[해가패시브 칼럼 18편] 태양은 왜 그 자리에 뜨는가 — 지구의 자전·공전과 태양 고도

2026.09.04 · 조민구 건축사 · 해가패시브건축사사무소

오늘은 계절에 따라 태양의 높이가 왜 달라지는지 알아보겠습니다. 한여름에는 해가 머리 위에서 강하게 내리쬐지만, 한겨울에는 거실 바닥 깊숙이 햇빛이 비스듬히 들어옵니다. 약 1억 5천만 킬로미터…

오늘은 계절에 따라 태양의 높이가 왜 달라지는지 알아보겠습니다. 한여름에는 해가 머리 위에서 강하게 내리쬐지만, 한겨울에는 거실 바닥 깊숙이 햇빛이 비스듬히 들어옵니다. 약 1억 5천만 킬로미터 떨어진 태양은 늘 같은 양의 에너지를 내보내지만, 땅 위에서 받는 햇빛의 세기는 계절마다 크게 다릅니다. 이 원리를 모르고 집을 지으면 여름에는 덥고 겨울에는 추운 집이 되기 쉽습니다. 에너지를 아끼는 집을 지으려면 가장 먼저 알아야 할 태양 고도와 지구의 움직임에 관한 이야기입니다.

지구는 1월에 태양과 더 가까운데, 왜 겨울은 추울까요?

겨울이 추운 것은 태양과의 거리가 멀어져서가 아니라, 지구의 자전축이 23.5도 기운 채 태양 둘레를 돌기 때문입니다. 실제로 지구는 7월보다 1월에 태양과 약 480만 킬로미터 더 가깝습니다. 그러나 자전축이 기울어 있어 겨울에는 북반구의 땅이 햇빛을 비스듬히 받고, 그만큼 단위 면적이 받는 열이 크게 줄어듭니다.

겨울에는 지구가 태양에서 멀어지고 여름에는 가까워진다고 생각하는 분이 많습니다. 그러나 지구의 공전 궤도는 원에 가까운 타원이고, 북반구가 가장 추운 1월에 지구는 오히려 태양과 가장 가까이 있습니다. 태양과의 거리 차이가 주는 영향은 3% 안팎에 불과합니다.

계절을 만드는 것은 지구 자전축의 23.5도 기울기입니다. 이 기울기는 공전하는 동안 늘 같은 방향을 유지합니다. 그래서 북반구가 태양 쪽으로 기우는 6월 21일 무렵에는 햇빛을 정면에 가깝게 받아 낮이 가장 길고 덥습니다. 반대로 북반구가 태양 반대쪽으로 기우는 12월 21일 무렵에는 햇빛이 비스듬히 들어와 낮이 가장 짧고 춥습니다. 자전축의 작은 기울기가 계절을 만들고, 그 계절이 집의 형태를 정합니다.

겨울 햇빛은 왜 여름보다 약할까요?

해가 낮을수록 햇빛이 땅에 닿기까지 지나는 대기층이 두꺼워지고, 같은 햇빛이 더 넓은 면적에 퍼지기 때문입니다. 태양 고도가 낮아지면 같은 굵기의 햇빛 다발이 땅의 더 넓은 면적에 흩어지는데, 이를 코사인 법칙이라고 합니다. 또 두꺼운 대기층을 지나는 동안 에너지의 상당 부분이 흡수되거나 흩어집니다.

어두운 방에서 손전등을 벽에 직각으로 비추면 빛이 좁고 밝은 원으로 모입니다. 손전등을 비스듬히 기울이면 빛이 길쭉한 타원으로 넓게 퍼지며 전체적으로 어두워집니다. 빛이 퍼진 만큼 단위 면적당 받는 에너지가 줄어들기 때문입니다. 이것이 건축물리에서 중요하게 다루는 코사인 법칙의 원리입니다.

겨울의 낮은 태양은 땅에도 같은 일을 일으킵니다. 높이 뜬 여름 해의 햇빛은 얇은 대기층만 지나 좁은 면적에 에너지를 모읍니다. 그러나 낮게 뜬 겨울 해의 햇빛은 대기를 비스듬히 길게 지나며 수증기와 먼지에 에너지를 빼앗기고, 땅에 닿아서도 넓게 퍼집니다. 해 질 녘에 해를 맨눈으로 볼 수 있을 만큼 햇빛이 약해지는 것도 해가 아주 낮아져 두꺼운 대기를 지나오기 때문입니다.

건축가는 왜 태양이 집 둘레를 돈다고 보고 설계할까요?

지구가 태양을 돈다는 사실보다, 건물을 가운데 두고 태양이 하늘에 그리는 길을 보는 편이 설계에 훨씬 쓸모가 있기 때문입니다. 집 위에 투명한 반구인 천구를 덮어 두고 태양이 지나가는 길을 그려 보면, 사계절의 햇빛을 언제 받아들이고 언제 막아야 할지 계산할 수 있습니다.

16세기 코페르니쿠스와 갈릴레오가 지동설을 밝혔지만, 건축 설계에서는 잠시 천동설의 눈으로 보는 것이 편리합니다. 우리가 지을 집을 가운데 두고 하늘을 투명한 그릇처럼 엎어 놓은 천구(Sky Dome)를 상상하는 것입니다. 이 천구 위에 사계절 태양이 시간마다 지나가는 위치를 점으로 찍어 이으면 태양의 길, 곧 태양 경로가 됩니다.

태양 경로를 그려 보면 여름 해는 높고 길게, 겨울 해는 낮고 짧게 지나갑니다. 특히 오전 9시부터 오후 3시 사이의 영역을 '태양의 창(Solar Window)'이라고 하는데, 하루 일사 에너지의 대부분이 이 시간에 들어옵니다. 겨울에는 이 시간대의 햇빛을 그늘 없이 집 안 깊이 받아들여 난방에 보태고, 여름에는 처마나 차양으로 이 햇빛을 막아야 합니다. 건축가는 이 궤적을 바탕으로 창의 위치와 크기, 처마의 길이, 건물의 배치 각도를 정합니다.

르 코르뷔지에도 프랭크 로이드 라이트처럼 건물 자체가 난방과 냉방, 채광을 해내야 한다고 생각했습니다. 많은 일반 주택이 기후와 태양 고도를 고려하지 않고 외관만 따르다가, 결국 큰 에어컨과 보일러에 기대며 에너지 비용을 많이 치릅니다. 좋은 건축은 자연의 흐름을 거스르지 않고 이용합니다. 겨울 햇빛은 거실 깊이 들여 난방에 보태고, 여름 햇빛은 처마로 막아 그늘을 만드는 것, 이것이 패시브하우스가 주는 편안함입니다.

해가패시브건축사사무소는 감이나 관습에 따라 창을 내고 처마를 달지 않습니다. 에너지 계산 프로그램 Energy#으로 대지의 태양 고도와 방위를 계산하고, 주변 건물과 나무가 만드는 그늘까지 반영해 일사 획득과 차양을 계획합니다. 눈에 보이지 않는 태양의 움직임을 숫자로 바꾸어 설계에 담는 것, 그것이 '데이터로 증명하는 건축가의 책임'입니다.

자주 묻는 질문

남향 집 처마 길이는 몇 cm가 적당한가요?

정해진 길이는 없고, 그 땅의 위도와 창의 높이로 계산합니다. 서울(북위 37.5도)에서 정오의 태양 고도는 하지에 약 76도, 동지에 약 29도입니다. 처마가 창 바로 위에서 나온다면 하지 정오에 남쪽 창 전체를 가리는 데는 창 높이의 약 0.25배면 되고, 더위가 이어지는 8월 중순(태양 고도 약 66도)까지 가리려면 약 0.44배가 필요합니다. 창 높이가 2.1m라면 각각 약 53cm와 92cm입니다. 위도가 낮은 남부 지방은 해가 더 높이 떠서 같은 조건에서 조금 짧아집니다.

지방에 소재한 사무소인데 전국 어디나 단독주택 설계가 가능한가요?

네, 해가패시브건축사사무소는 경남 진주에 사무소가 있지만 전국 어디서나 패시브하우스를 설계합니다. 패시브하우스 설계는 그 지역의 기후 데이터와 태양 궤적 계산을 바탕으로 하므로 대지의 위치에 구애받지 않습니다. 수도권과 충청, 경남·경북 등 여러 지역에서 프로젝트를 진행해 왔습니다.

중목구조나 목조주택도 패시브하우스로 지을 수 있나요?

네, 중목구조와 경량목구조는 패시브하우스 성능을 구현하기에 좋은 구조입니다. 목재는 열을 잘 전하지 않아 콘크리트 구조보다 열교를 줄이고 기밀을 확보하기에 유리합니다. 해가패시브건축사사무소는 중목구조와 목조건축 설계 경험을 바탕으로 일사 조절과 패시브 성능을 갖춘 목조주택을 설계합니다.

이 글이 만들어진 과정

이 연재는 Norbert Lechner의 『Heating, Cooling, Lighting』을 교재로 삼습니다. 책의 챕터 순서에 따라 다룰 주제를 나누고, 각 주제를 패시브하우스의 설계·시공과 연결해 글의 얼개를 구성합니다. 그 얼개를 바탕으로 한 초벌 원고 작성에는 생성형 AI의 도움을 받으며, 최종 원고는 필자가 내용을 검토하고 실무 경험을 더해 다듬은 것입니다. 이번 글은 책의 6장 「태양 기하학」의 6.1~6.8절 내용을 정리한 것입니다.

조민구 · 해가패시브건축사사무소