쿨튜브 시스템

왜 배우는가: 쿨튜브 시스템은 외기를 지중에서 미리 냉각·가열해 건물의 외기부하와 냉난방 에너지를 줄이는 대표적 친환경 패시브 설비다. 지열을 활용하는 저에너지 건축 기술로서 에너지 절약형 건축 설계와 함께 반복해서 출제되는 주제이므로 원리와 성능 요소를 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제113회 3교시 1번, 제95회 1교시 8번, 제91회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

쿨튜브 시스템은 지중에 매설한 관으로 외기를 유입시켜 지중 온도와 열교환시킨 뒤 공조기에 공급함으로써 외기부하와 냉난방 부하를 줄이는 지열 이용 패시브 설비이다.

• 쿨튜브(Cool Tube, 지중 매설 공기관)
• 지중 열교환(Earth-Air Heat Exchanger, EAHE)
• 외기부하 저감
• 지중 온도 안정성
• 예냉·예열 공기
• 패시브 냉난방
• 이중외피 하부 공급

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 땅속은 사계절 온도가 거의 일정하다. 여름에는 땅 위보다 시원하고 겨울에는 따뜻하다. 쿨튜브는 이 성질을 이용해 바깥 공기를 땅속 관으로 통과시키는 장치다.

정식으로는 지표면 아래에 매설된 관(쿨튜브)에 신선외기를 유입시켜 지중과 열교환한 공기를 공조기나 실내에 공급하는 방식을 말한다. 관 내부를 흐르는 공기는 주변 흙과 대류·전도로 열을 주고받는다. 그 결과 여름에는 외기가 예냉되고 겨울에는 예열된다.

핵심 용어는 다음과 같다.

지중 열교환기는 흙을 열원·열싱크로 쓰는 공기 대 흙 열교환 장치다. 같은 원리를 다른 이름으로 Earth-Air Heat Exchanger(EAHE), Earth Tube Heat Exchanger(ETHE)라고도 부른다.

외기부하는 도입 외기를 실내 조건까지 냉각·가열하는 데 드는 열부하다. 쿨튜브는 이 부하의 비중이 큰 건물에서 효과가 크다. 국내 자료에서는 외기부하가 전부하의 상당한 비중을 차지한다고 제시한다.

흙의 열전도율과 지중 수분은 열교환 효율을 좌우한다. 젖은 흙은 마른 흙보다 열을 더 잘 전달한다.

3. 등장 배경과 필요성

건물의 에너지 소비에서 냉난방과 환기 부하가 큰 비중을 차지한다. 특히 외기를 도입하는 환기 과정은 실내 온도를 바꾸는 큰 부하가 된다. 기계식 예냉·예열만으로는 에너지 소비가 늘어나므로, 자연 에너지를 이용해 외기 조건을 미리 바꾸는 방법이 필요해졌다.

지열은 지표 가까이에서 온도 변동이 작고 연중 안정적이다. 이 안정성을 이용하면 별도의 열원 없이 외기부하를 낮출 수 있다. 이 때문에 쿨튜브는 제로에너지건축물과 저에너지 건축을 실현하는 패시브 기술로 주목받는다.

국내에서는 초에너지절약형 건물에 적용된 사례가 있으나 아직 보편적으로 실용화되지는 않은 단계다. 해외에서는 주택과 공공건물에 적용 연구가 활발하다. 따라서 설계와 시공 기준을 정확히 이해하는 것이 중요하다.

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4. 구성요소·원리·절차

쿨 튜브 시스템(Cool Tube System, 또는 Earth Tube)은 지중에 매설한 관로로 외기를 통과시켜 지중의 온도 안정성을 이용해 공기를 예냉·예열하는 설비다. 구성은 외기 흡입구, 지중 매설 관로, 송풍실(송풍기), 공조기 연결부로 나뉜다. 관로 안의 공기가 흙과 열교환하는 것이 핵심 원리다.

구성요소

관로 내부 공기는 흙과의 열전달로 온도가 변한다. 흙의 온도는 깊이가 깊어질수록 연간 변동폭이 작아지고 평균값에 가까워진다. 여름에는 지중 온도가 외기보다 낮아 공기가 냉각되고, 겨울에는 지중 온도가 외기보다 높아 공기가 예열된다. 이 온도차가 쿨 튜브 작동의 근거다.

작동 절차

• 송풍기가 외기를 흡입구로 취입한다.
• 공기가 지중에 매설된 관로를 통과하면서 흙과 열교환한다.
• 여름철에는 예냉, 겨울철에는 예열된 공기가 송풍실로 나온다.
• 송풍실에서 급기 그릴을 거쳐 공조기 또는 실내로 공급된다.
• 공조기가 나머지 부하를 처리한다.

여름철 작동

외기 온도가 지중 온도보다 높으므로 공기가 흙에 열을 빼앗겨 냉각된다. 예냉된 공기는 공조기의 외기 냉방부하를 줄인다. 쿨 튜브가 처리하는 외기부하는 전부하의 상당한 비중으로 제시된 사례가 있다.

겨울철 작동

외기 온도가 지중 온도보다 낮으므로 공기가 흙으로부터 열을 얻어 예열된다. 예열된 공기는 건물 이중외피 하부 등에 공급되어 외피부하 일부를 처리한다. 난방 에너지가 줄어든다.

성능 공식

쿨 튜브 출구 온도는 열교환 효율로 나타낸다.

$\varepsilon = \frac{T_{in} - T_{out}}{T_{in} - T_{soil}}$

여기서 T_{in}은 입구 공기온도(℃), T_{out}은 출구 공기온도(℃), T_{soil}은 매설 깊이의 지중온도(℃), \varepsilon은 열교환 효율(무차원)이다. 효율이 클수록 출구 온도가 지중온도에 가까워진다. 효율은 관 길이와 공기유량에 따라 달라진다.

쿨 튜브는 지중의 온도 안정성을 이용해 외기를 예냉·예열하는 설비다.

5. 관련 법령·기준·표준

쿨 튜브 시스템을 직접 규정한 법령이나 고시는 확인된 것이 없다. 설계 기준은 국내 설계 요령과 쿨 튜브 관련 연구에서 제시된 값에 따른다. 건축 에너지 관련 기준은 「건축물의 에너지절약설계기준」과 「건축물의 에너지절약 설계기준」 체계에서 외기부하·외피부하 계산을 다룬다. 쿨 튜브 도입 시 이 기준의 부하 계산 체계를 함께 적용한다.

쿨 튜브 설계 기준값

표의 값은 특정 설계 조건에 따른 것이다. 기후·토질·관 직경에 따라 달라진다. 설계 시 해당 조건의 시뮬레이션을 함께 수행한다.

개정 연혁

국내 법령에서 쿨 튜브를 명시한 개정 이력은 확인되지 않았다. 친환경 건축 기준 체계 안에서 에너지 절감 설비로 검토되는 수준이다.

6. 유형과 비교

쿨 튜브(Earth Tube, 지중열교환식 외기 예냉·예열 장치)는 공기의 순환 방식에 따라 크게 세 가지로 나눈다. 같은 지중 열원을 쓰더라도 공기 흐름이 열린 회로인지 닫힌 회로인지에 따라 실내 공기질과 외기 도입량, 설비 구성이 달라지므로 설계 단계에서 먼저 구분해야 한다.