KR20230106312A - 개방형 이중벽을 활용한 냉난방 주택 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 실내 냉난방 기능을 갖는 주택으로서, 주택의 적어도 하나의 측면에 형성된 이중벽(30); 및 상기 이중벽을 향해 경사진 지붕(10);을 포함하고, 상기 이중벽은 외벽, 내벽, 및 상기 외벽과 내벽 사이의 물 저장공간으로 구성되고, 여름철에 상기 물 저장공간에 저장된 물이 증발할 때의 기화열을 상기 내벽을 통해 실내로부터 전달받음로써 실내 온도를 낮추고, 겨울철에는 상기 물 저장공간에 저장된 물이 얼 때 방출되는 응고열이 상기 내벽을 통해 실내로 전달되어 실내 온도를 높이는 것을 특징으로 하는 냉난방 주택을 개시한다.

Description

개방형 이중벽을 활용한 냉난방 주택 {Cooling and Heating House Utilizing Open Double Walls}
본 발명은 개방형 이중벽을 활용한 자연 냉난방 주택에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 이중벽을 통해 물이 자유롭게 이동할 수 있게 구성함으로써 물의 기화와 응고의 과정에서 생기는 열의 이동을 통해 전기 에너지를 사용하지 않고 냉난방을 할 수 있으며 거주자들이 친환경적이고 경제적으로 실내 온도를 조절할 수 있게 하는 주택의 구조에 관한 것이다.
일반적으로 주택의 냉난방은 발화 또는 가열을 통해 이루어진다. 선조들은 온돌을 사용하거나 아궁이의 발화로 인해 생성된 온도가 높은 공기를 사용해 방을 데웠고, 현재도 보일러를 통해 가열된 물이 바닥의 배선을 통해 방의 공기 전도를 통해 난방하는 방식을 사용한다. 반대로 냉방은 현재에 들어 등압 팽창할 때에 생기는 열의 이동을 통해 온도가 낮아진 공기를 방에 공급하며 방 온도를 낮춘다.
이와 같은 냉난방 방식은 서울지역의 미세먼지 배출량은 난방 발전 부문이 전체의 39%, 질소산화물 배출량은 36%로 높은 비중을 차지하는 등 환경적으로 심각한 문제를 일으키며, 저소득층은 에너지 효율이 높고 편리한 에너지원에 대한 접근성이 상대적으로 열악하며, 건축 년 도가 오래된 노후 주택에 거주하는 비율이 높아 동일한 에너지를 투입하더라도 냉난방에 필요한 에너지 사용량이 증가할 수밖에 없는 상황을 고려해보았을 때 친환경적이고 경제적인 냉난방 에너지원의 필요성이 대두되고 있다.
특허문헌1: 특허 등록번호 제10-2200730호 (2021년 1월 11일 공고)
본 발명의 목적은 상기한 바와 같이 종래의 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 개방형 이중창으로 들어온 물의 상 변화시 방출 또는 흡수되는 열을 활용함으로써 사용자가 별도의 연료 또는 전기를 사용하지 않고 방 온도를 외부의 온도에 맞게 적절히 조절할 수 있는 기술을 제시한다.
또한 본 발명은 개방형 이중벽으로 물을 최대한 담을 수 있도록 하는 홈이 팬 경사진 지붕, 물을 저장하고 물의 기화열 또는 응고열을 이용해 방 온도를 조절할 수 있게 하는 개방형 이중벽, 및 상변화를 통해 실내의 온도를 빼앗거나 방출하는 물 등으로 구성된 액체;를 포함하는 냉난방 주택을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 실내 냉난방 기능을 갖는 주택으로서, 주택의 적어도 하나의 측면에 형성된 이중벽(30); 및 상기 이중벽을 향해 경사진 지붕(10);을 포함하고, 상기 이중벽은 외벽, 내벽, 및 상기 외벽과 내벽 사이의 물 저장공간으로 구성되고, 여름철에 상기 물 저장공간에 저장된 물이 증발할 때의 기화열을 상기 내벽을 통해 실내로부터 전달받음로써 실내 온도를 낮추고, 겨울철에는 상기 물 저장공간에 저장된 물이 얼 때 방출되는 응고열이 상기 내벽을 통해 실내로 전달되어 실내 온도를 높이는 것을 특징으로 하는 냉난방 주택을 개시한다.
이 때 일 실시예에서 상기 경사진 지붕(10)의 상기 이중벽의 반대측 방향은 수직으로 구성되고 상기 이중벽 측으로 갈수록 경사지도록 구성될 수 있다.
또한 일 실시예에서 상기 이중벽(30)은 상기 외벽과 물 저장공간 사이에 개재된 공기층(34)을 더 포함하고 상기 공기층(34)이 진공으로 유지되거나 또는 열전달율이 낮은 매질로 채워질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉난방 주택은 빗물 또는 인위적으로 물을 공급해 개방형 이중벽에 액체가 담기도록 하여, 여름에는 액체가 쉽게 기화되어 날아가고 겨울에는 액체가 얼어 고체가 되며 이 때 흡수 또는 방출되는 기화열과 응고열을 이용하여 실내 온도를 알맞게 조절할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 외부 연료 또는 별도의 전기 에너지를 사용하지 않거나 이에 보조적으로 냉난방 시스템을 구축할 수 있으므로 친환경적이고 경제적으로 실내 온도를 조절할 수 있어 환경 보호와 소득 차이로 인한 에너지 사용 격차를 줄이는 효과가 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개방형 이중벽을 활용한 자연 냉난방 주택에 물이 채워져 있지 않을 때의 사시도,
도2는 일 실시예에 따른 냉난방 주책에 물이 채워졌을 때의 사시도,
도3은 일 실시예에 따른 냉난방 주택의 일 실시예를 단면을 개략적으로 도시한 도면,
도4는 일 실시예에 따른 냉난방 주택의 이중창을 설명을 위해 분리한 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 이하에 설명되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달할 수 있도록 하기 위해 제공되는 예시적 실시예들이다.
본 명세서에서, 도면들에서 구성요소들의 길이나 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한 본 명세서의 도면들에 있어서 구성요소들의 길이, 두께, 또는 넓이는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이며 어느 한 구성요소와 다른 구성요소의 상대적 크기도 구체적 실시예에 따라 달라질 수 있다.
본 명세서에서 구성요소의 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '~를 포함한다', '~로 구성된다', 및 '~으로 이루어진다'라는 표현은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개방형 이중벽을 활용한 자연 냉난방 주택에 물이 채워져 있지 않을 때의 사시도이고, 도2는 물이 채워졌을 때의 사시도, 그리고 도3은 개방형 이중벽을 활용한 자연 냉난방 주택의 일 실시예를 단면을 개략적으로 도시한 단면도이고 도4는 개방형 이중벽을 활용한 자연 냉난방 주택의 이중창을 설명을 위해 분리한 도면이다.
개방형 이중벽을 활용한 자연 냉난방 주택은 이중벽으로 들어오는 물의 상태 변화할 때 열의 출입을 활용해 여름에는 방을 시원하게, 겨울에는 방을 따뜻하게 온도를 조절할 수 있는 주택의 구조이다.
도1 내지 도4를 참조하면, 일 실시예에 따른 개방형 이중벽을 활용한 자연 냉난방 주택(이하 간단히 '냉난방 주택'이라고도 함)은 경사진 지붕(10) 및 주택의 네 측면 중 적어도 하나의 측면에 형성된 이중벽(30)을 포함할 수 있다.
지붕(10)은 사선으로 이루어져 있어 물이 지붕에 고이지 않고, 측면의 이중벽(30) 쪽으로 흘러 내려가게 해준다. 지붕의 재질은 따로 제한되지 않지만, 나무와 같이 물을 많이 흡수하는 재질 보다는 최대한 물을 이중벽(30)에 모으기 위해 방수 처리가 되는 것이 바람직하다.
이중벽(30) 내부의 공간에 저장되는 유체(예컨대 물)로서 인위적으로 물을 공급할 수도 있지만 빗물을 받아서 사용할 수도 있다. 예를 들어 도시한 실시예의 경우 빗물이 자연적으로 이중벽(30)측으로 흐르도록 유도하기 위해서 경사 방향으로 흠을 팔 수 있다. 또한 도3에 도시한 것처럼 지붕이 'ㅅ'의 모양이 아닌, 한 방향(즉, 이중벽(30)의 반대측 방향)은 수직으로 구성하고 이중벽(30)측으로 갈수록 경사지도록 구성할 경우 지붕(10)에 떨어지는 물을 가능한 한 최대한으로 이중벽(30) 측으로 흘러가게 할 수 있다.
개방형 이중벽을 활용한 자연 냉난방 주택의 이중벽(30)은 통상적으로 주택에서 사용하고 있는 창문의 이중창 구조와 유사하다. 단, 위에서 기술한 것과 같이 실내와 맞닿은 면은 물의 침투력이 약하고, 열의 흐름이 자유로운 콘크리트 재질로 이루어져 있으며, 실외와 맞닿은 면은 열의 흐름이 자유롭지 않은 공기로 구성된 층이 존재한다.
도4를 참조하면, 이중벽(30)은 외벽(31), 내벽(32), 및 외벽과 내벽 사이의 물 저장공간(33)으로 구성될 수 있다. 대안적 실시예에서 이중벽(30)은 외벽(31)과 물 저장공간(33) 사이에 개재된 공기층(34)을 더 포함할 수 있다.
외벽(31)과 내벽(32)은 예컨대 콘크리트 등 벽면에 사용되는 공지의 재료로 구성될 수 있다. 물 저장공간(33)은 물 등의 유체를 저장할 수 있다. 이중벽(30)에 존재하는 물은 계절 또는 평균적인 온도에 따라서 농도를 달리해 방출되는 기화열과 응고열의 양을 조절할 수 있다.
물 저장공간(33)에 저장되는 액체의 경우, 기본적인 용매는 물로 하되 실내의 온도를 높여야 하는 경우는 용질을 섞을 수 있으며, 실내 온도를 낮춰야 할 때는 증기압력이 높은 다른 액체로 대체할 수 있다. 물에 별도의 용질을 녹임으로써 기화를 막으면, 온도가 낮은 환경에서 기화열로 인해 실내의 온도가 과도하게 내려가는 것을 막을 수 있다. 또한 에탄올과 같이 물보다 분자간 인력이 더 작은 액체를 물과 섞어주면 기화가 활발히 일어나, 온도가 높은 환경에서 기화열이 더 많이 발생하기 때문에 실내 온도를 더 효율적으로 낮출 수 있다. 또한 이중벽(30)의 물 저장공간(33)에 별도의 모터 또는 공기 발생기를 설치하여 물을 순환시키거나 물에 공기를 공급할 수 있으며, 이에 의해 물이 한 곳에 고여 정체되거나 오염되는 것을 막아주는 효과가 있다.
공기층(34)은 물 저장공간(33)에 저장된 물에 의한 냉난방 에너지가 외벽(31)을 향해 발산되는 것을 방지하기 위해 추가로 설치될 수 있다. 예를 들어 외벽(31)과 물 저장공간(33) 사이에 추가의 이격 공간을 만들고 이 내부에 공기를 채울 수 있고, 대안적으로, 열 전달율이 낮은 유체 등의 매질을 넣을 수도 있고, 공기층(34) 내부를 진공으로 구성할 수도 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 개방형 이중벽을 활용한 자연 냉난방 주택의 작동 원리는 다음과 같다. 우선, 여름에는 물이 증발하며 흡수하는 기화열을 통해 실내 온도를 낮춘다. 즉, 여름철에 물 저장공간(33)에 저장된 물이 증발할 때 필요한 기화열을 내벽(32)을 통해 실내로부터 전달받을 수 있으므로 실내 온도를 낮출 수 있다. 반대로 겨울과 같이 실내의 온도를 높여야 하는 경우, 물 저장공간(33)에 저장된 물이 어는 도중 방출되는 응고열을 활용해 실내 온도를 높일 수 있다. 즉 물 저장공간(33)에 저장된 물이 얼 때 방출되는 응고열이 내벽(32)을 통해 실내로 전달되므로 실내 온도를 높일 수 있다.
4인 기준의 실내를 가정하여 주택의 냉난방 시스템을 아래 설명과 같이 이론적으로 검증한 결과 현재 사용하고 있는 에어컨 또는 보일러 등의 냉난방 시스템을 충분히 대체하거나 보완하여 사용할 수 있다.
평균적으로 4인 가족이 살기 위한 30평 가량의 주택의 크기를 8,100X10,400 (mm)로 가정한다. 또한 2층 집이라는 가정하에, 주택의 높이는 4.8m로 볼 수 있다. 이중벽의 두께를 약 2m까지 만들 수 있다면 담을 수 있는 물의 최대 부피는 다음과 같다.
(8.3 X 12.4) - (8.1 X 10.4) X 4.8 = 89.64 m3 = 8.96 X 104 L
먼저 여름인 상황을 생각해보면, 물의 기화열(열을 가해 액체 1g을 증기로 변환시키는데 필요한 열량)은 539cal이다. 물의 증발량은 1L당 0.25 cm/h로 추정이 되기 때문에 1초당 방에 공급되는 열량은 0.25 X 539 X 8.96 = 1.21 X 104 cal 이다.
방에 있는 공기의 질량은 89.64 X 1.293 = 1.16 X 102 kg 이다. 공기의 비열을 고려했을 때 방의 온도는 (1.21 X 104 cal) / (89.64m3 X 0.29 kcal/m3℃) = 0.465 ℃씩 떨어지게 된다. 방 온도를 약 4도 낮추는데 총 8시간 정도 걸린다. 따라서 기존의 냉방 시설보다는 효율이 떨어지지만, 충분히 방 온도를 여름철 적정온도를 맞출만한 시스템을 구축할 수 있다.
다음으로 겨울을 생각해보면, 물의 응고열(열을 가해 액체 1g을 고체로 변환시키는데 필요한 열량)은 80cal/g이다. 물의 응고는 외부 온도에 따라 전체다 얼 수도 있으므로, 20% 정도만 응고가 일어난다고 가정을 하면, 전체적으로 8.96 X 107g X 80 cal/g = 7.17 X 106 kcal의 열이 발생한다.
이는 방 온도를 (7.17 X 103 cal) / (89.64m3 X 0.29 kcal/m3℃) = 27.5 ℃ 올릴 수 있을 것으로 추론된다. 하지만 열의 손실이 실내의 곳곳에서 일어나기 때문에 온도의 상승이 이에 미치지는 못할 것으로 예상된다. 기존의 열기관에 대비해 보았을 때 이의 20% 정도만이 방 온도를 높인다고 가정해도 방 온도는 약 5도가량 상승하기 때문에 충분히 기존의 난방기의 역할을 대체하거나 기존 난방기를 보완하며 함께 사용할 수 있을 것이다.
따라서 본 발명에 따른 개방형 이중벽을 활용한 자연 냉난방 주택은 현재 문제가 되는 냉난방으로 인한 온실가스 배출이 초래하는 지구온난화의 문제를 친환경적으로 대체하는 효과를 가져올 수 있을 것으로 예상이 된다. 더불어, 경제적인 냉난방 시스템으로서 소득의 격차로 인해 저소득의 사람들이 위험하고 많은 오염물질을 배출하는 냉난방 시스템을 사용하고 있는 에너지 격차를 해결할 수 있을 것이라 예상된다.
이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상술한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 지붕
30: 이중벽
31: 외벽
32: 내벽
33: 물 저장공간
34: 공기층

Claims (2)

  1. 실내 냉난방 기능을 갖는 주택으로서,
    주택의 적어도 하나의 측면에 형성된 이중벽(30); 및
    상기 이중벽을 향해 경사진 지붕(10);을 포함하고,
    상기 이중벽은 외벽, 내벽, 및 상기 외벽과 내벽 사이의 물 저장공간으로 구성되고,
    여름철에 상기 물 저장공간에 저장된 물이 증발할 때의 기화열을 상기 내벽을 통해 실내로부터 전달받음로써 실내 온도를 낮추고, 겨울철에는 상기 물 저장공간에 저장된 물이 얼 때 방출되는 응고열이 상기 내벽을 통해 실내로 전달되어 실내 온도를 높이는 것을 특징으로 하는 냉난방 주택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 경사진 지붕(10)의 상기 이중벽의 반대측 방향은 수직으로 구성되고 상기 이중벽 측으로 갈수록 경사지도록 구성된 것을 특징으로 하는 냉난방 주택.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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