김동상 (주)에너조이코리아 기술고문 난방과 관련하여 우리는 전도, 대류, 복사 세 가지의 열전달 형태를 연구하고 있다. 복사가 전도나 대류와의 차이를 검토하고 그 결과로 복사난방의 실제방법을 구체적으로 검토하도록 하겠다. 이들 열전달 형태가 냉난방 해석이나 설계를 위하여 그동안 일부 부족한 감도 없지 않았으나 현재는 건축물과 그 에너지 System을 설계하는데 충분한 지식을 안출, 이해, 제공하고 있다. 특히 원적외선에 의한 천장형 복사난방은 종전 난방의 개념과 형태에 큰 변화를 예고하고 있다 하겠다. 1. 열전달의 형태 열전달의 세가지 형태는 각각 단독으로 일어나기 보다는 서로 연관성을 가진다. 즉 발열체를 중심으로 열은 전도, 대류, 복사 또는 혼합된 형식으로 고온에서 저온 쪽으로 흘러 간다. 가. 열의 전도(Heat Conduction) 열흐름의 길이 고체로서 고온점으로부터 저온점으로 열에너지가 흘러가는 형태를 열의 전도라 한다. 이때 전도되는 열량 Q는 Q = -KA dt -------- ① dx K : 열전도도(Kcal/m-h-c) A : 열전도체의 단면적 dx : 열전달 통로의 미소 두께 dt : 열전달 통로 양단의 온도차 나. 대류(Heat Convection) 기체가 열에너지를 받으면 기체분자는 에너지와 함께 이동하는 현상이 생기며 이를 대류라 한다. 대류에 의하여 전달되는 열량 Q는 Q = ∂ Adt ---------- ② 로 표시되며 이 식을 Newton의 식이라 한다. ∂ : 열전달 계수(kcal/㎡-h-c) A : 대류가 일어나는 면의 단면적(㎡) dt : 대류가 일어나는 양면의 온도차 다. 복사(Heat Radiation) 전도와 대류에서는 열이 이동하기 위하여 매체가 필요하였다. 그러나 복사는 매체가 없이 열이 직접 전달되는 현상이다. 태양으로부터 엄청난 에너지가 아무런 매체가 없는 우주공간을 지나서 지구로 전달되는 현상은 복사의 대표적 모습이다. Q = ∂ A(T14-T24) --------- ③ 로 표시되며 Stephan Boltzmann의 식이라 한다. ∂ : 유효복사 계수(kcal/㎡-h-c) A : 유효복사 면적(㎡) T1T2 : 열복사가 일어나는 양면의 온도(K) 난방이란 상대적으로 높은 온도의 발열체로부터 발생한 열이 전도, 대류, 복사 또는 혼합된 형태로 상대적으로 낮은 온도인 난방공간으로 이동하여 그 온도를 높여주고 쾌적한 상태를 만들어 주는 것을 말한다. 2. 복사에너지의 성질 적외선과 같은 복사에너지는 불투명체 물질을 통과하지 못한다. 복사에너지는 부딪힌 불투명체 물질의 표면상태, 온도, 주위상태에 따라 반사(Reflect), 흡수(Absorb), 방사(Emit)된다. 이들을 용어별로 정의하면 다음과 같다. 가. 반사(Reflectance): 입력 Energy 중 표면에서 반사되는 비율(%) 나. 흡수(Absorptance): 부전도성 물질의 표면에서 에너지는 반사보다 흡수가 많다. 흡수된 에너지는 열로 변하여 전도되고, 자체온도도 높여준다. 물체의 온도가 높아지면 이로 인하여 에너지의 방사가 일어난다. 다. 방사(Emissivity) 방사란 장파장의 복사에너지를 흡수하고 방출하는 물질의 특성을 말한다. 그 물질의 방사율은 흑체(Black body) 즉, 이론상 100% 방출에 대하여 그 물질의 방출에 대한 %로 나타낸다. 예를들면 Aℓ과 같은 금속 표면을 광이나게 연마한 경우 0.05(5%)로부터 건축자재와 같은 부전도성 물질은 0.95(95%)에 이른다. 물질에 따라서 입사된 에너지의 파장에 따라 흡수 또는 반사의 특성이 달라진다. 예를 들어 매끈한 알루미늄판에 햇빛(파장이 짧은)을 쏘이면 대분분은 반사되고 단지 10% 정도만 흡수된다. 그리고 흡수된 에너지의 5%(방사율)만이 재방사된다. 즉, 0.1×0.05=0.005 (0.5%)가 재방사된다. 그러나 원적외선과 같은 장파장의 경우는 차이가 있다. 입사된 에너지의 95%가 반사되고 5%는 흡수된다. 그리고 흡수된 5%의 에너지의 5%가 결국 방사된다. 즉 0.05×.005=0.0025 즉 0.25%가 방사된다. 그 표면이 흑색인 경우를 생각하자. 이 경우는 짧은 파장의 복사에 대하여는 대단히 높은 흡수율(95%)을 나타내지만 흑색표면은 대부분의 흡수된 에너지를 방사하게 되므로(0.95×0.9=0.855)입력에너지의 85.5%을 재방사하게 된다. 그리고 원적외선과 같은 장파장인 경우에도 입력에너지의 79.2%(0.88×0.9=79.26 방사율 12%, 흡수율 88%, 방사율 90%)가 재방사되어 위의 알미늄의 경우와는 대조가 된다고 하겠다. 모든 물체는 자신의 온도에 따라 복사열을 발생한다. 우리가 신체에의 침투효과 때문에 선호하는 원적외선 난방을 위하여 가능한 한 많은 원적외선이 발생하도록 많은 연구가 이루어지고 있다. 미국 Solid State Heating Company사 제품인 ENERJOY를 예로 들면 발열판의 표면온도가 85℃~105℃에서 원적외선 방사효율이 93.5%를 기록한다.(한국에너지기술연구원 실험) 이와같은 물질에 따르는 복사에너지의 성질은 냉난방과 관련하여 자재, 색상, 표면상태의 선정에 깊은 관계가 있으므로 원적외선 복사난방 System 설계시 폭넓은 검토가 수반되어야 될 것이다. 3. 원적외선의 난방효과 및 특징 우리들은 서늘한 주위환경에서 태양의 직사광선을 받으면 쾌적한 따뜻함을 느낀다. 태양광 속에는 50% 전후의 원적외선이 포함된 것으로 알려지고 있다. 사람의 열쾌적 만족도에 크게 영향을 주는 것은 복사열(원적외선과 같은), 대류열(주위의 대기온도), 증발열(주위의 습도)을 들 수 있다. 우리는 어떠한 기후환경이나 생활환경 속에서도 복사, 대류, 습도의 조절을 통하여 인간에게 가장 알맞은 열쾌적 조건을 만들어 낼 수 있다. 열쾌적이란 주위 열적 환경에 만족을 나타내는 마음의 상태를 말한다. 원적외선 복사가열 system은 피가열 물체에 침투와 표면을 따뜻하게 하여주고, 공간 내의 대기의 흐름을 최소화하는 기능 등 난방을 위한 좋은 조건을 갖고 있으며, 난방용 에너지 절감요건의 핵심이 된다 하겠다. 특히 평면거치 천장형 원적외선 복사난방 system은 여러 가지 장점을 가지고 있다. ① 바닥과 천장의 온도차가 1℃~2℃로 방 전체가 다른 난방방식과 달리 균일한 온도 분포를 하고 있다. ② 바닥도 원적외선의 복사효과로 차지 않다. ③ 바닥공간에 난방기구 설치가 없으므로 100% 공간활용이 가능하다. ④ Maintenance가 필요치 않다 ⑤ 난방기로 인한 소음발생이나 유해분진, 가스발생이 없다. ⑥ 따라서 환기의 필요성도 대폭 감소한다. ⑦ 거울이나 유리창에 수증기 서림이 없다. ⑧ 유해전자파가 나오지 않는다. 4. 원적외선 발열판의 설치용량계산법 난방을 위해서는 난방부하를 예측해야 한다. 공간내부의 벽을 통하여 내부열이 밖으로 발산되므로 4면의 벽, 바닥, 천장의 열관류율을 각각 예산하고 기준외기와 목표실온의 차이(높여주어야될 온도)로부터 빠져나가는 열량을 얻는다. 이때 Door, 창문(유리), 천장의 상태, 벽의 단열구조등을 면밀하게 감안하여 각부분의 열관류율을 계산하는 것이 중요하다. 그리고 내부공기의 환기가 수반된 경우 시간당 공기교환회수를 가정하여 손실되는 열량을 얻어 위의 벽을 통한 손실열량에 합산한다. 이 열량이 난방기의 용량이 된다. 여기서 Qr : 방의 총 열손실(Kcal/h) Q1,Q2---Qc : 방의 각 면에서의 열손실(Kcal/h) 틈새 내지 환기 열손실 Qv = 0.29nVr△Tv 여기서 Qv: 방의 틈새, 환기열손실 n : 환기회수 Vr : 방의 체적(㎥) △Tv : 방과 외기의 온도차(℃) Q = Qr + Qv(Kcal/h) 복사발열판의 용량 W는 W = Q(kcal/h) ÷ 860kcal/kw = W kw/h 여기서 Q : 방의 총 열손실/시간(Kw/Hr) 이 방법은 난방이론에 입각한 이론적 계산법이지만 고려항목이 너무 많고 계산도 복잡하여 전산화가 안되면 많은 시간이 소요되는 어려움이 있어 속응 대응이 불가능하다. 약산법을 고안하여 사용하는 경우가 많으며, 그 예로 미국 SSHC사가 사용하고 있는 것을 소개하면 다음과 같다. 여기에는 다음과 같은 전제가 필요하다. 1) ENERJOY의 energy(전력)밀도 : 750watt./㎡ 2) 건물의 단열상태, 미국의 건축법기준 R-value 범위 또는 건교부 건물 단열관련법규 규정범위 내에 있을 것 3) 방의 높이 : 2.4m 전후 4) 난방의 목표온도 : 22℃ W=A×B×0.1×750w/㎡ 여기서 A : 천장의 가로(m) B : 천장의 폭(m) 이 경우 방의 높이가 기준보다 높을때, 단열이 나쁠때, 지하실, 기타 특별한 곳에서는 용량의 보정이 필요하다. 그러나 그 사람의 난방에 대한 습성, 방의 상하층 상황, 창문상태, 사람이 문을 여닫는 회수의 빈도 등 수많은 요소가 작용하므로 난방설계란 대단히 어렵다고 여겨진다. 5. 전력요금의 계산 4항에서 에너조이의 설치용량(kw)이 정해지면 다음과 같이 월간 전기요금이 계산된다. W = P×24×0.6×30.5×C = 732P×C×μ 여기서 W : 월간 전력요금(Won) P : 설치된 에너조이 용량(kw) 24 : 1일 시간 μ : 에너조이의 작동비율 C : 한전 전력요금 W/KWH) ① 산업용 ② 교육용 ③ 일반용 ④ 주택용 ⑤ 농사용 ⑥ 심야전력 에 따라 요금이 다름을 인지할 것. 6. 결론 에너지 절약을 위해서는 사람들이 아껴쓰는 지혜가 우선 필요하다. 그러나 건축물의 단열성을 최대로 반영한 건축물이 에너지절약을 위하여 무엇보다 중요하다고 하겠다. 여름의 냉방, 겨울의 난방이 다같이 건축물의 단열성 여하에 따라 에너지 소비에 직접 영향을 준다. 원적외선 복사난방은 최고급형 난방법임으로 발생된 열을 낭비 없이 이용하지 않으면 안되며 단열성을 최대로 고려한 건축설계와 자재선정이 대단히 중요함을 강조하고자 한다. 부분 열관류율 면적 온도차 열손실 (Kcal/㎡hc) (㎡) △T(t1-t2)℃ (kcal/h) 벽 1 K1 A1 △T1 Q1 벽 2 K2 A2 △T2 Q2 벽 3 K3 A3 △T3 Q3 벽 4 K4 A4 △T4 Q4 바닥 Kb Ab △Tb Qb 천정 Kc Ac △Tc Qc total Qr= (room) Q1+Q2+ --- Qc 에너조이 원적외선 복사난방 설치예 필자약력 서울대학교 공과대학 전기공학과 졸업 이천전기공업(주) 부사장역임 다남전원 대표이사 역임 現 (주)에너조이코리아 기술고문