공조부하·장치부하

왜 배우는가: 공조부하는 냉난방설비 용량, 덕트·배관 치수, 열원기기 선정의 출발점이며 설계 전 과정의 기본이 된다. 시험에서는 실 부하·장치 부하·열원 부하의 구분과 현열·잠열 구분이 여러 회차에 걸쳐 반복해 출제되므로, 각 부하의 정의와 범위를 정확히 구분해 두어야 한다.

출제 이력: 제124회 1교시 6번, 제123회 2교시 6번, 제101회 2교시 3번, 제96회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공조부하는 실내 온습도를 설계조건으로 유지하기 위해 제거하거나 공급해야 하는 열량으로, 실 부하·장치 부하·열원 부하로 단계별 구분한다.

• 공조부하
• 냉방부하
• 난방부하
• 현열
• 잠열
• 실 부하
• 장치 부하
• 열원 부하

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 공조부하는 방을 원하는 온도와 습도로 유지하려면 얼마만큼의 열을 빼거나 넣어야 하는지를 나타내는 값이다. 냉방에서는 실내로 들어오는 열을 제거하는 양이고, 난방에서는 실내가 잃는 열을 보충하는 양이다.

정식 정의로는 공조대상 공간의 설계 실내 온습도 또는 청정도를 유지하기 위해 실내에서 제거하거나 실내로 가해야 할 열량을 공조부하라고 한다. 이 중 제거해야 할 열량을 냉방부하, 공급해야 할 열량을 난방부하라고 한다.

부하는 열의 성질에 따라 현열과 잠열로 나눈다. 현열은 물질의 온도를 변화시키는 열이며 공기의 경우 건구온도 변화로 나타난다. 잠열은 온도 변화 없이 상태(수분 함량)를 바꾸는 열이며 공기의 경우 절대습도 변화로 나타난다. 냉방부하는 두 성분의 합이므로 현열부하와 잠열부하를 따로 계산한 뒤 더한다.

원리 측면에서 공조부하는 열전달 세 방식인 전도, 대류, 복사로 생긴다. 벽체·지붕·유리를 통한 전도와 복사, 틈새바람과 외기 도입에 의한 대류, 사람·조명·기기에서 나오는 발생열이 주된 원인이다. 실내에 들어오는 열은 바로 실내 부하가 되는 부분과 건물 구조체에 잠시 축적됐다가 나중에 방열되는 부분으로 나뉜다. 이 시간 지연 때문에 최대부하 시각이 실제 최대 일사 시각과 다를 수 있다.

이 부하 개념은 세 단계로 확장된다. 실 부하는 실 내부에서 직접 발생·유출입하는 열이고, 장치 부하는 실 부하에 외기부하, 송풍기 동력열, 덕트 침입열을 더해 공조기가 처리하는 열이다. 열원 부하는 여러 계통의 합을 건물 전체 관점에서 다시 보고 배관·펌프 열손실과 축열 영향을 더한 열량이다.

3. 등장 배경과 필요성

실내 환경을 쾌적하게 유지하려는 요구가 커지면서 냉난방 설계가 체계화됐다. 설계자는 건물이 요구하는 열량을 정확히 알아야 냉동기 용량, 보일러 출력, 공조기 크기, 송풍량, 덕트 치수를 정할 수 있다. 부하를 과소 산정하면 실내 온습도를 유지하지 못하고, 과대 산정하면 설비 용량과 초기 투자비, 부분부하 운전 효율이 나빠진다.

부하를 실·장치·열원 단계로 나눈 이유도 여기에 있다. 한 실에 공조기 한 대를 쓰면 실 부하가 곧 장치 부하가 된다. 여러 실을 한 계통으로 묶으면 실마다 최대부하 시각과 소요 송풍 온습도가 다르므로 계통 합계와 장치 부하가 달라진다. 건물 전체로 보면 계통 최대부하가 동시에 발생하지 않으므로 열원 부하는 계통 부하의 단순 합과 다르게 결정된다.

또한 에너지 절약 요구가 높아지면서 부하 산정의 정밀도가 설계 성능과 운전비를 좌우하는 요인이 됐다. 실내에서 발생하는 열과 외기 도입 열의 비중을 구분해야 환기량 조절, 외기 냉방, 열회수 설비 같은 절감 방안을 적절히 검토할 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

공조부하는 실내 열취득을 기준으로 실 부하, 장치부하, 열원부하 세 단계로 나뉜다. 각 단계는 앞 단계 값에 다음 요소가 더해지는 구조다. 설계는 이 순서대로 부하를 계산해 송풍량, 공조기, 열원기기를 차례로 정한다.