쾌적하고 안락한 주거 공간 창조, 복사 냉난방 시스템

복사 냉난방[Radiant Cooling and Heating system]이란, “공간에서의 열 교환 방식 중 복사輻射의 비율이 50% 이상인 냉난방 방식”을 말한다. 이것은 미국 공조냉동공학회[ASRAE]에서 규정한 정의이다.

열 교환 방식에는 전도, 대류, 복사가 있고, 이 세 가지는 어떤 냉난방 시스템을 사용하더라도 함께 나타나며, 심지어 냉난방 시스템이 없어도 마찬가지다. 다만, 그 비율이 서로 다르게 나타나며, 어떤 것을 주로 활용하느냐에 따라 냉난방 방식에 차이가 발생할 뿐이다. 예를 들어 에어컨은 (강제)대류 방식, 라디에이터나 벽난로는 (자연)대류 방식을 주로 활용하며, 손난로는 전도를 활용하는 방식이다. 반면, 기존 바닥 난방은 복사 방식을 주로 활용해 열교환하는 대표적인 복사 시스템이라고 할 수 있다. 따라서 복사 냉난방 시스템은 기존 바닥 난방 시스템에 냉방 요소를 한 가지 더 곁들인 것으로 생각하면 이해하기 쉽다.

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복사 냉난방 시스템 보급 사례
복사 냉난방 시스템은 유럽에서 1970년대 시작돼 꾸준히 성장하고 있는 추세이며, 2000년대 들어 북미지역을 비롯해 최근 아시아 지역에서도 다양하게 적용되고 있다. 기존 공기의 대류에 의한 냉난방 방식과 비교해 실내 쾌적성과 에너지 절감 측면에서 세계적으로 인정받았기 때문이다. 또한, 최근 지구 온난화에 의한 피해가 심각함에 따라 지속 가능성 및 에너지 절약과 관련한 환경 보존과 맞물려 관심이 높아지고 있다.

복사 냉난방 시스템은 우리나라에서도 건축 인허가 시 에너지 사용량의 규제를 받는 중대형 건축물에서 지속적으로 적용되고 있다. 그뿐만 아니라 단독주택에 적용된 사례도 있다. 바로 2016년 건축된 서초 하우스가 주택 분야에서 국내 첫 사례이다. 그리고 시공을 앞둔 판교하우스가 두 번째 사례가 되어 향후 주택 분야 복사 냉난방 시스템의 표준이 될 전망이다.

복사 냉난방 시스템은 기존 바닥 난방 시스템에 냉방 요소를 한 가지 더 곁들인 것으로 생각하면 이해하기 쉽다.

복사 냉난방 시스템, 왜 주택에 필요할까
최근 우리나라에서 단독주택까지 복사 냉난방 시스템이 적용되는 이유는 삶의 질과 밀접한 연관이 있다.

첫째, 바로 쾌적감을 들 수 있다. 업무용이나 상업용 건물의 경우 냉난방 및 공기질을 위한 공조 설비가 연중 가동돼 쾌적한 실내 공간을 만들어준다. 반면, 주택은 전기 요금 누진제로 인해 불쾌감을 참고 견디며, 공기질의 유지는 창문을 열어 환기하는 수준이다. 하지만, 최근 정부 주도의 지열 에너지 보급으로 냉난방비 부담이 줄어듦으로써 주택에서도 연중 균일한 온·습도 환경 제공이 가능해졌다. 이 지열 에너지는 복사 냉난방 시스템과 매우 궁합이 잘 맞는다. 복사 냉난방 시스템은 물을 순화시켜 냉난방 한다. 이를 위해 냉수와 온수가 필요한데, 특히 지열 히트 펌프는 냉수를 생산하기에 편리하게 이용할 수 있다. 반면, 지열 히트 펌프는 겨울철 난방용 고온수를 생산할 수 없다. 하지만, 복사 난방은 35∼40℃ 온수만으로도 충분히 난방할 수 있다. 즉, 지열 히트 펌프와 복사 난방은 서로의 단점과 요구 사항을 충족시켜주는 보완 관계라고 할 수 있다.

둘째, 여름철 에어컨 가동에 대한 거부감을 들 수 있다. 에어컨은 강한 바람으로 짧은 시간 내에 냉방 효과를 볼 수 있지만, 바람이 도달하는 공간과 사각지대에서 느끼는 서로 다른 국부적인 불쾌감, 그리고 기류와 함께 발생하는 소음과 먼지에 대한 거부감을 느끼게 된다. 따라서 대류 방식 냉방에 대한 대안으로 복사 냉난방 시스템을 선호하고 있다.

셋째, 바닥이나 천장을 복사 면으로 활용하기 때문에 라디에이터, 벽난로 또는 에어컨 등이 필요 없다. 따라서 실내 디자인을 계획하는 데 자유로우며, 더 넓은 공간을 활용할 수 있다.
넷째, 에너지 절약이다. 동일한 쾌적감을 발휘하기 위해 대류 방식 냉난방은 공기를 순환시키다 보니 순환 동력이 클 수밖에 없다. 반면, 복사 냉난방 시스템은 공기보다 3,500배 에너지 수송 능력을 갖는 물을 순환시키는 동력으로 대류 방식의 5% 면 충분하다.

국내 최초로 단독주택에 복사 냉난방 시스템을 적용한 서초 하우스

복사 냉난방 시스템, 왜 쾌적한가
복사 냉난방 시스템은 실내의 평균 복사 온도[MRT, Mean Radiant Temperature]를 조절해 실내의 요구 조건을 충족시켜준다. 미국 ASHRAE 기준에 따르면 실내 쾌적감에 영향을 미치는 요소를 여섯 가지로 나누어 설명하고 있다. 신진대사량, 의복 수준, 건구 온도, 평균 복사 온도, 상대 습도, 기류 속도이다. ASHRAE 기준은 신진대사량, 의복 수준, 기류 속도, 상대 습도가 일정하다면 인체가 느끼는 쾌적감은 작용 온도[OT, Operating Temperature]에 영향을 받는다고 규정하고 있다.

작용 온도는 건구 온도와 복사 온도의 조합으로 계산하는데, 기존 냉난방 설비는 복사 온도를 고려하지 않은 채 단순히 건구 온도만 적용해온 것이다. 따라서 한 단계 더 높은 쾌적감을 위해서 그동안 간과했던 복사 온도에 대한 개념이 고려돼야 한다. 또한, 인체는 체온 유지를 위해 복사 형태의 열교환을 주로 활용하므로 인체와 공간이 직접적으로 같은 방식으로 열교환하는 것이 가장 효과적이며, 인체에 부담이 적은 방식이기도 하다.

바닥 복사는 가장 저렴한 시공 방식이며, 기존 바닥 난방 방식과 유사해 우리에게 매우 익숙하다.

복사 냉난방 시스템의 종류 및 작동 원리
복사 냉난방 시스템의 종류는 복사 면의 위치에 따라 크게 네 가지로 나눌 수 있다. 천장 또는 벽체 마감재 대신 복사 패널을 설치하는 천장 방식/벽체 방식, 건축 슬래브에 파이프를 설치하는 콘크리트 코어 방식, 그리고 기존 난방 배관하듯 바닥에 배관을 설치하는 바닥 복사 방식이다. 이 가운데 주택에는 주로 바닥 복사 방식을 적용하며, 경우에 따라 석고 방식도 활용할 수 있다.

바닥 복사는 가장 저렴한 시공 방식이며, 기존 바닥 난방 방식과 유사해 우리에게 매우 익숙하다. 이처럼 실내 공간의 어느 한 면을 복사 면으로 활용해 축열 했다가 방열하기에 마치 습기가 비교적 적은 동굴에 들어갔을 때 경험하게 되는 온화함을 느끼게 되는 원리와 같다. 어디선가 바람이 불지 않아도 겨울에 따뜻하고 여름에 시원한 동굴을 상상해 본다면 작동 원리를 쉽게 이해할 것 같다.

복사 냉난방 시스템은 바닥이나 천장을 복사 면으로 활용하기 때문에 라디에이터, 벽난로 또는 에어컨 등이 필요 없다. 따라서 실내 디자인을 계획하는 데 자유로우며, 더 넓은 공간을 활용할 수 있다.

구성 및 분배기 위치, 적합한 건축물
복사 냉난방 시스템 구성은 바닥 난방 시스템과 유사하나, 냉수를 만들기 위한 히트 펌프(지열 히트 펌프 권장)와 결로 방지 및 중앙 제어를 위한 자동 제어 장치 및 제습 장치가 추가로 필요하다. 사실 난방만 적용할 때보다 냉방과 난방을 모두 적용하면 시스템이 상대적으로 복잡하게 구성되기 마련이다. 따라서 설치비도 현재는 다소 부담스러운 것이 사실이다. 하지만, 금전적으로 계산할 수 없는 쾌적함과 안락함을 제공하며, 가족의 건강에 미치는 밀접한 영향을 함께 고려해볼 만하다.

히트 펌프와 버퍼 탱크, 순환 펌프, 자동 제어함 등을 위한 별도의 기계실 공간이 필요하며, 제습 장치는 주로 실내 천장 속이나 기계실에 설치해 덕트를 통해 제습 및 미세먼지 제거 후 각 실로 공급해준다. 분배기는 기존 싱크대 밑이나 창고나 유휴 공간 벽체에 매립해 설치할 수 있다. 해외에선 유지 보수가 용이하도록 주로 벽체에 매립하며, 냉난방 분배기뿐만 아니라 급수·급탕 분배기도 같은 공간에 설치하기도 한다. 자세한 필요 공간 및 실내 장치 설계는 각 건축물에 따라 달라지므로 전문 회사와 설계 시부터 협의할 필요가 있다.

복사 냉난방 시스템에 최적합한 건물은 특별히 없다. 다만, 단열과 차폐가 잘 돼야 제 성능을 발휘하는 데 도움이 되며, 결로 등에 의한 피해를 방지할 수 있다.

최근 기후변화로 인해 예전의 살기 좋은 기후를 기대하기란 사실상 어렵다. 사계절이 뚜렷하다는 말은 옛 서적에서나 볼 수 있게 된 오늘날, 복사 냉난방 시스템은 선택이 아닌 필수 요소다. 지난겨울 삼한사온은 지켜지지 않았으며, 올여름은 또 어떠할지 예측하기 어렵다. 앞으로 더욱 이상기후가 자주 발생하고 황사와 미세먼지의 공격을 받아야 하는 현실이다. 이러한 예측 불허의 기후를 고려할 때, 쾌적한 공간을 마련하면서도 에너지를 적게 소비할 수 있는 대비를 한다면 건축물의 수명이 다하는 그날까지 현명한 선택이 될 것으로 생각한다.