수동 냉각

섬네일|윈드캐처를 이용한 전통적인 이란식 태양열 냉각 설계
수동 냉각 또는 패시브 쿨링(Passive cooling)은 낮은 또는 전혀 없는 에너지 소비로 실내 열적 쾌적성을 향상시키기 위해 건물 내 열 획득 제어 및 열 방출에 중점을 둔 건물 설계 접근 방식이다. 이 접근 방식은 열이 내부로 들어오는 것을 방지하거나(열 획득 방지) 건물에서 열을 제거하는(자연 냉각) 방식으로 작동한다.

자연 냉각은 기계 시스템 대신 자연 환경에서 얻을 수 있는 현장 에너지와 건물 구성 요소(예: 건물 외피)의 건축 설계를 결합하여 열을 방출한다. 따라서 자연 냉각은 건물의 건축 설계뿐만 아니라 현장의 천연 자원이 히트 싱크(즉, 열을 흡수하거나 방출하는 모든 것)로 어떻게 사용되는지에 달려 있다. 현장 히트 싱크의 예로는 상층 대기(밤하늘), 외부 공기(바람), 지구/토양이 있다.

수동 냉각은 기후변화 적응을 위한 건물 설계에 중요한 도구이며온난화 환경에서 에너지 집약적인 공기조화에 대한 의존도를 줄인다.

개요
수동 냉각은 에너지 사용 없이 열 방출 및 조절의 모든 자연적인 과정과 기술을 포함한다. 일부 저자는 자연 냉각 과정의 효율성을 높이는 데 사용되는 한, 소규모의 간단한 기계 시스템(예: 펌프 및 절약 장치)이 수동 냉각 기술에 통합될 수 있다고 본다. 이러한 적용은 '하이브리드 냉각 시스템'이라고도 불린다. 수동 냉각 기술은 크게 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있다.

예방 기술은 외부 및 내부 열 획득에 대한 보호 및 예방을 제공하는 것을 목표로 한다.
조절 및 열 방출 기술은 건물이 히트 싱크에서 기후로 열을 전달함으로써 열 획득을 저장하고 방출하도록 허용한다. 이 기술은 축열 용량 또는 자연 냉각의 결과일 수 있다.

예방 기술
섬네일|upright=1.35|이 고대 로마 주택은 열 획득을 피한다. 두꺼운 석조 벽, 작은 외부 창문, 남북으로 향한 좁은 담장 정원은 집을 그늘지게 하여 열 획득을 방지한다. 집은 아트리움 중앙의 임플루비움(하늘로 열린)으로 열리는데, 물의 증발 냉각은 아트리움에서 정원으로의 대류를 일으킨다.

열 획득으로부터의 보호 또는 방지는 건물 외피를 통한 태양열 획득과 거주 및 장비로 인해 건물 내부에서 발생하는 내부 열 획득의 영향을 최소화하는 모든 설계 기술을 포함한다. 여기에는 다음 설계 기술이 포함된다.

미기후 및 부지 설계 - 지역 기후와 부지 상황을 고려하여 건물 외피를 통한 과열을 방지하는 데 가장 적합한 특정 냉각 전략을 선택하여 적용할 수 있다. 미기후는 태양과 바람의 복합적인 가용성을 분석하여 가장 유리한 건물 위치를 결정하는 데 큰 역할을 할 수 있다. 생기후 차트, 태양도 및 풍향 장미는 이 기술 적용에 유용한 분석 도구이다.
태양 제어 - 적절하게 설계된 차양 시스템은 태양열 획득을 최소화하는 데 효과적으로 기여할 수 있다. 건물 외피의 투명 및 불투명 표면을 모두 차양하면 실내 공간과 건물 구조물 모두에서 과열을 유발하는 태양 복사량을 최소화할 수 있다. 건물 구조물을 차양함으로써 창문과 외피를 통해 포획되는 열 획득이 줄어들 것이다.
건물 형태 및 배치 - 건물 방향과 최적화된 내부 공간 배치는 과열을 방지할 수 있다. 건물의 다양한 활동을 고려하여 내부 열 획득원을 차단하거나 유용하게 활용할 수 있는 곳에 열 획득을 할당하기 위해 건물 내에 방을 구역화할 수 있다. 예를 들어, 평평하고 수평적인 평면을 만들면 평면 전체의 환기 효과가 증가한다. 구역을 수직으로 배치하면 온도 성층화를 활용할 수 있다. 일반적으로 상위층의 건물 구역은 성층화로 인해 하위 구역보다 따뜻하다. 공간 및 활동의 수직 구역화는 이 온도 성층화를 사용하여 온도 요구 사항에 따라 구역 용도를 수용한다. 형태 계수(즉, 부피와 표면의 비율) 또한 건물의 에너지 및 열 프로파일에 중요한 역할을 한다. 이 비율은 특정 지역 기후에 맞게 건물 형태를 조형하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 더 조밀한 형태는 내부 부하와 외피 면적의 비율이 중요하기 때문에 덜 조밀한 형태보다 더 많은 열을 보존하는 경향이 있다.
단열재 - 건물 외피의 단열은 파사드를 통한 방사선에 의해 전달되는 열의 양을 감소시킬 것이다. 이 원리는 외피의 불투명(벽 및 지붕) 및 투명 표면(창문) 모두에 적용된다. 지붕은 특히 가벼운 구조물(예: 금속 구조물로 만들어진 건물 및 작업장)에서 내부 열 부하에 더 큰 기여를 할 수 있으므로, 단열을 제공하면 지붕으로부터의 열 전달을 효과적으로 줄일 수 있다.
행동 및 거주 패턴 - 건물 내 특정 구역의 사람 수를 제한하는 것과 같은 일부 건물 관리 정책은 건물 내 열 획득을 최소화하는 데 효과적으로 기여할 수 있다. 건물 거주자는 또한 실내 과열 방지에 기여할 수 있는데, 비어 있는 공간의 조명 및 장비를 끄거나, 필요한 경우 차양을 작동하여 창문을 통한 태양열 획득을 줄이거나, 실내 환경에 더 잘 적응하기 위해 더 가볍게 옷을 입어 열적 쾌적성 허용 범위를 늘릴 수 있다.
내부 획득 제어 - 더 에너지 효율적인 조명 및 전자 장비는 더 적은 에너지를 방출하여 공간 내부의 내부 열 부하를 줄이는 데 기여한다.

조절 및 열 방출 기술
조절 및 열 방출 기술은 자연 히트 싱크에 의존하여 내부 열 획득을 저장하고 제거한다. 자연 싱크의 예로는 밤하늘, 지구 토양, 건물 질량 등이 있다. 따라서 히트 싱크를 사용하는 수동 냉각 기술은 축열 용량으로 열 획득을 조절하거나 자연 냉각 전략을 통해 열을 방출하는 방식으로 작동할 수 있다.
 축열 용량 - 실내 공간의 열 획득 조절은 건물의 축열 용량을 히트 싱크로 적절하게 사용하여 달성할 수 있다. 축열 용량은 낮 시간 동안 열을 흡수하고 저장하며, 나중에 그 열을 공간으로 돌려보낼 것이다. 저장된 열이 저녁/밤 동안 공간으로 전달되는 것이 바람직하지 않은 경우, 축열 용량은 야간 환기 자연 냉각 전략과 결합될 수 있다.
 자연 냉각 - 자연 냉각은 환기 또는 자연 히트 싱크를 사용하여 실내 공간에서 열을 방출하는 것을 의미한다. 자연 냉각은 환기, 야간 환기, 복사냉각, 증발식 냉각 및 지하 연결의 다섯 가지 범주로 나눌 수 있다.

 환기 
섬네일|right|upright=1.35|전통 건축에 사용되는 한 쌍의 짧은 윈드캐처(); 바람은 바람이 불어오는 쪽으로 아래로 밀려 내려가고 바람이 불어가는 쪽으로 빠져나간다(교차 환기). 바람이 없을 때는 유입구의 증발 냉각으로 순환을 유도할 수 있다. 중앙에는 qa'a 아래를 그늘지게 하면서 뜨거운 공기가 빠져나가도록 허용하는() (루프 랜턴 통풍구)가 있다.

자연 냉각 전략으로서의 환기는 공기의 물리적 특성을 사용하여 열을 제거하거나 거주자에게 냉각을 제공한다. 특정 경우에는 환기를 사용하여 건물 구조를 냉각시킬 수 있으며, 이는 나중에 히트 싱크 역할을 할 수 있다.

교차 환기 - 교차 환기 전략은 바람이 건물을 통과하게 하여 거주자를 냉각시키는 것을 목표로 한다. 교차 환기에는 공간의 양쪽에 입구와 출구라고 불리는 개구부가 필요하다. 환기 입구와 출구의 크기 및 배치는 건물을 통한 교차 환기의 방향과 속도를 결정한다. 일반적으로 적절한 교차 환기를 제공하기 위해 동등하거나 더 큰 면적의 출구 개구부도 제공되어야 한다.
굴뚝 환기 - 교차 환기는 효과적인 냉각 전략이지만, 바람은 신뢰할 수 없는 자원이다. 굴뚝 환기는 따뜻한 공기의 부력에 의존하여 상승하고 천장 높이에 위치한 개구부를 통해 빠져나가는 대체 설계 전략이다. 더 시원한 외부 공기는 바닥 근처에 신중하게 설계된 입구를 통해 상승하는 따뜻한 공기를 대체한다.

이 두 가지 전략은 환기 냉각 전략의 일부이다.

자연 환기의 한 가지 특정 적용은 야간 환기이다.

 야간 환기 
upright=1.35|섬네일|베키오궁 안뜰. 높고 좁으며, 바닥에는 아주 가는 물줄기가 솟아나는 분수가 있고, 위층 방들은 이 안뜰로 열려 있다. 밤에 공기가 식으면서 안뜰의 야간 환기가 자동으로 발생한다. 증발 냉각은 안뜰을 더욱 식히고 낮 동안 바람을 일으켜 공기를 순환시키는 데 사용될 수 있다. 창문은 하루 종일 열어둘 수 있다.
야간 환기(야간 냉각, 야간 퍼징 또는 야간 대류 냉각이라고도 함)는 건물 구조 요소를 냉각하기 위해 야간에 공기 흐름을 증가시키는 수동 또는 반수동 냉각 전략이다. 물을 냉각시키기 위한 자유 냉각과 건물 축열 용량을 냉각시키기 위한 야간 환기 사이에는 구별이 있을 수 있다. 야간 환기를 실행하려면 일반적으로 낮 동안 건물 외피를 닫아둔다. 건물 구조의 축열 용량은 낮 동안 히트 싱크 역할을 하여 거주자, 장비, 태양 복사 및 벽, 지붕, 천장을 통한 전도로부터 열 획득을 흡수한다. 밤에는 외부 공기가 더 시원해지면 외피가 열리고 더 시원한 공기가 건물을 통과하여 저장된 열이 대류에 의해 방출될 수 있도록 한다. 이 과정은 실내 공기와 건물 축열 용량의 온도를 낮추어 건물이 점유된 낮 동안 대류, 전도 및 복사 냉각이 일어날 수 있도록 한다. 야간 환기는 일교차가 큰 기후, 즉 일일 최대 및 최소 외부 온도 차이가 큰 기후에서 가장 효과적이다. 최적의 성능을 위해서는 야간 외부 공기 온도가 의 주간 쾌적 구역 한계보다 훨씬 낮아야 하며, 절대 습도 또는 비습도가 낮아야 한다. 덥고 습한 기후에서는 일교차가 일반적으로 작고 야간 습도가 높게 유지된다. 야간 환기는 효과가 제한적이며 낮 동안 활성 시스템에 의해 제거될 경우 높은 에너지 비용을 초래하고 문제를 일으킬 수 있는 높은 습도를 유입시킬 수 있다. 따라서 야간 환기의 효과는 충분히 건조한 기후로 제한된다. 야간 환기 전략이 실내 온도 및 에너지 사용을 줄이는 데 효과적이려면, 축열 용량이 충분히 크고 충분히 넓은 표면적에 분산되어 공간의 일일 열 획득을 흡수해야 한다. 또한 총 공기 변화율은 야간에 공간에서 내부 열 획득을 제거하기에 충분히 높아야 한다.
야간 환기를 건물에서 달성하는 세 가지 방법이 있다:
자연 야간 환기는 밤에 창문을 열어 바람이나 부력으로 인한 공기 흐름으로 공간을 냉각시키고, 낮에는 창문을 닫는 방식이다.
기계적 야간 환기는 밤에 환기 덕트를 통해 기계적으로 공기를 높은 유량으로 강제 통과시키고 낮에는 법정 최소 유량으로 공간에 공기를 공급하는 방식이다.
혼합 모드 야간 환기는 자연 환기와 기계적 환기를 결합한 방식인데, 혼합 모드 환기라고도 하며, 팬을 사용하여 자연 야간 공기 흐름을 돕는다.
이 세 가지 전략은 환기 냉각 전략의 일부이다.

야간 환기를 건물 냉각 전략으로 사용하는 데에는 향상된 쾌적성 및 피크 에너지 부하 전환 등 수많은 이점이 있다. 에너지는 낮에 가장 비싸다. 야간 환기를 시행함으로써 낮 동안 기계적 환기 사용이 줄어들어 에너지와 비용을 절약할 수 있다.

야간 환기를 사용하는 데에는 사용성, 보안, 실내 공기질 저하, 습도, 불량한 실내 음향 등 여러 가지 한계가 있다. 자연 야간 환기의 경우, 매일 창문을 수동으로 열고 닫는 과정은 번거로울 수 있으며, 특히 방충망이 있는 경우에는 더욱 그렇다. 이 문제는 매니토바 하이드로 플레이스와 같이 자동화된 창문이나 환기 루버로 완화될 수 있다. 자연 야간 환기는 또한 건물이 비어 있을 가능성이 가장 높은 밤에 창문을 열어두어야 하므로 보안 문제를 야기할 수 있다. 외부 공기가 오염된 경우, 야간 환기는 거주자를 건물 내부의 유해한 조건에 노출시킬 수 있다. 시끄러운 도시 지역에서는 창문을 열면 건물 내부의 음향 조건이 좋지 않을 수 있다. 습한 기후에서는 야간 환기가 밤의 가장 시원한 시간 동안 일반적으로 90% 이상의 상대 습도를 가진 습한 공기를 유입시킬 수 있다. 이 수분은 밤새 건물에 축적되어 낮 동안 습도가 증가하여 쾌적성 문제를 야기하고 심지어 곰팡이 성장을 유발할 수 있다.

 복사냉각 

섬네일|대기가 비정상적으로 투명한 주파수대인 적외선 창은 오른쪽에 있는 푸른색의 큰 블록이다. 이 파장에서 형광을 띠는 물체는 주변 공기 온도보다 낮은 온도로 스스로를 냉각할 수 있다.
섬네일|이란 건축 요소인 야크찰의 복사 냉각 에너지 수지

 증발식 냉각 

섬네일|인도 델리에 있는 붉은 요새의 살사빌(현재는 말라 있다). 살사빌은 증발 냉각을 극대화하도록 설계되었으며, 냉각은 공기 순환을 유도하는 데 사용될 수 있다.
이 설계는 물의 증발 과정을 이용하여 유입되는 공기를 냉각시키면서 동시에 상대 습도를 증가시킨다. 포화된 필터가 공급 입구에 배치되어 자연적인 증발 과정이 공급 공기를 냉각시킨다. 팬을 구동하는 에너지를 제외하고, 물은 실내 공간에 공기 조화를 제공하는 데 필요한 유일한 자원이다. 증발식 냉각의 효율성은 외부 공기의 습도에 크게 좌우되며, 건조한 공기는 더 많은 냉각 효과를 낸다. 쿠웨이트의 현장 성능 연구에 따르면 증발식 냉각기의 전력 요구량은 기존 패키지형 에어컨의 전력 요구량보다 약 75% 적은 것으로 나타났다. 실내 쾌적성과 관련하여 한 연구에서는 증발식 냉각이 실내 공기 온도를 실외 온도보다 9.6°C 낮추는 것으로 나타났다. 혁신적인 수동 시스템은 증발하는 물을 사용하여 지붕을 냉각시켜 태양열의 상당 부분이 내부로 들어오지 않도록 한다.

고대 이집트는 증발 냉각을 사용했다. 예를 들어, 창문에 갈대를 걸고 졸졸 흐르는 물로 적셨다.

토양에서의 증발과 식물로부터의 증산도 냉각을 제공하는데, 식물에서 방출된 물이 증발하기 때문이다. 정원과 화분 식물은 냉각을 유도하는 데 사용되며, 도무스의 hortus, 마치야의 츠보니와 등이 그 예이다.

 지하 연결 

섬네일|right|upright=1.3|지하 연결과 증발 냉각을 위해 카나트와 윈드캐처를 사용한 어스 덕트. 팬이 필요 없으며, 윈드타워의 바람이 불어가는 쪽의 흡입력으로 공기가 위로 올라와 밖으로 나간다.
지하 연결은 토양의 온화하고 일정한 온도를 히트 싱크로 사용하여 열전도를 통해 건물을 냉각시킨다. 이 수동 냉각 전략은 더운 기후와 같이 지중 온도가 주변 공기 온도보다 낮을 때 가장 효과적이다.
직접 연결 또는 어스 셸터링은 건물이 벽에 토양을 완충재로 사용하는 경우 발생한다. 토양은 히트 싱크 역할을 하여 극한 온도를 효과적으로 완화할 수 있다. 어스 셸터링은 열 손실을 줄이고 침투를 제한하여 열 획득을 줄임으로써 건물 외피의 성능을 향상시킨다.
간접 연결은 건물이 어스 덕트를 통해 땅과 연결되는 것을 의미한다. 어스 덕트는 건물로 들어가기 전에 공급 공기가 통과하는 통로 역할을 하는 묻힌 튜브이다. 공급 공기는 튜브와 주변 토양 사이의 전도성 열 전달에 의해 냉각된다. 따라서 어스 덕트는 토양 온도가 원하는 실내 공기 온도보다 낮지 않으면 냉각원으로 잘 작동하지 않는다. 어스 덕트는 일반적으로 공급 공기를 건물로 들어가기 전에 적절한 온도로 냉각시키기 위해 긴 튜브가 필요하다. 어스 덕트에서 건물로 공기를 끌어들이기 위해서는 팬이 필요하다. 어스 덕트 성능에 영향을 미치는 요인 중 일부는 덕트 길이, 굽힘 수, 덕트 벽 두께, 덕트 깊이, 덕트 직경 및 공기 속도이다.

 일반 건물에서 

추운 기온에서는 난방으로 전환되는 "스마트 루프 코팅"과 "스마트 창문"이 냉각을 위해 존재한다. 가장 흰 페인트 제형은 햇빛의 최대 98.1%를 반사할 수 있다.

 같이 보기 
 아브 안바르
 저수조
 교차 환기
 수동 환기
 카나트
 쿨루프
 신슐레이터
 계단식 우물
 환기 냉각
 윈드캐처
 야크찰

 각주 

분류:에너지 절약
분류:환경 디자인
분류:에너지 절약형 건축
분류:HVAC
분류:전열
분류:에너지와 환경
분류:지속 가능한 건축