기간·최대열부하 계산법

왜 배우는가: 기간열부하계산법과 최대열부하계산법은 공조설비 용량을 정하는 설계용 부하와, 연간 에너지 소비를 추정하는 해석용 부하를 구분하는 기초 개념이다. 두 방법의 차이를 알아야 설계 목적에 맞는 계산법을 고를 수 있으며, 기술사 시험에서 1교시 용어와 2~4교시 논술에 반복해서 나온다.

출제 이력: 제113회 1교시 13번, 제90회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

최대열부하계산법은 하루 중 부하가 최대가 되는 시각의 열량을 구해 설비 용량을 정하는 방법이고, 기간열부하계산법은 1년 또는 일정 기간의 모든 시각 부하를 계산해 연간 에너지 소비량을 구하는 방법이다.

• 최대열부하(Peak Load)
• 기간열부하(Periodic Load)
• 설계용 부하(Design Load)
• 동적열부하 계산법(Dynamic Load Calculation)
• 연간 에너지 소비량(Annual Energy Consumption)
• 냉난방도일(Degree-Day)
• 축열계수법(Thermal Storage Factor Method)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 최대열부하는 "가장 더운 시각 또는 가장 추운 시각에 설비가 얼마나 일해야 하는가"를 묻는 계산이다. 기간열부하는 "한 해 동안 설비가 전체적으로 얼마나 일하는가"를 묻는 계산이다.

공조부하는 실내의 설계 온습도나 청정도를 유지하기 위해 제거하거나 공급해야 하는 열량이다. 냉방을 위해 제거하는 열량을 냉방부하, 난방을 위해 공급하는 열량을 난방부하라 한다.

최대열부하계산법(Peak Load Design)은 건물 부하가 하루 중 최대가 되는 시각(Peak Hour)을 골라 열량을 계산한다. 이 계산은 종래의 부하계산이라 부르며, 일반적으로 수(手)계산으로 수행한다. 계산 결과는 공조기, 냉동기, 보일러, 덕트, 배관의 용량과 치수를 정하는 데 쓰인다.

기간열부하계산법(Periodic Load Calculation)은 1년 또는 일정 기간의 모든 시각에 대해 부하를 계산한다. 계산량이 방대하여 전자계산기를 이용해야 한다. 대신 시간별 부하와 운전 패턴을 반영하므로 연간 에너지 소비량을 더 정확하게 구할 수 있다.

동적열부하(Dynamic Load)는 외기온도, 일사, 건물 구조체의 축열이 시간에 따라 변하는 것을 반영한 부하이다. 기간열부하계산에서 핵심이 되는 개념이다.

열부하의 구성은 취득열량, 실내열부하, 제거열량, 외기부하, 공조기부하, 열원부하 순서로 커진다. 취득열량은 실내로 들어오는 열이고, 실내열부하는 실내를 일정 온습도로 유지하기 위해 제거하거나 가해야 하는 열이다. 열원부하는 배관과 펌프의 손실까지 더한 냉동기 증발기 제거열량 또는 보일러 출력이다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 공조설계는 설비 용량 결정이 가장 중요했다. 설비가 부하보다 작으면 실내 온습도를 유지할 수 없고, 크면 초기 투자비와 부분부하 효율이 나빠진다. 이 때문에 가장 가혹한 조건의 한 시각을 골라 계산하는 최대열부하계산법이 널리 쓰였다.

이후 건물 에너지 절약 요구가 커지면서 설비 용량뿐 아니라 연간 에너지 소비를 예측할 필요가 생겼다. 최대부하 한 시각만으로는 부분부하 운전 시간과 야간 운전 효과를 알 수 없다. 이에 따라 1년 동안의 모든 시각 부하를 계산하는 기간열부하계산법이 연구되고 실용화되었다.

기간열부하계산에는 다음과 같은 방법이 쓰인다. 동적열부하 계산법, 전 부하상당 시간법, 냉난방도일법, 확장도일법, 감도해석에 의한 효과추정법, 온도계급별 출현빈도표 방법, 축열계수법 등이다.

현재 ASHRAE는 최대냉방부하 계산법으로 TETD/TA, TFM, CLTD/SCL/CLF, 열평형법(HBM), 복사시계열법(RTSM) 다섯 가지를 제시하고 있다. 이 중 열평형법과 복사시계열법을 권장한다. 이 흐름은 설계용 최대부하 계산의 정밀도를 높이려는 방향이다.

난방부하는 냉방부하보다 구성 요소가 단순하다. 일사와 조명, 재실자 발열을 일반적으로 무시하고 시각별 계산도 필요하지 않다. 다만 조명과 재실자 발열이 큰 건물에서는 이를 반영해야 기기 용량 과대를 막을 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

공조부하는 실내로 들어오거나 실내에서 나가는 열을 항목별로 나눠 더해 구한다. 항목은 실내 발열, 외피 취득, 외기·극간풍의 세 묶음으로 나뉜다. 최대부하 계산은 이 항목들을 피크 시각과 설계 외기조건에서 한 번 계산한다. 기간열부하 계산은 같은 항목을 시간마다 계산해 기간 전체를 적산한다.

위 표의 각 항목은 설명 문장 두 개로 이해한다. 외피 취득은 전도와 일사가 섞여 있어 구조체 축열을 따로 본다. 외기·극간풍은 온도뿐 아니라 습도 변화에 따른 잠열 부하를 함께 계산한다. 실내 발열은 재실자와 기기 가동 패턴에 따라 시각별 값이 크게 달라진다.

열은 전도·대류·복사로 전달된다. 외피를 통한 전도열은 열관류율 U, 면적 A, 상당 온도차 \Delta t_e로 계산한다.

$q = U \cdot A \cdot \Delta t_e$

여기서 q는 취득열량(W), U는 열관류율(W/㎡·K), A는 면적(㎡), \Delta t_e는 상당 온도차(K)다. 복사 성분은 구조체 표면에 흡수된 뒤 서서히 실내로 방열되므로 피크 시각이 늦춰진다.

외기·극간풍의 현열부하는 다음 식으로 구한다.

$Q_s = 0.33 \cdot Q \cdot \Delta t$

Q_s는 현열부하(W), Q는 풍량(㎥/h), \Delta t는 실내외 온도차(K)다. 상수 0.33은 공기 밀도와 정압비열을 시간 단위로 환산한 값이다. 잠열부하는 Q_L = r \cdot \rho \cdot Q \cdot \Delta x로 쓰며, r은 증발잠열, \rho는 공기 밀도, \Delta x는 절대습도차다. 현열과 잠열을 합한 것이 실의 전열부하이고, 두 값을 따로 구해야 공조기 제습 용량과 현열비를 정할 수 있다.

부하계산 절차는 다음과 같다.

• 실내 설계 온습도와 청정도 조건을 정한다.
• 설계 외기조건을 정하고 피크 시각을 정한다. 최대부하 계산에서는 이 시각의 조건을 쓴다.
• 외피별 취득열량을 전도와 일사로 나눠 계산한다.
• 외기 도입량과 극간풍의 현열·잠열을 계산한다.
• 인체·조명·기기의 발열을 현열과 잠열로 나눠 더한다.
• 실 부하를 합산하고 공조기·열원 부하를 구한다.
• 기간열부하가 필요하면 같은 절차를 시간마다 반복해 적산한다.

최대부하 계산은 설계 조건을 한 번 넣는 정적 계산이라 수계산으로도 가능하다. 기간열부하 계산은 8,760시간의 기상자료를 넣는 동적 계산이라 전산 프로그램이 필요하다. 두 방법의 차이는 6절에서 비교한다.

5. 관련 법령·기준·표준

부하계산의 설계 조건은 기준 문헌과 법령에서 가져온다. ASHRAE Fundamentals가 외기 설계온도의 대표 출처다. 국내에서는 건축물의 에너지절약설계기준이 건물 에너지 계산의 근거가 된다. 다만 이 기준은 연간 에너지 소비량 산정의 틀이고 기기 용량 계산식을 직접 주지 않는다.

위 표에서 ASHRAE 방법은 같은 건물에 적용해도 결과가 다르다. HBM은 가장 정확하고 RTSM과 함께 ASHRAE가 권장한다. 열병합 에너지효율 기준은 집단에너지 설비의 열과 전기 생산 효율을 정하는 값이라 건물 부하 계산에는 쓰지 않는다.