온돌은 서양의 벽난로와 달리 실내에 연기를 발생시키지 않습니다. 벽난로가 불을 세워서 사용하여 불의 옆에서 발생하는 열만 활용합니다. 반면에 온돌은 불로 데워진 공기를 수평으로 이동하게 하여 바닥 전체로 열을 확산시킵니다. 조리와 난방을 동시에 해결한다는 장점 뿐만 아니라, 쥐나 개미와 같은 해충이 살지 못하게 하는 부수적인 효과도 있습니다.
호주의 유명한 관광지인 블루마운틴에 있는 카툼바 석탄광산. 1980년대 온돌과 비슷한 환기시스템을 고안하였습니다. 겨울에는 광산 안의 기온은 높고 밖은 낮아서 자연환기가 잘 이루어졌습니다. 그런데 여름은 기온차가 크지 않아 인위적으로 환기용 가열로(ventilation furnace)를 만들어 공기를 순환시켰습니다.
아궁이와 부넘기
온돌에서 불을 피우는 아궁이 안쪽으로 부넘기라는 턱이 있습니다. 아궁이는 뜨거운 불을 만들어 열기가 발생하면 압력이 높아져 내부로 열기가 들어가게 됩니다. 불길이 들어가는 턱이라고 하여 불목이라고도 합니다.
아궁이가 후드의 입구정도라면 아마 부넘기는 후드에서 덕트로 안정된 기류가 들어가도록 만들어주는 후드의 테이퍼(Taper)라고 할 수 있습니다. 테이퍼(taper)의 각도에 따라 기류의 변화가 큽니다. 이는 베나컨트렉타(베나수축) 현상으로 정의합니다.
일반적으로 후드에서 덕트로 공기가 유입될 때 기류가 매우 불안정하여 덕트 초입부에서 난류가 크게 발생합니다. 따라서 후드의 유입계수(Coefficient of entry)는 테이퍼의 각도)에 따라 차이가 나타납니다.
그림 2. F는 유입손실계수를 의미합니다. 낮을 수록 유입손실이 적다는 것을 의미합니다.
부넘기의 경사로와 좁은 입구
턱(불목)을 넘어가면 온돌의 바닥 구조물인 고래가 시작됩니다. 부넘기의 구조는 경사로와 위쪽의 좁은 입구로 되어 있습니다.경사는 더운 공기가 자연스럽게 타고 올라가도록 합니다. 하지만 재는 넘어가지 못하고 가라앉습니다.
유체가 지나가는 곳이 좁아지면 속력이 빨라져 압력이 낮아지는데, 이 때문에 더운 열기와 연기가 고래쪽으로 빨려들어가는 효과가 생깁니다. 베르누이의 법칙이 적용되는 것입니다. 베르누이 방정식에 따르면, 면적의 크기와 유체의 속력은 반비례합니다.
그림 3. 같은 시간 t 동안 한 면적을 통과한 유체의 질량은 보존돼야 한다. 관의 단면적의 크기와 유체의 속력은 서로 반비례한다.
덕트 역할을 하는 고래
고래는 방의 구들장 밑으로 나있는, 불길과 연기가 통하여 나가는 길을 말합니다. 고래는 연기가 빠져나가는 길의 모양에 따라 다양한 방식의 고래가 있습니다.
연기가 평행하게 빠져나가도록 설계된 줄고래, 부채살 모양의 부채고래, 아궁이와 굴뚝이 대각선 끝에 위치한 맞선고래, 고래들이 기역자로 굽어있는 형태인 구분고래 등이 있습니다.
고래는 굴뚝 쪽으로 이어지는데, 굴뚝쪽으로 갈수록 고래의 바닥은 점차 높아지고, 구들장의 두께도 얇아집니다.
즉, 고래는 덕트의 역할이라 할 수 있습니다. 확대관과 축소관 등 기류의 속도와 흐름이 바뀌는 통로입니다. 아울러 후드의 유입구의 유입손실과 함께 덕트 내의 마찰손실, 공기정화장치 손실, 장애물에 의한 손실 등으로 인해 굴뚝의 전 단계에서 현저하게 기류의 속도가 감소하며 공기(기류)압력이 증가합니다. 다시 덕트 내부의 압력을 증가시키고 심한 난류를 발생하게 합니다.
