개요
트롬브 벽(Trombe wall)은 수동형 태양열 건물 설계(passive solar building design)에서 사용되는 건축 구조물이다. 전면을 유리로 덮은 석조 외벽으로, 입사되는 햇빛으로부터 열 에너지를 흡수하여 건물 내부로 방출하는 기능을 한다. 태양열 벽(solar wall), 질량 벽(mass wall), 열 저장 벽(thermal storage wall) 등으로도 불린다.
구조와 원리
트롬브 벽은 기본적으로 다음과 같은 구조를 갖는다.
- 축열체(thermal mass): 콘크리트, 벽돌, 석재, 흙 등 열용량이 큰 재료로 만들어진 두꺼운 벽으로, 태양 복사 열을 흡수·저장하기 위해 외부 표면이 어두운 색으로 도색된다.
- 유리 외장(glazing): 벽체 외부에 설치된 유리로, 벽체와 유리 사이에는 공극(air gap)이 존재한다.
- 절연 공극: 벽체와 유리 사이에 형성된 공기층으로, 온실 효과를 발생시켜 태양 복사를 공극 내에 가둔다.
작동 원리는 다음과 같다. 태양에서 오는 단파장 복사는 유리를 통과하여 어두운 색의 축열체 표면에 도달하고, 여기서 흡수되어 장파장 복사로 재방출된다. 그러나 장파장 복사는 유리를 잘 통과하지 못하므로 열이 유리와 축열체 사이의 공극에 축적된다. 축열체에 전도(conduction)로 전달된 열은 벽체를 통과하여 내부 표면에서 복사(radiation)와 대류(convection)의 형태로 실내 공간으로 방출된다.
축열체의 열용량으로 인해 열이 벽체를 통과하는 데 시간이 지연되는 현상(시간 지연, time lag)이 발생하며, 이로 인해 대부분의 열은 낮에 축열되어 밤에 방출되는 특징이 있다.
역사
트롬브 벽의 개념은 1881년 에드워드 S. 모스(Edward S. Morse) 교수가 개발한 공기 히터 방식과 유사한 것으로 알려져 있다. 이후 프랑스의 펠릭스 트롬브(Félix Trombe) 교수와 건축가 자크 미셸(Jacques Michel)이 수동 가열·냉각 태양열 구조 설계에 관한 광범위한 연구를 수행하면서 트롬브 벽이라는 명칭으로 널리 알려지게 되었다.
대표적인 사례로는 1967년 프랑스 오데이유(Odeillo)에 건설된 트롬브 하우스가 있다. 이 건물은 약 2피트 두께의 콘크리트 벽을 검은색으로 도색하고 외부에 이중 유리와 공극을 설치한 형태로, 연간 난방 요구량의 약 70%를 태양열로 충당한 것으로 보고되었다. 이후 1974년 미국 뉴저지주 프린스턴의 켈보우 하우스(Kelbaugh House)에도 적용되었으며, 이 사례는 겨울 난방 비용을 76%에서 84%까지 절감한 것으로 기록되었다.
설계 고려 사항
트롬브 벽의 효율에 영향을 미치는 주요 요인은 다음과 같다.
- 방향: 북반구에서는 남향, 남반구에서는 북향(적도 방향) 벽에 설치하는 것이 겨울철 최대 태양 이득에 유리하다.
- 축열체의 두께: 축열체의 열용량과 열전도율에 따라 최적 두께가 달라진다. 일반적으로 열전도율이 높은 재료일수록 더 두꺼운 벽이 필요하며, 너무 두꺼우면 열 전달이 지나치게 지연되고, 너무 얇으면 낮 시간에 과열되고 밤에는 이용 가능한 열이 부족해질 수 있다.
- 유리와 축열체의 거리: 일반적으로 최소 약 4인치 이상의 공극이 권장된다.
- 선택 흡수 코팅: 벽 외부 표면에 선택 코팅(selective coating)을 적용하면 가시광선 영역의 태양 복사를 흡수하면서 적외선 영역의 열 재방출을 줄여 성능을 향상시킬 수 있다.
- 보조 장치: 롤다운 복사 차단재, 야간 단열, 외부 차양 등을 추가하여 밤 시간대 열 손실과 여름철 과열을 방지할 수 있다.
장점과 단점
트롬브 벽의 주요 장점으로는 실내 온도 편차를 줄여 안정적인 온도 유지에 기여한다는 점, 기계적 장치가 없어 운영 비용이 낮다는 점, 간접 이득(indirect gain) 방식으로 직사광선에 의한 눈부심이나 자외선 열화 문제가 없다는 점 등이 꼽힌다. 연구에 따르면 트롬브 벽을 건물에 적용할 경우 연간 에너지 소비를 최대 30%까지 절감할 수 있는 것으로 보고된 바 있다.
한편 단점으로는 전면 높이 벽체가 실내의 자연 채광을 차단할 수 있다는 점, 벽면에 작품이나 가구 등을 부착할 수 없다는 점, 기후 조건에 대한 의존도가 높아 태양 복사량이 적은 지역이나 계절에는 경제성이 낮아질 수 있다는 점, 이동식 차양이나 단열 장치를 사용할 경우 사용자가 매일 조작해야 할 수 있다는 점 등이 지적된다.
현재의 활용
트롬브 벽은 수동형 태양열 건축의 대표적인 기법으로, 저에너지 건축 설계에서 여전히 유효한 전략으로 평가받고 있다. 최근에는 반투명 태양광(PV) 모듈을 통합한 PV-트롬브 벽, 환기식 트롬브 벽 등 다양한 변형 시스템에 대한 연구와 개발이 진행되고 있다. 이러한 변형 설계는 열 성능과 전력 생산을 동시에 추구하거나, 건물 리모델링 및 혹한 지역 적용 등 특정 조건에 적합하도록 최적화되는 방향으로 이루어지고 있다.
