건물 형상별 공조계획

왜 배우는가: 건물 형상에 따라 외피 면적, 내부 발열, 일사 부하 분포가 달라지므로 공조계획의 출발점이 달라진다. 기술사 시험에서는 같은 면적이라도 정방형과 장방형의 차이를 비교하는 문제로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제119회 3교시 4번, 제110회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

건물 형상별 공조계획은 건물의 평면 형태와 외피 면적 비율에 따라 외주부와 내주부의 부하 특성을 나누고, 그에 맞춰 공조방식과 존 구획을 정하는 설계 방법이다.

• 외피 면적비: 외벽 면적을 바닥 면적으로 나눈 값으로, 형상이 길어질수록 커진다.
• 외주부(Perimeter Zone): 외벽과 창에 접한 구역으로 일사와 외기 열손실·열취득의 영향을 받는다.
• 내주부(Interior Zone): 외기 영향이 작고 조명·인체·기기 발열이 연중 지배적인 구역이다.
• 존 구획(Zoning): 방위와 사용 조건에 따라 공조 계통을 나누는 작업이다.
• 정방형·장방형 평면: 기준층 면적은 같아도 둘레 길이와 깊이가 달라 부하 분포가 달라진다.
• 외주부 전용 시스템: 팬코일유닛이나 외주 존 전용 공조기처럼 외주 부하를 따로 처리하는 방식이다.

건물 형상별 공조계획은 외피 면적비와 외주·내주 부하 분포에 따라 존 구획과 공조방식을 정하는 계획이다.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 건물이 바깥 공기와 맞닿는 면이 얼마나 넓은지에 따라 에어컨이 감당할 열의 종류와 양이 달라진다는 뜻이다. 같은 바닥 면적이라도 외벽이 길면 외기 영향을 받는 구역이 넓어지고, 그 구역의 냉난방 부하는 계절과 방위에 따라 크게 흔들린다.

정식으로는 건물의 형상·방위·개구부 비율에 따라 외주부와 내주부의 열부하 특성을 구분하고, 그 결과로 공조 계통, 기기 용량, 제어 방식을 결정하는 계획 절차를 말한다. 부하계산 전에 건물을 공조 구역으로 나누는 죠닝(Zoning)이 이 계획의 첫 단계다.

죠닝은 방위별 죠닝과 사용별 죠닝으로 나눈다. 방위별 죠닝은 동·서·남·북 외부존과 내부존을 구분하는 방식이다. 사용별 죠닝은 사용시간, 공조조건, 부하특성에 따라 계통을 나눈다.

외주부는 창 면적과 외벽의 열관류율, 일사 조건의 영향을 크게 받는다. 내주부는 외기 영향이 작아 연중 냉방이 필요한 경우가 많고, 조명과 기기 발열이 지배한다. 두 구역의 부하 방향이 다르므로 한 계통으로 묶으면 제어가 어렵다.

장방형 건물은 외주부 비율이 높아 외주 존을 방위별로 나누는 계획이 필요하다. 정방형 건물은 깊이가 있어 내주부 면적이 상대적으로 커진다. 따라서 형상만 보고도 어느 구역에 어떤 방식을 줄지 대략 판단할 수 있다.

외주부 깊이 기준 약 5m 내외 같은 값은 설계 조건에 따라 달라지므로 계획 단계의 가정으로 두고, 실제 값은 부하계산 결과로 확정한다.

3. 등장 배경과 필요성

고층 사무용 건물이 늘면서 한 개의 공조기로 전체 층을 처리하는 방식은 부하 편차를 감당하기 어려워졌다. 외벽 유리 면적이 커지면서 서측 오후 일사와 북측 열손실이 층별·방위별로 뚜렷하게 달라졌다.

이 때문에 설계 초기에 건물 형상을 분석하고, 외주부와 내주부를 나눠 계통을 분리하는 계획이 필요해졌다. 계획을 잘못하면 과냉방과 재열 낭비가 생기고, 같은 층 안에서도 온도 불균형(콜드드래프트, 과열)이 나타난다.

또한 에너지 절약 기준이 강화되면서 방위별 부하를 반영한 존 구획이 의무 설계 요소에 가까워졌다. 형상별 공조계획은 초기 투자비와 운전비를 함께 줄이기 위한 실무적 필요에서 나온 개념이다.

정방형과 장방형의 비교는 시험에서 자주 나오는 주제다. 같은 기준층 면적이라도 둘레 길이와 외피 면적이 달라 외주부 비율과 내주부 규모가 바뀌므로, 이 차이를 공조 방식 선택의 근거로 설명해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

건물 형상에 따른 공조계획은 건물 외피를 통해 들어오고 나가는 열과 수분을 방위별로 나누어 보는 데서 출발한다. 기준층 면적이 같아도 평면의 가로·세로 비율에 따라 외피 면적이 달라지고, 그에 따라 외주부(페리미터) 부하와 내주부 부하의 비율이 달라진다. 이 비율이 공조 조닝과 계통 분리의 기준이 된다.

건물 A(50m×50m 정방형)는 기준층 외주 길이가 200m이고 바닥면적은 2,500㎡이다. 외주 길이 대비 바닥면적이 작지 않아 내주부 비율이 상대적으로 크다. 건물 B(80m×30m 장방형)는 외주 길이가 220m이고 바닥면적은 2,400㎡이다. 같은 바닥면적에서 외주 길이가 길고 단변 방향 깊이가 얇아 외주부 비율이 높다. 장변 면이 남·북 또는 동·서 중 한 방향으로 크게 향하므로 방위별 일사 부하 차이가 뚜렷하다.

외주부 부하는 창을 통한 일사 취득과 외기 전도·극간풍 부하가 지배적이다. 내주부 부하는 재실자, 조명, OA 기기 발열이 지배적이며 사계절 냉방 수요가 존재한다. 건물 A는 내주부 냉방 부하 비중이 크고, 건물 B는 외주부 방위별 부하 편차가 커서 존 분리가 중요하다.

공조설비 기본 전략 절차는 다음과 같다.

• 기준층 평면을 방위별·내외주별로 구분하고 존 면적을 산정한다.
• 방위별 외피 부하(일사, 전도, 극간풍)를 계산하고 내주부 내부 발열을 산정한다.
• 외주부와 내주부의 계통을 분리하고, 방위별로 필요하면 존을 추가로 나눈다.
• 존별 최대 부하로 공조기 용량과 덕트 계통을 정한다.
• 연간 부하 패턴을 검토해 외기냉방, 변풍량 제어, 재열 방식을 선정한다.

다음 도식은 건물 형상 판단에서 계통 결정까지의 흐름이다.

5. 관련 법령·기준·표준

건물 형상에 따른 공조계획은 특정 법령의 수치 기준보다 설계기준과 에너지 기준의 일반 원칙에 따른다. 국내에서는 건축물의 에너지절약설계기준과 설비 설계기준(KDS 코드 체계)이 외피 성능과 공조 설계 조건을 정한다. 공기조화 설계 조건은 외기 설계 조건과 실내 설계 조건으로 나뉜다. 실내 설계 온도는 냉방 시 쾌적 범위의 값, 상대습도는 쾌적 범위 내의 값을 일반적으로 쓴다.

표의 값은 설계 시작점이다. 외주부 존 깊이와 실내 온도 조건은 건물 용도와 사양에 따라 달라진다. 외기 도입량은 실내공기질 관리 기준과 환기 설계 기준을 함께 만족해야 한다.

건물 형상 판단에 쓰는 기본 원리는 외피 열관류율과 창 면적비이다. 외주부 부하는 창 면적비와 방위에 따른 일사 취득계수에 크게 좌우된다. 동·서 면은 오후 일사, 남면은 여름 정오 일사 부하가 상대적으로 크고, 북면은 일사 부하가 작아 내부 발열 위주의 냉방이 필요하다.

6. 유형과 비교

건물 형상별 공조계획은 평면 형태와 기준층 면적에 따라 외피 면적, 외주부 비율, 코어 위치, 조닝 방식이 달라지므로 방식 선택의 근거가 된다. 정방형과 장방형 건물은 같은 연면적이어도 열부하 특성이 다르므로 아래 표로 구분한다.