공기조화설비 계획

왜 배우는가: 공기조화설비 계획은 건축 기획 초기부터 설비 방식과 기계실·샤프트 공간, 에너지와 비용을 결정하는 단계다. 실무에서는 설계 조건과 제약을 먼저 정리해야 후속 설계 변경과 재작업을 줄일 수 있다. 시험에서는 계획의 개념과 단계별 검토사항이 1교시 용어와 3교시 논술로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제129회 1교시 11번, 제110회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공기조화설비 계획은 건물의 특성·입지·경제성·에너지 조건을 고려해 가장 알맞은 공조 시스템을 정하고 건물의 기능적 성능을 발휘하게 하는 과정이다.

핵심 키워드

• 공기조화설비 계획
• 열원설비·공조기 설비·열반송 설비·자동제어 설비
• 외기부하·실내열부하
• 계획·설계 단계(구상→기본계획→기본설계→실시설계)
• 에너지 소비 균형·유지관리
• 건축 계획과의 협의
• 설계 제약사항

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 공조 계획은 "어떤 방식으로 실내의 온도·습도·환기·청정도·기류를 맞출지 미리 정하는 일"이다. 공기조화는 온도 하나만 맞추는 난방·냉방과 달리 네 가지 이상의 요소를 함께 조절한다.

정식 정의는 다음과 같다. 공기조화란 주어진 실내 또는 특정 공간에서 사람 또는 물품을 대상으로 온도, 습도, 환기, 청정도 및 기류를 그 공간의 용도에 적합한 상태로 조정하는 것이다. 공기조화 계획은 이 목적을 달성하도록 건물 특성, 입지 조건, 경제 사정, 에너지 관계, 주변 사정을 고려해 공조 시스템을 결정하는 것이다.

열원설비는 공조 전체의 열부하를 처리하는 설비다. 냉동기와 보일러가 주체이며 냉각탑, 냉각수펌프, 급수설비, 배관이 부속된다.

공조기 설비는 공조 대상 공간에 보낼 조화 공기를 만드는 설비다. 냉각·제습기, 가열기, 가습기, 공기여과기, 송풍기를 한 케이싱에 넣은 것을 공기조화기(공조기)라 한다.

열반송 설비는 공조기와 공조 대상 공간 사이에서 공기를 순환시키거나 열원설비와 공조기 사이에서 냉온수를 순환시키는 설비다. 송풍기와 덕트계, 냉온수펌프와 배관계가 여기에 속한다.

자동제어 설비는 위 세 서브시스템이 요구하는 공조 조건을 만족시키며 전체 시스템을 자동으로 운전·감시하는 설비다. 중앙관제설비가 포함되는 경우가 많다.

실내열부하는 공조 대상 공간에 직접 출입하는 열이다. 외기부하는 환기용 도입 외기를 실내 조건까지 냉각 또는 가열하는 데 필요한 열량이다. 두 부하를 합쳐 냉방부하 또는 난방부하라 한다.

계획의 원칙은 다음과 같다. 계획 단계에서 공조 기술자가 참여해야 하고, 건축 의장과 구조, 건축설비가 함께 계획에 포함되어야 한다. 에너지 소비의 균형, 마감, 유지관리, 설비비와 운전비의 질적 향상을 함께 고려해 경제적인 방법을 찾아야 한다. 전기·급배수 설비와 밀접하므로 협의하여 수행해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

공조 설비는 건물이 대형화·고층화되고 실내 용도가 다양해지면서 필요해졌다. 한 가지 방식으로는 사무실, 전산실, 수술실처럼 요구 조건이 다른 공간을 함께 만족시키기 어렵다. 그래서 건물별로 방식을 골라 맞추는 계획 과정이 요구된다.

계획이 늦어지면 피해가 커진다. 기계실 면적, 덕트 경로, 샤프트 위치는 건축 평면이 정해진 뒤에 바꾸기 어렵다. 따라서 건축 계획의 초기 단계부터 공조 기술자가 참여해야 한다.

에너지 측면의 필요성도 크다. 외기 도입량이 많으면 외기부하가 커져 열원 용량과 운전비가 늘어난다. 외기를 얼마나 도입하고 어떤 열회수 방식을 쓸지는 계획 단계에서 결정해야 할 중요한 사항이다.

계획 과정은 구상, 기본계획, 기본설계, 실시설계의 순서로 진행된다. 구상 단계에서는 공조의 필요성과 수준, 열원방식, 장래 계획을 건축주와 협의한다. 기본계획 단계에서는 법규와 설계용 자료를 검토하고 시스템 수준을 정한다. 기본설계 단계에서는 개략 부하계산으로 주요 기기를 산출하고 기계실 면적과 덕트·배관 계획을 세운다. 이 흐름을 따라 계획을 진행하면 설계 후반의 재작업을 줄일 수 있다.

따라서 공조 계획은 쾌적성, 에너지, 경제성, 유지관리를 한꺼번에 고려하는 종합 판단 과정이다. 시험에서 이 점을 설명하면 계획의 필요성을 충분히 보일 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

공기조화설비 계획은 건물이 요구하는 실내 조건을 만족하도록 열원, 공조기, 열반송, 제어 설비를 묶어 시스템을 정하는 일이다. 계획의 출발점은 설비를 구성하는 요소와 각 요소가 맡는 역할을 정확히 나누는 것이다. 공조설비는 열원설비, 공조기 설비, 열반송 설비, 자동제어 설비의 네 개 서브시스템으로 나뉜다.

열원설비는 공조설비 전체의 열부하를 처리한다. 냉동기와 보일러가 주체이고 냉각탑, 냉각수펌프, 급수설비, 부속배관이 함께 붙는다. 공조기 설비는 공간에 보낼 조화공기를 만든다. 냉각·제습 코일, 가열기, 가습기, 공기여과기, 송풍기를 한 케이싱에 넣은 것을 공기조화기(공조기)라고 한다. 열반송 설비는 열원과 공조기, 공조기와 공간 사이에서 열매체를 옮긴다. 공기는 송풍기와 덕트계, 냉온수는 펌프와 배관계가 담당한다. 자동제어 설비는 세 서브시스템이 공조 조건을 만족하도록 운전과 감시를 맡는다.

위 표는 설비 구성의 기본 틀이다. 계획 단계에서는 열원 방식과 공조 방식에 따라 이 네 요소의 비중이 달라진다. 예를 들어 중앙집중식은 열원과 공조기가 기계실에 모이고, 개별식은 열원이 실 가까이에 분산된다.

원리는 열과 수분의 이동이다. 실내 열부하는 공간에 직접 출입하는 열이고, 외기부하는 도입 외기를 실내 조건까지 냉각·가열하는 데 드는 열이다. 외기 도입량이 늘면 외기부하가 커지므로 환기량과 열회수의 균형을 맞춰야 한다. 외기부하는 현열과 잠열로 나눠 계산한다.

$Q_F = q_F \cdot \rho \cdot c_p \cdot (t_o - t_i) + q_F \cdot \rho \cdot r \cdot (x_o - x_i)$

여기서 q_F는 도입 외기량(㎥/h), t_o, t_i는 외기와 실내 온도(℃), x_o, x_i는 외기와 실내 절대습도(kg/kg′), \rho는 공기 밀도, c_p는 공기 정압비열, r은 수증기 잠열이다. 계산 결과는 공조기 용량과 열원 용량의 기초가 된다.

계획 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 건물 용도와 실내 설계 조건(온도, 습도, 청정도)을 정한다.
• 설계용 외기조건과 실내 부하를 계산한다.
• 외기량과 환기량을 정하고 외기부하를 구한다.
• 열원 방식과 공조 방식(중앙식, 개별식 등)을 선정한다.
• 공조기 용량과 덕트·배관 경로를 정한다.
• 자동제어 방식과 에너지 절약 요소를 반영한다.
• 기계실 면적과 설비 공간을 건축계획과 협의한다.

공조설비 계획은 열원·공조기·열반송·제어 네 서브시스템을 용도 조건에 맞춰 묶는 일이다

5. 관련 법령·기준·표준

공기조화설비 계획은 에너지 절약과 실내 환경 기준을 함께 만족해야 한다. 가장 직접적인 기준은 「건축물의 에너지절약설계기준」과 「에너지관리기준」이다. 두 기준은 설계용 외기조건, 열원 설비 선정, 공조 방식의 에너지 절약 조치를 규정한다.

표의 설계용 외기조건은 계획 시작점이다. 위험률이 낮을수록 외기 조건이 더 가혹하므로 설비 용량이 커진다. 각 표의 항목은 설비 방식 선택과 직접 이어진다.

기준의 성격도 구분해야 한다. 에너지절약설계기준은 의무사항과 권장사항을 나눠 정한다. 공조 방식의 열회수, 변풍량, 외기 냉방은 권장 또는 채택 조치에 가깝다. 계획서에는 채택 여부와 그 이유를 함께 적는다.