한국의 전통난방 온돌과 현대화
일반원고
홍희기 / 설비저널편집장 경희대학교 기계공학과 교수, 부회장(hhong@khu.ac.kr)
전통온돌과 개량온돌의 역사에 대해 살펴보고, 온돌의 현대화 및 관련되는 요소기술에 대해 소개하도록 한다.
들어가며
전통 온돌(Ondol)은 추운 겨울을 나기 위해 구들 고래를 만들고 고래 위에 구들장을 놓아 아 궁이를 통하여 받아들인 열을 구들장에 저장했다 가 서서히 열을 방출하여 방바닥이 따뜻해지도록 고안된 난방구조를 말한다. ‘개정판 옥스퍼드 사 전’에 한글, 김치, 막걸리, 태권도 등과 함께 실려 있을 정도로 국제어로 인정받고 있다. 이 사전은 온돌에 대하여 ‘아궁이에서 방바닥 밑으로 난 통 로를 통해 방을 덥히는 난방’이라고 적고 있다.
취사 후 버려지는 연기에서 회수한 저급의 열 로도 난방이 가능한 저온복사난방으로서 세계 어 느 나라 난방방식도 따를 수 없는 친환경적이고 건강한 난방방식이다. 전통 온돌은 국소난방에 가깝다. 복사나 대류로 방 전체를 덥히는 것보다 전도로 직접 사람의 몸을 가열해줌으로써 특히 취침시 최소한의 에너지원으로 두한복열 상태의 쾌적한 수면 환경을 제공해주었다.
기원전 4세기부터 1970년대 후반까지 전통 온돌(구들) 난방을 사용해왔으나 현대적인 개량 온돌이 다른 나라에서 개발되고 바닥복사난방으 로 통용되던 상황에서, 2000년대 중반서부터 온 돌의 국제표준화가 추진되기 시작되었고 우리나 라의 연구진이 주도적인 역할을 한 것은 온돌 종 주국으로서 위신을 살린 다행스러운 일이다.
현대식 개량 온돌
필자가 연구년으로 와있는 미국 위스콘신 주의 주도인 매디슨(Madison)에 문외한에게 도 눈에 띄는 건물이 있다(그림 1). 지인의 설명 에 의하면 미국의 유명한 건축가, 근대 건축의 3 대 거장 중 한 명인 프랭크 로이드 라이트(Frank Lloyd Wright, 1867~1959)의 작품으로서 그가 University of Wisconsin-Madison 출신이라는 것이었다.
그가 1914년 일본 제국호텔 건설차 일본을 방
문하였다가 우연히 자선당에서 하룻밤 머물며 평 생 잊지 못할 체험을 한다. 일본은 늘 경복궁의 자 선당을 탐내다가 통째로 옮겨갔다. 일본식 집에 서 추위에 허덕이다 온돌방으로 안내된 그들 일 행은 봄이 된 느낌을 받는다. 그의 자서전에 ‘한 국인의 방은 인류가 발명한 최고의 난방방식이 다. 발을 따뜻하게 해주는 것이야말로 가장 이상 적인 난방이다’라고 극찬하였다. 실내에 불이 피 워져 있지 않은데도 따뜻한 방바닥이 그에게는 너무나 신기했다. 한국식 방과 온돌에 대한 설명 을 듣고 난 후 완전히 온돌에 매료되었다. 그가 설 계하던 제국호텔의 욕실 바닥에 전기를 이용한 온돌을 적용하였고, 그 후 미국으로 돌아간 라이
트는 온돌의 바닥난방 아이디어를 살려 ‘온수파 이프 바닥난방 시스템’을 개발하여, 자신의 대표 작에 30채 이상 개량온돌을 시공하기 시작했다.
낙수장(1937년 완공), 존슨&왁스 빌딩(1939년 완공) 등. 현대식 전기온돌과 개량형 온수온돌의 발명자는 바로 라이트였던 것이다.
전통 온돌
온돌은 삼국시대 이전에 한반도 북부 및 중 국의 동북부지방에 거주하던 부여족 계통의 민 족 사이에서 시작된 것으로 알려져 있다. 그것이 4~5세기부터 활발해진 북방계민족의 남하에 따
[그림 3] 제국호텔(데이코쿠호텔), 1923년 9월 1일 호텔 개관일 에 관동대지진이 일어났으나 내진설계로 기적적으로 살아남았지 만, 이후 홍수, 지진, 공습, 오염 등으로 복구 불가능한 손상을 입 었다. 결국 1968년 건물을 헐기로 결정했으나 비록 부분적이지만 1970년 나고야의 메이지무라 건축박물관에 다시 세워졌다.
[그림 4] 낙수장(falling water), 프랭크 로이드 라이트가 미국 펜 실베이니아주의 베어런 산속에 카프만을 위하여 세운 별장 건축으 로 라이트의 걸작 중 하나다. 폭포 위에 대담하게 돌출한 캔틸레버 의 테라스가 달린 주옥(主屋)은 1936년에 완성했다.
라 고구려와 백제에서도 실시되다 통일신라시대 에 들어와서 하층계급 사이에 널리 사용되었으 며, 고려시대에는 전국적으로 사용된 것으로 보 인다. 조선시대에는 산림이 워낙 울창해 온돌을 권장까지 했다.
역사학자들이 말하는 온돌의 등장은 5세기경 고구려 소수림왕 시절이라고 한다. 이것이 언급 된 가장 오래된 문헌은 구당서와 신당서로서, 중 국의 구당서 고구려편에 ‘생활이 궁핍한 모든 사 람들은 겨울에는 긴 구덩이를 만들어 파묻은 불 과 연기로 따뜻함을 취한다’고 했다. 이 주장은 1980년대에 발견된 백제의 병영에서 온돌 구조 가 뒷받침하고 있다. 신라 지증왕 6년에는 이미 전 계층이 사용하고 있었다고 한다.
온돌은 방고래를 만들고 그 위에 구들장을 놓 기 위한 흙 또는 돌로 쌓아올린 두덩을 만든다. 그 위에 두께 5~8 cm의 판판한 화강암을 돌로 받쳐 가며 일정한 높이로 놓고 그 위에 진흙을 바르고 아궁이에 불을 때서 그때까지 만든 부분을 건조 시킨다. 그 후 새벽(누런 빛깔의 차진 흙에 고운 모래나 말똥 따위를 섞어 벽이나 방바닥에 덧바 르는 흙)을 바른 다음 초배를 하고 다시 건조시킨 후 장판지를 바르게 된다. 아궁이에서 발생한 연 기가 방고래 전체에 골고루 지나가도록 하고, 바 닥은 아궁이에서 굴뚝으로 갈수록 약간 높게 만
든다. 따라서, 구들장 위에 바르는 진흙의 두께는 아궁이쪽이 두텁고 굴뚝 쪽은 얇게 되어 방바닥 전체가 골고루 따뜻하게 된다. 그러나 방고래의 길이가 너무 길면 불이 잘 들지 않고 연소하기 힘 들다.
이 대목에서 전통 온돌의 특징을 정리, 나열해 보기로 한다.
- 한국의 전통적인 가옥 난방 방식 - 기원전부터 사용된 바닥 난방 방식 - 열의 전도를 이용한 복사 난방 방식 - 난방과 취사 겸용 가능
- 자연대류에 의한 공간 난방
- 바닥의 온도가 높아 더운 공기의 상승에 따른 공기의 순환
- 실내 전 공간의 난방 가능
- 최초의 중앙집중식 난방 방식: 한 아궁이로 방 2, 3칸까지 난방
- 구들장 : 주로 운모를 포함하는 암석, 열용 량이 크므로 많은 에너지의 저장(축열식 난방) - 축열식이므로 불을 때지 않아도 연속적인 난방 가능
- 연기의 분리 처리: 주거 공간과 분리 - 고래 통과시 연기의 열에너지 회수: 버려지 는 연기까지도 난방열원으로 활용
울창했던 숲이 6.25전쟁 이후 급격히 황폐해 졌다. 이때부터 연탄이 보급되어 연탄 구들 온돌 로 변하는 역사적 전환기를 맞이하며, 1952년부 터 대중화시대가 열린다. 연료수급도, 24시간 난 방도 문제가 없었으나, 바로 연탄가스 중독 사고 가 발생하게 된다. 즉 기존의 온돌에 대한 분석을 하지 않고, 아궁이만 개조해서 사용한 결과 구들 장이 새서 불완전연소에 의한 일산화탄소 중독 사고가 빈번하게 발생하였다. 하지만 대체할 연 료가 없었기 때문에 계속 사용할 수밖에 없었고,
[그림 5] 전통 온돌
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피해는 더욱 커져가며 1970년대 후반까지 이어 졌다.
온돌의 현대화
1960년대 들어서 연탄용 보일러가 공급되면 서 온수를 순환시키는 개량 온돌이 사용되기 시 작하였고, 1970년대 후반서부터 일반화되었다.
1970년대 석유파동으로 1980년대 중반까지 연 탄보일러가 80% 넘게 차지하였고, 보일러 회사 수가 무려 500개, 연간 생산량 40만대에 이르기 까지 하였다.
새마을운동과 더불어 널리 사용하게 된 새마 을보일러는,연탄보일러를 바닥에 묻고 덥혀진 물 이 가벼워져 밀도차로 순환하는 자연순환방식이 다. 펌프를 쓰지 않기 때문에 간단히 온수파이프 만 설치하고 보일러만 묻으면 되는 일이어서 시 공비, 재료비도 저렴하여 인기를 끌었다. 다만 시 공업자를 잘못 만나면 낭패를 보기 십상인데, 보 일러 윗면이 방바닥보다 낮아야 하고, 파이프에 역구배를 주면 안된다. 그 후에는 소형펌프를 부 착하는 강제순환형이 보편화되었다.
1970년대의 기름보일러는 취급과 사용이 편 하고 난방효과가 좋아 난방용으로 인기가 높았지 만 기름값 때문에 서민이 쓰기에는 부담스러웠 다. 유가가 하락하고 개인소득이 증가하자 1986 년부터 본격적으로 보급되기 시작하여 품질향상 과 더불어 1988년에는 연탄보일러를 추월하였
파방지, 급탕기능, 연료보충경보, 고장부위경보, 가스누출경보 등의 기능이 기본적으로 장착되게 되었다.
1987년부터 LNG가 도입되고, 그 후 도시가 스가 빠르게 보급되면서 가스보일러가 편리하 면서도 저렴한 보일러로 보편화되었으며, 진화 를 거듭하며 최근의 콘덴싱보일러에 도달하였다.
1990년대 후반에는 심야전기 축열식 보일러까지 등장하였으나 이후 전기값 상승으로 지금은 특수 한 용도로만 한정되는 경향이다.
현대식 온돌시스템
현대식 온돌시스템은 바닥패널, 열원기기, 제 어기의 조화로운 발전과 궤를 같이 한다고 할 수 있다. 열원기기는 앞서 언급한 바와 같이 다양한 연료를 사용하는 보일러에 제어 기능이 부가되면 서 편리하면서도 에너지 절약이 가능한 친환경제 품이 대세이다.
반면에 중앙난방, 지역난방은 세대에서 열원 기기를 완전히 제거함으로써 거주자의 편의성을 극대화시켰다. 연탄보일러에서 중앙난방으로의 전환은 현대화의 상징일 만큼 주부들에게 편리 함을 제공하였다. 하지만 도입초기에 제어기술이 좋지 않아 아파트의 상부층은 과열, 하부층은 과 냉되면서도 동일한 요금을 내야 하는 등 입주민 의 불만을 야기하였다.
지역난방은 1987년 여의도, 동부이촌동, 반포 지역에 열공급을 개시하였고, 1991년부터 수도권 5개 신도시 지역과 동시에 강남, 용인, 상암 등 수 도권 지역에도 순차적으로 열공급이 이루어진 후 대구, 수원 등 지방에까지 확산돼가고 있다. 2008 년 현재 개별난방, 지역난방, 중앙난방의 비율은 64, 28, 8%으로서 중앙난방은 줄어들고 지역난방
[그림 6] 온수 코일이 설치된 개량 온돌
은 인기에 힘입어 계속 증가하는 추세이다.
1990년대 초반부터 다양한 유형의 바닥패널 이 사용되기 시작하였다. 대량주택보급 정책과 함께 기존의 습식 외에 조립식/건식 바닥패널이 적용되기 시작하였으며, 층간소음 문제로 이중바 닥 구조 등 새로운 유형의 패널이 등장하기도 하 였다. 2000년대 들어오면서 본격적으로 온돌에 제어가 접목되기 시작하였다. 쾌적성 향상을 위 해 실별 제어 방식이 도입되고, 온수분배기가 시 스템화 되면서 에너지 절약의 개념이 본격적으로 적용되기 시작했다.
최근에는 사무소 건물, 학교 건물에도 적용된 사례가 보고되고 있으며, 식당 등의 업소에는 전 기 온돌난방 등 건축조건에 따른 다양한 유형의 난방형태로 확대되고 있다. 다변화된 복사난방 시스템과 새로운 온돌 시스템의 도입 및 시장 확 대가 이루어지고 있다.
온수분배기
개별난방
주로 싱크대 밑에 설치되는 온수분배기는 그
림 7과 같으며 각 방 혹은 구역으로의 온수를 분 배해주는 역할을 한다. 과거에는 각 방의 온수코 일 길이가 50 m를 넘기지 않고 길이도 거의 같도 록 시공하였다. 따라서 별도의 미세유량조절밸브 는 필요 없으며 각 방의 온·오프제어를 통해 온 수공급 여부를 결정하게 된다. 작은 면적의 주택 에는 지금도 적용되고 있는 방식이다.
거실이나 안방과 같이 넓은 면적에는 둘 이 상의 루프를 시공해야 하는 번거로움이 따랐다.
2000년대 이후서부터는 120 m까지도 하나의 루 프로 시공하게 되었다. 하지만 코일 길이가 길어 지면 유동저항이 커져 적은 유량이 흐르게 되므 로 미세유량조절밸브로 개도조정을 하여 코일 길 이가 짧을수록 적은 유량이 흐르도록 하는 정유 량제어가 수반되어야 한다. 대부분의 아파트에 설치되고 있는 정유량제어 방식에서 미세유량조 절밸브의 개도조정에 의한 유량설정은 주로 시공 단계에서 이루어진다.
각 방의 공급유량은 방의 부하에 비례해서 설 정하는 것이 가장 바람직하나, 일반적으로 사용 하고 있는 방식은 방면적에 비례하여 개도를 조 정하는 것이다. 그러나 이러한 방식은 난방부하 가 방면적과 밀접한 관련이 있는 것만 고려한 것 으로서 난방부하에 큰 영향을 주는 또 다른 요인 인 발코니 확장 여부, 창호의 종류, 면적 및 방향
[그림 7] 온수분배기와 온수코일
[그림 8] 메인유량조절방식
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온돌 해석기술
해석 프로그램
온돌의 정밀한 동적 해석은 쉽지 않다. 온수 코일의 길이 방향으로 온도가 달라지고, 축열효 과, 전도, 대류, 복사열전달이 동시에 일어나기 때 문이다. 대표적인 건물에너지 해석 프로그램인 TRNSYS의 최신 버전에는 온돌이 포함되어 있다.
TYPE 56에는 복사냉난방을 모델링하기 위해 벽체에 활성층(active layer)을 포함시킬 수 있는 기능이 추가되었다. 그림 6에 보인 바와 같이 벽 체는 여러 층으로 구성되며, 활성층이라는 명칭 은 유체가 흐르는 코일을 통해 능동적으로 벽체 표면으로부터 열을 방출 혹은 제거할 수 있기 때 문에 붙여진 것 같다. 활성층이 바닥에 설치된 것 이 온돌이며, 온수코일의 루프수, 내경, 코일의 중 심간 거리 등을 TRNSYS의 TRNBuild를 통해 설 정하게 된다.
온돌 입구수온과 유량은 상수, 설정된 함수 혹 은 외부에서 계산된 결과를 입력하게 된다. 개략 적인 계산이라면 상수나 간단한 함수를 통해서도 가능하나, 실제 상황의 시뮬레이션을 위해서는 이 값들을 다른 모듈을 통해 정밀하게 산출하여
야 한다.
상용화된 지 30년이 넘는 TRNSYS가 지속적 으로 업그레이드되면서 현재에 이르게 된 것은 개발 초기부터 각 구성요소를 TYPE이라 불리우 는 모듈 형태로 작성하였기 때문이다. 다구획건 물(multizone building)을 모델링한 모듈이 앞 서 언급한 TYPE 56이다. 이외에도 다수의 TYPE 이 존재하며, 새로운 구성요소가 포함될 때마 다 추가로 프로그래밍하게 된다. 그러나 이 작업 은 상당히 숙달된 전문가 영역으로서 일반 사용 자들에게는 용이하지 않다. 또 다른 방법이 EES, Mathlab, Excel, FLUENT 등의 소프트웨어로 만 든 프로그램을 통해 매 시각마다 수행된 결과 를 Windows의 동적데이터교환(DDE, Dynamic Data Exchange)를 통해 TRNSYS와 주고받는 것 이다.
EES(Engineering Equation Solver) 프로그램 은 연립방정식을 자동으로 풀어주는 주기능 이외 에도 미분방정식, 최적화 등이 가능하며 특히 방 대한 양의 열유체 물성치를 함수 형태로 내장하 고 있어 열유체설비의 해석에 적합하다. EES를 통해 펌프, 온수코일 및 배관계통, 보일러 등의 성 능함수를 연립하여 풀고, 각 구획(zone)의 온수 순환량, 입구수온을 결정하게 된다.
TRNSYS로부터 각 구획의 난방제어함수값 (0 이면 OFF, 1이면 ON)와 온돌출구수온값을 EES 가 전달받고, EES에서 수행된 계산결과인 각 구 획으로의 유량, 공급수온도를 다시 TYPE 56으로 보내게 된다.
대표적인 해석결과
-온수분배기의 제어방식에 따라 난방에너지 가 절약되는가?
온수분배기 혹은 각방제어기에 따라 미세하 게 영향은 받지만 난방에너지 절약량은 미미한 수준이다. 세대의 난방에너지는 설정온도 및 환
[그림 10] 온수코일의 배치
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기량에 따라 결정되며, 다만 고효율 보일러를 사 용하는 경우 연료소비량을 상당히 줄일 수 있다.
좋은 온수분배기와 각방제어기를 사용하면 과열, 과냉 현상 및 소음을 줄일 수 있어 쾌적성 면에서 는 효과를 볼 수 있다.
또한 지역난방의 경우 정유량제어방식에 비 해 메인유량제어방식의 공급유량이 줄어들고 환 수온도가 낮아져 공동구 배관손실이 감소함으로 써 세대 전체로는 절약효과가 있다.
-시뮬레이션 결과는 정확한가?
최근에 실험과 시뮬레이션을 비교한 연구결 과가 발표되었다. 그림 12와 같이 충분히 만족할 만한 수준은 아니나 상당히 쓸모있는 정도의 결 과는 예측 가능하다. 건물 및 설비의 모델링에는 불확실한 변수가 많고 특히 침입공기의 양은 추 정하기 쉽지 않으면서도 결과에 큰 영향을 주기 때문이다. 그럼에도 동일한 불확실성 하에서 다 른 제어방식, 난방방식을 비교하는 것은 가치 있
맺는말
지면 관계상 다양하게 출시되고 있는 바닥패 널에 대해서는 소개하지 않았으며, 또한 최근 주 목을 받고 있는 전기온돌과 전기장판, 온수매트 도 넓은 의미에서 개량형 온돌로 간주할 수 있겠 지만 상세한 내용은 다른 기회를 이용해야 할 듯 하다. 난방비를 아끼기 위해 보일러를 끄고 전기 장판 혹은 온수매트만으로 겨울밤을 견디는 저소 득층이 늘고 있다. 하지만 원래의 구들난방이 국 소난방인 것을 생각하면 취침시 국소난방은 바람 직할 수 있다. 1980년대까지도 윗목의 물이 얼면 서도 아랫목에서 쾌적한 수면을 취한 경험이 있 는 세대라면 공감할 것이다. 초에너지 절약 시대 로 접어들면서 온돌은 더욱 큰 조명을 받을 것이 며 온돌 종주국답게 이 분야 기술개발의 견인차 역할을 하였으면 하는 바람이다.
참고문헌
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[그림 12] 실측과 시뮬레이션 결과 비교 그림 11] 방식별 난방에너지 소비량
375-382.
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