내주부·외주부 공조시스템

왜 배우는가: 내주부·외주부 공조시스템은 건물 방위와 실 용도에 따라 냉난방 부하 성격이 달라지는 점을 해결하는 기본 계획이어서, 공조설비 설계와 에너지 절약의 출발점이다. 기술사 시험에서는 계통도, 열원·반송 설비 선정, 운영 방안을 묻는 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제122회 3교시 3번, 제99회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

내주부·외주부 공조시스템은 건물을 외주부(창측)와 내주부(실내측)로 나누고, 부하 성격이 다른 두 존을 각각 다른 공조장치와 계통으로 처리하는 방식이다.

핵심 키워드

• 외주부(Perimeter Zone): 외벽·창을 통해 외기 영향을 받는 존으로, 계절·방위에 따라 부하가 크게 변한다.
• 내주부(Interior Zone): 외기 영향이 거의 없고 조명·사람·기기 발열이 지배하는 존으로, 연중 냉방 부하가 주로 발생한다.
• 존 구획(Zoning): 공조 대상 건물을 부하 특성별로 나누는 계획 작업이다.
• 공조기(AHU): 내주부처럼 외기도입과 대풍량 처리가 필요한 존을 담당하는 중앙식 공조장치다.
• 팬코일 유닛(FCU): 외주부처럼 존별 제어와 개별 부하 대응이 필요한 곳에 쓰는 수-공기식 말단장치다.
• 외주부 부하: 외피 전도·일사·극간풍이 지배하는 부하다.
• 내주부 부하: 내부 발열이 지배하는 부하다.
• 방위별·사용별 존 구분: 존을 나누는 두 가지 기준이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 건물의 창 쪽과 안쪽은 같은 시간에도 필요한 냉난방이 다르다. 창 쪽은 겨울에 춥고 여름 오후에 햇볕으로 더워지지만, 안쪽은 사람과 조명 때문에 사계절 내내 덥다. 이 차이를 하나의 장치로 처리하면 어느 한쪽이 과냉각이나 과가열된다. 그래서 두 존을 나누어 각각 맞는 장치로 처리하는 것이 내주부·외주부 공조시스템이다.

정식 정의는 다음과 같다. 공조 대상 건물을 방위별 또는 사용별로 존(Zone)으로 구획하고, 외주부(Perimeter Zone)에는 외피 부하를 처리하는 장치(팬코일 유닛 등)를, 내주부(Interior Zone)에는 대풍량 처리에 적합한 공조기를 배치하는 공조방식이다. 외주부는 외기 영향을 받는 창측 부분이고, 내주부는 외기 영향이 거의 없는 실내측 부분이다.

원리는 부하 발생 위치에 따라 처리 장치를 달리하는 데 있다. 외주부 부하는 외기온도와 일사에 따라 시간마다 변하므로 존별 온도제어가 가능한 장치가 필요하다. 내주부 부하는 발열이 일정하므로 외기 도입과 대풍량 공급을 한 장치로 처리하는 것이 효율적이다. 이 때문에 공조기는 내주부에, 팬코일은 외주부에 배치하는 것이 일반적이다.

계획에서 존 구획은 공조부하 계산에 앞선 첫 단계다. 존을 너무 많이 나누면 계통 수와 초기 비용이 늘고, 너무 적게 나누면 같은 계통 안에서 부하 차이로 온도 편차가 생긴다. 따라서 방위가 같은 외주부는 묶고, 사용시간이 같은 실은 함께 묶는다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 중앙식 공조는 건물 전체를 하나의 공조기로 처리했다. 이 방식은 건물 남쪽과 북쪽, 또는 창측과 내측의 부하 차이를 흡수하지 못해 한쪽이 덥고 다른 쪽이 추운 문제가 나타났다. 이를 해결하기 위해 존 개념과 외주부 전용 장치가 도입되었다.

외주부 부하가 큰 이유는 외벽과 창을 통한 열 출입이 크기 때문이다. 유리 커튼월 건물에서는 창면적 비율이 높아져 외주부 부하가 더 커진다. 커튼월은 자중을 제외하면 구조하중을 받지 않는 외벽 처리 기법이며, 외기 열과 일사가 실내로 직접 들어오기 쉽다. 이 때문에 유리가 많은 건물일수록 방위별 존 구분이 중요해진다.

내주부 부하가 지배적인 이유는 건물 깊이가 깊어 외기 영향이 실내 중심부까지 미치지 않기 때문이다. 내주부는 사람, 조명, 사무기기 발열로 연중 냉방이 필요하다. 겨울에도 외주부는 난방이 필요하고 내주부는 냉방이 필요한 경우가 생긴다. 이 현상을 동시에 처리하려면 두 존을 분리한 계통이 필요하다.

에너지 측면에서도 필요성이 있다. 존마다 다른 장치와 운전 시간을 적용하면 불필요한 가열·냉각을 줄일 수 있다. 외주부는 주간 일사에 맞춰 운전하고, 내주부는 사무시간 동안 대풍량으로 운전하는 방식이 가능하다. 이러한 분리 운전은 연간 운전비 절감에 직접 기여한다.

4. 구성요소·원리·절차

내주부(Interior Zone)는 외기 영향이 작고 조명·인체·OA 기기 발열이 상시 발생하므로 연중 냉방 부하가 지배적이다. 외주부(Perimeter Zone)는 외벽과 창을 통한 전도·일사 취득이 커서 방위와 시각에 따라 냉방과 난방 부하가 교차한다. 두 존의 부하 성격이 다르므로 하나의 공조기로 묶지 않고 내주부 공조기(AHU)와 외주부 팬코일유닛(FCU)으로 나눈다.

정유량 방식은 송수량을 일정하게 두고 수온을 바꾸어 부하에 대응하는 방식이다. 3-way 밸브로 부하측 유량을 바이패스하면 배관 전체는 정유량이지만 각 기기 입장에서는 변유량이 된다. 코일 성능은 수온 변화에는 거의 비례하고, 수량이 30% 줄어도 성능은 90% 정도 확보된다. 따라서 정유량 방식은 제어성이 좋으나 반송 에너지 측면에서 불리하다.

외주부 전도 부하는 다음 식으로 구한다.

$Q_t = K \cdot A \cdot \Delta t$

여기서 Q_t는 전도 부하(W), K는 열관류율(W/㎡·K), A는 외피 면적(㎡), \Delta t는 실내외 온도차(K)이다. 유리창 일사 부하는 Q_s = A_g \cdot I \cdot SC로 구하며, A_g는 창면적(㎡), I는 일사량(W/㎡), SC는 차폐계수이다. 방위에 따라 I가 달라지므로 외주부는 방위별로 나누어 계산한다.

계통 설계 절차는 다음과 같다.

• 존 구분: 방위와 사용 시간 기준으로 외주부와 내주부를 나눈다(죠닝).
• 부하 산정: 내주부는 내부 발열, 외주부는 외피 전도와 일사를 중심으로 계산한다.
• 열원 용량 결정: 실별 단위 부하(kcal/h·m²)에 면적을 곱해 합산한다.
• 배관 계통 분리: 공조기용과 FCU용을 나누고 각 계통에 정유량밸브를 설치한다.
• 제어 설계: 3-way 밸브와 자동온도조절밸브로 기기별 온도를 맞춘다.
• 계절 모드 전환: 냉방기간은 냉수, 난방기간은 온수를 공급한다.

5. 관련 법령·기준·표준

이 계통을 설계할 때 적용하는 기준은 다음과 같다. 건축물의 에너지 소요량과 설비 성능은 「건축물의 에너지절약설계기준」(국토교통부 고시)에 따른다. 설비 용량은 건물 용도와 실 부하 계산 결과로 정한다. 본 문항의 설계 용량 값은 문제 조건으로 주어진 값이다.

단위 환산은 1kcal/h = 1.163W를 적용했다. 냉방 150kcal/h·m²는 150 × 1.163 ≈ 174W/㎡이고, 난방 100kcal/h·m²는 100 × 1.163 ≈ 116W/㎡이다.

흡수식 냉온수기의 기술 연혁은 다음과 같다. 1929년 미국 Servel이 H₂O/LiCl 방식을 처음 개발했고, 1945년 캐리어가 H₂O/LiBr 방식을 상업용으로 시판했다. 현재 공조용 흡수식은 LiBr 방식이 주류이다. 흡수식은 전력 소비가 작지만 열원 입력이 커서 가스 직화식과 폐열 활용에 유리하다.