바닥취출 공조방식

왜 배우는가: 바닥취출 공조방식은 천장 중심 공조와 달리 거주역 공기를 먼저 공급하는 방식이어서, 에너지 절감과 실내 공기질 향상을 동시에 노리는 대안으로 실무에서 검토된다. 설계 고려사항과 장점은 여러 차례 반복 출제되어 개념의 원리와 적용 조건을 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제99회 1교시 7번, 제96회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

바닥취출 공조방식은 바닥 밑 공간(언더플로어 플리넘)에 공조된 공기를 보내 바닥 취출구로 거주역에 공급하고, 온도 성층화를 이용해 천장 부근의 오염·열을 환기구로 배출하는 공조방식이다.

핵심 키워드

• 바닥 공조(UFAD, Underfloor Air Distribution)
• 플리넘(Plenum)
• 성층화(Stratification)
• 거주역(Occupied Zone)
• 바닥 취출구(Floor Diffuser)
• 환기 효율(Ventilation Effectiveness)
• 열 플룸(Thermal Plume)
• 온도 설정점 상향

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 공기를 머리 위가 아니라 발밑에서 내보내는 방식이다. 찬 공기는 사람이 있는 아래쪽에 머물고, 사람과 기기에서 올라오는 더운 공기와 오염물질은 위로 떠올라 천장 쪽 환기구로 빠진다.

정식 정의는 다음과 같다. 바닥 공조(UFAD, Underfloor Air Distribution)는 공조기에서 처리된 공기를 플리넘(Plenum), 즉 상부 슬래브 위에 설치한 이중 바닥의 빈 공간을 통해 바닥 취출구로 보내는 시스템이다. 플리넘은 일반적으로 구조 슬래브 위에 형성되며, 공조 공기가 가압된 상태로 흐른다.

핵심 원리는 성층화(Stratification)다. 열 부력에 의해 따뜻한 공기가 위로 올라가는 자연 현상을 이용한다. 공급 공기는 거주역(Occupied Zone)에만 머물도록 제어하고, 사람 머리 높이 위쪽의 공기는 상대적으로 더 따뜻하고 오염된 상태로 유지된다. 그래서 호흡하는 공기의 오염물질 농도는 전체를 균일하게 혼합하는 방식보다 낮아진다.

이 방식에서 바닥 취출구(Floor Diffuser)는 공급 위치와 풍량을 결정하는 핵심 장치다. 취출구의 형식(선회형, 사각형, 선형 그릴 등)에 따라 실내 기류와 성층 높이가 달라진다. 따라서 설계자는 취출구를 거주역 안에 고르게 배치해야 한다.

또한 성층화로 인해 실내 온도 분포가 위아래로 다르게 생긴다. 사람 신체 대부분은 온도 조절기(서모스탯) 높이보다 낮은 영역에 있어 체감 온도가 더 낮다. 따라서 바닥 공조에서는 기존 천장 공조보다 온도 설정점을 높이는 것이 일반적인 실무 관행이다.

3. 등장 배경과 필요성

바닥 공조는 고층 업무 공간과 대공간에서 천장 덕트의 공간 점유를 줄이기 위한 방안으로 주목받았다. 천장 덕트를 줄이면 층고를 낮출 수 있어 건축 비용과 구조 부담이 함께 줄어든다.

또한 실내 공기질에 대한 요구가 커지면서 호흡 영역의 공기를 깨끗하게 유지하려는 흐름이 생겼다. 천장 공조는 실내 전체를 혼합하기 때문에 오염물질이 거주역 전체에 퍼진다. 반면 바닥 공조는 거주역에 신선한 공기를 우선 공급하므로 같은 환기량에서도 호흡 공기의 질을 높일 수 있다.

에너지 측면의 필요성도 있다. 성층화를 이용해 실내 상부의 더운 공기를 배기하면 냉방 부하 처리 효율이 높아질 수 있다. 다만 이 효과는 건물 조건과 설계 조건에 따라 달라지므로 적용 전에 부하 계산과 시뮬레이션으로 확인해야 한다.

플리넘 구조 측면의 필요성도 중요하다. 플리넘은 공기 통로이면서 바닥 아래 설비 배관과 배선이 지나는 공간이다. 이 공간을 확보하면 사무실 배치를 바꿀 때 취출구 위치를 유연하게 조정할 수 있다. 이런 가변성이 바닥 공조를 도입하는 실무적 이유가 된다.

4. 구성요소·원리·절차

바닥취출 공조방식(Underfloor Air Distribution, UFAD)은 바닥 밑 공간을 급기 챔버로 쓰고 바닥 취출구로 공기를 실내 사람 생활영역에 공급하는 방식이다. 구성은 공기조화기(AHU), 바닥 플리넘(Underfloor Plenum), 이중 바닥(Raised Floor), 바닥 취출구(Floor Diffuser), 환기구(Return)로 나뉜다. [근거 1]에 따르면 가장 일반적인 형태는 중앙 공기조화기가 가압된 플리넘을 통해 바닥 취출구로 공기를 보내는 방식이다.

바닥 취출구는 풍량과 취출 방향을 조절하는 장치다. 선회형, 사각형, 선형 그릴형이 대표적이다([근거 2]). 플리넘 내부의 속도와 정압 분포는 취출 균일성을 좌우한다([근거 14]). 플리넘 높이가 낮거나 덕트가 여러 개면 정압 편차가 커져 취출이 불균일해진다.

성층화(Stratification)는 이 방식의 핵심 원리다. 공급 공기는 거주역 아래에 머물고, 사람과 기기에서 생긴 열 상승 기류(Thermal Plume)가 오염물질을 천장 쪽으로 끌어올린다. 이 상승 기류가 오염물질을 천장 환기구로 배출한다([근거 8]). 이 원리 때문에 호흡 높이 아래에서 공기가 섞이지 않도록 취출 풍속과 취출 위치를 제어한다.

바닥취출 방식은 거주역의 공기만 공급하여 호흡 영역의 오염도를 낮춘다

절차를 번호로 정리하면 다음과 같다.

• 실내 부하와 거주역 높이를 산정하고 급기 온도차를 정한다.
• 플리넘 높이와 덕트 배치를 정해 정압 분포를 검토한다.
• 취출구 종류와 설치 간격을 정하고 구역별 풍량을 배분한다.
• 상부 환기구 위치를 정해 성층화 상태에서 오염 공기가 배출되도록 한다.
• 실내 온도 분포와 취출 풍속을 확인하고 설정 온도를 조정한다.

성능 예측은 [근거 2]의 CBE 설계 도구처럼 기존 상부 취출 방식의 부하 계산 결과를 입력해 풍량·성층 온도차·플리넘 온도 상승을 함께 검토하는 방식이 쓰인다. 설계 온도 기준은 호흡 높이 기준으로 잡는다.

공조기 공급 공기 온도는 상부 취출 방식보다 높게 잡는 것이 일반적이다. 이는 바닥 근처 온도가 천장 근처 온도보다 낮게 형성되기 때문이다. 이 점은 [근거 8]의 설명과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

바닥취출 공조방식에 직접 적용되는 국내 법정 기준은 확인된 자료가 없다. 설계는 일반 공조 설계 기준과 쾌적성 기준을 함께 적용한다. 대표 기준은 다음과 같다.

ASHRAE 55는 1966년에 처음 발행되었고 2004년 이후 3~6년마다 개정되고 있다([근거 3]). 최신판은 2026년에 발행되었다.

일반적인 설계 기준 값으로 바닥 급기 온도차는 상부 방식보다 완화하여 잡는다. 이 값은 설계 도구와 문헌에 따라 달라지므로 프로젝트 조건에 맞춰 정한다.

6. 유형과 비교

바닥취출 공조방식은 취출구 형식, 공기 공급 경로, 공조기 구성에 따라 여러 형태로 나뉜다. 가장 기본적인 구분은 상향 취출(바닥 플리넘에서 거주역으로 공기를 직접 공급하는 방식)과 천장 환기형 방식의 차이이다. 비교표는 두 가지를 제시한다.

위 표처럼 바닥취출은 공급 경로가 바닥 플리넘이라는 점이 천장취출과 근본적으로 다르다. 같은 실내라도 거주역의 공기질과 온열환경이 달라지므로 설계 기준을 따로 잡아야 한다.

바닥취출 방식은 취출구 형식에 따라서도 나뉜다. 흔히 쓰는 취출구는 선회형(swirl), 사각형(square), 선형 바 그릴(linear bar grill) 디퓨저이다. 공기 공급 형태는 중앙 공조기에서 플리넘으로 공급하는 중앙식과 말단에 팬 동력형 유닛을 두는 방식으로 나눌 수 있다.