열의 여행

약 300년 전에는 열의 정체를 파악할 수도 없었고, 정확히 온도를 측정하는 방법조차 몰랐습니다. 당시의 사람들은 그저 감각만으로 더위, 추위를 추정하고 있었던 것입니다. 일부의 진보적인 사람들조차 온도를 추정하는 기본으로 높은 곳에는 젖소의 체온이나 버터가 녹는 온도를 또 낮은 곳에는 눈이나 얼음의 온도를 이용하고 있었다고 합니다. 그 뒤로 브라크라는 사람이 "열은 열소라는 눈에 보이지 않는 유동체이며, 물체가 뜨거워질 때 열소가 흘러들어 가며, 차가워질 때는 흘러나온다"라는 설을 주장했습니다. 이것을 열소설이라고 부릅니다. 그 후로 이 설은 아무런 의심없이 지켜오다 현재는 우리들이 알고 있는 "열은 특별한 물질 및 유동체도 아니고, 운동에너지이다" 라는 것이 쥴이란 사람에 의해 19세기에나 와서 설명됩니다. 냉방부하라고 하더라도 그 부하가 실내에 나타나는 데에는 여러 가지 원인이 있습니다. 최근의 건물은 외벽에 커튼벽(curtain wall)처럼, 경금속의 재료를 사용하여 건물자체의 무게를 가볍게 하는 방향으로 가는 경향이 있는 것은 다 알고 있을 것입니다. 이것은 비용절감이나 공기의 단축 때문이라는 목적 이외에, 지진이 많은 지역에서 초고층 빌딩을 짓기 위해서는 건물을 유연구조라 불리는 가볍고 유연한 구조로 할 필요가 있으며 이 때문에 지금까지 써오던 무겁고 견고한 석재나 콘크리트 대신에 가벼운 금속성의 외벽이나 경량 콘크리트제의 바닥 등이 사용되게 되었던 것입니다. 이처럼 건물을 가볍게 함에 따라서 실내에 흘러 들어오는 열부하에도 큰 변화가 나타납니다. 한창 더운 여름날 은행 같은 건물에 들어가면 냉방을 하고 있지 않는 데에도 아주 시원한 느낌을 받은 기억이 있을 것입니다. 이것은 건물이 석조여서 대단히 무겁고 열을 흡수 및 잃는데도 장시간이 걸리기 때문입니다. 다시 말하면, 비열이 큰 재료로써 만들어져 있기 때문입니다. 한여름이라도 밤부터 아침 일찍에 걸쳐서 실외의 기온은 내려가기 때문에 그 사이에 건물이 완전히 식혀지면 외기의 온도가 올라가고 햇빛이 증가하는 낮이 되어도, 일단 밤 동안에 완전히 식은 돌은 좀처럼 데워지지 않고 벽이 실외로부터 실내롤 흘러 들어오는 열의 흐름에 대해서 마치 댐과 같은 작용을 합니다. 다시 말하면, 해뜰 무렵까지 거의 덩빈 댐(외벽)은 상류(실외)로 부터 흘러 들어오는 물(열)의 양이 늘어나더라도 댐 크기(외벽이 열을 흡수하는 능력, 즉 열용량)가 클수록 가득차는 데에 시간이 걸려서 좀처럼 하류(실내)로는 물이 흘러오지 않는 것입니다. 이처럼 열은 물체에 축척되는 성질을 가지고 있습니다. 양철집과 벽돌로 만든 집을 비교해 보면 알 수 있듯이, 이 성질은 일반 건물에 쓰이는 재료에 한해서 생각한 경우, 체적이 같다면 무거운 것일수록 열을 축척하는 힘이 크고 뜨겁게 되기도 차갑게 되기도 어려운 성질을 가지고 있다고 생각해도 좋습니다. 이처럼 물체가 열을 축척하는 힘을 축열용량이라 합니다. 경구조(커튼벽이나 함석 판벽)등에서 열은 벽을 통하여 단시간에 실내로 전해져 실내의 온도를 올리는 작용을 합니다. 중구조(콘크리트 벽 또는 석조벽)로 됨에 따라 전해지는 시간이 길며, 열의 흐름에는 무거운 재료일수록 저항이 되는 것입니다. 최근의 건물에서는 열부하를 축적하는 힘이 점차로 작아지는 경향이므로 어느 순간에 실내에 받는 열부하의 양도 크게 되어 쾌적한 공기를 만들려면 옛날 건물에 비해서 공조장치도 큰 것이 필요하게 됩니다. 만약 열부하 계산을 하는 경우 건물의 축열이 전혀 없는 것으로 보고 지붕으로부터 건물에 열이 가해지는 시각과 실내에 그 열이 영향을 주는 시각과의 간격도 전혀 없는 것으로 가정한다면 어느 순간에 건물이 외부로부터 받는 부하가 모조리 실내의 부하가 되어 버리므로 공조장치의 용량이 필요 이상으로 큰 것이 되어 비경제적입니다. 경구조라 하더라도 축열용량이 제로라는 말은 아니기 때문에 부하계산에서는 축열계수라는 보정을 위한 계수를 사용해서 계산하려는 시각에 실내로 실제 들어오는 열부하의 양을 구하여 헛된 장치를 선택하지 않도록 고려되어 있습니다. 건물에 실외기에서 가해지는 열부하 중 태양복사열에 의한 부하가 냉방 부하의 태반을 차지하지만, 축열용량이 작은 건물이 많은 최근에는 한층 그 영향이 크게 되어 건물을 냉방할 시, 어느 순간에 실내로 가해지는 부하가 크게 되는 반면, 그때까지 내리쬐고 있던 태양이 두꺼운 구름이나 옆 빌딩 등에 차단되면, 곧 실내로 들어오던 부하가 감소하여 실온에 영향을 미칩니다.