호텔 열원·공조설비 계획

왜 배우는가: 호텔은 객실·연회·레스토랑·주차장이 한 건물에 섞여 있어 난방·냉방·제습·급탕 부하가 동시에 발생하고 시간대별 편차도 크다. 그래서 열원과 공조방식을 어떻게 나누고 조닝할지가 설비 계획의 출발점이 되며, 이 주제는 부하특성 설명과 대규모 계통도 작성 문항으로 반복해서 출제되었다.

출제 이력: 제119회 2교시 1번, 제117회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

호텔 열원·공조설비 계획은 객실·연회·식음·공용부의 부하 특성에 맞춰 열원방식, 공조방식, 조닝, 열회수 계통을 정하는 설계 과정이다.

• 호텔 부하 특성
• 동시부하(부하 동시성)
• 열원 방식
• 공조 조닝
• 열회수
• 축열·부분부하 운전
• 외기도입량
• 계통도

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 호텔은 한 건물 안에 여러 가지 용도가 섞여 있어서 어느 한 가지 방식으로 모든 공간을 같게 냉난방할 수 없다. 객실은 거주 시간이 길고 개인별 온도 요구가 다르다. 연회장은 짧은 시간에 사람이 많이 모이므로 현열과 잠열 부하가 크게 바뀐다. 주차장과 기계실은 공조가 필요 없다. 이런 차이를 묶어서 계획하는 것이 호텔 열원·공조설비 계획이다.

정식으로 정의하면, 공조 조닝은 건물을 사용 시간, 부하 패턴, 온도 요구가 비슷한 구역으로 나누고, 구역별로 공조기와 제어 계통을 따로 두는 것을 말한다. 열원 방식은 냉동기, 보일러, 히트펌프 등 냉수·온수·증기를 만드는 장치의 조합을 가리킨다. 부하 동시성은 모든 기기가 같은 시각에 최대 부하로 운전하지 않는다는 성질을 말하며, 이를 반영하면 열원 용량을 합계보다 작게 잡을 수 있다.

열회수는 배기나 응축열 같은 버려지는 열을 급탕이나 예열에 다시 쓰는 것을 뜻한다. 호텔은 여름에 냉방용 응축열을 급탕에 쓸 수 있고, 겨울에는 내부 발열을 난방에 쓸 수 있어 열회수 효과가 크다. 이 특성은 열원 계획에서 중요한 근거가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

건물이 대형화되고 내부 기능이 다양해지면서 열이 필요한 기능과 열을 버리는 기능이 한 건물에서 동시에 요구되는 경우가 늘었다. 여름에도 급탕과 제습 수요가 있고, 겨울에도 외피 부하가 잘 제거되면 내부 발열로 냉방 부하가 생긴다. 대형 호텔은 이런 상황이 자주 나타나는 대표적인 건물이다.

히트펌프를 이용한 동시냉난방은 이 요구에 맞춘 방법이다. 여름에는 실내에서 열을 빼내 외부로 버리고, 그 응축열을 다른 곳에 쓸 수 있다. 겨울에는 실외 열을 끌어와 난방에 쓰면서 내부 발열로 외피 부하를 보완할 수 있다. 즉 열원 한 개가 냉방과 난방을 함께 맡을 수 있다는 점이 필요성을 만든다.

또한 에너지 절약 요구가 커지면서 열원 계획은 용량 크기만으로 정하지 않게 되었다. 건축물 설계 기준은 열원설비를 운전효율이 좋은 것으로 고르고, 부분부하에서도 성능이 유지되도록 대수 분할이나 비례 제어를 쓰도록 요구한다. 전력 피크를 줄이기 위해 심야전기 축열, 집단에너지, 신재생 냉방 같은 선택지도 함께 검토한다. 이런 배경 때문에 호텔 설비 계획은 부하 특성 분석, 열원 선정, 조닝, 열회수를 한 묶음으로 다루게 되었다.

열원설비는 운전효율이 좋은 것을 선정한다와 같은 기준은 설계 요구의 방향을 보여 준다. 세부 수치는 해당 설계기준을 따른다.

4. 구성요소·원리·절차

건축기계설비의 호텔 열원·공조설비는 열원설비, 공조기(AHU)·팬코일 등 공조장치, 반송설비, 열회수·제어설비의 네 부분으로 나뉜다. 호텔은 객실(쾌적 공조), 연회장·레스토랑(대공간·간헐 부하), 주차장·기계실(비공조) 등 용도가 달라 계통을 분리해 계획한다.

표의 구성요소는 열원·공기·물의 흐름으로 이어진다. 열원에서 만든 냉수·온수가 공조기와 팬코일로 가고, 공조기에서 처리된 공기가 덕트로 각 실에 공급된다. 호텔은 객실 부하가 시간대별로 달라 부분부하 운전이 가능해야 한다. 따라서 냉동기 대수 분할과 비례 제어를 함께 계획한다. 이 원리는 설계기준에서도 요구하는 사항이다.

계통 계획의 기본 절차는 다음과 같다.

• 용도별 부하(현열·잠열)를 산정하고 조닝을 나눈다.
• 조닝별 공조방식(전공기·수-공기·냉매 방식)을 선정한다.
• 부하 합계에 따라 열원 용량과 대수를 결정한다.
• 외기 도입량과 환기 방식을 정하고 공조기 구성을 정한다.
• 반송 동력과 덕트·배관 경로를 계산한다.
• 열회수·축열·자동제어 계통을 추가하고 계통도를 그린다.

공기조화 설비 설계는 실의 부하 형태에 따라 현열비를 먼저 산정한다. 그 현열비로 공급공기의 상태와 송풍량을 정한다. 이후 외기 도입량으로 혼합공기를 만들고, 가열·가습·냉각·감습 요구량을 계산하는 순서가 된다.

송풍량 산정의 기본식은 다음과 같다.

$Q = \frac{q_s}{\rho \, C_p \, \Delta t}$

여기서 Q는 송풍량(㎥/h 환산 전 kg/h 또는 ㎥/s), q_s는 실내 현열부하(kW), \rho는 공기 밀도(kg/㎥), C_p는 공기 정압비열(kJ/kg·K), \Delta t는 실내외 공급 온도차(K)다.

도식 1 (열원·공조 계통 구성)

5. 관련 법령·기준·표준

호텔 열원·공조설비의 기준은 건축물의 에너지 절약 설계기준과 건축기계설비 설계기준이 중심이다. 실내 설계온도, 열원설비 운전 효율, 열회수 설비 설치 등이 이 기준에서 정해진다. 기준의 조문 번호는 확실한 것만 적고 나머지는 기준 이름으로 쓴다.

표의 설계온도 값은 용량 계산용 기준이다. 실제 설계에서는 거실 용도와 재실 인원에 따라 조정한다. 열원 효율과 열회수 항목은 설계 단계의 필수 검토 사항이다.

이 기준들은 열원 방식의 선택 근거가 된다. 열원설비는 건물 용도와 규모에 따른 관련 법규를 따르고, 경제성·안전성·신뢰성을 함께 고려한다. 최근에는 축열·축냉 시스템과 신재생에너지 냉방 방식이 기준에서 권장된다.

6. 유형과 비교

호텔 열원·공조설비는 공조 방식(전공기·공기-수·수방식·냉매방식)과 열원 방식(증기압축식·흡수식·축열·열회수)을 조합해 계획한다. 객실, 연회장, 로비, 주방처럼 부하 성격이 다른 공간마다 적합한 방식이 다르므로 두 축으로 나누어 비교한다.