무더운 한여름에 무거운 캐리어를 끌고 공항 문을 밀고 들어서면 바깥의 뜨거운 열기가 단번에 가십니다. 출국장 큰 홀을 걷는 동안 땀이 다 식을 만큼 쾌적해서, 우리는 흔히 저 까마득한 천장 밑까지 공간 전체에 에어컨을 틀고 있을 거라고 생각합니다. 하지만 인천공항이 실제로 시원하게 맞추는 구역은 사람 키 높이까지뿐입니다. 과연 사람 머리 위 거대한 공간의 공기는 몇 도이고, 아래쪽만 시원하게 만들려면 찬바람을 어디서 내보내야 할까요?
핵심 요약 상자
• 냉방 목표 구역: 바닥에서 2m 높이까지만 냉방하며, 사람이 서 있는 1.5m 얼굴 높이를 평균 25도로 유지
• 상하 온도 차이: 한여름 사람 얼굴 높이는 25도지만, 26.6m 지붕 유리창 바로 밑은 32도로 약 7도 더 높음
• 찬바람 배출 위치: 천장이 아닌 출국장 바닥 구멍과 가게 부스 옆구멍에서 14도의 찬바람을 아래쪽으로 공급
• 에너지 절감 효과: 냉방 공간은 전체 높이의 7~8% 수준이지만, 사람·조명·햇볕의 열 때문에 냉방 기계 크기는 약 40% 절감
1. 아파트 9층 높이의 출국장, 왜 겨울에도 냉방이 필요할까?
2018년에 문을 연 인천공항 제2여객터미널 3층 출국장 입구로 들어서면 좌우로 체크인 카운터가 이어진 큰 홀이 나타납니다. 이곳은 바닥에서 지붕까지 가장 높은 곳이 26.6m(아파트 약 9층 높이)에 달합니다. 사람이 서서 걷는 높이는 2m가 채 안 되니, 머리 위로 아파트 8층 높이의 공기가 떠 있는 셈입니다. 게다가 홀 한가운데는 아래층까지 뻥 뚫려 지하까지 3개 층이 내려다보이는 거대한 구조입니다.
이렇게 큰 공간을 식히는 것이 어려운 이유는 공항이 유난히 열이 많이 발생하는 건물이기 때문입니다. 쉼 없이 오가는 수많은 사람의 체온과 하루 종일 켜진 조명이 끊임없이 열을 내뿜어, 건물 안쪽은 한겨울에도 냉방이 필요할 때가 많습니다. 실제로 먼저 지은 제1여객터미널 탑승동[1]은 1년을 통틀어 냉방으로 빼내야 할 열이 난방으로 채워야 할 열의 3배에 달합니다. 여기에 지붕의 긴 유리창으로 한낮의 햇볕까지 쏟아져 들어옵니다.
2. 지붕에서 찬바람을 내보내지 않고 바닥을 선택한 이유
우리 집 거실 에어컨은 벽 위쪽에 붙어서 찬바람을 아래로 내려보냅니다. 거실 천장은 2m 남짓이라 찬바람이 금방 바닥까지 내려와 공기를 고루 섞어줍니다. 하지만 출국장처럼 26m가 넘는 지붕 밑에서 찬바람을 내려보내면, 바람이 머리 위 8층 높이의 공기를 지나는 동안 섞이면서 바닥에 닿기도 전에 데워집니다. 결국 바닥에 서 있는 사람까지 시원하게 하려면 그 위쪽 공기까지 전부 식혀야 하는 비효율이 발생합니다.
여기서 사우나 위칸이 더 뜨거운 것과 같은 공기의 무게 성질(밀도 차[2])이 해답이 됩니다. 더운 공기는 가벼워 위로 떠오르고, 찬 공기는 무거워 아래로 가라앉는 성질이 있습니다. 냉장고 문을 열면 찬 공기가 발등으로 흘러내리는 것처럼, 아예 바닥에서 찬바람을 내보내면 무거운 찬 공기가 위로 흩어지지 않고 바닥 가까이에 고이면서 사람이 서 있는 높이만 시원하게 채워줍니다. 어차피 사람이 없는 위쪽의 더운 공기는 그대로 두어도 아래로 잘 내려오지 않습니다.
3. 찬바람 기둥 옆이 34도? 컴퓨터 계산으로 찾아낸 최적의 해법
설계자들은 출국장 전체가 아닌 바닥에서 2m 높이까지만 식히기로 하고, 특히 사람의 얼굴 높이인 1.5m 지점을 25도로 맞추는 목표를 세웠습니다. 이를 확인하기 위해 한여름 오후 1시를 기준으로 컴퓨터 시뮬레이션[3]을 진행했습니다. 첫 설계안은 바닥 곳곳의 구멍 44개와 홀 안쪽 끝의 탑처럼 생긴 바람기둥 하나에서 14도의 찬바람을 내보내는 방식이었습니다.
그런데 계산 결과 얼굴 높이 평균 온도는 26도로 목표보다 1도 높았고, 의외로 찬바람이 나오는 기둥 둘레가 34도까지 치솟아 가장 더웠습니다. 바람이 기둥 한 곳에서만 나오다 보니 홀 안에 고루 돌지 못해 공기가 고이면서 사람과 조명의 열이 빠져나가지 못한 것입니다. 또한 바깥 열기가 스며드는 입구 통유리 벽 앞은 27도까지 올랐고, 뚫린 공간 아래층은 바람이 너무 세게 지나가는 문제가 생겼습니다. 설계팀은 이를 해결하기 위해 다음과 같이 설계를 수정했습니다.
- 바람기둥 제거 및 분산: 홀 안쪽의 바람기둥을 없애고, 홀 곳곳의 가게 부스들에 바닥과 나란히 찬바람을 뿜는 옆구멍을 줄지어 설치해 바람을 나누어 배출
- 취약 구역 구멍 추가: 바깥 열기가 들어오는 입구 쪽 통유리 벽 아래 바닥과 중앙의 뚫린 공간 둘레 아래층에 바람 구멍을 더 내고 위치를 조정해 공기 순환 개선
- 햇볕 차단과 냉수 순환: 지붕 유리창은 햇볕의 일부만 들어오게 설계하고, 사람 둘레의 데워진 공기를 빨아들여 별도 건물에서 만든 찬물 배관으로 식힌 뒤 재공급
고친 설계안으로 다시 계산하자 얼굴 높이 공기는 24~26도 사이, 평균 25도로 맞춰졌고 통유리 벽 앞도 24~26도로 내려갔습니다. 이때 지붕 유리창 바로 밑은 얼굴 높이보다 7도 더운 32도로 나타났는데, 실제로 제1여객터미널의 비슷한 높이를 한여름에 측정했을 때도 똑같이 32도였습니다.
4. 에너지 절감의 진짜 계산법과 계절별 냉난방의 비밀
전체 높이 26.6m 중 아래 2m만 식히니 공간 비율로 치면 7~8%만 냉방하는 셈입니다. 그렇다면 전기 요금도 90% 넘게 아낄 수 있을까요? 실제로는 그렇지 않습니다. 냉방기가 식혀야 하는 대상은 단순한 공기의 부피가 아니라, 사람과 조명과 햇볕이 쉬지 않고 보태는 열(열부하[4])이기 때문입니다. 어느 높이를 식히든 사람 둘레에서 발생하는 이 열은 그대로 빼내야 합니다.
비슷한 방식을 먼저 적용해 바닥부터 2.5m까지만 냉방하고 바닥 밑에 찬물관을 깐 태국 방콕 공항의 사례를 보면, 일반 방식보다 냉방 기계의 크기를 약 40% 줄이는 효과를 거두었습니다. 식히는 공기의 양은 확 줄어도 기계 크기가 줄어드는 폭은 절반이 안 되는 이유입니다. 인천공항 제1여객터미널 앞 공항철도 타러 가는 큰 유리 홀 역시 바닥에서 3m까지만 냉난방하고, 위에 고인 더운 공기는 기계를 돌리지 않고 스스로 위로 빠져나가는 힘(자연환기[5])을 이용해 환기탑으로 내보냅니다. 반면 겨울철에는 출입문과 통유리 벽 쪽을 데워야 하는데, 따뜻한 바람은 아래에서 내보내면 금방 위로 떠올라 버리므로 이 구역은 별도의 난방 방식을 적용합니다.
여기서 끝이 아닙니다: 출국장 공기에 남은 궁금증
Q. 천장 바로 밑이 32도나 되면 그 더운 공기가 사람 쪽으로 내려오지 않나요?
A. 더운 공기는 가벼워서 위쪽에 머물고 아주 느리게 움직일 뿐, 무거운 찬 공기가 채워진 바닥 쪽 사람 높이까지는 잘 내려오지 않습니다.
Q. 바닥 구멍에서 나오는 찬바람은 어떻게 만들어지나요?
A. 사람 주변에서 데워진 공기를 빨아들여 터미널 기계실로 보낸 뒤, 공항 내 별도 건물에서 만들어 보낸 찬물 배관 사이를 통과시켜 약 14도로 차갑게 식혀 다시 내보냅니다.
용어 주석
[1] 탑승동: 여객터미널 본관과 떨어져 비행기를 타는 탑승구(게이트)들만 따로 모아 지은 건물입니다.
[2] 밀도 차: 공기의 온도에 따라 무게가 달라지는 성질로, 차가운 공기는 무거워 바닥에 가라앉고 따뜻한 공기는 가벼워 위로 떠오릅니다.
[3] 시뮬레이션: 실제 건물을 짓기 전에 컴퓨터 속에 똑같은 가상 공간을 만들어 공기의 흐름과 온도 변화를 미리 계산해 보는 과정입니다.
[4] 열부하: 실내 온도를 시원하게 유지하기 위해 공간 안에서 발생하는 사람의 체온, 조명 열기, 햇볕 등을 빼내야 하는 열의 총량입니다.
[5] 자연환기: 선풍기나 환풍기 같은 기계를 돌리지 않고, 더운 공기가 스스로 위로 올라가려는 자연적인 힘을 이용해 바깥으로 배출하는 방식입니다.
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