에너지절약·친환경 설비계획

왜 배우는가: 에너지는 건축물 생애비용에서 큰 비중을 차지하므로, 설계 단계에서 에너지 절약과 친환경 요소를 계획하는 능력은 실무에서 필수다. 이 개념은 2교시 논술과 4교시 설계 계통 문제로 반복 출제되어 정의, 기술요소, 계통별 적용을 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제120회 2교시 2번, 제103회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

에너지절약·친환경 설비계획은 건축물의 생애 에너지 소비를 줄이기 위해 부하를 낮추고 고효율 설비와 신·재생에너지, 자동제어를 설계 단계부터 통합하는 계획이다.

핵심 키워드

• 에너지 부하 저감
• 고효율 열원설비
• 외기냉방(이코노마이저)
• 폐열회수
• 대수분할·비례제어
• 신·재생에너지 이용
• BEMS(건축물에너지관리시스템)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 건물이 쓰는 에너지를 처음부터 적게 만들고, 남은 에너지도 효율 높게 쓰도록 설계하는 일이다. 건물을 짓고 나서 설비를 바꾸는 것보다 계획 단계에서 정하는 편이 효과가 크다.

정식 정의는 다음과 같다. 에너지절약 설계는 「건축물의 에너지절약설계기준」이 정한 열손실 방지, 기계·전기·신재생 설비 기준을 만족하도록 건축·기계·전기 설비를 통합 계획하는 것이다. 여기서 에너지 요구량과 에너지 소요량을 구분한다. 에너지요구량은 표준 설정 조건을 유지하는 데 필요한 에너지량이고, 에너지소요량은 그 요구량을 만족시키기 위해 설비기기가 실제로 쓰는 에너지량이다.

핵심 용어를 정리한다.

• 1차에너지: 채취, 가공, 운송, 변환, 공급 과정의 손실분을 포함한 에너지다. 1차에너지 환산계수는 제로에너지건축물 인증 제도 운영규정을 따른다.
• 효율: 설비기기에 공급된 에너지에 대해 출력된 유효에너지의 비다.
• 대수분할운전: 여러 대의 기기를 부하에 맞춰 조합하여 운전하는 방식이다.
• 비례제어운전: 출력값과 목표값의 편차에 비례해 입력량을 조절하는 방식이다.
• 이코노마이저시스템: 중간기나 동계에 실내 엔탈피보다 낮은 외기로 냉방부하를 줄이는 시스템이다.
• TAB와 커미셔닝: 설계 의도대로 설비가 작동하도록 점검·조정하고, 설계 단계부터 운전 성능까지 검증하는 과정이다.

설계 원칙은 세 단계로 본다. 먼저 건물 자체의 열손실을 줄이고, 다음으로 설비의 효율을 높이며, 마지막으로 신·재생에너지와 제어로 남은 에너지를 줄인다. 이 순서가 답안의 골격이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

20세기 기능주의 건축이 확산되면서 자연환경을 이용하는 대신 기계설비로 쾌적성을 확보하는 방식이 일반화되었다. 그 결과 건물의 에너지 소비가 크게 늘었고, 지구온난화와 자원 고갈 문제가 커졌다. 현대에는 건물의 대형화와 도시화로 에너지 부담이 더 커졌다.

건축물은 건설, 운영, 해체까지 긴 수명 동안 에너지를 쓴다. 그중 운영 단계의 에너지 비용 비중이 커서 생애비용(LCC)에서 에너지 비용이 큰 몫을 차지한다. 초기 투자비가 조금 늘더라도 운영비를 줄이면 전체 비용이 낮아질 수 있다는 점이 설계 단계 계획의 근거다.

제도적으로도 기준이 강화되었다. 「녹색건축물 조성 지원법」에 따라 에너지절약계획서와 설계 검토서를 제출해야 하는 건축물이 있고, 「건축물의 에너지절약설계기준」은 열관류율, 설계용 외기조건, 열원·공조 설비 기준을 규정한다. 설계 단계에서 이 기준을 만족하는지 검토하는 과정이 필요해졌다.

친환경 건축의 목표는 쾌적성과 환경 부하 저감을 함께 얻는 것이다. 이를 위해 저에너지 건물 조성, 고효율 설비, 신·재생에너지 이용, 외부환경 조성, 에너지 정보기술을 함께 적용한다. 이 다섯 요소는 「에너지절약형 친환경주택의 건설기준」의 구성 기술과도 같은 방향이다.

난방 설계용 실내온도 20℃, 냉방 28℃ 기준은 설비 용량을 과대하게 잡지 않기 위한 출발점이다. 이 값은 목욕장 및 수영장을 제외한 설계용 실내온도 기준으로 함께 쓰인다. 용도 및 개별 실의 특성에 따라 별표8 범위를 참고한다.

4. 구성요소·원리·절차

친환경 설비계획은 건물의 열부하를 줄이고 열원·공조·위생·제어 설비의 효율을 함께 높이는 방향으로 짠다. 설비 하나만 고효율로 바꾸면 효과가 제한되므로, 외피 부하 저감을 먼저 확보한 뒤 설비 계통을 단계적으로 최적화하는 것이 원리다.

설계 순서는 부하 저감 → 고효율 설비 선정 → 폐열 회수 → 제어 최적화 순으로 잡는다.

열원설비는 부분부하 효율이 좋은 기기를 선정하고, 난방기기·냉방기기·냉동기·송풍기·펌프는 대수분할 또는 비례제어 운전이 되도록 계획한다. 부하가 줄어도 최고 성능을 유지하게 하려는 조치다. 냉방기기는 전력피크를 줄이도록 심야전기 축열·축냉, 지역냉방, 신·재생에너지 냉방 등을 상황에 따라 채택한다. 폐열 회수는 보일러 배출수·응축수·공조기 배기열·생활배수 열을 대상으로 하며, 중간기 대비 바이패스 설비를 함께 둔다.

공조설비는 중간기에 외기도입으로 냉방부하를 줄이는 이코노마이저시스템을 적용한다. 다만 외기냉방이 건축물의 총에너지비용을 줄일 수 없으면 적용하지 않는다. 열회수형 환기장치는 배기 공기와 급기를 열교환시켜 환기 손실을 줄인다.

절차는 다음과 같다.

• 외피 단열·기밀로 냉난방 부하를 먼저 낮춘다.
• 설계용 실내외 조건으로 용량을 계산하되 과다 용량이 되지 않게 한다.
• 열원 조합을 대수분할로 구성하고 고효율 기기를 선정한다.
• 폐열 회수 설비와 외기냉방 시스템을 검토한다.
• 반송설비에 가변속 제어를 적용한다.
• BEMS와 연계해 운전 데이터를 감시하고 제어 로직을 조정한다.
• 커미셔닝과 TAB로 설계 성능을 검증한다.

에너지 소비량 계산은 건물 전체 에너지소요량으로 판단한다. 1차에너지 기준으로 환산하면 설비별 효율을 같은 척도로 비교할 수 있다.

$E_{1차} = \sum_i \frac{E_{s,i}}{\eta_i} \times f_i$

E_{1차}는 1차에너지 소요량(MJ/yr), E_{s,i}는 설비 i의 최종 에너지 사용량(MJ/yr), \eta_i는 설비 효율(무차원), f_i는 에너지원별 1차에너지 환산계수(무차원)다. 효율이 높을수록 같은 부하에 대한 E_{s,i}가 줄어든다.

5. 관련 법령·기준·표준

건축물의 에너지절약설계기준은 「녹색건축물 조성 지원법」에 근거한다. 이 기준은 열손실 방지, 에너지절약계획서 작성, 기계·전기 설비 설계기준을 함께 정한다. 기계설비부문은 설계용 외기조건, 열원 및 반송설비, 공조설비, 위생설비, 제어 설비를 의무사항과 권장사항으로 나눠 규정한다.

기계설비 의무사항은 설계용 외기조건과 열원·반송설비 기준을 핵심으로 한다.

외기조건과 실내온도 수치는 설계기준의 용량 계산 기준이다. 열회수형 환기장치는 KS 시험방법으로 성능을 확인하므로 성능 기준은 시험성적으로 증명한다.

에너지절약 설계는 제로에너지건축물 인증, 녹색건축인증과 연계된다. 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)이 전기설비 기준으로 적용되어 전기 부문 설계는 이 기준을 따른다.

관련 설계 기준은 다음과 같다.

• 건축기계설비공사 표준시방서: 배관·덕트 보온 두께 기준
• 에너지절약형 친환경주택의 건설기준: 고효율 설비, 신·재생에너지, 에너지절감 정보기술 구성
• 집단에너지시설 기술기준: 지역난방 방식의 용량 계산 기준