석빙고와 냉장고의 원리.(인용)

[교수]

석빙고와 냉장고의 원리.

우리 선조 들은 매년 2월말 강가에서 얼음을 14센티미터 이상의 두께로 잘라서 저장한 뒤 6월부터 10월까지 수시로 그 얼음을 다시 꺼내 더위를 물리쳤었다.
석빙고는 현재 6개가 존재하며 모두 18세기에 만들어져 경북 경주, 경남 창녕 등 경상도 지역에 몰려 있다. 반 지하에 내부 공간은 12 미터 , 폭 5미터, 높이 5미터 안팎이다.

우선 석빙고의 얼음 저장은 두 단계로 나누어진다. 1단계는 얼음 저장에 앞서 겨울 내내 내부를 냉각시키는 것이고, 2단계는 얼음을 넣은 뒤 7,8개월 동안 차갑게 유지하는 것이다.

우선 1단계에서 냉각을 시킨 방법의 열쇠는 바로 출입문 옆에 붙어있는 날개 벽이다. 겨울에 부는 찬바람은 이 날개 벽에 부딪쳐 소용돌이로 변한다. 소용돌이는 빠르고 힘차게 석빙고 내부 깊은 곳까지 밀고 들어간다. 이렇게 해서 겨울에 찬 기온을 유지하는 것이다. 실제로 겨울철 보통 지하실 온도는 15℃ 인데 비하여 석빙고 내부 기온은 평균 영하0.5-영상2도라고 한다.

그 다음 단계는 얼음을 어떻게 보존하는가인데 실재로 석빙고 안의 얼음은 녹지 않았던 것은 아니었다고 한다. 거의 미미할 정도로 녹았을 뿐이다. 이렇게 찬 기온을 유지한 데는 3가지 열쇠가 있는데

첫 번째는 절묘한 천장 구조이다. 화강암의 천장은 1-2 미터의 간격을 두고 4.5개의 이치형 모양으로 만들어져 그 사이에는 움푹 들어간 빈 공간이 있다. 이곳이 바로 내부의 더운 공기를 빼내는 일종의 에어포켓인 것이다.

두 번째는 바로 환기구이다. 위쪽에 설치된 환기구는 에어포켓에 갇힌 더운 공기를 밖으로 빼낸다. 이것은 바로 더운 공기는 위로 뜬다는 사실을 이용한 것이다. 이렇게 해서 석빙고 내부의 온도는 한여름에도 0도 안팎을 유지할 수 있었다.

그리고 거기에다 3번째는 얼음에 치명적인 물과 습기를 빠르게 밖으로 빼내는 배수로이다. 또한 빗물을 막기 위하여 석빙고 외부에 석회와 진흙으로 방수층을 만들었다. 그리고 얼음과 벽 및 천장 틈 사이에는 밀집, 왕겨, 톱밥 등을 단열재로 채워 넣어 외부열기를 차단하였다. 거기에다 외부의 잔디는 햇빛을 흐트러뜨려 열 전달을 방해하는 효과가 있으니 석빙고의 얼음은 한여름에도 거의 녹지 않고 견디었던 것이다.

  가장 한국적이면서도 과학적인 것을 골라 보라면 석빙고를 들고 싶다. 석빙고는 냉장고 역할을 하는 인공적인 구조물이다. 현대인들이 잘 알고 있는 냉장고는 얼음이나 냉기를 인공적으로 만드는 기계장치이지만 빙고는 자연의 순리에 따라 겨울에 채집해 두었던 얼음을 봄, 여름, 가을까지 녹지 않게 효과적으로 보관하는 냉동 창고이다. 사실 얼음을 보관하는 시설은 돌로 만든 석빙고만이 아니라 목재로 만든 목빙고도 있었다. 그러나 목빙고는 현재 남아 있는 유적은 없고 구전으로만 전해오므로 여기서는 석빙고에 대해서만 설명하겠다.

석빙고는 외견상 고분과 같은 형태를 하고 있다. 빙실이라는 공간이 주변 지반과 비교하여 절반은 지하에 있고 나머지 절반은 지상에 있는 구조가 대부분이기 때문이다. 이러한 단순한 형태의 석빙고를 보고 이게 무슨 대단한 과학이 들어있느냐고 반문할 지 모른다. 단지 얼음을 저장하기만 하는 단순한 시설로 보이기 때문이다. 더구나 사막 지대인 이집트나 일부 중동 지역에서 한여름에 기계 시설 없이도 얼음을 만들어 먹었다는 사실을 알게 되면 석빙고에 대해 더욱 평가 절하하게 마련이다.

경주 석빙고.

그러나 석빙고의 우수성은 가정의 필수품이라는 냉장고의 예를 보면 잘 알 수 있다. 어린아이들이 많은 집에서 부모가 항상 하는 말은 냉장고를 열면 항상 문을 꼭 닫으라고 한다. 아무리 냉동고에 아이스크림이나 얼음을 꽉 채워 놓더라도 냉장고문이 조금만 열려 있다면 몇 시간 내에 모두 녹아버린다. 그런데 석빙고는 겨울에 얼음을 캐어 기계적인 장치 없이 다음해 가을까지 얼음을 저장할 수 있다. 상식적으로 생각해도 석빙고가 얼마나 우수한 작품임을 알 수 있다.

<삼국시대부터 사용>

석빙고는 중국의 『시경』에 능음(凌陰)이라 하여 '음을 저장한다'는 말이 있을 정도로 오래되었고 우리나라의 석빙고도 『삼국사기』에 기술되어 있을 정도로 오래된 것이다. 『삼국유사』에 의하면 노례왕(24∼57년) 때 이미 얼음 창고를 지었다는 기록이 있으며 『삼국사기』의 ‘신라본기’에도 지증왕 6년(505)에 ‘시명소사장빙(始命所司藏氷)’이라는 기록이 있다. 지증왕이 얼음을 보관토록 명령하였다는 뜻이다.

고려 시대의 경우 『평양속지』에 의하면 평양의 석빙고는 내빙고, 외빙고로 나뉘어 내빙고는 사간도무사(四間都務司)의 남쪽 언덕에, 외빙고는 십칠간육로문(十七問六路門) 밖에 있었다. 문종 3년(1049년)에는 매년 6월부터 8월 초까지 벼슬에서 물러난 공신들에게 3일에 두 차례씩, 좌 복시, 육부상서 등의 고급 관리들에게는 일주일에 한 차례씩 얼음을 나누어주도록 제도화하였다.

하지만 신라나 고려 때 만든 빙고는 지금 남아 있지 않다. 경주 석빙고와 안동 석빙고, 영산 석빙고, 창녕 석빙고, 청도 석빙고, 현풍 석빙고도 모두 조선 시대 때 만들어진 것들이다.

조선 시대에는 태조 5년(1396년)에 둔지산 밑에 서빙고를 세우고 두모포에 동빙고를 세웠다. 서빙고는 지금의 서빙고동이라는 이름을 갖게 했지만, 동빙고동은 서빙고의 동쪽에 있기 때문에 붙인 이름일 뿐 빙고와는 아무런 관계가 없다. 실제의 동빙고는 지금의 옥수동에 해당하는 한강과 중랑천이 만나는 곳에 있었다.

경주 석빙고 내부.

빙고는 동빙고와 서빙고가 있었는데 예조의 속아문에서 관장하였고 광무 2년(1898년)에 양빙고가 폐지될 때까지 500년 가까이 운영되었다. 동빙고에는 얼음 1만244정(丁), 서빙고에 13만4,974정을 보관했으므로 서빙고가 동빙고보다 13배 이상의 얼음을 저장했다. 실제로 동빙고의 창고는 1동이었던 것에 비해 서빙고는 8동이었다.

궁궐 안에는 별도로 내빙고를 두어 궁궐의 얼음 수요를 맡았다. 얼음의 보관과 반출은 종6품인 빙고에서 관장했으며 제향에 올리는 얼음은 봉상시에서 맡았다. 동빙고는 음력 3월 1일부터 가을 상강(霜降)까지 왕실의 제사에 필요한 얼음을 공급했으며 서빙고의 얼음은 왕실과 고급 관리들에게 나누어주었다.

한편 18세기 영·정조 시대 이후에는 물동량의 왕래가 많았던 한강변을 비롯하여 전국 각지에 생선 보관용 얼음을 공급하던 사빙고가 존재했었다. 조선 단종 2년(1454년)에 사헌부에서는 ‘국가의 빙고에서 저장하는 얼음에 한도가 있어 신하들에게 골고루 나눠줄 수 없으므로 정1품에서 종4품의 대부(大父) 이상과 각사(各司)에서 얼음을 보관할 수 있게 하자’는 상소를 올렸다.

얼음의 저장과 반출은 엄격히 규제됐다. 만약 얼음의 보관을 소홀히 하여 저장한 얼음이 녹아 없어지면 파면시키는 등 엄격하게 관리하였다.

이제 석빙고의 구조를 보자. 빙고는 고을의 규모에 따라 크기가 정해지나 대부분 30평이 넘었고 규모가 적은 경우에도 10평이 넘었다. 현존하는 빙고의 빙실은 폭은 대개 4∼6미터, 길이는 폭의 2∼4배 정도이다. 빙고에 저장하는 얼음은 두께가 12센티미터 이상이 되어야만 했다.

빙고의 바닥은, 흙다짐이나 그 위에 넓은 돌을 깔아 놓았고 바닥을 경사지게 만들어 얼음이 녹아서 생긴 물이 자연적으로 배수되게 하였다. 빙고 구조에서 가장 특징적인 요소는 빙실 천장을 아치로 만든 것이다.

골격이 되는 아치의 틀을 먼저 만들고 그 사이를 장대석처럼 다듬는 판석을 치밀하게 축조해 천장을 완성시키는 방식인데 골격에 의지하고 그 위에 덧쌓아서 골격과 천장돌 사이에 요철이 생겼다. 그러므로 이 형식은 전체를 아치로 만든 구름다리나 성문들과는 달리 일정 간격으로 세우고 이를 구조재로 하여 그 사이를 석재로 쌓거나 판석을 얹은 것으로 생각할 수 있다.

환기구.

석빙고의 아치는 같은 크기의 돌을 아치로 쌓아 올려 무지개 형상을 만들고 마지막으로 정상부에 다른 돌보다 조금 크기가 다른 석재를 꽂아 마감했는데 아치 종석이라 부른다. 석빙고에 사용된 석재는 화강석으로 규격은 대체로 0.5톤 정도이다.

또한 냉기에 의한 전열 면적과 공기 체적을 가능한 한 많이 확보하기 위해 천장에는 요철이 있었다. 아치 구조로 빙실을 만들면 기둥이 없으므로 얼음을 취급하는데 편리하다.

천장에는 빙실 규모에 따라 환기 구멍을 만들었다. 이러한 환기공은 봉토 밖으로 나오게 하여 그 위에 환기공보다 큰 개석을 얹어 빗물이나 직사광선이 들어가지 않도록 하였다. 환기공은 대체로 30×30센티미터로 2∼3개가 일반적이다. 출입문은 특정한 규칙이 없이 보통 바깥 지반보다 낮은 위치에 설치하였다. 출입문의 크기도 얼음의 출납에 지장이 없을 정도의 크기로 출입구를 통한 열 손실이 최소화되도록 하였다.

기록에 의하면 빙고 건축 때 철물과 회를 많이 사용하였는데 철물은 석재와 석재 사이가 서로 분리되지 않도록 삽입하였고 회를 많이 사용한 것은 봉토 조성 때 진흙과 함께 혼합하여 외부에서 물이라든가 습기가 침입할 수 없도록 하기 위한 용도였다.

봉토에는 잔디를 심어 열의 손실을 막고 봉분이 수해에 의해 손상되지 않도록 하였다. 빙고 외곽으로는 담장을 설치하여 외기를 막았고 일반적으로 빙고 설치에 관련된 석비가 남아 있어 빙고의 연구에 좋은 자료가 되고 있다.

얼음의 채취와 보관이 쉬운 일은 아니었다. 어떤 때는 겨울이 춥지 않아 채취가 불가능하였고 때로는 보관상에 문제가 생기기도 했다. 결국 많은 얼음을 겨울에 채취하여 봄부터 사용하기 위하여 수많은 사람들이 겨울에 고생할 수밖에 없었다. 실록에는 빙부(氷夫)가 동상에 걸리거나 물에 빠졌기 때문에 의원을 보내 치료케 하고 음식을 보냈다는 기록이 있다.

얼음의 용도가 반드시 음식 저장 등의 실용적인 측면만을 위한 것은 아니었다. 얼음을 보관했다가 여름에 사용함으로 여름철에 극성하는 양기를 억제하여 자연의 조화를 회복시켜 보겠다는 동양철학적인 발상도 큰 몫을 했다. 그러므로 겨울이 춥지 않아 얼음이 얼지 않으면 동빙고의 북쪽에 있었던 사한단(司寒壇)에서 얼음의 신에게 제사 지내는 기한제(祈寒祭)를 지냈다.

창녕 석빙고.

성종 17년(1488) 12월, 날씨가 따뜻해 얼음이 얼지 않자 홍문관에 명해 기한제를 지내게 했고 영조 45년(1769) 12월에는 기한제를 지낸 후 날씨가 추워져 얼음을 채취할 수 있었다고 제관이 상을 받기도 하였다.

성종 24년(1493)에는 군관들이 술을 마시고 얼음 저장하는 일을 아랫사람들에게 맡기는 바람에 얼음이 녹아 물이 창고 밖으로 새어나왔다. 이에 성종이 크게 노해 관원 전원을 파직시켰다. 이듬해에는 관원들이 정성 들여 얼음을 관리했기 때문에 연산군 1년(1495) 성종의 대상(大喪)과 명나라 사신의 접대에 쓰고도 가을까지 남아돌았다고 한다.

세종 5년(1423) 11월 장빙군에게 술 830병, 생선 1,650마리를 하사했고 세조 13년(1467) 11월에는 환관과 선전관을 동서빙고에 보내 군인 가운데 동상이 걸린 환자들을 치료하게 한 것을 보면 국가에서 빙고 제도에 각별한 신경을 썼음을 알 수 있다.

<과학으로 풀려지는 석빙고>

겨울에 채취하여 가을까지 남아돌았다는 석빙고는 얼마나 효율적이었을까?  

계명대학교의 공성훈 박사는 우선 석빙고의 실내 환경 분포를 측정하였다. 현존하는 석빙고는 여러 곳에 있지만 그 중 경주 석빙고의 예를 들었다. 경주시 인왕동 449-1에 위치하며 빙실의 규모가 35평 정도로 남한에서 가장 큰 규모이다. 석비에는 영조 14년(1738년)에 완성된 것을 3년 후에 옮겨 개축하였다고 적혀 있다. 길이 19미터, 너비 6미터, 높이 5.4미터의 규모로 입구가 월성 안쪽으로 나 있고 계단이 있다. 천장은 아치형으로 다섯 개의 기둥에 장대석이 걸쳐져 있고, 환기용 구멍 3개가 장대석을 걸친 곳에 있으며 바닥 한가운데가 경사지게 되어 있어 녹은 물이 밖으로 흘러가게 되었다.

경주 석빙고의 여름철 건구 온도와 상대 습도, 기류 속도 조건의 분포 등을 측정한 실험이 있었다. 1996년 8월 29일∼9월 1일까지의 4일 간에 이루어진 실험 결과 석빙고는 비교적 날씨가 따뜻한 경우 실내 온도 조건의 분포 범위는 평균 19.8도로 온도교차 범위는 1.3도에 지나지 않았다. 그러나 실외의 온도 교차 범위는 8.2도로서 이와 같이 실내 온도 교차 범위가 낮은 것은 장기적인 얼음 보관을 위한 석빙고 외부 구조체의 축열 성능과 잔디 식재에 의한 복사열의 효율적인 산란 작용 등에 의한다고 추정했다.

경주 석빙고 단면도(신동수 교수 논문).

석빙고의 부위별 구조는 여름철까지 냉기를 잘 보관할 수 있도록, 자연 환기구의 적절한 배치, 유선형의 외부형태, 배수구의 이용, 흙과 돌의 열전도율의 차이를 이용한 축열 구조의 채택 등을 통해 더운 외기의 영향을 최소로 줄일 수 있는 내외부 형태를 유지하고 있다. 물론 석빙고의 위치도 중요하다. 석빙고의 위치는 외기온에 영향을 받지 않는 절묘한 천연적 지형에 설치하였음은 물론이다.

충남대학교의 장동순 교수는 석빙고가 반지하 냉동 창고의 역할을 할 수 있었던 메커니즘을 분석했다. 즉 단열재로 사용한 볏짚이나 갈대의 존재 여부 및 얼음의 충진량에 따른 계산 결과를 분석하는 것이다.

얼음의 충진량이 50%인 경우 짚이 없을 때는 석 달 후에 얼음량의 감소가 6.4%, 여섯 달 후에는 38.4%가 되는 반면에 짚이 있을 경우 석 달 후의 얼음량 감소는 0.04%, 여섯 달 후에는 0.4%에 불과하였다. 반면에 얼음의 충진량이 100%인 경우 짚이 없을 때는 석 달 후에 얼음량의 감소가 9.2%, 여섯 달 후에는 51.8%로 절반 이상이 감소한 반면에 짚이 있을 경우 석달후의 얼음량 감소는 2.8%, 여섯 달 후에는 18.4%나 되었다. 얼음의 양과 볏짚의 유무에 따라 얼음의 저장 능력을 조절하는 것이 현실적으로 가능하였다.

여기에서 볏짚(k:0.04W/m°C)의 역할인 단열재란 열을 전달하지 않는 재료로서 그 원리는 재료가 비어있는 공간을 많이 갖도록 한 것이다. 현대 건축에서 많이 사용하고 있는 스티로폴(k:0.03W/m°C)이나 우레탄은 미세한 공기구멍을 되도록 많이 포함하여 열을 차단하고 있다. 석빙고에서 사용한 볏짚도 속이 비어 있는데다 재료 자체가 열을 잘 통과하지 않는다. 장 교수는 볏집이 냉장고의 단열재인 폴리우레탄 폼과 같이 복사열 차폐와 유동열 억제로 외기 온도에 의해 얼음이 녹지 않도록 단열재 역할을 했다고 설명했다.

계명대학교의 신동수 교수는 볏짚보다는 왕겨나 톱밥(k:0.059W/m°C)을 사용하였을 것으로 추측하기도 하나 이들 재료의 단열적인 성격 역시 유사할 것으로 생각된다.

더구나 볏짚은 농사를 짓고 난 뒤 부산물을 이용하는 것으로 일석이조이다. 볏짚으로 짠 가마니로 저장한 쌀이 더 맛이 있다는 것도 어느 정도 일리가 있다. 볏짚은 통풍도 잘되고 습기를 조절해주는 역할을 하는 것은 물론 병충해 방제 효과도 있으므로 항상 최적의 보관 상태를 유지할 수 있기 때문이다.  

이집트나 아랍 사막에서는 여름에도 얼음을 만들어 사용했는데 겨울에 채취하여 얼음을 저장하는 수동적인 방법이 왜 그렇게 과학적이냐고 물을지 모른다. 우리들도 여름에 얼음을 만들었어야 이집트와 비견할 수 있는 것 아니냐는 뜻이다.

그러나 그 질문은 이집트와 한국의 지역적인 기후를 간과하였기 때문이다. 이집트인들이 사막에서 어떻게 얼음을 만들 수 있었는가 알아보자. 이집트인들은 추운 날 밤(기온은 그래도 영상) 흙으로 빚은 용기 안에 물을 넣어두고 바깥 표면을 계속 적셔준다. 그러면 물의 기화 작용으로 용기가 냉각되어 안에 있는 물은 얼음이 된다. 사막은 낮 밤의 온도차이가 매우 높기 때문이다. 사막 지역에서는 하루에 제곱미터 당 최소한 5∼6킬로그램의 얼음을 만들 수 있다.

그러나 한국에서는 이집트와 같이 낮밤의 온도 차이를 얻을 수 없으므로 자연 현상을 이용하여 얼음을 만들 수는 없다. 그러므로 한국의 선조들은 이집트와 같이 얼음을 만드는 대신 겨울에 채취한 얼음을 여름에도 쓸 수 있도록 최적의 기술을 적용하였다.

사실 얼음을 필요에 따라 사용하는 것은 한국의 기술이 더욱 효율적이다. 이집트에서는 항상 얼음을 만들어 먹을 수 있는 것은 아니다. 얼음을 만들 수 있을 만큼 일사량이 높은 날이 항상 있는 것은 아니기 때문이다. 이집트에서는 그날 그날의 일사량에 따라 피동적으로 얼음을 만드는 것이 고작이다. 그러나 한국에서는 겨울에 채취한 얼음을 봄, 가을은 물론 여름의 삼복 중에도 녹지 않도록 세심한 주의를 기울였다. 여름의 한나절로도 저장된 모든 얼음이 녹을 수 있으므로 계절을 넘기면서 얼음을 보관하는 것이 쉽지 않다는 것은 누구나 이해할 것이다.

한강에서 얼음캐기(사진 임인식).

석빙고는 그 위치는 물론 조그마한 문이나 계단, 배수로 등을 세밀한 설계에 의해서 건조한 것이다. 더구나 얼음을 채취하여 보관할 때에도 어떤 재료를 사용해야 잘 녹지 않는지를 수많은 재료로 실험했을 것이다. 이러한 모든 점을 감안할 때 단순하게 얼음을 짚으로 덮는 것으로 보이는 석빙고가 어떤 기계적인 장치에 비견하여 결코 떨어지는 과학적 기술이 아니다.

더구나 석빙고와 같은 시설을 만들어 여름에 항상 얼음을 먹을 수 있도록 만든 것은 세계적으로 거의 유례가 없다는 것을 부연하면 우리 조상들의 슬기에 으쓱해질 수 있을 것이다.

<서울시사편찬위원회>의 이상협은 빙고제도에 재미있는 일화가 전해진다고 설명했다.

성종 때 얼음을 대신들에게 나눠주는 빙고제도는 대신들에게 크게 환영을 받았다. 그런데 조선 초기의 양반 관료 중에는 청렴한 사람이 많아 대신이라고 해도 집안이 가난한 경우가 많았다. 그러므로 조정에서 얼음을 나눠주는 것은 좋았지만 서빙고까지 가서 얼음을 집으로 운반하는 것이 큰 문제였다.

이 당시 얼음을 지급할 때는 패(牌)를 나눠주어 이것을 갖고 서빙고에 가면 얼음을 주었는데 하인이 없는 대신들은 얼음을 수령하는 패를 묵힐 수밖에 없었다. 이때 눈치 빠른 사람들이 가난한 대신들 집에 가서 묵혀둔 얼음 수령패를 얻어다 얼음을 수령 받은 후 도성 내에 비싸게 팔았다는 것이다. 15세기에 이미 얼음장수가 출현했다는 이야기로 경제논리를 아는 사람은 과거나 지금이나 마찬가지였음을 알 수 있다.

<한국지질자원연구원>에서는 S그룹과 함께 별도 장치 없이도 일정한 온-습도를 유지할 수 있는 현대판 석빙고를 건설하였다. 산 속에 지하 냉장-냉동 저장 시험 동굴을 목적으로 한 현대판 석빙고는 지상 냉장창고보다 연간 에너지 소비량을 34%, 냉각 설비 용량 크기를 60%까지 줄일 수 있다고 한다. 미국의 캔사스시티에선 석회석 광산에 60만 평 규모의 세계 최대 식품 저장 지하 공간을 조성, 미국 전체 농수산물의 10%를 보관하고 있으며 호주는 1970년대부터 수천 톤 규모의 곡물을 6개월 간 저장할 수 있는 지하 시설을 운영하고 있다. 고대의 석빙고 개념을 도입한 현대판 석빙고가 소기의 성과를 얻는다면 에너지 절약 면에서 매우 중요한 계기가 되리라 생각된다.

이종호(mystery123@korea.com · 과학저술가)

[나무묵은]

이론이 정교합니다.

[20대고양이]

왜 저런 걸 역사책에는 한 두줄만 나올까요