Co2배출 줄이는 그린빌딩(Green Building)설계(25)냉방 : 지중쿨튜브

지중쿨튜브는 지하에 파이프나 튜브를 이용하여 실외공기를 실내 공간속으로 끌어들이여 냉각하는 방법입니다.  냉각효과는 실외공기와 튜브깊이 토양간에 온도차를 이용하는 것입니다. 다시말해 토양의 온도가 실외온도보다 낮을때 실내로 유입되는 공기가 실내 온도보다 낮을때 실제 공간의 냉방효과를 거두는 것입니다.

그 온도차의 크기를 간단히 보면,  "실외온도>실내온도>토양온도" 로 나타내어 집니다.

아래그림은 쿨튜브 방식을 보여주는 개념도면입니다.

 쿨튜브가 설치된 사례사진입니다.

쿨튜브에는 개방순환식과 폐쇄순환식으로  2가지 방식이 있습니다.

개방순환방식에서는 쿨튜브를 통해 빠져나오는 공기가 실내 공간으로 직접유입되는 방식입니다. 보통은 전기환풍기의 도움을 받아 실내로 공기가 유입되며, 위 개념도에서 같이 지중튜브로부터 실내 공간속으로 시원한 공기를 끌어들이기 위해 환풍기와 굴뚝환기가 동시에 사용되고 있습니다.

개방순환이든 폐쇄순환이든 지중튜브의 냉방효과는 튜브를 가진 공간만을 냉각시키기 위한 의도가 아니라 전반적인 공간냉방부하를 감소시키기 위해 이용됩니다. 지중튜브만을 이용한 건물냉방을 위해서는 엄청난 양의 튜브가 사용되어야 하므로 비용효과를 창출하기가 매우 힘듭니다. 따라서 혼합시스템이 적용되는 것이 바람직할 것입니다.

 

지중쿨튜브르로 사용되기 위해서는 알미늄이나 플라스틱과 같은 내구성과 잘 부식이 되지 않아야 합니다. 또한 강하며, 비용도 저렴해야만 지중쿨튜브르로 시공될 수 있습니다. 하지만 PVC나 폴리프로필렌과 같은 재료에 박테리아번식이 용이하다는 것으로 나타나 이점을 유의해야 할 것입니다.

지중쿨튜브의 규격은 대체로 150~500mm정도의 직경을 필요로 합니다. 물론 큰 직경일 수록 유리하지만 공기흐름이 증대될 수 있겠습니다만 현지의 부지요인 등(현지 토양조건, 토양습도, 튜브깊이, 기타 식생 및 증기냉방 등 부지 특이요인)에 의한 함수로 냉방성능과 튜브직경을 종합적으로 고려해야 합니다.

냉방성능을 최적화하기 위해 튜브는 적어도 1.8m 깊이로 매설해야 하며, 튜브는 가급적이면 그닐진 지점에 위치하여 토양의 냉방효과까지 고려해야 합니다.

전형적인 토양깊이별 토양온도는 다음과 같습니다.

- 6~30m 깊이에서는 연평균 공기온도보다 약 1.1~1.7도C 가량 더 높다. 

- 3m에 못 미치는 깊이에서는 주변 공기온도에 영향을 받으며 연중차이를 보인다.

- 표면 근처에서는 공기온도와 긴밀히 관련된다.

지중쿨튜브에서 가장 중요한 것은 토양온도가 실내온도보다 확정적으로 낮지 않다면 효과가 없다는 것입니다. 또한 쿨튜브 사용시 곰팡이, 균류 및 박테리아 등의 온상이 되기 쉽다는 점을 유의해야 합니다. 그리고 지하수 누출로 튜브내 물이 고여 문제가 악화될수 있습니다.

따라서, 튜브가 쉽게 점검하거나 청소될 수 없다면 냉방효과가 간접적으로 전달되도록 하는 방법도 고려해 볼 수 있습니다. 물론 이 방식이 성능이 다소 미비할수도 있지만, 곤충(개미 등)이 튜브를 통해 거주공간으로 들어오는 것보단 낫습니다.

아래 사진은 쿨튜브를 설치하는 모습입니다. 건물속으로 들어온 쿨 튜브는 덕트도관과 연결되어 덕트 내 환기구에 공기를 끌어들여 반환공기 덕트속으로 다시 방출시키게 됩니다.

설계절차는 다음과 같습니다. 

1. 여름철 토양온도를 결정한다. 1.8m깊이에서 여름철 토양온도는 월평균 건구온도와 대략 일치한다.

2. 요구된 튜브 배출 공기온도를 결정한다.

3. 토양 습도 특징을 결정한다. 

4. 지중튜브 설비의 냉각부하를 추정한다.

5. 요구도니 튜브길이를 결정한다. (지중튜브요구길이에 대한 표를 참조)

** 평균 토양수분함량을 가정하고 냉각성능과 온도차이의 함수로서 요구된 쿨튜브 길이를 추정

 

멀리 떨어진 주택을 위한 진입로 표식으로 기능하는 어느 주택의 한 공기흡입구. 지반을 빠져나온 세가닥의 튜브와 공기흡입구 뒤편에 위치한 공기필터가 보입니다.

위스콘신주 Baraboo에 위치한 Aldo leopold Legacy Center의 지중관 설치작업 사례

같은 곳의 지중관 시스템으로 공기가 들어가게되는 유입구

같은곳, 지중관 영역에 전형적인 지피식물을 식재하여 토양온도를 낮추고자 한 사례입니다.

 

 

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