온돌의 구조로 이해하는 환기의 원리

온돌은 인류 최초의 축열난방설비

온돌은 불이 꺼진 후에도 아궁이에서 굴뚝까지 열기가 유지되어, 방안이 따뜻하게 합니다. 물론 전도, 대류, 복사의 원리가 적용됩니다. 온돌의 구조를 살펴보면 환기와 집진 그리고 열교환기의 원리를 이해하는데 도움이 됩니다. 

[오이레터 69호] 산업환기, 쉽게 이해하기 

 

온돌의 특징

온돌은 서양의 벽난로와 달리 실내에 연기를 발생시키지 않습니다. 벽난로가 불을 세워서 사용하여 불의 옆에서 발생하는 열만 활용합니다. 반면에 온돌은 불로 데워진 공기를 수평으로 이동하게 하여 바닥 전체로 열을 확산시킵니다. 조리와 난방을 동시에 해결한다는 장점 뿐만 아니라, 쥐나 개미와 같은 해충이 살지 못하게 하는 부수적인 효과도 있습니다.

[유튜브] 불과 열을 다스리는 기술, 온돌의 원리

 

그림 1. 호주 카툼바 석탄광산의 환기용 가열로. 호주의 유명한 관광지인 블루마운틴에 있는 카툼바 석탄광산. 1980년대 온돌과 비슷한 환기시스템을 고안하였습니다. 겨울에는 광산 안의 기온은 높고 밖은 낮아서 자연환기가 잘 이루어졌습니다. 그런데 여름은 기온차가 크지 않아 인위적으로 환기용 가열로(ventilation furnace)를 만들어 공기를 순환시켰습니다.

 

아궁이와 부넘기

온돌에서 불을 피우는 아궁이 안쪽으로 부넘기라는 턱이 있습니다. 아궁이는 뜨거운 불을 만들어 열기가 발생하면 압력이 높아져 내부로 열기가 들어가게 됩니다. 불길이 들어가는 턱이라고 하여 불목이라고도 합니다.

아궁이가 후드의 입구정도라면 아마 부넘기는 후드에서 덕트로 안정된 기류가 들어가도록 만들어주는 후드의 테이퍼(Taper)라고 할 수 있습니다. 테이퍼(taper)의 각도에 따라 기류의 변화가 큽니다. 이는 베나컨트렉타(베나수축) 현상으로 정의합니다.

일반적으로 후드에서 덕트로 공기가 유입될 때 기류가 매우 불안정하여 덕트 초입부에서 난류가 크게 발생합니다. 따라서 후드의 유입계수(Coefficient of entry)는 테이퍼의 각도)에 따라 차이가 나타납니다.

 

그림 2.  F는 유입손실계수를 의미합니다. 낮을 수록 유입손실이 적다는 것을 의미합니다.

 

부넘기의 경사로와 좁은 입구

턱(불목)을 넘어가면 온돌의 바닥 구조물인 고래가 시작됩니다. 부넘기의 구조는 경사로와 위쪽의 좁은 입구로 되어 있습니다.  경사는 더운 공기가 자연스럽게 타고 올라가도록 합니다.  하지만 재는 넘어가지 못하고 가라앉습니다.

유체가 지나가는 곳이 좁아지면 속력이 빨라져 압력이 낮아지는데, 이 때문에 더운 열기와 연기가 고래쪽으로 빨려들어가는 효과가 생깁니다. 베르누이의 법칙이 적용되는 것입니다. 베르누이 방정식에 따르면, 면적의 크기와 유체의 속력은 반비례합니다.

 

그림 3. 같은 시간  t  동안 한 면적을 통과한 유체의 질량은 보존돼야 한다. 관의 단면적의 크기와 유체의 속력은 서로 반비례한다.

 

덕트 역할을 하는 고래

고래는 방의 구들장 밑으로 나있는, 불길과 연기가 통하여 나가는 길을 말합니다. 고래는 연기가 빠져나가는 길의 모양에 따라 다양한 방식의 고래가 있습니다.

연기가 평행하게 빠져나가도록 설계된 줄고래, 부채살 모양의 부채고래, 아궁이와 굴뚝이 대각선 끝에 위치한 맞선고래, 고래들이 기역자로 굽어있는 형태인 구분고래 등이 있습니다.

고래는 굴뚝 쪽으로 이어지는데, 굴뚝쪽으로 갈수록 고래의 바닥은 점차 높아지고, 구들장의 두께도 얇아집니다.

즉, 고래는 덕트의 역할이라 할 수 있습니다. 확대관과 축소관 등 기류의 속도와 흐름이 바뀌는 통로입니다. 아울러 후드의 유입구의 유입손실과 함께 덕트 내의 마찰손실, 공기정화장치 손실, 장애물에 의한 손실 등으로 인해 굴뚝의 전 단계에서 현저하게 기류의 속도가 감소하며 공기(기류)압력이 증가합니다. 다시 덕트 내부의 압력을 증가시키고 심한 난류를 발생하게 합니다

 

그림4. 고래의 구조

개자리

개자리는 고래의 바닥보다 깊게 파인 곳으로 열을 저장하여 최대한 오랫동안 열기를 머물게 하는 역할을 합니다. 그 결과 고래의 공기는 외부로 배출되지 않고, 아래로 하강하여 다시 순환합니다.

온돌에서는 주로 화목연료를 사용합니다. 화목연료는 수분함량이 높아, 연기속의 수분의 무게로 인해 대류순환이 잘 일어납니다.

공기가 개자리에 오래 머물도록 하는 것이 불이 꺼진 후에도 구들이 장시간 온기를 유지하게 만드는 비결입니다.

 

그림 5. 다양한 개자리

 

개자리는 구들 개자리, 고래개자리, 굴뚝개자리가 있습니다. 고래개자리는 굴뚝을 통해 내려온 찬 공기가 고래로 흘러 들어가는 것도 방지합니다.

그 결과 개자리는 열교환기능과 집진기능을 동시에 수행합니다.

 

전처리 집진 장치의 원리

고래와 개자리의 구조는 자연스럽게 집진기능을 합니다. 현대의 집진장치는 더 고도화되어 있지만, 전처리 단계의 집진장치의 기본원리는 관성력, 중력, 원심력을 이용하는 것입니다. 전처리 집진장치는 주로 큰 먼지를 1차적으로 제거합니다.

 

이 중에서 중력을 이용한 침강집진장치는 함진가스에 함유된 입자를 자연 침강하여 분리 포집하는 장치입니다. 주로 50 ㎛ 이상의 분진을 처리합니다.  

 

그림6. 중력침강장치

 

굴뚝

 고래를 빠져나온 연기는 굴뚝을 통하여 공기 중으로 배출됩니다. 굴뚝은 연소를 위한 신선한 공기를 빨아들이기 위한 통풍장치이자, 연기를 원하는 위치로 배출하기 위한 배기장치이기도 합니다.

고래 개자리와 굴뚝을 연결하는 통로를 연도(煙道)라고 합니다. 연도의 길이는 자유롭게 정할 수 있기 때문에 굴뚝의 위치 역시 자유롭게 조절할 수 있습니다. 궁궐에서는 굴뚝이 침전과 꽤 먼 거리에 떨어져 있는 것을 볼 수 있습니다.

굴뚝이 높으면 열이 덜 빠져나가게 됩니다. 그래서 굴뚝은 대체적으로 추운 북쪽 지방이 높고 남쪽으로 갈수록 낮아집니다. 남쪽 지방에서는 굴뚝을 최대한 낮춰 식은 연기를 배출합니다.  예를 들어, 전라남도 구례 운조루의 굴뚝 중에는 위로 세워진 굴뚝이 없습니다. 기단부분에 식은 연기를 내보내는 작은 구멍이 있을 뿐입니다. 기온이 따뜻한 제주도로 대체로 굴뚝이 없습니다.

 

그림7. 구례운조루 ( 출처:  오마이뉴스 )

송풍기 없이 환기의 기본원리를 응용

 온돌은 현대의 환기장치처럼 공기의 흐름을 조절하는 인위적인 송풍기가 없습니다. 어떻게 보면 국소배기와 전체환기의 중간정도를 위치하고 있습니다.

유체역학이론이 정립되지 않았던 시기였음에도 불구하고, 부넘기, 고래, 개자리, 굴뚝을 설계하여 난방이라는 목적을 달성하고 있습니다. 온돌의 구조를 보면, 환기장치의 구조에 따라 공기가 어떤 방식으로 움직이게 되는지 이해할 수 있습니다.

 마지막으로, 불을 다 땐 뒤에는 아궁이를 막아야 합니다. 아궁이를 막지 않으면 불을 땔 때와 같은 공기의 흐름이 계속 유지되어 찬바람이 아궁이로 들어가 구들개자리와 고래의 뜨거운 열을 식힙니다. 

아궁이를 막아야 하는 또 다른 이유도 있는데, 개나 고양이가 들어가는 것을 막기 위해서라고 하는군요.

글쓴이: 어원석 1.숭실대학교 안전보건융합공학과 교수 2.사)한국호흡보호구학회 부회장 3.사)한국산업위생협회 부회장 & 발전기금운영위원장 4.사)한국산업보건학회 이사 5.사)한국스마트안전보건기술협회 제조분과 위원장 6.인천글로벌캠퍼스 안전보건경영위원 7.지티사이언 기술고문 8.공공기관 및 기업 평가위원 외 [저서] 산업안전기사, 산업위생기사 외