복사냉방에 대해 -1

복사냉방에 대하여

복사(radiation)는 열전달 메카니즘 (복사 대류 전도) 중 하나이고 지구의 에너지원인 태양의 핵융합 에너지가 지구로 전달되는 메카니즘이다.

태양과 지구 사이의 태양풍이란 더운 바람이 불어서 지구의 여름 겨울이 생기는 시스템이 아니다.. 태양풍은 우리가 생각하는 그런 바람의 아니다.. 지구의 대기권을 넘어서 우주공간에는 바람이 없다. 기체가 없기 때문이다. 태양풍에 왜 바람풍 자를 넣었는지는 모르겠다. 하여튼 태양풍은 바람이 아니라 방사선 에너지이다. 

139억년 전 우주 생성 초기에는 다양한 기체가 우주에 퍼졌겠지만 이 기체들은 모여서 행성과 별을 이룬지 오래이다. 그래서 대부분의 공간에는 물질이 거의 없는 상태가 되었다.. 

복사는 에너지가 열을 담은 빛으로 변환되어 텅빈 공간을 거쳐 지구에 전달되는 메카니즘인 것이다. 미시 열역학, 양자 역학과 전자기학까지 아울르는 영역인 것이다. 굉장히 심오한 분야이다.

복사난방

이 어려운 걸 쭉 건너 띄어, 우리가 집에서 난방을 하는 경우를 생각해보자. 보일러의 온수는 80도이다. 이 80도의 온수가 바닥에 매립된 호스 (코일이 맞다) 를 통해 이방과 저방을 거쳐 바닥면에 열을 전달한다. 바닥면은 온수 코일과 바닥 몰탈의 전도에 의해 데워지고 이 데워진 바닥면이 일부는 대류를 일으키고 대부분은 복사로 실내에 전달된다.

우리가 매일 쓰는 난방을 이렇게 분석을 할 수 있다. 

인체의 온도는 36도이다. 바닥면이 40도이면 40도의 바닥면에서 복사에너지가 38도인 인체로 흡수된다고 해석된다. 여기에 앞서 얘기한 대류의 의한 건구 온도 상승등도 있다.

인체가 느끼는 열 쾌적감

인체의 열쾌적감을 결정하는 6가지 요인이 있다. 건구 온도, 복사 온도, 상대 습도, 기류 속도, 활동량, 의복상태 이다. 여기서 주목할 내용은 복사온도란 것이다. 복사온도? 생소한 단어이다. MRT (Mean Radiation Temperature) 이다. Mean 은 평균을 의미한다. 즉, 바닥면, 천정과 벽면 온도의 평균온도를 의미한다.   

건구온도는 온도계에서 보는 온도이고, 상대습도는 생활에서 흔히 말하는 습도이다.

복사온도가 그렇게 중요한가? 중요하다.  시스템 에어컨으로 난방을 하는 사무실이 많다. 사무실 온도계는 26도. 그런데 종아리가 시려울 때가 있다. 찬바닥면으로 체온이 복사 전달되어 그렇다. 그래서 무릎담요가 필요하다.  

복사냉방도 가능할까?

답은 가능하다. 한국 주택의 난방은 대부분 복사 난방을 사용한다. (앞서 설명했었다)

겨울에는 온수, 여름에는 냉수를 쓰면 된다. 그러면 이 복사냉방 만 으로 한국의 여름 냉방이 가능한가?

아니다!  (복사만으로 안되는 이유는 다음에…)

우리가 냉방에 필요한 에너지는 현열과 잠열 두가지가 있다. 열회수 환기장치에도 현열과 잠열이 있는것 처럼 냉방 자체가 

두가지다. 에어컨은 이 두가지 필요한 현열과 잠열 제거량을 적당히 실외로 배출하는 것이다.. 그래서 실외기의 바람이

그렇게 더운것이다.

여름 철에는 바닥면도 온도가 오른다. 벽면 천정 모두 마찬가지다. 천정이 온도가 낮으면 좋겠지만 그렇게 하기엔 건축비가 많이 든다. 건축비뿐 아니라 한국 주택의 천정은 조명으로 사용하기에 거의 불가능하다. 그래서 이미 가지고 있는 바닥의 코일만을 사용해야 한다. 효과는 떨어진다.

30평 주택의 예

30평 주택이라고 하자. 바닥 코일이 깔린 방, 거실의 면적은 총 22평이라면 바닥면의 면적은 22*3.3 =72m2 이다.

이때 heat flux 란 상수를 곱한다. Heat flux 는 복사에서 나온 에너지 전달량이다. 단위는 w/m2.

바닥면 온도가 22도 기준 40w/m2 정도면 무난하다. 따라서 바닥면의 복사 냉방량 (-Qs) = 40*72 = -2.8kw 이다. 

천정면이라면 heat flux 는 더 커진다. 앞서 얘기한 대류와의 연결인데

천정이 cold surface 라면 경계면의 공기의 밀도는 올라간다. 즉 무거워진 공기가 하강하면서 대류의 열전달이 더해져서 천정 냉각 복사면의 heat flux 는 증가한다. 난방의 경우는 반대이다.

25평의 총 냉방 부하는 25*160kcal/hr = 4,000kcal/hr (4.7kw) 이된다.

전체 냉방 부하 4.7kw 중 바닥면의 현열 복사 -2.8kw 하면 2kw 의 대류냉방이 필요하다.

30주택을 꼭 4.7kw 로 전체를 냉방하는 경우는 없겠지만 (주로 거실, 방 정도만 하지 않나?) 전체를 설계한다면 이렇다는 애기이다.

다음 기회가 되면 어떤 경제적인 방법으로 복사냉방을 구현할수 있는지 얘기해보려고 한다. 결로를 방지하는 방법에 대해서도 얘기하고 싶다.

나는 복사냉방을 4년째 쓰고 있다. 가장 장점은 무풍(無風) 이다.  이건 진짜 무풍이 된다.

여름밤, 에어컨을 켜면 위는 춥고 끄면 더워서 밤새는 그런 일은 없다. 또 한가지는 침대보다 바닥위 이불 취침이 훨씬 쾌적하더란 점 이다…