Scandal 4. 창문이나 현관 문은 이중으로 한다.

 

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창문은 이중창으로 현관문은 중문까지 설치하고 건물의 입구도 이중문으로 한다.

여기에는 여러가지 이유가 있겠지만 열의 이동 관점에서 아래 순서대로 파헤쳐 보기로 하자 

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1. 열의 이동
2. 이중창의 효과
3. 열기구의 원리
4. 밤과 낮의 소리의 이동
5. 공기의 이동
6. 에어컨 바람 방향과 히터의 바람 방향

 

1.열의 이동

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열의 움직임은 전도, 대류, 복사의 세가지의 원리로 움직인다.

 

전도(conduction)는 물질내에서 열이 전달하는 방식으로, 전도율이 높으면(대) 물질내에서 이동을 해도 온도가 유지된채로 이동하고, 전도율이 낮으면(소) 온도의 이동속도가 느려서 온도가 많이 떨어진다.

 

대류는(convection) 표면과 이와 다른 온도를 가지고 움직이고 있는 유체(공기 등) 사이에서 이동하는 열 전달 방식으로 전도보다는 열의 전달 속도가 늦고 온도차이가 작게 나타난다.

 

열 복사(thermal radiation)는 온도를 가지는 모든 표면이 전자기파의 방식으로 에너지를 방출함으로 인하여 일어난다. 중간매질이 없을 경우에도 서로 다른 온도의 두 표면사이에서 복사에 의한 열이 전달되고, 전도, 대류보다 복잡한 방식으로 열전달이 일어난다.

이제 이런 원리들은 어디에서 활용되고 있는지 알아보자

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2.이중창의 효과

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수백 년 동안 단일 유리창이 표준이었다. 단일유리는 자연광을 받아들이고 바람을 차단하지만 단열 성능이 좋지 않아 더위와 추위가 쉽게 통과하는 단점이 있었다. 1865년에 미국의 엔지니어이자 발명가인 Thomas D. Stetson은 두 개의 유리판을 함께 묶어 하나의 유닛을 만들고 그 사이의 습한 공기를 제거하고 건조한 공기로 대체하면 단열 효과를 높이고 열 손실을 방지할 수 있다는 것을 발견했다. 그러나 Stetson의 유리창 제조 공정은 1930년대까지 건축 산업에서 많이 사용되지 않았다. 1950년 자동차 제조업체 및 상업용 건물을 위한 전국 유리 공급업체인 Libbey Owens Ford 회사에 의해 홍보된 후 절연 유리는 상업적으로 이용 가능해지게 되었다.

 

아래 그림에서 보면 일반 단창은 유리 한장으로 되어 있어 밖의 온도가 그대로 유리의 전도에 의해 안으로 전달되어 온도차이가 밖과 안이 크지 않게 된다. 반면 시스템 단창이라고 되어 있는 유리 두개 사이에 공기층이 있는 창문은 밖의 온도가 유리에 의해 전도 되고 전도된 열은 공기층에 의해 대류가 일어나서 뜨거운 공기가 천천히 다음 유리에서 전도되어 안으로 열이 전달되는데, 일반 단창 유리였을때 보다 밖과 안의 온도 차이가 많이 난다. 결국 시스템 단창이 단열처리가 높은것이다.이것은 여름에 밖은 더운데 안은 시원함을 유지할수 있고, 밖은 추운데 안은 따뜻함을 유지할수 있는 원리이다.

 

 

 

 

 

그리고 1865 년에  Stetson는 이중창 사이에 건조한 공기를  제안하였듯이 이중창 안에는  건조한 공기는 아니지만 아르곤 가스가 채워져 있다. 열전도율을 보면 크립톤(Kr)이 열전도율이 가장 낮으나 실용적이고 저렴한 안전성이 높은 아르곤 가스가 일반적으로 사용된다. 열전도률이 낮으면 대류에 의해 열전달속도가 느려서 밖의 온도가 안까지 영향을 미치기에는 시간이 많이 걸리기 때문이다.

	공기	SF6	Ar	Kr
열전도율	2.58	1.35	1.73	0.93

 

결론적으로 단열효과를 높일려면 아래와 같이 유리사이에 대류특성을 많이 유발할수록 열전도 속도를 느리게 할수록 단열에 효과적이다.

 

 

열전달 원리를 이용한 것은 이중창 뿐만 아니라 주위에 많이 있다.

 

대부분의 건물입구에 이중문들이 많이 있다. 힘들게 두개씩 설치한것이 아니고 이중문은 문과 문사이에서 대류현상으로 여름에는 밖의 뜨거운 온도가 안으로 들어오는것을 막아주고 겨울에는 추운 온도가 안으로 들어오는것을 막아준다. 그래서 에너지 절약(난방비, 에어컨)측면에서 필자는 항상 건물에 들어갈때 이중문이 열려 있으면 닫는다. 사진에도 보면 저렇게 열려있으면 에너지 낭비가 심하게 된다.

이중문

 

회전문도 에너지 절약 차원에서 현관문이 열렸을때 밖의 온도가 갑자기 들어오는것 방지하는 효과로 회전문이 사용된다. 불편할수 있지만 에너지 절약을 위해서는 회전문을 이용하기를 추천한다.

회전문

 

 

아파트 중문도 인테리어 목적으로 하는 사람이 대부분일지 모르지만 상당한 역할을 한다. 집안을 따뜻하게 유지하기 위해서 현관 밖의 차가운 공기에 의한 온도를 현관과 중문 사이에서 대류현상에 의해 차단할수 있는 역할을 한다. 그래서 아파트 현관 앞 중문은 항상 닫는게 난방비나 에어컨 전기료를 절약할수 있다.

 

중문

 

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그럼 여기서 대류(Convection) 에 대해서 잠깐 언급하고 넘어가자

대류에는 자연 대류(Free convection)와 강제대류(Forced convection)가 있다.

자연대류는 유체(기체)의 이동이 자연스럽게 이루어져서 열의 이동이 발생하는 것이고 강제 대류는 선풍기등 물리적이 힘에 의해 유체를 이동시켜 열의 이동이 발생하는 것이다.

 

아래 그림과 같이 20 ℃의 공기가 50 ℃의 기판에 의해 따뜻한 공기는 위로 올라가는 특성으로 유체는 상승하면서 50 ℃기판은 온도가 낮아지는 자연대류 현상이 발생하고, 강제대류는 선풍기등으로 강제로 기판 온도가 내려가는 현상이다.

 

 

3. 열기구는 어떠한 원리로 움직이나

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열기구가 하늘로 올라가는 원리는 버너를 가열하면 열기구 내의 공기가 뜨거워 지면서, 뜨거운 공기는 위로 올라가는 성질이 있어 열기구가 상승하게 된다. 버너를 가열하지 않으면 열기구내에 뜨거운 공기는 위로가고 차가워진 공기는 아래로 내려오는 대류현상으로 전체 공기의 온도가 낮아지면 하강하게 되는 원리이다.

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4. 밤에 밖의 소리가 집안으로 더 크게 들리는 경우도 이러한 대류현상의 하나 이다.

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낮에는 태양에 의해 지열이 뜨거워저 공기가 아래에서 위로 휘게 되어 흩어지고 멀리 전달되지 않는다. 그러나 밤에는 낮에 뜨거워진 공기보다 지열이 차가워져 아래에서 휘어서 상승하면서 소리가 멀리 갈수 있다. 그래서 밤에는 의외로 밖의 소리가 더 잘 들린다.

 

낮

 

 

밤

 

 

 

 

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교회의 종소리가 밤이나 새벽에 멀리 퍼지는 거나 사우나에서 서 있을때 보다 바닥이 덜 뜨거운 이유도 같은 원리이다.

불이 났을때도 뜨거운 공기가 위로 올라가면서 연기도 같이 위로 올라가게 되어 고개를 숙이면서 이동하면 질식이나 열기를 피할수 있는 방법이다.

 

<출처 : 한국 소방안전협회>

 

 

 

5.이렇게 뜨거운 공기가 위로 올라가고 차가운 공기가 아래로 올라가는 이유는 무엇일까?

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공기가 뜨거울수록 분자 운동이 활발해서 부피가 커지고 밀도가 작아져 가벼워서 위로 올라가고, 차가울수록 부피가 작아지고 밀도가 커저셔 아래로 내려가게 된다.

 

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6. 여름에는 에어컨 바람 방향과, 겨울에 히터기의 바람 방향은 어떻게 해야할까?

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여름에 에어컨의 바람 방향은 위로 해야 위에 있는 뜨거운 공기를 차게 만들고 다시 찬공기는 아래로 내려가면서 전체적으로 시원해 질수 있다. 즉 어차피 차가운 공기는 아래로 내려가니 위에 하면 위에도 차가워지고 아래도 차가워지게 된다.

겨울에 히터기는 바람방향을 아래로 해야 아래의 차가운 공기가 따뜻해지고 다시 뜨거운 공기는 위로 올라가게 된다.즉 위에는 공기가 따뜻하니 아래로 보내면 아래도 뜨거워 지고 위도 뜨거워 지는것이다.