이용한 냉방의 기대 효과는 무얼까? 하는 질문을 해야 한다. 

첫째는 열적 쾌적감일 것이다.

둘째는 에너지를 많이 꼽는다. 업체들의 얘기는 대략 이렇다. 대류공조는 공조로 에너지를 전달하고 복사는 매체를 물을 쓰게 된다. 물의 밀도 1000 kg/m3 이고 공기는 1.2kg/m3 이니 물를 매체로 쓰는 복사공조가 에너지가 절약된다는 논지이다.

무언가 빠진것 같다. 에너지의 양은 밀도만으로 정해 지지 않는다. 단위 중량당 비열을 고려한 열용량 (heat capacity) 가 중요한 것이다.

공기와 물의 열용량을 비교함이 맞다. 

먼저 공기는 1.2kg/m3 * 0.24kcal/kgC = 0.29kcal/m3C

물은 1000kg/m3 * 1kcal/kgC = 1000kcal/m3C 

이게 맞는 설명일 것이다. 결과적으로 0.29 대 1000 는 3000배 이상 에너지 저장이 많이 된다는 의미이다.

그러나 반대로 생각해보자. 물과 공기는 같은 온도를 올리는데 3000 배의 에너지가 더해진다는 의미인것이다. 자 이것이 에너지 절약인가?

이 의문을 던지면 사람들은 그럼 안좋다는 얘기인가 보다 할지도 모른다. 과학은 100%가 없다고 믿는다. 특히나 열역학은 거시적 관찰과 미시적 관측이 엄청난 차이가 관측될 수 있다. 그러나 사회는 과학자 나 공학자에게 자꾸 한가지 결론을 강요한다. 이걸 즉답하지 않으면 신뢰하지 않는다. 현상의 상관관계와 인과관계의 차이를 무시하려고 한다. 

에너지 측면의 복사냉방

복사의 에너지를 다시 생각해보자. 공간의 필요 에너지가 정해졌다고 가정하자. 위 처럼 30평 주택의 냉방- 에너지를 생각하자.

외부는 35도이라면 25도의 실내와 35도의 실외는 열평형을 이루어야 한다. Q=A*∆T 이러한 상관식을 도출할 수 있다.

우리가 투입하려는 에너지는 이 열평형을 깨는 추가적인 일인것이고 -Q 이다.

-Q 를 대류로만 하느냐 복사와 대류를 같이 하느냐는 문제인것이다. 

같은 시간에 실내 건구온도를 25도로 만들어라 라는 과제가 있다면 대류가 유리하다. 단위 체적당 투입 에너지만 보면 답은 명확하다.

그러나 주거라는 특성을 두고 긴 시간을 두면 이 과정은 대단히 복잡한 시뮬레이션일 것이다.

왜냐면, 타임랙이란 개념이 있다. 일몰 후 실외기온은 상승한다. 일정 시간 차이를 두고 실내 온도도 상승할 것이다. 실외기온의 최고점인 시간에 실내온도는 최고점이 아니다. 이 시간 차이가 타임랙이다. 또 실외 온도의 피크와 실내 온도의 피크 온도도 다르다. 이런 환경에서 복사를 최적으로 적용하려면 기온 상승 시점 이전에 복사는 작동을 개시해야 한다. 또 대류 냉방을 위한 공조기의 냉수 온도는 7도가 표준인데 반해 복사냉방의 온도는 18도 이다.  이 출수 온도에서는 냉각장치의 소비 동력은 많이 차이가 난다. 이런 등등의 차이를 종합적으로 검토해야만 에너지 총량이 어떻다고 얘기할 수 있는것이다.

 학술 논문에 radiative cooling, radiation cooling 등으로 검색해보면 많은 논문이 검색된다. 측정을 기본으로 한 논문, 이론적 검증의 논문등 이 분야의 논문과 관련 연구는 상당히 진척이 된 상태이다. 지금까지 애기한 부분은 엑티브한 분야이고 패시브한 접근의 복사냉각도 또한 있다. 미국 공조협회 ASHRAE 가 있다. ASHRAE 의 주장에 의하면 20% 이상의 에너지 절약을 얘기하고 있다. 많은 논문에서도 유사한 절감을 주장하고 있기도 하다. 아무튼 복사냉방이 어느정도 에너지 절약에 기여할 수 있음은 맞는것으로 생각된다.

다음에 언제 시간이 나면 위의 저렴한 기본 장비인 횟집 냉각기와 보유한 에어컨의을 이용을 넘어서 제어와 전체 DOAS 환기 공조로 시스템을 설계한다면 어떤게 가능할지 얘기하고 싶다.  그렇다고 횟집냉각기와 일반 에어컨을 무시하는건 전혀 아니다. 사실 이것이 본질인 것이다. 럭셔리한 제어와 시스템을 도입해도 에너지의 절감은 많이 기대하기 어렵다. 왜냐면 복사 냉방의 에너지 메카니즘은 이미 결정되었고 현재의 기술안에서 큰 차이가 없기 때문이다. 제어와 세분화된 냉각기의 이용은 보다 에너지

아무튼 상업적으로 완성도가 높은 방식과 높은 레벨의 제어는 이때 언급되지 않을까 싶다.