생태적으로 여름나기 : 패시브 냉방법 3. 복사 냉방 | 에너지

[귀농귀촌(관리자)]

복사 냉방은 밤에 건물이 가지고 있는 복사에너지를 공중으로 내보낼 때 냉방이 되는 원리를 바탕으로 한다. 

모든 물체는 전자기파 형태의 복사에너지를 온도가 낮은 물체로 전달하는 성질이 있는데, 이것을 복사라고 한다. 한 여름의 경우, 낮에는 태양으로부터 건물이 받는 복사에너지가 더 많기 때문에 건물이 더워지고, 밤에는 건물이 밖으로 내보내는 복사에너지가 더 많기 때문에 건물이 시원해진다. 따라서 복사 냉방의 핵심은 두 가지이다. 첫째는 밤에 건물이 열을 더 잘 내보도록 하는 것이고, 둘째는 낮에 태양열을 차단함으로써 밤에 차가워진 건물의 냉기를 오래동안 유지하는 것이다.

복사 냉방 기술은 고온건조한 지역에 더 잘 맞는다. 습기가 많으면 밤에 방출되는 복사에너지가 습기에 막힐 뿐 아니라, 구름에서 나오는 복사에너지로 지표면과 건물의 온도가 쉽게 내려가지 않기 때문이다.  

그렇다면 건물에서 복사 냉방이 일어나는 핵심 장소는 어디일까? 바로 지붕이다. 밤에는 땅에서 올라오는 복사에너지 뿐 아니라 옆 건물이나 나무에서 나오는 복사에너지도 있기 때문에 벽을 통해 이뤄지는 복사 냉방 효과는 매우 적다. 하지만 지붕 위는 하늘을 향해 뻥 뚫려 있기 때문에 밤에 건물의 열이 가장 잘 빠져 나간다. 이 때문에 복사 냉방 기술의 핵심은 바로 지붕에 있다.

복사 냉방을 위한 기술은 크게 네 가지가 있다. 첫째는 지붕을 하얗게 색칠하는 것, 둘째는 낮에 단열재를 지붕에 설치하는 것, 셋째는 야간에 차가워진 기운을 저장하는 물체(축열체)를 지붕에 설치하는 것, 넷째는 단열과 축열을 혼합하는 것이다. 

1. 지붕 색칠

지붕의 색은 복사 냉방을 위해 매우 중요하다. 지붕이 흰색이면 낮에 태양으로부터 복사에너지를 덜 받기 때문에, 그 만큼 밤에 건물이 빨리 식을 수 있기 때문이다. White Roof Project에 따르면 검은색 지붕은 햇빛을 20%만 반사시키는 반면 흰색은 85%의 반사효과가 있는 것이 밝혀졌다. 반사효과의 차이는 엄청나다. 한 여름엔 보통 검은색 지붕은 82°C 인데 비해 흰색 지붕은 38°C이기 때문이다. 

반면 겨울에는 태양 복사열을 덜 받는 단점이 있다. 하지만 겨울에는 해가 짧을 뿐 아니라 빛이 약해 특별한 장치가 없는 한 검은색 지붕만으로는 난방 효과가 적을 뿐 아니라 눈이 쌓이는 날도 많아, 전체적으로 봤을 때 지붕을 흰색으로 칠하는 것이 더 낫다고 볼 수 있다.

2. 주간 단열 : 이동식 단열재 설치

낮에만 지붕 위에 단열재를 설치하면, 낮에 태양으로부터 오는 복사에너지를 막을 수 있을 뿐 아니라 밤에 방출되는 건물의 복사에너지를 쉽게 내보낼 수 있다. 대신 벽면에 단열이 잘 돼 있어야 효과가 높다. 이것은 지붕이 평평한 집에 쉽게 적용할 수 있다. 한 연구 결과에 따르면, 지붕이 평평한 콘크리트 집 위에 낮에만 단열재를 깔아놓을 경우 평균 5°C 가량 실내온도가 떨어진다고 한다.(Givoni, 1987년)

3. 야간 축열 : 지붕 연못

지붕에 축열체를 깔아 놓으면 밤 사이에 시원해진 냉기를 낮에도 이어갈 수 있다. 하지만 낮에 받은 열로 밤에 더 더워질 수 있다. 열을 적게 받으면서 냉기를 오래가게 하는 축열체는 가격이 비싸기 때문에 실용성이 떨어진다. 이 때문에 물을 축열체로 쓴다. 일명 지붕 연못을 만드는 것이다. 지붕 위에 물을 넓게 담아 놓으면 밤에 시원해진 기운을 낮까지 품고 있을 뿐 아니라 한 낮에도 지나치게 온도가 올라가지 않는다. 한 연구 결과에 따르면, 지붕 연못은 열대 지역에서 실내온도를 최대 20°C 가량 떨어뜨린다고 한다.(Jain D. 2006)

4. 단열과 축열 혼합 : 스카이섬

주간 단열과 야간 축열 기술을 혼합하면 더욱 효과있다. 이 같은 원리로 만들어진 것이 바로 스카이섬이다. 스카이섬은 1978년에 Hay에 의해 만들어진 것으로 지붕 바로 위에 커다란 물주머니들을 놓고, 그 위에 이동식 단열재를 설치하는 기술이다. 밤에 물주머니를 시원하게 만들고 낮에는 단열재를 맨 위에 덮어 햇빛을 막아 물주머니의 시원한 기운을 유지시키도록 하기 때문에 복사 냉방의 이중 효과가 있다. 그 뿐 아니라 겨울에는 난방에 좋다. 낮에 단열재를 열어 물주머니에 태양열을 축열하고 밤에 단열재를 덮으면 건물의 온기를 유지할 수 있기 때문이다. 

이 밖에 복사 냉방 기술로는 지붕 위로 물을 순환시키는 방법, 지붕을 이중으로 만들어 그 사이에 바람을 통과 시키는 방법, 축열재로 자갈을 넣고 그 위를 단열하는 방법 등이 있다. 

 패시브 냉방법 시리즈

1. 햇빛 차단 기술

2. 유도 통풍 기술

3. 복사 냉방

4. 증발 냉방

5. 흙(땅)을 이용한 냉방

6. 제습 냉방

7. 단열

참고 자료

 N. B. Geetha, R. Velraj, Passive cooling methods for energyefficient buildings with and withoutthermal energy storage – A review(2012)    

   Mohammad Arif Kamal, An Overview of Passive Cooling Techniques in Buildings: DesignConcepts and Architectural Interventions(2012)

  http://greenbuilding.ewha.ac.kr/

  http://www.solarmirror.com/fom/fom-serve/cache/30.html

  http://www.bdmdialog.com/?tag=passive-solar-heating

  http://www.fsec.ucf.edu/en/publications/html/FSEC-PF-337-98/

  https://www.flickr.com/photos/rubygoes/3315340430/

  http://en.wikipedia.org/wiki/John_I._Yellott#mediaviewer/File:RoofPond.png

  http://www.hko.gov.hk/education/edu01met/wxphe/radiationcooling/radcoolinge.htm

  http://whiteroofproject.org/

  http://www.dallasroofing.co/saving-energy/black-vs-white-colored-roofs-saving-energy-with-color/

  http://inhabitat.com/new-study-shows-white-roofs-are-three-times-more-efficient-than-green-roofs/

  http://pionnierroofing.com/greenroof.html

  http://www.sol-ice.com/wp-content/uploads/2012/08/Potentials-of-NSRC-in-NM-1.pdf

  http://wattsupwiththat.com/2012/09/12/something-practical-new-roof-design-saves-energy/

[출처] 생태적으로 여름나기 : 패시브 냉방법 3. 복사 냉방 (생명창고·지역순환사회 전국협의회) |작성자 지순사