난방

발달사

최초의 실내 난방 방법은 모닥불이었다.

모닥불과 난로, 무쇠난로, 그리고 가스나 전기를 사용하는 오늘날의 난방장치는 난방이 필요한 장소에서 에너지가 직접 열로 바뀌기 때문에 직접난방이라 부른다. 하지만 오늘날 더 일반적으로 사용되는 방법은 중앙난방 또는 간접난방이다. 이것은 난방이 필요한 장소 바깥이나 내부에서 에너지가 열로 바뀌는 방식인데 발생한 열은 공기나 물 또는 증기와 같은 유체 매질을 통해 난방 장소로 이동한다.

고대 그리스인이나 로마인을 제외한 대부분의 고대 문명인들은 직접난방에 의존했다.

최초의 연료로는 나무가 사용됐는데, 중국이나 일본 또는 지중해와 같이 약간의 난방만이 필요한 곳에서는 연기가 덜 나는 숯이 사용되기도 했다. 처음에는 지붕 가운데 뚫어놓은 구멍에 불과했다가 훗날 불을 피우는 장소에서 직접 위로 빠져나가게 한 굴뚝은 13세기에 유럽에 나타나 생활 공간에서 연기와 증기를 효과적으로 배출시켰다. 폐쇄형 난로는 기원전 600년경에 중국에서 처음 사용된 것으로 보이며, 러시아를 통해 북유럽으로 전해졌고, 거기서 다시 아메리카 대륙으로 전해졌다.

미국의 벤저민 프랭클린(Benjamin Franklin)은 1744년에 프랭클린난로라고 알려지게 된 개량형 난로를 발명하였다. 난로는 벽난로보다 열의 낭비가 훨씬 적은데, 뜨거운 연소 기체가 굴뚝을 지나가면서 실내 온도를 높이는 것이 아니라, 불에서 나온 열이 난로벽에 흡수되었다가 실내의 공기를 데우기 때문이다.

중앙난방은 고대 그리스에서 발명된 것으로 생각되지만, 고대 세계에서 가장 뛰어난 난방 기술을 자랑한 것은 온돌을 발명한 로마인들이었다(→ : 색인 : 하이포코스트). 로마시대의 많은 건물에는 모자이크 무늬의 마루 밑을 기둥으로 떠받쳐 공기가 통하는 공간이 만들어졌다.

난방을 공급해야 할 모든 방들의 중심부에서 숯이나 땔감을 태웠으며, 영국에서는 석탄을 태웠다. 그러면 뜨거운 기체가 마루 아래를 지나다니면서 온도를 높였다. 그러나 로마제국의 쇠퇴와 함께 온돌도 사라졌으며, 중앙난방은 1500년이 지난 후에야 다시 등장했다.

19세기 초에 산업혁명으로 공장이나 집, 병원과 같은 건물의 크기가 커지면서 중앙난방을 다시 사용하게 되었다.

동력원으로 쓰이게 된 증기는 관을 통해 증기를 통과시키는 새로운 공장 난방법을 제공하였다. 석탄을 태우는 보일러가 방열체(radiator)를 통해 뜨거운 증기를 방들로 보냈다. 증기난방은 겨울이 몹시 추운 북아메리카에서 오랫동안 사용되었다. 1830년경에 증기보다 표면온도가 낮고 전반적으로 효과가 느린 뜨거운 물의 이점(利點)이 인식되기 시작했다. 20세기의 중앙난방 시스템은 일반적으로 열을 전달하는 수단으로 뜨거운 공기나 뜨거운 물을 사용했다.

미국에서는 새로 짓는 집이나 회사 건물에 증기 대신에 뜨거운 공기를 사용했지만, 영국과 유럽 대륙의 대다수 지역에서는 증기 대신에 뜨거운 물을 사용했으며, 뜨거운 공기는 거의 인기를 얻지 못했다. 다른 나라들에서는 사정에 따라 미국식이나 유럽식 난방법을 제각각 채택하였다.

중앙난방장치와 연료

중앙난방장치의 필수 요소는 열을 발생시키기 위해 연료를 태우는 장치, 관을 통해 열을 실내로 전달하는 매체, 대류나 복사 또는 두 가지를 모두 사용해 실내 공간에 열을 발산하는 장치이다.

강제공기분배 방식은 가열된 공기를 압력차를 만들어내는 도관이나 송풍 장치를 사용해 실내로 보낸다. 이와는 대조적으로, 복사난방 방식은 사이에 있는 공기의 온도에 상관없이 열 발생원으로부터 벽, 천장, 마루로 열을 직접 전달한다. 방출된 열은 실내 공간 전체에 대류 순환을 일으켜, 균일하게 따뜻한 온도를 만들어낸다.

기온, 태양복사의 효과, 상대습도, 대류는 모두 난방장치의 설계에 큰 영향을 미친다.

이에 못지않게 중요한 고려 요소는 사람의 활동량이다. 격렬한 활동이 요구되는 작업 환경에서는 인체에서 많은 열이 발생한다. 여분의 체열이 가라앉도록 하기 위해서는 기온을 낮게 유지해야 할 필요가 있다. 앉아서 일하는 작업장이나 거실의 온도 상한은 24℃가 적절하며, 심한 육체 노동을 하는 사람들에게는 13℃의 온도 하한선이 적절하다.

연료를 연소할 때 탄소와 수소가 공기 중의 산소와 결합하여 열을 발생하며, 그 열은 연소실로부터 물 또는 공기 매체로 옮겨진다.

난방장치는 가열된 매체가 이동해가고 그 대신에 차가운 매체가 들어서도록 설계돼 있다(순환 등의 방법을 통해). 공기를 매체로 사용할 경우에는 난방장치를 난방로라 부르고, 물을 매체로 사용할 경우에는 보일러 또는 물보일러라 부른다(노). 더 정확하게는 '보일러(boiler)'는 증기를 만들어내는 용기를 가리키고, '물보일러(water boiler)'는 물을 가열해 끓는점 아래에서 순환시키는 용기를 가리킨다.

보일러와 난방로에 사용되는 주요 연료는 천연가스와 연료유이다.

보일러와 난방로는 가끔 1번씩 청소를 해주는 것 외에는 달리 손댈 것이 없으며, 자동온도조절장치와 같은 완전 자동 연소장치에 의해 작동된다. 옛날의 난방장치들과는 달리 석탄과 코크스도 사용 후에 재가 남지 않는다. 천연가스는 저장용기가 전혀 필요없지만, 기름은 난방장치로부터 약간 떨어진 곳에 있는 저장탱크에 부어넣어 사용해야 한다. 지하의 파이프라인망으로부터 가스를 끌어다쓰는 것이 용이해지고, 지하를 통한 수송의 안전성, 깨끗한 연소 등의 이유로 천연가스 난방이 크게 증가하였다.

천연가스 난방의 증가는 특히 가스 연료가 적합한, 따뜻한 공기를 사용하는 난방장치의 인기와도 관계가 있다. 가스는 기름보다 태우고 다루는 게 쉬우며, 사용자는 저장탱크를 갖출 필요도 없고, 사용 후에 사용량만큼 요금을 지불하면 되며, 차량 수송에서 생길지도 모를 돌발 사태를 걱정할 필요도 없다.

가스버너는 일반적으로 기름을 태우는 버너보다 단순하며, 부품도 적다. 연소하는 가스는 유독한 배기가스를 발생하기 때문에 가스난방기는 반드시 실외로 배출구를 갖추어야 한다. 천연가스의 파이프라인이 미치지 않는 곳에는 액화석유가스(프로판 또는 부탄)를 높은 압력으로 넣은 가스통을 특수탱크차량에 실어 가정까지 배달함으로써 천연가스처럼 사용할 수 있다. 기름과 가스 연료가 편리한 가장 큰 이유는 난방 과정의 자동화 때문이다. 자동화는 주로 자동온도조절장치 덕분인데, 이것은 실내 온도가 미리 정해놓은 수준까지 떨어지면 요구되는 온도에 도달할 때까지 보일러를 가동시킨다(온도조절기). 자동온도조절장치의 완벽한 보호를 받고 있는 자동난방장치는 상상할 수 있는 거의 모든 상황에 대해 대처해나갈 수 있다.

따뜻한 공기(온기)를 사용한 난방

공기는 밀도가 낮기 때문에 짧은 거리에 대해서는 뜨거운 물이나 증기보다 열을 적게 전달한다.

그럼에도 불구하고, 한동안 유럽에서 사용되었던 뜨거운 물을 사용한 방식을 선호하는 추세가 증가하고 있긴 하지만, 미국의 가정과 사무실에서는 공기가 주된 열 전달 매체로 사용되고 있다. 온기를 사용하는 난방로의 기본 원리는 다음과 같다. 난방로의 열은 도관의 공기로 전달되고, 공기는 상승하여 방들로 이동하며, 환기조정판을 통해 뜨거운 공기가 방출된다. 난방로에서 나오는 뜨거운 공기는 주위의 차가운 공기보다 가볍기 때문에 중력에 의해 도관을 통해 방까지 이동한다.

이것은 1930년대까지 주로 사용되던 방법이었다. 그러나 중력을 이용하는 방법은 공기 마찰을 줄이기 위해 지름이 큰(20-36cm) 도관이 필요하며, 이로 인해 지하실이 도관들로 가득 차게 되었다. 게다가 난방로에서 멀리 떨어져 있는 방에는 가열된 공기와 난방로로 돌아가는 차가운 공기 사이의 압력차가 작아 적절한 난방이 공급되지 않는 경향이 있었다. 이러한 문제는 모터구동 송풍기를 사용함으로써 해결되었다. 이것은 가열된 공기를 작은 직사각형 도관을 통해 멀리 떨어진 방까지 불어보낼 수 있었다.

가열된 공기는 환기조정판, 그릴(grille), 또는 벽을 따라 설치된 베이스보드(baseboard: 굽도리널)를 닮은 장치들을 포함해 다양한 종류의 확산기를 통해 각 방으로 들어간다. 열린 문을 통한 공기의 흐름과 환기구도 열을 골고루 분배하는 데 기여한다. 따뜻한 공기는 방에 열을 전달해준 다음, 난방로로 돌아간다. 강제 온기 난방의 장점은 공기를 필터로 통과시킴으로써 순환 과정에서 깨끗해진다는 점이다.

그리고 도관(ductline)의 크기가 적절하다면, 적절한 냉동기에 연결된 냉각코일을 추가함으로써 1년 내내 사용할 수 있는 에어컨 시스템으로 쉽게 바꿀 수 있다.

공기는 다른 난방장치에서도 중요한 역할을 한다. 열을 전달하는 주매체가 증기나 뜨거운 물일 경우, 환풍기로 강제로 불어넣은 공기가 대류(공기의 움직임)를 통해 열을 분배한다. 일반적인 증기 라디에이터조차도 열방출을 복사보다는 대류에 더 많이 의존한다.

온수 난방

물은 밀도가 커서 많은 열을 지닐 수 있고, 온도도 쉽게 조절할 수 있기 때문에 중앙난방장치에 특히 선호된다.

온수난방장치는 보일러, 라디에이터에 연결된 파이프들, 배관 또는 방에 설치된 그 밖의 방열기 등으로 이루어진다. 주로 강철 또는 구리로 만들어진 파이프가 온수를 라디에이터나 대류난방기로 보내면, 거기서 열이 방으로 방출된다. 냉각된 물은 보일러로 돌아가 재가열된다. 온수난방장치의 두 가지 중요한 조건은 다음과 같다:(1) 보일러와 방열기, 배관 등을 채우는 물의 팽창을 감안한 대비 (2) 수동 또는 자동으로 작동하는 밸브를 통해 공기를 배출하는 수단이 그것이다.

초기의 온수난방장치는 온기난방장치와 마찬가지로 중력에 의해 작동되었다. 차가운 물은 밀도가 더 높기 때문에 보일러 쪽으로 하강하면서 가열된 뜨거운 물을 라디에이터 쪽으로 상승시켰다. 중력온기난방장치나 중력온수난방장치는 난방로나 보일러 아래쪽에 있는 방을 가열하는 데 사용할 수 없었다. 그래서 지금은 파이프를 통해 온수를 보내는 데 모터구동 펌프가 사용되고 있으며, 방열기에 대해 어떤 높이에도 보일러를 설치하는 것이 가능하게 되었다. 따뜻한 공기와 마찬가지로, 중력에 맡기기보다 펌프를 통해 유체를 순환시킬 때에는 더 작은 파이프를 사용할 수 있다.

증기 난방

증기난방장치는 보일러에서 보통 35kpa 미만의 압력을 가진 증기를 발생시켜 강철 또는 구리 파이프를 통해 라디에이터로 보낸다.

증기가 지닌 열은 라디에이터로 전달되고, 그것은 다시 방으로 전달되며, 냉각된 증기는 응축하여 물로 변한다. 응축된 물은 중력이나 펌프에 의해 보일러로 돌아온다. 각각의 라디에이터에 달려 있는 공기 밸브는 공기가 빠져나가게 하는 데 필요하다. 공기가 빠져나가지 않으면, 증기가 라디에이터로 들어오지 못한다. 간단한 증기난방장치에서는 증기 공급과 응축된 물이 보일러로 돌아오는 것이 동일한 관을 통해 이루어진다.

더 복잡한 증기난방장치에서는 2개의 관을 사용하여 증기 공급과 응축된 물이 각각 별도의 관을 통과하도록 한다. 증기의 가장 큰 장점인 많은 열을 지닐 수 있는 능력은 곧 단점이기도 하다. 증기난방장치 내에서 증기의 높은 온도(약 102℃)는 증기를 제어하기 어렵게 만들며, 방으로 투입하는 양을 빈번하게 조절하게 만들기 때문이다. 증기난방장치를 가장 효율적으로 작동시키기 위해서는 온수난방장치나 온기난방장치보다 더 많은 장비들이 필요하며, 라디에이터의 부피도 훨씬 크고 보기도 좋지 않다.

그래서 1930년대와 1940년대 이후에 설치된 가정용 난방장치에서는 일반적으로 온수나 온기가 증기를 대체하게 되었다.

전기 난방

중앙난방장치에 전기를 사용할 수도 있다.

일반적으로 화석연료보다 더 비싸긴 하지만, 밤이나 겨울과 같이 전력 수요가 줄어드는 때(즉 조명, 동력, 에어컨 등의 수요가 낮을 때나 지역적으로 전력 공급이 과잉 상태일 때)에 전기를 사용함으로써 비용 부담을 줄일 수 있다. 전기를 열로 전환시키는 가장 일반적인 방법은 전류가 통과할 때 발생하는 저항으로 인해 뜨거워지는 저항장치를 이용하는 것이다(저항기). 전류는 방에 있는 자동온도조절장치를 통해 자동으로 작동한다.

저항장치는 순환 공기나 물을 가열하는 데 사용할 수 있으며, 또 베이스보드 대류난방기의 형태로 방 안의 벽을 따라 공기를 직접 가열하여 대류를 일으킬 수도 있다(전열기).

열펌프

전기 난방의 또 다른 방법은 열 펌프를 사용하는 것이다.

모든 냉방장치는 기술적으로는 온도가 낮은 곳(일반적으로 냉각하고자 하는 장소)의 열을 온도가 높은 곳(일반적으로 실외)로 펌프질해 보내는 일종의 열펌프이다. 냉방장치는 겨울에 실외의 공기나 지하수 또는 그 밖의 온도가 낮은 열원으로부터 열을 빼앗아 그것을 난방하고자 하는 높은 온도의 공간으로 펌프질해 보내는 데 사용할 수 있다. 대개 열펌프는 여름에는 에어컨으로 작동하고, 겨울에는 난방기로 작동하도록 만들어져 있다(냉난방장치).

열펌프의 작동 원리는 아래의 예로 설명할 수 있다.

창문에 설치하는 전형적인 에어컨은 열배출장치(응축기)가 바깥쪽에 달려 있다(에어컨디셔닝). 이 장치는 실내의 코일(증발기)에서 빼앗아온 열을 실외 공기로 배출한다. 따라서, 증발기는 실내에서 열을 빼앗아 냉각기체로 전달하고, 그 열은 실외의 응축기로 펌프질되며, 응축기에서 환풍기를 통해 열이 실외 공기로 발산된다. 이러한 순환은 거꾸로 돌릴 수도 있다. 실외 공기로부터 열을 빼앗아 냉각기체를 통해 실내의 코일(증발기)로 전달한 다음, 증발기의 환풍기를 통해 실내 덕트라인으로 배출할 수 있다.

이것이 기본적인 열펌프 장치이다. 그러나 겨울철의 기온이 어는점 아래로 내려가면 응축기(실외 코일)가 얼어붙어 작동에 제약이 따른다. 그래서 열펌프는 겨울철의 기온이 비교적 덜 추운 온화한 기후에서 사용하기에 가장 좋다. 또한, 기계의 복잡성도 많은 환경에서 비경제적인 요인을 제공한다.

방열기의 종류

온수나 증기 또는 전기 저항기로부터 난방 장소로 열을 전달하는 방법에는 여러 가지가 있다.

오래 된 건물들에서 익히 볼 수 있는 방열기는 보통의 라디에이터이다. 증기나 온수는 라디에이터 속의 빈 공간을 통해 순환한다. 라디에이터는 일반적으로 실내의 외벽을 따라 설치된다. 주변의 공기가 라디에이터 아래와 앞쪽으로부터 흘러들어오며, 가열된 공기는 라디에이터 부분들 사이에서 수직 방향으로 상승하여 꼭대기에서 배출된다. 따뜻해진 공기는 방 안에서 멀리 떨어진 차가운 공기보다 밀도가 작기 때문에 위로 상승하여 차가운 공기를 밀어내고, 차가운 공기는 아래로 내려오면서 공기의 순환이 이루어진다.

대류난방기는 열전달 표면적이 작고 캐비닛의 아래쪽에 위치한다는 점에서 라디에이터와 차이가 난다.

캐비닛에는 입구와 출구가 있어 '굴뚝' 효과를 통해 따뜻해진 공기의 흐름을 방 안으로 적절히 유도하도록 설계돼 있다. 전형적인 대류난방기는 지느러미 모양의 돌출부(fin)가 달린 관이나 코일로 이루어져 있으며, 그 속으로 가열된 공기나 물이 꼭대기와 밑바닥이 개방돼 있는 인클로저(enclosure)의 바닥에서 순환한다. 공기는 가열 표면 위로 상승하여 인클로저의 꼭대기에서 방출된다.

차가워진 공기는 바닥으로 내려와 대류난방기로 다시 들어간다. 이러한 대류난방기는 흔히 차가운 표면을 통한 외풍이나 열의 손실을 막기 위해 창문이나 외벽을 따라 설치된다.

많은 산업 건물들은 유닛히터(unit heater)라는 특수한 형태의 방열기를 사용해 난방된다. 이것은 (1) 그 속으로 온수나 증기가 순환하는 지느러미 모양의 돌출부가 달린 관들 (2) 관 위로 공기를 불어보내는 전기 환풍기로 이루어진다.

강제 대류 방식은 열전달의 속도를 빠르게 해준다. 유닛히터는 마루 위나 마룻바닥에 설치할 수 있다.

복사난방장치는 대개 바닥이나 천장에 깔아놓은 온수 파이프나, 바닥에 깔아놓은 온기 도관, 또는 천장이나 벽에 설치한 전기저항패널 방식을 사용한다. 패널난방은 적당한 난방을 위해 매우 큰 복사표면(일반적으로 천장 전체나 마루 전체)을 사용하는 특징을 가진 복사난방 방식이다.

많은 패널난방 방식에서는 방 안에서 난방장치가 눈에 띄지 않기 때문에 실내장식용으로는 아주 좋다. 단점은 온수 배관이 부식하거나 잘못되었을 경우 천장이나 바닥을 버릴 수 있다는 점이다.

가정 온수 공급

난방

이전에는 손으로 불을 피우는 소형 석탄 보일러가 가정에서 요리나 목욕에 필요한 물을 가열하는 보편적인 방법이었다.

이것은 가열장치가 온수저장탱크에 부착된 가스나 전기 또는 기름 온수기로 대체되었다. 온수를 빼내 쓰면 차가운 물이 다시 들어오면서 자동온도조절장치에 의해 탱크의 온도가 다시 정해진 온도에 도달할 때까지 가열장치가 작동했다. 또, 열교환기라는 장치를 난방 보일러에 연결시켜 보일러의 물에서 열을 추출해 필요한 물을 데우는 방법도 있다.

태양 에너지

태양 에너지를 이용한 난방은 흔히 열의 저장을 기본 원리로 하는데, 열흡수 패널 아래에 놓인 워터코일(water coil)이 태양 복사열을 모은다.

이 물은 탱크에 저장한 다음 배관을 가열하는 데 사용하거나 세수나 목욕에 쓸 온수를 공급할 수 있다.

중앙난방장치

중앙난방장치(central-heating systems)

중앙난방장치의 필수 요소는 열을 발생시키기 위해 연료를 태우는 장치, 관을 통해 열을 실내로 전달하는 매체, 대류나 복사 또는 두 가지를 모두 사용해 실내 공간에 열을 발산하는 장치이다. 강제공기분배 방식은 가열된 공기를 압력차를 만들어내는 도관이나 송풍 장치를 사용해 실내로 보낸다.

이와는 대조적으로, 복사난방 방식은 사이에 있는 공기의 온도에 상관없이 열 발생원으로부터 벽, 천장, 마루로 열을 직접 전달한다. 방출된 열은 실내 공간 전체에 대류 순환을 일으켜, 균일하게 따뜻한 온도를 만들어낸다.

기온, 태양복사의 효과, 상대습도, 대류는 모두 난방장치의 설계에 큰 영향을 미친다. 이에 못지않게 중요한 고려 요소는 사람의 활동량이다. 격렬한 활동이 요구되는 작업 환경에서는 인체에서 많은 열이 발생한다. 여분의 체열이 가라앉도록 하기 위해서는 기온을 낮게 유지해야 할 필요가 있다. 앉아서 일하는 작업장이나 거실의 온도 상한은 24℃가 적절하며, 심한 육체 노동을 하는 사람들에게는 13℃의 온도 하한선이 적절하다.

연료를 연소할 때 탄소와 수소가 공기 중의 산소와 결합하여 열을 발생하며, 그 열은 연소실로부터 물 또는 공기 매체로 옮겨진다. 난방장치는 가열된 매체가 이동해가고 그 대신에 차가운 매체가 들어서도록 설계돼 있다(순환 등의 방법을 통해).

공기를 매체로 사용할 경우에는 난방장치를 난방로라 부르고, 물을 매체로 사용할 경우에는 보일러 또는 물보일러라 부른다. 더 정확하게는 '보일러(boiler)'는 증기를 만들어내는 용기를 가리키고, '물보일러(water boiler)'는 물을 가열해 끓는점 아래에서 순환시키는 용기를 가리킨다.

난방연료

보일러와 난방로에 사용되는 주요 연료는 천연가스와 연료유이다. 보일러와 난방로는 가끔 1번씩 청소를 해주는 것 외에는 달리 손댈 것이 없으며, 자동온도조절장치와 같은 완전 자동 연소장치에 의해 작동된다. 옛날의 난방장치들과는 달리 석탄과 코크스도 사용 후에 재가 남지 않는다.

천연가스는 저장용기가 전혀 필요없지만, 기름은 난방장치로부터 약간 떨어진 곳에 있는 저장탱크에 부어넣어 사용해야 한다. 지하의 파이프라인망으로부터 가스를 끌어다쓰는 것이 용이해지고, 지하를 통한 수송의 안전성, 깨끗한 연소 등의 이유로 천연가스 난방이 크게 증가하였다.

천연가스 난방의 증가는 특히 가스 연료가 적합한, 따뜻한 공기를 사용하는 난방장치의 인기와도 관계가 있다. 가스는 기름보다 태우고 다루는 게 쉬우며, 사용자는 저장탱크를 갖출 필요도 없고, 사용 후에 사용량만큼 요금을 지불하면 되며, 차량 수송에서 생길지도 모를 돌발 사태를 걱정할 필요도 없다.

가스버너는 일반적으로 기름을 태우는 버너보다 단순하며, 부품도 적다. 연소하는 가스는 유독한 배기가스를 발생하기 때문에 가스난방기는 반드시 실외로 배출구를 갖추어야 한다. 천연가스의 파이프라인이 미치지 않는 곳에는 액화석유가스(프로판 또는 부탄)를 높은 압력으로 넣은 가스통을 특수탱크차량에 실어 가정까지 배달함으로써 천연가스처럼 사용할 수 있다.

기름과 가스 연료가 편리한 가장 큰 이유는 난방 과정의 자동화 때문이다. 자동화는 주로 자동온도조절장치 덕분인데, 이것은 실내 온도가 미리 정해놓은 수준까지 떨어지면 요구되는 온도에 도달할 때까지 보일러를 가동시킨다(→ 색인 : 온도조절기). 자동온도조절장치의 완벽한 보호를 받고 있는 자동난방장치는 상상할 수 있는 거의 모든 상황에 대해 대처해나갈 수 있다.

온기 난방

공기는 밀도가 낮기 때문에 짧은 거리에 대해서는 뜨거운 물이나 증기보다 열을 적게 전달한다. 그럼에도 불구하고, 한동안 유럽에서 사용되었던 뜨거운 물을 사용한 방식을 선호하는 추세가 증가하고 있긴 하지만, 미국의 가정과 사무실에서는 공기가 주된 열 전달 매체로 사용되고 있다.

온기를 사용하는 난방로의 기본 원리는 다음과 같다. 난방로의 열은 도관의 공기로 전달되고, 공기는 상승하여 방들로 이동하며, 환기조정판을 통해 뜨거운 공기가 방출된다. 난방로에서 나오는 뜨거운 공기는 주위의 차가운 공기보다 가볍기 때문에 중력에 의해 도관을 통해 방까지 이동한다. 이것은 1930년대까지 주로 사용되던 방법이었다.

그러나 중력을 이용하는 방법은 공기 마찰을 줄이기 위해 지름이 큰(20-36cm) 도관이 필요하며, 이로 인해 지하실이 도관들로 가득 차게 되었다. 게다가 난방로에서 멀리 떨어져 있는 방에는 가열된 공기와 난방로로 돌아가는 차가운 공기 사이의 압력차가 작아 적절한 난방이 공급되지 않는 경향이 있었다.

이러한 문제는 모터구동 송풍기를 사용함으로써 해결되었다. 이것은 가열된 공기를 작은 직사각형 도관을 통해 멀리 떨어진 방까지 불어보낼 수 있었다. 가열된 공기는 환기조정판, 그릴, 또는 벽을 따라 설치된 베이스보드(굽도리널)를 닮은 장치들을 포함해 다양한 종류의 확산기를 통해 각 방으로 들어간다.

열린 문을 통한 공기의 흐름과 환기구도 열을 골고루 분배하는 데 기여한다. 따뜻한 공기는 방에 열을 전달해준 다음, 난방로로 돌아간다. 강제 온기 난방의 장점은 공기를 필터로 통과시킴으로써 순환 과정에서 깨끗해진다는 점이다. 그리고 도관의 크기가 적절하다면, 적절한 냉동기에 연결된 냉각코일을 추가함으로써 1년 내내 사용할 수 있는 에어컨 시스템으로 쉽게 바꿀 수 있다.

공기는 다른 난방장치에서도 중요한 역할을 한다. 열을 전달하는 주매체가 증기나 뜨거운 물일 경우, 환풍기로 강제로 불어넣은 공기가 대류(공기의 움직임)를 통해 열을 분배한다. 일반적인 증기 라디에이터조차도 열방출을 복사보다는 대류에 더 많이 의존한다.

온수 난방

라디에이터

물은 밀도가 커서 많은 열을 지닐 수 있고, 온도도 쉽게 조절할 수 있기 때문에 중앙난방장치에 특히 선호된다. 온수난방장치는 보일러, 라디에이터에 연결된 파이프들, 배관 또는 방에 설치된 그 밖의 방열기 등으로 이루어진다. 주로 강철 또는 구리로 만들어진 파이프가 온수를 라디에이터나 대류난방기로 보내면, 거기서 열이 방으로 방출된다. 냉각된 물은 보일러로 돌아가 재가열된다.

온수난방장치의 두 가지 중요한 조건은 보일러와 방열기, 배관 등을 채우는 물의 팽창을 감안한 대비와 수동 또는 자동으로 작동하는 밸브를 통해 공기를 배출하는 수단이다.

초기의 온수난방장치는 온기난방장치와 마찬가지로 중력에 의해 작동되었다. 차가운 물은 밀도가 더 높기 때문에 보일러 쪽으로 하강하면서 가열된 뜨거운 물을 라디에이터 쪽으로 상승시켰다. 중력온기난방장치나 중력온수난방장치는 난방로나 보일러 아래쪽에 있는 방을 가열하는 데 사용할 수 없었다.

그래서 지금은 파이프를 통해 온수를 보내는 데 모터구동 펌프가 사용되고 있으며, 방열기에 대해 어떤 높이에도 보일러를 설치하는 것이 가능하게 되었다. 따뜻한 공기와 마찬가지로, 중력에 맡기기보다 펌프를 통해 유체를 순환시킬 때에는 더 작은 파이프를 사용할 수 있다.

증기 난방

증기난방장치는 보일러에서 보통 35kpa 미만의 압력을 가진 증기를 발생시켜 강철 또는 구리 파이프를 통해 라디에이터로 보낸다. 증기가 지닌 열은 라디에이터로 전달되고, 그것은 다시 방으로 전달되며, 냉각된 증기는 응축하여 물로 변한다. 응축된 물은 중력이나 펌프에 의해 보일러로 돌아온다.

각각의 라디에이터에 달려 있는 공기 밸브는 공기가 빠져나가게 하는 데 필요하다. 공기가 빠져나가지 않으면, 증기가 라디에이터로 들어오지 못한다. 간단한 증기난방장치에서는 증기 공급과 응축된 물이 보일러로 돌아오는 것이 동일한 관을 통해 이루어진다. 더 복잡한 증기난방장치에서는 2개의 관을 사용하여 증기 공급과 응축된 물이 각각 별도의 관을 통과하도록 한다.

증기의 가장 큰 장점인 많은 열을 지닐 수 있는 능력은 곧 단점이기도 하다. 증기난방장치 내에서 증기의 높은 온도(약 102℃)는 증기를 제어하기 어렵게 만들며, 방으로 투입하는 양을 빈번하게 조절하게 만들기 때문이다.

증기난방장치를 가장 효율적으로 작동시키기 위해서는 온수난방장치나 온기난방장치보다 더 많은 장비들이 필요하며, 라디에이터의 부피도 훨씬 크고 보기도 좋지 않다. 그래서 1930년대와 1940년대 이후에 설치된 가정용 난방장치에서는 일반적으로 온수나 온기가 증기를 대체하게 되었다.

전기 난방

중앙난방장치에 전기를 사용할 수도 있다. 일반적으로 화석연료보다 더 비싸긴 하지만, 밤이나 겨울과 같이 전력 수요가 줄어드는 때(즉 조명, 동력, 에어컨 등의 수요가 낮을 때나 지역적으로 전력 공급이 과잉 상태일 때)에 전기를 사용함으로써 비용 부담을 줄일 수 있다. 전기를 열로 전환시키는 가장 일반적인 방법은 전류가 통과할 때 발생하는 저항으로 인해 뜨거워지는 저항장치를 이용하는 것이다.

전류는 방에 있는 자동온도조절장치를 통해 자동으로 작동한다. 저항장치는 순환 공기나 물을 가열하는 데 사용할 수 있으며, 또 베이스보드 대류난방기의 형태로 방 안의 벽을 따라 공기를 직접 가열하여 대류를 일으킬 수도 있다.

난방용 열 펌프

전기 난방의 또 다른 방법은 열 펌프를 사용하는 것이다. 모든 냉방장치는 기술적으로는 온도가 낮은 곳(일반적으로 냉각하고자 하는 장소)의 열을 온도가 높은 곳(일반적으로 실외)로 펌프질해 보내는 일종의 열펌프이다. 냉방장치는 겨울에 실외의 공기나 지하수 또는 그 밖의 온도가 낮은 열원으로부터 열을 빼앗아 그것을 난방하고자 하는 높은 온도의 공간으로 펌프질해 보내는 데 사용할 수 있다.

대개 열펌프는 여름에는 에어컨으로 작동하고, 겨울에는 난방기로 작동하도록 만들어져 있다. 열펌프의 작동 원리는 아래의 예로 설명할 수 있다. 창문에 설치하는 전형적인 에어컨은 열배출장치(응축기)가 바깥쪽에 달려 있다. 이 장치는 실내의 코일(증발기)에서 빼앗아온 열을 실외 공기로 배출한다. 따라서, 증발기는 실내에서 열을 빼앗아 냉각기체로 전달하고, 그 열은 실외의 응축기로 펌프질되며, 응축기에서 환풍기를 통해 열이 실외 공기로 발산된다.

이러한 순환은 거꾸로 돌릴 수도 있다. 실외 공기로부터 열을 빼앗아 냉각기체를 통해 실내의 코일(증발기)로 전달한 다음, 증발기의 환풍기를 통해 실내 덕트라인으로 배출할 수 있다. 이것이 기본적인 열펌프 장치이다.

그러나 겨울철의 기온이 어는점 아래로 내려가면 응축기(실외 코일)가 얼어붙어 작동에 제약이 따른다. 그래서 열펌프는 겨울철의 기온이 비교적 덜 추운 온화한 기후에서 사용하기에 가장 좋다. 또한, 기계의 복잡성도 많은 환경에서 비경제적인 요인을 제공한다.

열 펌프

방열기

라디에이터

오래 된 건물들에서 익히 볼 수 있는 방열기는 보통의 라디에이터이다. 증기나 온수는 라디에이터 속의 빈 공간을 통해 순환한다. 라디에이터는 일반적으로 실내의 외벽을 따라 설치된다. 주변의 공기가 라디에이터 아래와 앞쪽으로부터 흘러들어오며, 가열된 공기는 라디에이터 부분들 사이에서 수직 방향으로 상승하여 꼭대기에서 배출된다. 따뜻해진 공기는 방 안에서 멀리 떨어진 차가운 공기보다 밀도가 작기 때문에 위로 상승하여 차가운 공기를 밀어내고, 차가운 공기는 아래로 내려오면서 공기의 순환이 이루어진다.

대류난방기는 열전달 표면적이 작고 캐비닛의 아래쪽에 위치한다는 점에서 라디에이터와 차이가 난다. 캐비닛에는 입구와 출구가 있어 '굴뚝' 효과를 통해 따뜻해진 공기의 흐름을 방 안으로 적절히 유도하도록 설계돼 있다. 전형적인 대류난방기는 지느러미 모양의 돌출부(fin)가 달린 관이나 코일로 이루어져 있으며, 그 속으로 가열된 공기나 물이 꼭대기와 밑바닥이 개방돼 있는 인클로저의 바닥에서 순환한다.

공기는 가열 표면 위로 상승하여 인클로저의 꼭대기에서 방출된다. 차가워진 공기는 바닥으로 내려와 대류난방기로 다시 들어간다. 이러한 대류난방기는 흔히 차가운 표면을 통한 외풍이나 열의 손실을 막기 위해 창문이나 외벽을 따라 설치된다.

많은 산업 건물들은 유닛히터(unit heater)라는 특수한 형태의 방열기를 사용해 난방된다. 이것은 (1) 그 속으로 온수나 증기가 순환하는 지느러미 모양의 돌출부가 달린 관들 (2) 관 위로 공기를 불어보내는 전기 환풍기로 이루어진다. 강제 대류 방식은 열전달의 속도를 빠르게 해준다. 유닛히터는 마루 위나 마룻바닥에 설치할 수 있다.

복사난방장치는 대개 바닥이나 천장에 깔아놓은 온수 파이프나, 바닥에 깔아놓은 온기 도관, 또는 천장이나 벽에 설치한 전기저항패널 방식을 사용한다. 패널난방은 적당한 난방을 위해 매우 큰 복사표면(일반적으로 천장 전체나 마루 전체)을 사용하는 특징을 가진 복사난방 방식이다. 많은 패널난방 방식에서는 방 안에서 난방장치가 눈에 띄지 않기 때문에 실내장식용으로는 아주 좋다. 단점은 온수 배관이 부식하거나 잘못되었을 경우 천장이나 바닥을 버릴 수 있다는 점이다.

가정 온수

이전에는 손으로 불을 피우는 소형 석탄 보일러가 가정에서 요리나 목욕에 필요한 물을 가열하는 보편적인 방법이었다.

이것은 가열장치가 온수저장탱크에 부착된 가스나 전기 또는 기름 온수기로 대체되었다. 온수를 빼내 쓰면 차가운 물이 다시 들어오면서 자동온도조절장치에 의해 탱크의 온도가 다시 정해진 온도에 도달할 때까지 가열장치가 작동했다.

또, 열교환기라는 장치를 난방 보일러에 연결시켜 보일러의 물에서 열을 추출해 필요한 물을 데우는 방법도 있다.

태양 에너지 난방

금천구 태양열 난방 시스템

태양 에너지를 이용한 난방은 흔히 열의 저장을 기본 원리로 하는데, 열흡수 패널 아래에 놓인 워터코일(water coil)이 태양 복사열을 모은다. 이 물은 탱크에 저장한 다음 배관을 가열하는 데 사용하거나 세수나 목욕에 쓸 온수를 공급할 수 있다.