나무를 연료로 난방하는 장점 중 하나는 모든 용도에 하나의 난로만 사용할 수 있다는 것입니다. 난방은 물론, 나무를 연료로 쓰는 난로는 음식을 조리하고, 빨래를 말리고, 시린 발을 따뜻하게 해줄 수도 있습니다. 그런데 만약 그 검은 상자 같은 난로가 따뜻한 샤워까지 할 수 있다면 얼마나 좋을까요?
사실 가정용 장작 온수기는 새로운 것이 아닙니다. 100년도 더 전에 많은 난로에 물탱크가 달려 있었습니다. 하지만 "밀폐형" 장작 난로와 가압식 온수 시스템의 등장으로 기존의 배치 가열 방식은 대부분 뒷전으로 밀려나고 폐쇄형 순환 방식의 새로운 방법들이 개발되었습니다.
대부분의 온수 난방 장치는 연소실이나 굴뚝에 설치된 열교환기를 사용합니다. 이러한 방식의 가장 성공적인 상업용 사례는 매우 효과적입니다. 보일러가 하루 종일 가동된다면 집 전체에 온수를 공급할 수 있습니다. 하지만 안전을 위해 이러한 장치는 종종 고가의 스테인리스강으로 제작되며, 난방 시스템 내부에서 발생할 수 있는 매우 높은 온도를 견딜 수 있도록 압력 테스트를 거쳐야 합니다. 따라서 우수한 내부 열교환기는 상당한 가격표가 붙어 있습니다. 반면에 자가 제작한 내부 열교환기는 화상을 입힐 수 있는 증기 폭발 사고로 악명이 높습니다.
또한, 연소실이나 나무 난로의 굴뚝에서 열을 추출하는 것은 바람직하지 않은 부작용을 초래할 수 있습니다. 연소실 열교환기를 사용하여 불에서 직접 열을 추출하면 연소 효율이 떨어집니다. 불완전 연소 생성물이 응축되는 온도 이하로 냉각되면(연소실이나 굴뚝 열교환기를 통해) 크레오소트가 다량 축적될 수 있습니다. 굴뚝 화재와 물로 채워진 열교환기의 조합은 심각한 결과를 초래할 수 있으므로 절대 금물입니다.
점심 식사가 무료로 제공되지 않는다는 사실을 인지하고, 우리는 자체 제작한 나무 난로 온수기 장치를 설계할 때 보수적인 접근 방식을 취했습니다. 난로 내부나 굴뚝에 열교환기를 설치하는 대신, 연소실 외부에 열교환기를 부착했습니다. 이러한 전략을 통해 난로에 큰 개조를 가하지 않고도 안전 기준을 충족할 수 있었습니다. 더욱 중요한 것은, 앞서 언급한 여러 안전 기준을 충족한다는 점입니다. 난로 외부의 온도는 물을 끓일 만큼 높지 않으며(물이 계속 순환하는 한), 물을 데우는 데 사용되는 열은 어차피 난로에서 방출되므로 연소실에서 과도한 열이 빠져나가지 않습니다.
저희 온수 가열 장치는 석고로 채워진 석고보드 안에 약 1/4인치 구리 튜브 약 50피트를 감아 만든 간단한 구조입니다. 석고는 열을 코일에 고르게 분산시켜 열교환기가 과열되지 않고 난방기 본체와 직접 접촉할 수 있도록 해줍니다. (이 아이디어를 제안해 주신 에드 워킨스틱 씨께 감사드립니다.) 이 장치는 난방기 한쪽에 볼트로 고정하고 재활용된 42갤런 온수기(저희는 발열체가 고장난 온수기를 방음 상자에 넣어 사용했습니다)에 연결합니다. 마치 태양열 예열기와 같은 원리입니다.
히터 배수구에 장착된 분당 10갤런 용량의 펌프가 코일을 통해 물을 순환시켜 탱크 상단의 안전 밸브 바로 아래에 있는 "T"자형 연결부로 되돌려 보냅니다(이 밸브는 안전 장치로 설치되어 있습니다). 찬물은 일반 유입구를 통해 용기로 들어가고, 장작으로 데워진 물은 표준 열 배출구를 통해 기존 전기 히터로 들어갑니다. 모든 배선은 1인치 두께의 고밀도 폼으로 잘 절연되어 있습니다.
물론 물이 계속 순환되면 불이 꺼져 있을 때 난로로 열이 손실될 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 연구원 데니스 버크홀더는 펌프 전원 코드에 연결된 라인 전압 에어컨 온도 조절기에 자동 켜짐/꺼짐 제어 기능을 설치했습니다. (더 일반적인 냉난방 겸용 온도 조절기를 냉방 모드로 설정하여 사용할 수도 있습니다.) 온도 조절기는 히터에서 90cm 떨어진 벽에 히터 상단에서 약 30cm 아래에 설치됩니다. 기온이 27°C에 도달하면 120V 컨트롤러가 펌프를 작동시켜 물을 데우기 시작합니다. 온도가 24°C로 떨어지면 내장된 차동 스위치가 순환 펌프를 다시 끕니다.
열교환기 시스템의 구성 요소는 첨부된 도면에 나와 있지만, 설치 환경에 따라 기본 치수를 약간씩 조정해야 할 수 있습니다. 예를 들어, 사용하시는 보일러가 저희 제품보다 크다면, 패널을 확장하여 더 큰 열교환기 프레임 안에 1/4인치 연질 동관 60피트 코일을 완전히 넣을 수 있습니다. 하지만 보일러 크기가 작은 경우에는 배선량을 줄여야 합니다.
어쨌든 튜브는 운반을 위해 감겨 있는 상태 그대로 사용하는 것이 가장 쉽습니다. 프레임에 압착된 와이어를 넣고 파이프를 부드럽게 구부려 직사각형 모양을 채우면 됩니다. 유연한 재질이라 약 1.5인치 반경까지 구부려도 꺾이지 않으므로, 열이 집중될 수 있는 부분에도 쉽게 끼워 넣을 수 있습니다. 바깥쪽 가장자리부터 안쪽으로 작업하면서 코일을 뒷면에 고정합니다. (튜브의 바깥쪽 고리를 고정하는 와이어가 없으면 전체가 프레임에서 빠져나오려고 했습니다.)
구리 파이프를 틀 안에 고르게 배치한 후, 석고 가루를 얇게 저어 틀 안에 붓습니다. 자를 사용하여 앵글 철판 표면을 평평하게 한 다음, 며칠 동안 건조시킵니다. 그런 다음 패널을 용광로 측면에 부착하고 1/4인치 배관을 예열 탱크의 1/2인치 파이프에 연결합니다.
우리는 스위치의 가장 효율적인 구성을 결정하고 장비가 안전하게 작동할 것이라는 확신을 얻기 위해 광범위한 테스트를 수행했습니다. 예를 들어, 정전으로 펌프가 멈추면 어떻게 되는지 확인하기 위해 예열기 탱크에서 나오는 배관을 밀봉하고 안전 밸브에 압력계를 설치했습니다. 시스템에서 발생할 수 있는 최고 압력은 3 PSI였습니다. 이는 애틀랜타 스토브 웍스(Atlanta Stove Works)의 촉매가 최고 연소율로 8시간 동안 유량을 차단한 후에 얻은 결과입니다!
또한, 난로 벽을 통한 전도 열교환이 ​​건강에 해로운 수준까지 촉진되는지 확인하기 위해, 나무 난로 연소실 내부를 매일 검사하여 크레오소트 축적량 증가 여부를 확인했습니다. 네 벽면 모두에서 침전물의 모양이나 깊이에 차이가 없었으며, 이는 열교환기가 주로 난로 외부 벽에서 복사열을 받고 있음을 시사합니다. (세라믹 재질이 단열재 역할을 하여 증가된 전도율을 상쇄했을 가능성도 있습니다.)
이 열교환기는 얼마나 많은 온수를 생산할까요? 일반적인 7시간 작동 주기를 기준으로, 애틀랜타 촉매 장치에는 55~60파운드의 장작을 넣는데, 이렇게 하면 42갤런 탱크의 내용물 온도가 거의 140°F(60°C)까지 올라갑니다. 시간당 8파운드(약 3.6kg)의 연소량은 대부분의 사람들이 사용하는 양보다 약간 많기 때문에, 비슷한 장치를 사용하더라도 온수 생산량은 약간 적을 수 있습니다. 물론, 하루 종일 집중적으로 연소한다면 24시간 동안 100갤런(약 318리터) 이상의 온수를 충분히 사용할 수 있을 것입니다. 난로를 자주 끄더라도 이 시스템은 공과금을 크게 절감해 줄 것입니다.
가구 규모와 각자의 물 사용량에 따라 이 시스템을 사용하면 겨울철 온수 ​​요금을 완전히 없앨 수 있습니다. 따라서 전기나 가스보다 훨씬 저렴하게 장작을 구할 수 있다면, 장작 난로로 물을 데우는 데 드는 에너지(물론 공간과 난로 자체에서 발생하는 열은 제외하고)는 투자할 가치가 충분합니다. 게다가, 비재생 에너지원을 대체하는 데 한 걸음 더 나아갔다는 사실에 만족감을 느낄 수 있을 것입니다.
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