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온돌의 열효율 특성 崔 瑞 國 1. 서 언 千餘年前 옛날에 우리 조상들이 온돌을 발명하여 추운 겨울을 따뜻하게 지냈다는 사실은 자랑스러운 일이라 아니할 수 없다. 그 무렵 日本에서는 ‘이로리’라 하여 방바닥 한복판에 4각형으로 爐를 깊이 파고 나뭇가지를 때서 採暖했으매 다른 여러 나라들에서도 대개 방안에서 직접 장작불을 피워 추위를 모면했던 것 같다. 이에 비하여 우리나라 온돌은 상당히 문화수준이 높은 暖房方式이었으며 난방과 동시에 炊事도 겸할 수 있었고 소여물 같은 것도 끓여줄 수 있었으며, 재는 肥料로 쓸 수 있었던 것이다. 또한 땔감은 솔가지, 섶나무, 나무뿌리, 낙엽, 잡초 등 노력만 하면 얼마든지 구할 수 있었던 것이다. 이 같이 옛날의 온돌은 합리적이고 선진적이며 에너지 걱정도 없었던 것이다. 그러나 오늘날에 와서는 사정이 다르게 되었다. 여러 가지 좋은 난방방식이 세계 각국에서 발달되고 있으며, 熱效率이 온돌보다 갑절이나 높은 난방장치도 많다. 그러므로 온돌을 무조건 좋다고만 할 수는 없지 않은가 한다. 아직 난방이라 하면 온돌 이외에는 생각조차 안하고 高層 아파트 꼭대기까지 연탄 온돌을 올려놓고 있는 우리의 실정인 바, 과연 온돌은 오늘날에 와서도 비판의 여지없이 만족스럽기만 한 것일까? 여기서는 주로 열효율 면에서 온돌이 지니고 있는 특징을 알아보고자 한다. 그래서 열효율 특성이라 제목을 붙이기는 하였으나 아직 온돌의 표준 설계가 확정되어 있지 않고, 性能 試驗方法도 工業規格으로 制定되어 있지 않다. 이러한 배경 하에서 열효율 특성을 말한다는 것은 심히 어려운 일인 줄 안다. 다만 國內外의 여러 文獻들을 調査參考하고 여기에 필자 자신의 연구 시험결과를 덧붙여 정리함으로써 長久한 역사를 지닌 ‘온돌’을 더욱 발전시켜 나가는 데 어떤 길잡이 역할이 되었으면 하는 소망일 뿐 깊이 있는 보고가 되지 못한다는 것을 미리 밝혀 두고자 한다. 2. 온돌의 특징 난방장치로서의 온돌은 다른 난방 방식과 특이하게 다른 점들이 있으며, 그러한 특징들이 온돌의 열효율에 영향을 미치기도 한다. 온돌이라 하면 아궁이와 굴뚝을 포함한 난방설비 전체를 말할 때도 있고, 협의의 온돌 즉, 방열체만을 의미하는 경우도 있다. 외국 문헌에 흔히 나오는 판넬식 放射난방을 온돌로 치면 放熱體만을 지칭하는 것이 된다. 본고에서는 특히 구분할 필요가 있을 때에는 협의의 온돌을 방열체라 칭하여 혼동을 피하기로 한다. 1) 판넬식 방사난방 우리나라의 온돌은 판넬식 즉, 平板形 放熱體로부터 주로 放射에 의하여 열을 방안에 방출시키는 난방방식이다. 방사난방에 있어서는 방열체로부터 실내에 방출되는 50∼70%가 방사에 의하여 이루어진다. 이와는 달리 對流式 난방에 있어서는 70∼75%의 열량이 대류에 의하여 실내에 전달된다. 판넬식을 그 구조, 위치 및 熱媒의 종류에 따라 분류하면 다음과 같다. (a) 구조에 따른 분류 (1) 파이프매설식 (2) 닥트(고래)식 (3) 유니트식 최근 우리나라에서 많이 보급되고 있는 溫水온돌은 1)에 해당된다. 2)의 닥트식은 콘크리트 닥트 또는 고래 속으로 열풍, 열가스 따위를 통하게 하여 난방 하는 방식이다. 우리나라 고유의 온돌은 이에 해당된다. 3)의 유니트식은 금속板을 쓴 것이 많다. 太陽熱 집열판 모양으로 되어 있어서 조립하여 편리하게 쓸 수 있다. (b) 위치에 따른 분류 (1) 벽판넬식 (2) 바닥판넬식 (3) 천장판넬식 방열체가 실내의 어느 쪽에 붙어 있는가 그 위치에 따라 난방 효과가 다르다. 소련의 페치카는 벽판넬식이며, 중국 북부 지방의 캉은 벽판넬과 바닥판넬의 중간형이 되는데, 우리나라의 온돌은 전형적인 바닥판넬식이다. 바닥판넬식이 난방효과가 가장 좋다. (3)의 천장판넬식은 온돌의 방열체를 천장에 거꾸로 붙인 것이라 생각하면 된다. (c) 使用熱媒에 따른 분류 (1) 온수 또는 증기식 (2) 열 공기 또는 연소가스식 (3) 전열식 온수는 우리나라에서 뿐 아니라 세계 각국에서 판넬식에 흔히 사용되고 있다. 은근하게 가열되어 주택 난방에 이상적이라 할 수 있다. 열기는 공장 난방 같은데 천장판넬에 사용된다. 주택난방에는 사용되지 않으며, 특히 바닥판넬식에는 적합하지 않다. 우리나라의 古來로부터 전해져 오는 온돌은 (2)에 해당한다. 현재 전부가 연소가스를 고래 속으로 통과시키는 방식으로 되어 있으나, 앞으로 열공기식으로 하여 태양열 난방에 적용시켜 볼만하다고 생각된다. (3)의 전열식은 한 때 우리나라에서도 온돌방열체에 사용된 적이 있으나, 전력요금이 고가인 최근에는 볼 수 없게 되었다. 다만 전기담요는 널리 보급되고 있으나 이를 판넬식이라 할 수 있을는지는 의문이다. 2) 온돌의 표면 온도와 방열량 판넬식 방사난방에 있어서 방열체의 표면온도는〈표 1〉과 같이 최고허용온도가 낮다. 특히 바닥판넬식은 31℃로서 가장 낮게 되어있다. 〈표 1〉은 ASHRAE guide에서 권장하는 표준이다.
이와 같은 온도 조건에서는 온돌 표면으로부터 실내에 방출되는 열량이 부족하게 된다. 보온시공이 되어 있지 않은 재래식 일반 주택의 경우, 서울 지방의 외기온도를 기준으로 하여 가장 추울 때에 난방실온을 18℃로 유지하기 위해서는 바닥 面積을 1㎡당 약 180㎉/h의 열이 필요하다. 이에 대하여 온돌의 표면온도 31℃일 때에 실내에 방출되는 열량을 계산해 보면 125㎉/㎡h밖에 안된다. 또한 표면온도를 35℃로 하였을 때에도 방출열량이 165㎉/㎡h로 되어 역시 부족하다. 3) 좌식생활과 전도전열 放熱體 표면에 직접 앉거나 누워서 잔다는 난방방식은 세계에서 우리나라 외에는 그다지 없는 것 같다. 라디에이터, 콘벡타, 각종 난로, 온풍기, 페치카 등 모든 난방 장치가 방사 및 대류에 의한 열 전달로 난방을 하게 되어 있다. 그러나 우리나라의 온돌은 방열체 표면에 직접 앉거나 누우므로 인체가 방열체 표면에 접하게 되어 전도전열이 생기게 된다. 그러므로 전술한 바와 같이 온돌의 표면온도를 35℃ 이상 올리는 것은 적당치 않으며, 이 때에 실온이 18℃보다 낮아진다는 것은 불가피한 일이다. 또한 야간 취침 시에는 표면온도를 더욱 낮게 하여야 하며, 더욱이 방열체 표면을 이불로 덮어서 방열을 막는 결과가 되므로 실내 온도는 더욱 떨어지게 된다. 실내 온도가 떨어져 물이 어는 수도 있다. 특히 북한지방에서는 방안에서 물이 어는 것을 예사로운 일이다. 3. 온돌의 장․단점 3-1. 온돌의 장점 전술한 온돌의 특징으로 미루어 온돌의 장단점을 알 수 있으나 여기서는 다른 여러 가지 난방 방식과 비교하면서 다시 장점과 단점을 알아보고자 한다. 1) 난방의 효과온도가 높다. 2) 바닥 쪽이 따스하여 頭寒足熱이 된다. 3) 실내에 장식물이 없다. 4) 과열․인화 등의 염려가 없다. 5) 실내에서 재나 먼지 같은 것이 나오지 않는다. 1)의 난방 효과라는 것은 인체가 온돌 표면으로부터 방사열을 받을 때, 인체가 느끼는 감각 온도는 실온 이상으로 높게 된다는 것을 말한다. 非加熱面 즉, 외벽 가까이에서는 효과 온도가 낮아진다. 일반적으로 방사난방에 있어서는 室溫을 다른 난방 방식보다 약간 낮게 잡는다.
3-2. 온돌의 단점 온돌의 단점을 들면 다음과 같다. 1) 열효율이 낮다. 2) 完溫의 제어가 어렵다. 3) 시공이 까다롭고 자주 보수하여야 한다. 4) 표면온도를 맞추는 데 무리가 있다. 5) 연탄가스 중독의 우려가 있다. 온돌의 열효율은 재래식 부뚜막 아궁이에 연탄을 땔 때 대개 30% 정도로 낮다. 4)의 표면온도에 관하여는 앞에서 상술한 바 있거니와 온돌에서 좌식생활을 하기 때문에 春秋季節에 외기 온도가 쾌적할 때에도 온돌에 불을 때야 하는 수가 많다. 이상과 같은 장점과 단점들을 다른 유형의 난방장치와 비교해 보면〈표 3〉과 같다.
4. 온돌의 열효율 4-1. 효율의 정의 熱效率이란 일반적으로 入熱에 대한 有效出熱의 비를 말한다. 그러므로 온돌 난방에 있어서도 투입된 연료가 가지고 있는 열량에 대하여 난방 목적에 유효하게 쓰여진 열량이 얼마나 되는가를 백분율로 나타내면 될 것이다. 그러나 연구자에 따라 견해의 차가 있다.
(a) 종합효율 온돌의 열효율이라 하면 일반적으로 아궁이에서 굴뚝까지의 종합효율을 뜻하는 것으로 치는 것이 常例이다. 이 때의 入熱과 出熱은 다음과 같이된다. 入 熱 : 공급된 연료가 보존하는 열량 有效出熱 : 온돌방안에 방출된 열량 (b) 온돌부만의 열효율 협의의 온돌인 온돌부만의 열효율이 된다. 熱傳達部인 온돌부는 고래의 기하학적 형상, 고래 단면의 크기, 개자리의 유무, 열가스의 流入口와 流出口의 상대적 위치 등에 따라 열효율이 달라지기 때문에 온돌부만의 열효율을 따지는 데는 의의가 있는 것이다. 이 때의 入熱과 出熱은 다음과 같이된다. 入 熱 : 고래 안에 들어간 열량 有效出熱 : 방안에 放出된 열량 (c) 아궁이 효율 아궁이 즉, 熱發生部의 열효율을 말한다. 이 때의 입열과 출열은 다음과 같이된다. 入 熱 : 공급된 연료의 보유열 有效出熱 : 온돌부의 고래 안으로 들어간 열량 여기서 여러 가지로 견해가 달라지는 경우가 있다. 즉, 부뚜막식의 경우 아궁이 위에 솥을 올려놓아 물이 끓었다면 그 열량을 유효열로 간주하여야 아궁이의 열효율이 옳게 나타내진다는 것이다. 심지어 부엌이 따스하게 된 것도 아궁이에서 발생한 열로 실온이 올라간 것이니까 이 역시 유효열에 가산되어야 한다는 것이다. 그러나 난방을 목적으로 하는 온돌인 이상 부엌에서 방출되는 모든 열량은 손실로 보아야 할 것이다. (d) 연소효율 연료의 연소효율은 연료가 가지고 있는 열량을 입열로 하고 여기서 未燃分損失 不安全燃燒損失, 炭災의 현열손실 등을 뺀 열량을 유효출열로 한 것이다. 아궁이 또는 화덕 등의 성능 또는 연료 자체의 품질을 따지는 데 필요하다. 4-2. 실제의 열효율 및 각부분의 열손실 실제의 열효율이 얼마나 되는지를 부뚜막식 아궁이에 연탄을 때는 재래온돌에 대하여 알아보기로 한다. (a) 연소효율 연료가 아궁이(화덕) 속에서 연소될 때의 연소효율은 약 91%가 된다. 이 때의 열손실을 세분하면 대략 다음과 같다. ⅰ) 연탄의 未燃分損失---------------- 3% ⅱ) 연탄의 불완전 연소손실------------ 5% ⅲ) 탄재의 현열손실------------------ 1% 계 9% 이 연소효율은 저질 연탄일 때 저하되며 연소통이 불량하거나 파손되었을 때 또한 효율이 저하한다. 그리고 온수보일러의 경우 연소통이 보일러 水室壁에 밀착되어 있을 때도 연소가 잘 안되어 효율이 떨어진다. (b) 아궁이의 열효율 연료가 보유하고 있는 열량중에서 고래 안에 들어가는 열량은 약 49%가 되며, 절반 정도가 손실되고 있다. 각 손실을 구분하면 ⅰ) 연소과정에서 ------------------- 9% ⅱ) 연소통 뚜껑에서 ---------------- 18% ⅲ) 아궁이 주변에서 ---------------- 19% ⅳ) 유도관에서 -------------------- 5% 계 51% 여기서 연료의 연소열만을 입열로 할 때에는 아궁이 효율은 53.8%가 된다. 그러나 아궁이 효율이라면 연료의 보유열을 입열로 하는 것이 상례로 되어 있다. (c) 전열부의 열효율 협의의 온돌 즉, 전열부의 열효율은 단열시공 여하에 따라 달라지는 바 대략 60∼80% 정도이다. 열교환기로서의 온돌 방열체는 효율이 좋지 않은 구조로 되어 있다. 구들장의 열전도율이 낮고, 고래 안의 열가스의 흐름이 저속이어서 層流를 이루고 있으며, 고래밑과 外周壁으로 열의 貫流損失이 많은 등 열교환 조건이 아주 좋지 않게 되어 있다. 각 부분의 열손실은 대략 다음과 같다. ⅰ) 고래밑으로 ---------------------- 29%(14%) ⅱ) 고래 外周壁 --------------------- 6%( 3%) ⅲ) 굴뚝으로 ------------------------ 4%( 2%) 계 39%(19%) 위에서 괄호 안의 숫자는 연탄의 보유열량을 入熱로 하였을 때의 효율을 나타낸 것이다. (d) 종합효율 아궁이-온돌(狹義)-굴뚝을 통한 열효율 즉, 우리가 일반적으로 지칭하는 온돌의 열효율은 약 30%밖에 안된다. 나머지 약 70%의 열은 난방에 쓰여지지 않는다는 것이 되는 바, 이 손실열들을 각 부분별로 따져 보면 대략 다음과 같다. ⅰ) 연탄의 연소과정에서 ---------------------- 9% ⅱ) 부엌으로의 방열 -------------------------- 30% ⅲ) 아궁이 밑으로 ---------------------------- 7% ⅳ) 유도관(로)에서 --------------------------- 5% ⅴ) 고래밑과 外周壁으로 ---------------------- 17% ⅵ) 굴뚝으로 -------------------------------- 2% 계 70% 4-3. 열효율의 향상 방안 (a) 함실아궁이의 보급 표 3에서 예시한 바와 같이 일반 재래식 부뚜막 아궁이에 연탄을 땔 때의 난방효율은 30% 정도밖에 안되는 데 비하여 같은 연탄을 함실아궁이에 땔 때에는 효율이 60%로서 2배가된다. 그러므로 부뚜막식 대신 함실아궁이로 바꾸는 것이 에너지절약의 가장 효과적인 방법이다. 함실아궁이는 또한 연탄가스 중독 방지에도 부뚜막식 아궁이보다 유리하다. (b) 연소통(화덕)의 개량 국산무연탄은 여러 가지 불가피한 조건 때문에 해마다 탄질이 떨어져 간다. 그러므로 연탄의 발열량을 높이기란 상당히 어려운 일이라 보아야 할 것이며 앞으로 저질연탄을 가지고 이를 완전 연소시키는 방법을 집중적으로 연구 개발하여야 할 것이다. 우선, 연소기(화덕)를 대폭적으로 개량하여야 한다. 현재의 연소기는 탄동이 耐土物 2㎝ 두께로 되어 있어서 보온력이 약하다. 이를 단열성이 높은 재질로 현재의 두께보다 2배정도 두껍게 하면 저질연탄도 완전 연소되며, 지속시간도 충분히 길어져서 연탄갈이가 3부제, 4부제를 면할 수 있게 된다. (c) 온돌의 단열시공 온돌 밑바닥과 外周壁으로 빠지는 열의 손실은 4-2(c)에서 예시한 바와 같이 약 35%가 된다. 온돌의 열효율이 좋지 않은 주요원인이 이러한 구조적인 결함에 있다고 할 수 있다. 그러므로 고래밑 부분과 외기에 접하는 周壁의 보온을 철저히 하여야 할 것이다. (d) 통풍의 개선 연탄 온돌이 통풍이 잘 안된다는 것은 커다란 문제점으로 되어 있다. 통풍이 잘 안되면 연탄을 피울 때부터 꺼지기 쉽고 유독가스가 많이 나며, 불완전연소하고 未燃分이 많이 남는 등 효율 저하의 원인이 된다. 이러한 결함을 없애기 위하여 연탄가스 배출기가 많이 사용되고 있다. 현재 공업용 연소장치에서는 거의 전부가 강제통풍방식을 택하고 있다. 자연통풍방식보다 열효율을 높일 수 있기 때문이다. 이와 같은 개념이 온돌에도 도입되고 있다고 볼 수 있다. 다만 정전이 장시간 계속될 때의 대책이 있어야 할 것이다. 5. 맺는말 온돌이 우리 민족과 더불어 장구한 역사를 지니고 있다는 것은 그만치 좋은 점이 많기 때문이다. 그러나 앞에서 지적한 바와 같은 결점들이 뒤따르며, 그 밖에도 유독가스배출, 소위 3부제, 4부제 탄갈이 고역, 탄재 처리 등도 간과할 수 없는 문제점들이라 아니할 수 없다. 그러므로 온돌은 우리의 것이라고 무조건 전래의 구습만을 답습할 것이 아니다. 傳熱工學的으로 본 모순과 불합리성을 현대과학에 맞도록 加一層 개선해 나가야 할 것이다. □ 참 고 문 헌 배순훈,〈온돌改良 設計에 關한 硏究〉, R-74-50 科學技術處. 차종희,〈在來式 暖房 geometry에 따른 熱特性에 關한 硏究〉, 科學技術處, 1970. 최서국․박금철․안재휴,〈가정열관리 標準化에 關한 調査硏究〉, 工業振興廳(1977). 李澤植,〈온돌의 熱效率向上에 關한 硏究〉, R-72-10, 科學技術處(1972). 김정수,〈농어촌 住宅의 온돌의 科學化와 開發方案에 關한 硏究〉, 科學技術處(1973). 이 건․남정수,〈농촌주택 熱管理 構造 改善에 關한 硏究〉, 建築硏究所資料, No.252(1973). ASHRAE Guide and Data Book : ASHRAE(1970) 송태윤․최서국․안재휴․강용식,〈가정熱管理標準化에 關한 조사연구〉, 工業振興廳(1976). |
출처: 나무과자 원문보기 글쓴이: 순돌이
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