에어컨 없는 세상 올까,,,? "전기 없이 냉방 하는 열 반사 기술 [우리가 몰랐던 과학 이야기] ,,,
해마다 여름철이 되면 냉방으로 에너지 소비량이 늘어나고 온실 가스 배출량도 많아져 지구 온난화를 더욱 부추기게 됩니다.
대규모 에너지 사용량도 문제지만 냉방의 사각지대에 있는 취약계층은 폭염에 그대로 노출되어 있습니다.
환경과 삶의 질 향상을 위해서도 에너지 없이도 냉방을 할 수 있는 기술 개발이 필요한데요.
간단히 페인트를 칠하거나 건물과 창문에 부착하기만 해도 온도를 떨어트려 주는 냉각 기술이 등장해 주목받고 있습니다.
전기 없이도 집과 건물을 시원하게 할 수 있는 기술에는 어떤 것이 있는지 알아보겠습니다.
흰색 페인트의 기적! 쿨 루프(Cool Roof)
쿨 루프는 ‘시원한 지붕’이라는 의미에서 알 수 있듯 건물의 옥상이나 지붕에 반사율이 높은 흰색이나 밝은 색 도료를 칠해 건물의 온도를 낮추는 것입니다.
지붕에 흰색과 같이 태양열 반사와 방사 효과가 있는 도료를 시공하면 여름철 표면온도를 14∼20도 낮추는 효과를 얻을 수 있으며, 전기 이용량은 최대 25% 절감할 수 있습니다.
태양 에너지는 가시광선 43%, 적외선 52%, 자외선 5%로 구성돼 있습니다.
하양 등 밝은 색의 쿨 루프는 태양 에너지 대부분을 차지하는 가시광선과 적외선을 차단합니다.
이렇게 지붕으로 유입되는 태양 에너지를 감소시키는 게 쿨 루프의 원리입니다.
쿨 루프는 한여름 도시 열섬현상을 완화하고 건물의 에너지 사용량을 낮추어 결국 온실 가스의 배출을 줄이는 효과를 가져올 수 있습니다.
태양의 복사 에너지 활용…복사 냉각(Radiative Cooling)
복사는 빛으로 에너지를 전달하는 방법입니다.
태양과 지구 사이에는 에너지를 전달해 주는 고체나 액체, 또는 기체 같은 물질이 없습니다.
전도나 대류 방식으로는 에너지가 전달되지 않습니다.
따라서 태양에서 나오는 에너지는 오직 빛에 의해 복사라는 방식을 활용하여 지구까지 전달됩니다.
햇빛이 잘 비치는 장소가 따뜻한 것은 태양의 복사 에너지를 받았기 때문입니다.
밤이 되어 태양이 사라지면 복사 에너지가 반대로 방출돼 지표와 대기의 온도가 떨어져 냉각됩니다.
이 현상을 복사 냉각이라 합니다.
이 원리를 이용해 에너지 소비 없이 온도를 낮추는 복사 냉각 기술이 전 세계적으로 연구되고 있는데요.
물체가 태양으로부터 에너지는 적게 받고 복사열을 방출하게 함으로써 온도를 낮추는 원리입니다.
복사 냉각 기술은 전세계 연구소에서 개발이 진행되고 있는데요.
지난해 국내 연구팀은 실리카(규소 산화물)가 코팅된 다공성 양극 산화 알루미늄을 써 에너지 소비가 필요없는 복사 냉각 기술을 개발해 관심을 모은 바 있습니다.
이 기술을 쓰면 창문이나 벽면에서 태양빛을 반사하거나 원적외선 빛을 흡수·방사함으로써 에너지를 방출하는 ‘제로 에너지’ 빌딩을 구현할 수 있습니다.
반사된 빛을 다시 반사시키는 재귀반사(Retro-reflection)
재귀반사란 광원으로부터 온 빛이 물체의 표면에 반사되어 다시 광원으로 돌아가는 현상입니다.
이 원리를 활용해 만든 것이 바로 도로 표지판과 차선 페인트, 반사 안전조끼 등입니다.
재귀반사를 이용해 차량의 헤드라이트에서 나온 빛이 표지만이나 차선에 닿은 뒤 차량으로 되돌아가기 때문에 어두운 밤에도 이를 잘 볼 수 있습니다.
최근 재귀반사 기술을 활용한 창호가 개발되고 있습니다.
태양의 고도에 따라 빛이 재귀반사되거나 투과되게 하여 에너지를 절감하는 기술인데요.
유리창에서 옆 건물로 반사되는 빛을 줄여 그 피해와 더불어 도시 열섬현상도 덜 수 있습니다.
햇살을 반사하는 기술을 활용해 에너지 없이도 집과 건물 내부를 시원하게 해주는 기술을 살펴보았습니다.
쿨 루프는 2010년 미국 뉴욕에서 처음 시행된 뒤 전 세계적으로 진행되고 있으며 국내에서도 관공서 및 취약계층 가구 등에 적극 적용되고 있습니다.
복사 냉각과 재귀반사 기술도 상용화된다면, 머지않은 미래에는 에어컨이 없어도 되는 세상이 오지 않을까요?
열섬 현상heat island,
인구의 증가 · 각종 인공 시설물의 증가 · 콘크리트 피복의 증가 · 자동차 통행의 증가 · 인공열의 방출 · 온실 효과 등의 영향으로 도시 중심부의 기온이 주변 지역보다 현저하게 높게 나타나는 현상을 말한다.
도심을 중심으로 동심원상의 기온 분포를 나타내며, 열섬의 강도는 여름보다 겨울에, 낮보다는 밤에 현저하게 나타난다.
복사열 [ radiant heat ]
복사열은 전자기파의 복사에너지(radiant energy) 때문에 생기는 열(heat)이다.
물체들이 맞닿았을 때 또는 대류를 통해서 전달되는 열의 움직임이 아니라 전자기파가 물체를 이루고 있는 입자들의 운동량을 높이면서 생기는 열이다.
열역학에서 열은 열전도(conduction)나 대류(convection)를 통해서 입자들간의 운동량의 차이로 생기는 에너지 전달을 뜻하지만 복사열은 직접적이고, 따라서 그 변화도 빠르다.
먼 거리에서도 복사열이 생길 수 있는 이유는 매질이 필요없는 전자기파의 빠른 전달력 때문이다.
이온화복사선인 가시광선과 자외선, 그리고 그보다 더 강한 엑스선과 감마선은 입자들의 구조를 변화시킬 수 있기 때문에
복사열 전달 뿐만이 아니라 전자기파나 더 나아가 알파입자 또는 베타입자도 나오게 할 수 있다.
하지만 일상에서도 흔히 쓰이는 적외선은 복사열 전달만 가능하다.
즉, 입자들의 운동량만 높이는 셈이다.
복사계(radiometer)는 복사열을 이용해 보이지 않는 전자기파를 찾아낼 수 있는 기구다.
풍차처럼 생긴 이 기구는 네 개의 날개를 가지고 있는데 한쪽 면은 복사에너지가 잘 흡수되는 검정색, 다른 면은 흰색이나 은으로 되어있다.
빛을 받으면 흰색면이 향한 방향으로 날개들이 돌게 된다.
그 이유는 검정색 면이 복사열을 만들어 부분적으로 압력의 차이가 생기기 때문이다.
반 진공으로 되어있는 복사계는 복사열을 관측하기에 아주 적합한 기구이다.
복사열을 실생활에 적용하는 대표적인 사례가 그림 1에서 보이는 바닥난방이다.
바닥에 온수관을 깔고 더운 물을 흘려주면 그 것이 열원이 되어 바닥에서부터 복사열을 방출해 그 공간을 데워준다.
옛날에 구들장을 깔고 그 밑에 돌을 놓은 뒤 아궁이에 장작불을 때 구들장 밑 돌을 가열하여 가열된 돌에서 방출되는 복사열을 이용해 방안을 데우던 온돌도 같은 원리를 사용한 난방 방식이다.
출처 ^ 참고문헌
[네이버 지식백과]열섬 현상 [heat island] (Basic 고교생을 위한 지리 용어사전, 2002. 2..,)
[네이버 지식백과]복사열 [radiant heat] (물리학백과)
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