[12월호 특집]Q&A, 벽난로 궁금증을 한번에

Q&A,

벽난로 궁금증을 한번에

벽난로의 장작이 타는 화점에서 방사된 열에너지는 화실의 후벽과 측벽의 경사에 의해 화점으로 되돌려진다[Feedback]. 이렇게 되면 화점 주변이 벽난로 가장자리보다 높은 온도를 유지한다. 여기에서 밀도 차에 의해 복사, 전도, 대류 열에너지가 생긴다. 이러한 열에너지들이 연기 트러블이나 연도로의 과다한 방출 없이 실내로 완전히 발산되는 이유는, 화실에서 연소돼 따뜻해진 공기가 거실에서 유입되는 차가운 공기와 만나서 상승할 때 굴뚝에서 유입되는 공기량에 비해 유출되는 공기량이 많거나 같기 때문이다. 이것이 벽난로에 숨겨진 과학적인 원리다. 단순하면서도 대단히 섬세한 연소장치인 장작 벽난로에 대한 궁금증을 하나하나 해결해보자.

글 최은지 기자

버닝 타임이 중요한 이유는

버닝 타임BurningTime이란, 벽난로에 장작을 한 번 투입한 후 재투입하지 않고 장작을 태울 수 있는 최장 시간을 말한다.

세라믹 유리가 개발되기 전의 재래식 벽난로는 화구로 유입되는 공기량을 조절할 수 없었다. 따라서 장작을 투입하자마자 화구로 유입되는 공기로 인해 자연 연소되어 버닝 타임이 고작 10∼30분에 불과했다. 최근 유행하는 화구에 세라믹 유리를 장착한 밀폐형 고효율 벽난로는 버닝 타임을 1∼10시간 자유자재로 조절할 수 있다. 버닝 타임은 여러 면에서 중요하다.

첫째, 버닝 타임이 긴 벽난로는 열효율이 높다(벽난로 표면 온도 450∼500℃ 유지). 버닝 타임 동안 열에너지가 화실에 머물면서 벽난로 전면 세라믹 유리로는 복사열을, 측벽과 후벽으로는 대류열과 전도열을 전달하기 때문이다. 이 버닝 타임에 따라 벽난로의 표면 온도와 복사열에 많은 차이가 발생한다.

둘째, 버닝 타임이 긴 벽난로는 장작 소모량이 적다. 장작을 투입하는 간격이 5∼10시간이고 화실 온도가 600℃ 이상 고온을 유지하며 완전 연소가 이뤄진다. 따라서 극소량의 재만 발생하므로 온종일 벽난로를 사용하더라도 일주일에 한 번 정도 재를 처리하면 된다.

셋째, 버닝 타임이 긴 벽난로는 안전하다. 장작이 타는 화점에서 800℃ 이상의 완전 연소가 이뤄져 그을음과 검댕이[Cresote]가 발생하지 않는다. 크레소트는 불완전 연소 시 발생하며, 연도 막힘과 연도 화재[Chimney-Fire]를 유발하는 원인이다. 또한, 벽난로 몸체로 유입되는 공기량이 적기에 당연히 연도로 배출되는 공기량도 적고 연도의 온도도 낮으므로 안전하다.

넷째, 버닝 타임이 긴 벽난로는 환경을 보호한다. 장작이 고온에서 완전 연소되므로 오염물질의 배출을 극소화한다. 연소 상태는 장작이 타고 남은 재와 굴뚝 끝으로 배출되는 연소 가스 색깔로 알 수 있다. 장작이 완전 연소되면 재의 입자가 밀가루처럼 곱고 흰색이며 연소 가스의 색깔이 거의 없다. 반면, 장작이 불완전 연소되면 잔여 목탄으로 재가 어둡고 연소 가스가 탁하다.

화구 오픈형 벽난로(左)와 세라믹 유리 밀폐형 벽난로(右). 세라믹 유리의 개발로 벽난로의 버닝 타임을 1시간에서 5∼10시간 끌어올릴 수 있었다.

세라믹 유리는 무엇인지

벽난로 화구에 부착되어 공기의 유입을 막고 장작이 타는 모습을 투영하도록 개발된 세라믹 소재의 유리이다.

결정화結晶化 유리라고도 하며 데비트로세라믹스Devitroceramics라는 학명으로도 알려져 있다. 보통 산화리튬, 알루미나, 규산을 기초 성분으로 하는 유리를 자외선을 쪼인 후에 가열하면 연화온도軟化溫度(600℃) 부근에서 작은 결정이 생기고, 다시 가열하면 이를 핵으로 하여 0.02∼20㎛의 미세한 결정으로 가득 찬 결정화 유리로 변한다. 특히 결정핵으로 금속이나 금속산화물, 즉 금, 은, 구리, 백금, 산화티탄, 산화지르코늄을 이용하면 고성능의 결정화 유리를 얻게 된다. 보통 결정화 유리는 불투명체이지만, 기초 유리의 성분이나 제조 조건을 적당히 선택함으로써 석출析出하는 결정의 치수를 극도로 작게 한 투명한 결정화 유리를 얻게 된다.

결정화 유리는 일반 유리와 달리 도자기(세라믹스)와 같이 미세한 결정으로 구성된다. 1,200℃까지 견딜 수 있는 내열 온도, 그리고 99% 원적외선을 투과하는 물성을 지니고 있다. 조직이 치밀하고 기계적인 강도가 있으며, 연화온도가 1,000∼1,300℃로 높고 열팽창률은 대단히 작다.

세라믹 유리가 개발되면서 벽난로는 에너지 효율이 높아지고 디자인이 다양화되고 연도의 굴절 각도가 자유로워졌다. 바로 새로운 디자인의 밀폐형 노출 벽난로이다. 기존 화구가 오픈된 매립 벽난로에 비해 화실 내부의 온도를 3배 이상 상승시키고(250℃ → 850℃), 장작의 버닝 타임을 증대시키며(1시간 → 10시간), 기존 복사열에 의존하던 벽난로의 열원에 대류열을 추가하는 등 눈부신 발전이 이뤄졌다.

세라믹 유리의 장착에 따라 벽난로 화실 내부의 평균 온도는 상승할 수밖에 없다. 이러한 고온의 열에너지가 철판에 직접 닿을 경우 대류열의 순간적 온도 상승과 후벽으로의 프라이팬 효과에 따른 과도한 온도 전달, 연도의 급격한 상승(화구의 밀폐가 완벽하지 못할 경우)에 따른 크레소트의 연도 발화 현상 등 하자가 따른다. 이러한 하자를 근본적으로 없애려면 무기질 소재, 즉 기존 두꺼운 내화벽돌이 아닌 얇고 강한 내화벽돌을 화실에 장착해야 한다.

세라믹 유리 밀폐형 벽난로는 화실 내부 온도의 상승에 따른 하자를 방지하려면 얇고 강한 내화벽돌을 장착해야 한다.

화실을 왜 내화벽돌로 만드는지

내화벽돌[Fire Brick]은 벽난로의 화실에 시공하는 고온 공업용 재료이며, 비금속 무기재료로 내화물 중 가장 큰 비중을 차지한다.

벽난로의 화실, 즉 아궁이 내부는 장작이 타면서 내는 800~1,100℃의 고열이 복사와 대류를 통해 화구와 측면으로 열을 발산하는 열에너지의 생산 공장이라고 할 수 있다. 화실에서 내화벽돌이 아닌 철판이 열에너지에 그대로 노출될 경우 열에너지를 받는 부분이 일정하지 않으므로 장시간에 걸쳐 휨이나 비틀어짐, 부식, 녹아내림 등의 현상을 피할 수 없다. 따라서 화실에서 열에너지와 직접 맞닿는 접촉면은 반드시 내화벽돌을 사용해야 한다. 또한, 내화벽돌을 가열한 간접 열이 철판이나 주물의 화실 면에 닿아야 한다.

벽난로의 화실과 발열량의 관계는

벽난로의 화점에서 장작이 탈 때 800∼1,100℃의 열에너지가 발생된다. 이 열에너지는 벽난로의 세라믹 유리와 후벽, 측벽 등을 가열하고, 이 과정을 통해 실내로 방출된다. 따라서 벽난로의 화실이 작을수록 화점과 가까운 위치에서 세라믹 유리와 후벽, 측벽을 직접 가열하므로 열에너지의 방출 효율이 더 높아진다. 또한, 벽난로의 화점과 세라믹 유리, 측벽, 후벽 사이에서 열에너지의 피드백Feedback이 원활하게 이뤄지려면 화실이 필요 이상으로 크지 않아야 한다.

화상 방지 기능이 있는지

고품질 벽난로는 몸체의 후벽과 측벽을 접촉해도 손이 데일 정도로 뜨겁지 않다. 세라믹 유리가 있는 정면과 상부로 발열량의 95%가 발산되도록 측벽과 후벽을 삼중으로 설계하여 생산하기 때문이다. 이러한 벽난로는 세라믹 유리로 방출되는 복사열과 상부로 방출되는 전도열이나 대류열의 평균 열효율이 80%를 넘는다.

어린이의 손이 벽난로 몸체에 닿더라도 화상을 방지할 정도로 몸체의 온도를 낮추고, 발열해야 할 전면과 상부의 방출 통로로만 집중적으로 발열하도록 설계된 것이다. 바로 벽난로의 화실과 외피 사이에 외부에서 보이지 않는 스테인리스 삼중 방열층이다. 이러한 화상 방지 기능은 벽난로 설치 시 후벽에 대리석 부착 등 불필요한 시공까지 없애준다.

벽난로 굴뚝은 높을수록 좋은지

벽난로 굴뚝의 높이는 화구가 개방된 재래식과 세라믹 유리로 화구를 밀폐한 밀폐형에 따라 달라진다.

재래식 벽난로는 몸체와 스모크 챔버Smoke-Chamber, 연도가 통풍계의 사이클을 형성하며 유기적으로 결합된 일종의 통풍 장치이다. 화구로 유입되는 공기량은 개구 면적(㎠)당 매시간 0.07~0.1㎥이다. 이러한 공기 유입량은 장작이 연소하는 데 필요한 양의 30~40배이며, 이로 인해 벽난로가 있는 공간을 1시간당 5~6회 환기시킨다. 이와 같이 재래식 벽난로는 화구로 유입되는 공기량이 화구 면적(가로×세로)만큼 유입되면서 끊임없이 화실의 온도를 낮추게 된다. 이러한 발열 특성으로 인한 화실의 약한 흡인력吸引力을 높은 연도에서 ‘자연 발생한 증력(따뜻한 공기가 위로 올라가는 현상)’을 이용하여 원활히 배출하고자 연도를 지붕 끝까지 올리는 것이다. 그러나 연도가 7m 이상 높을 경우 연도 내부에서 발생하는 공기의 밀도차로 인해 자연 증력이 과도하게 발생하여 흡인력이 스모크 챔버뿐만 아니라 화실에까지 미치므로 장작이 빨리 연소되고 연도의 유속이 과도하게 빨라질 수 있다. 이를 방지하고자 벽난로 연도에 통풍 조절기[Damper]를 설치하여 흡인력을 조절하는 것이다.

세라믹 유리가 부착된 밀폐형 벽난로는 화구의 모든 틈새가 세라믹 유리와 암면으로 정밀하게 밀폐되어 있다. 1차, 2차 유입 댐퍼에 의해 통제된 공기량이 화실로 유입된다면, 화실의 온도는 재래식 벽난로에 비해 3배 이상 올라간다. 즉, 화구가 밀폐된 벽난로는 화실에서의 연소 온도가 높기에 재래식 벽난로에 비해 증력이 강하게 형성되어 외부 공기에 의한 역풍의 영향을 거의 받지 않는다.

따라서 벽난로의 굴뚝을 높여 연기 트러블을 막는 것은 화구가 오픈된 재래식 벽난로에서 필요한 기술이다. 하지만 세라믹 유리가 장착된 밀폐형 벽난로에서는 고온의 화실에서 증력을 발생시켜 연도를 통해 배출하므로 굳이 벽난로 연도를 필요 이상 높일 필요가 없다.

재래식 벽난로와 달리 세라믹 유리 밀폐형 벽난로는 굴뚝을 필요 이상으로 높이지 않아도 된다.

연통을 길게 뺄수록 난방 효과가 높은지

결론부터 얘기하면 그렇지 않다. 열효율이 80% 이상인 벽난로는 열에너지의 95% 이상이 연도가 아닌 몸체에서 발산되기 때문이다. 반대로 열효율이 20% 이하인 벽난로는 공기를 과도하게 유입하므로 열에너지가 화실 내부에서 오래 머물지 못하고 연도를 통해 빠르게 빠져나간다. 결국 벽난로 몸체는 온도가 오르지 못하고 열에너지가 빠져나가는 연도만 열에너지의 병목 현상으로 과열되는 것이다.

고효율 벽난로는 열에너지의 95% 이상이 몸체에서 발산되기에 연통을 길게 뽑을 필요가 없다.

바닥 난방 겸용 벽난로는 무엇인지

바닥 난방 겸용 벽난로는 벽난로를 가동하면 실내 공기는 물론, 바닥의 난방수를 함께 데운다는 점에서 관심이 높다. 하지만 장작이 연소하면서 발열하는 열에너지의 총량은 일반 벽난로나 바닥 난방 겸용 벽난로나 동일하다. 즉, 벽난로의 열효율은 생산 품질과 장작의 종류, 장작의 함수율에 따라 결정된다. 바닥 난방 겸용 벽난로는 열에너지를 공기와 바닥(난방수) 난방으로 나누어 방열하는 것이다.

바닥 난방 겸용 벽난로로 선택할지, 일반 벽난로로 선택할지에 앞서 벽난로 각각의 품질과 열효율, 버닝 타임 등을 꼼꼼하게 살펴야 한다. 또한, 바닥 난방 겸용 벽난로는 주로 신축하는 건축물에 설치한다. 시공 과정에서 지름 25㎜ 엑셀파이프 3가닥(유입수, 유출수, 전기선)이 보일러의 분배기와 벽난로에 연결돼야 한다.

주물벽난로 vs 철판벽난로 무엇이 좋은지

주물이든지 철판이든지 소재보다는 열효율과 편의성, 안전성, 축열성, 버닝 타임 등 등급별로 벽난로의 핵심 성능을 결정짓는 제조 수준이 중요하다.

일례로 주물과 철판 소재 모두 버닝 타임이 1시간이 채 안 되는 저효율 벽난로도 있고, 10시간 가까운 고효율 벽난로도 있다. 벽난로의 사용 목적이 열효율과 발열량이라면, 주물인가 철판인가는 무의미하다. 철판이나 주물벽난로는 사용 방법이 유사하며, 제대로 만든 벽난로라면 내구성도 동일하다. 따라서 보다 적은 량의 장작으로 더 강력한 발열량을 얻을 수 있는 성능 좋은 벽난로를 선택해야 한다.

주물벽난로(위)와 철판벽난로(아래). 문제는 벽난로 소재가 아니라 제조 기술 수준이다.

벽난로의 열효율과 버닝 타임에 따른 벽난로의 5단계 등급

기준 - 복사열 300℃, 대류열 & 전도열 150℃ 이상 발열

- 보유 습도 20% 이하의 참나무 장작 5.5㎏ 1회 투입

1등급 _ 버닝 타임 5시간 이상 ~ 최장 12시간 이하

※ 2중구조 화실 설계, 정확하고 민감한 응답성, 화상

방지 기능, 다중연소 기능 등

2등급 _ 4시간 이상 ~ 최장 6시간 이하

3등급 _ 3시간 이상 ~ 최장 5시간 이하

4등급 _ 1시간 30분 이상 ~ 최장 2시간 30분 이하

5등급 _ (자연 연소 시간)10분 이상 ~ 최장 30분 이하

장작, 어떤 수종이 좋은지

장작은 참나무, 자작나무, 밤나무 등의 활엽수가 적합하다. 반면, 침엽수 장작은 불을 붙이기 쉽고, 처음 점화 시 연도의 흡인력이 부족할 때 약간씩 새어나가는 연기의 향이 좋기 때문에 불쏘시개로 사용하기도 한다. 또한, 침엽수 장작은 불꽃이 길고 아름답지만, 타는 속도가 빠르고, 연기가 많고, 불티가 많이 튀고, 그을음과 검댕이도 활엽수에 비해 많이 발생하므로 연소 연료로 사용하지 않는 편이다.

무엇보다 2년 이상 자연 건조시킨 함수율 15% 이하의 장작을 사용해야 한다. 장작의 함수율이 높을수록 더 많은 열에너지가 장작의 습기를 증발시키는 데 소모되므로, 장작이 탈 때 발생되는 총열량은 떨어질 수밖에 없다. 예를 들면 함수율이 50% 정도인 장작은 ㎏당 약 2.3㎾h의 발열량을 나타내고, 함수율이 15% 이하인 장작은 ㎏당 4.3㎾h의 발열량을 나타낸다. 이처럼 함수율에 따른 발열량 차이는 거의 2배 수준에 달한다.

또한, 함수율이 높은 장작을 사용하면 연소할 때 발생하는 가스의 습도도 함께 높아진다. 이것이 연도 내부에 다량의 검댕이를 부착시키며, 심하면 연도 내부에 목초액이 흐르는 결로 현상을 일으킨다. 연도 내부에 그을음과 검댕이가 끈끈하게 달라붙으면 고온 상태에서 자체 발화가 발생하기도 한다. 이러한 상태가 심해지면 연도의 전도열 과다로 화재로 연결될 수도 있다.

함수율 15% 이하인 활엽수 장작이 열효율이 높다.

벽난로 소도구[Fireplace Tool Sets], 어떤 것이 있는지

벽난로를 사용하기 위한 소도구 세트는 부삽, 부젓가락, 부집게, 빗자루가 기본이다. 소도구 세트는 기능적인 면과 더불어 장식적 역할도 겸한다.

소도구 보관대 _ 부삽, 부젓가락, 부집게, 빗자루 등 기본적인 소도구를 걸거나 지지한다. 벽걸이식, 스탠드식, 일반 걸이식이 있다.

부삽 _ 재나 불씨 등을 처리한다.

부젓가락 _ 장작의 위치를 바로 잡거나, 댐퍼Damper를 조정하는 도구이다. ※ 댐퍼; 벽난로 연도에 설치된 통풍 조절기

부집게 _ 타는 장작을 움직이거나, 작은 불씨를 집어 옮기는 도구이다.

빗자루 _ 재처리에 주로 사용된다.

소도구 세트는 기능 못지않게 벽난로의 인테리어 효과를 높이는 요소이다.

그레이트, 장작받침, 장작바구니의 기능은

그레이트Grate _ 장작받침 사이에서 화실의 장작을 쌓아두고 연소시키는 도구이다. 화점에 산소를 원활하게 공급하고 재청소를 쉽게 하는 기능을 한다. 따라서 장작이 탈 때 발생하는 고온의 발열량에 충분히 버티도록 두꺼운 스틸이나 주물로 만든다.

장작받침쇠[Andirons] _ 벽난로에서 화목을 지지하는 2개의 철재로 제작된 1조의 철구조물이다. 하나의 장작받침은 화려하거나 혹은 단순한 수직, 수평의 철재물의 결합으로 이뤄진다. 벽난로 형성 초기에는 매우 컸으나, 현대에 들어 작아지며 화려한 장식이 많이 쓰인다. 또한, 바비큐 등을 거는 걸쇠 기능을 갖추고 음식물을 데우거나 익히는 형태로 선보이고 있다.

장작 바구니[Wood Basket] _ 장작을 보관하는 소품이다. 중세에서 현대에 이르기까지 그 시대의 벽난로 양식과 건축양식에 맞춰 디자인이 다양하다.