고성능 칠드빔

왜 배우는가: 고효율 칠드빔은 공기 반송 에너지를 줄이면서 냉난방을 처리하는 방식이라 건물 에너지 절감 설계에서 자주 검토된다. 공조 기술사 시험에서는 우리나라 기후와 연계한 적용 배경, 구조 특성, 제어 방법을 묻는 형태로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제124회 2교시 1번, 제121회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의:

고성능 칠드빔은 냉온수를 빔(beam) 내부 열교환기에 공급하여 실내 공기를 현열로 처리하고, 소량의 1차 외기를 노즐로 취출하여 환기와 냉난방을 분리하는 공조 방식이다.

핵심 키워드

• 칠드빔(Chilled Beam)
• 고성능 칠드빔(High Performance Chilled Beam)
• 액티브 칠드빔(Active Chilled Beam)
• 패시브 칠드빔(Passive Chilled Beam)
• 현열 처리(Sensible Heat Removal)
• 1차 공기(Primary Air)
• 이슬점 제어(Dew Point Control)
• 환기·냉난방 분리(Decoupling)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 천장에 매달린 빔 안에 찬물이 흐르는 코일을 두고 실내 공기가 그 코일 위로 자연스럽게 내려오거나 올라가며 식혀지는 방식이다. 빔 안에 송풍기가 없거나 있어도 아주 작아서 소음과 반송 동력이 적다.

정식 정의는 다음과 같다. 칠드빔은 실내 천장 등에 설치되어 냉수 또는 온수를 열매로 하는 냉온 코일을 내장한 말단 장치다. 실내 공기는 코일 표면과 접촉하여 자연대류로 냉난방되고, 필요한 외기는 별도의 1차 공기 덕트로 공급되어 액티브형은 이 1차 공기의 유동으로 2차 공기(실내 공기)를 유인한다.

핵심 용어 풀이

현열 처리는 습도 변화 없이 온도만 바꾸는 열처리다. 칠드빔의 냉각 코일은 표면 온도가 실내 노점 온도 이상이 되도록 운전해야 응축이 생기지 않는다.

1차 공기는 외기 처리장치(DOAS 방식 등)에서 제습·가열·냉각되어 공급되는 공기다. 칠드빔에서 1차 공기는 환기량과 잠열 부하를 담당하고, 현열 부하는 수배관 쪽이 맡는다.

고성능(High Performance) 칠드빔은 코일 전열 면적과 노즐 설계를 개선하여 같은 열량을 더 높은 수온과 낮은 풍량으로 처리하는 형식을 가리킨다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 정풍량 또는 변풍량 공조 방식은 덕트를 통해 많은 공기를 반송한다. 송풍기 동력이 크고 덕트 공간이 넓어 층고와 건물 높이에 부담이 된다. 건물의 현열 부하는 크고 잠열 부하는 상대적으로 작은 경우가 많아 공기로 모든 부하를 처리하는 것은 비효율적이다.

우리나라는 여름철 고온다습하고 겨울철 난방 부하가 큰 기후이므로, 외기 제습을 별도로 처리하고 실내 현열은 수배관으로 처리하는 방식이 검토되었다. 여기에 고효율 냉동기와 열회수 설비를 결합하면 반송 에너지와 열원 에너지를 함께 줄일 수 있다.

또한 공동주택과 업무시설에서 실내 소음 기준과 쾌적성 요구가 높아지면서, 저소음 말단 장치인 칠드빔의 적용 필요성이 커졌다. 그러나 여름철 결로 위험과 천장 내부 습도 관리가 설계의 핵心 과제가 된다.

냉수 온도 17~18℃ 이상 운전 같은 수치는 설계 조건과 제어 방식에 따라 달라지므로 본 절의 기준으로 쓰지 않는다.

4. 구성요소·원리·절차

고성능 칠드빔 수배관 시스템은 천장에 설치한 칠드빔 유닛으로 실내 현열 부하를 처리하고, 외기 도입과 잠열 부하는 1차 공기 처리기가 담당한다. 냉열은 공기 대신 물로 운반하므로 송풍량과 반송 동력이 줄어든다. 수배관 시스템은 냉수 공급 온도를 실내 노점온도보다 높게 유지하는 것이 핵심이다.

칠드빔의 원리는 냉수 코일 표면과 실내 공기의 온도차에 의한 자연 대류와, 1차 공기 노즐에서 나오는 공기의 유인 효과에 의한 강제 대류를 함께 쓰는 것이다. 코일 표면 온도가 실내 노점온도보다 낮으면 천장면에 결로가 생기므로 냉수 공급 온도는 실내 노점온도보다 높게 유지해야 한다. 이 조건 때문에 외기 처리기에서 실내 잠열을 미리 제거해 노점을 낮추는 구조가 필요하다.

절차는 다음 순서로 진행한다.

• 실내 설계 온·습도를 정하고 현열 부하와 잠열 부하를 구한다.
• 외기 처리기에서 외기 잠열을 처리하고 실내 노점온도를 구한다.
• 냉수 공급 온도를 노점온도보다 높게 정한다.
• 현열 부하를 기준으로 칠드빔 유닛의 용량과 수량을 선정한다.
• 수배관 유량과 압력손실을 계산해 펌프와 밸브를 선정한다.
• 노점 센서와 연동해 응축 우려 시 냉수 밸브를 닫는다.

냉수 유량은 다음 식으로 구한다.

$Q = \dot{m}\,c_p\,(t_2 - t_1)$

Q: 냉방 열량(kW), \dot{m}: 냉수 질량 유량(kg/s), c_p: 물의 정압 비열(4.19 kJ/(kg·K)), t_1, t_2: 냉수 입구·출구 온도(℃). 물 유량은 열량을 수온차로 나눈 값이므로 수온차를 크게 잡을수록 유량이 줄어 배관 지름과 펌프 동력이 작아진다.

5. 관련 법령·기준·표준

칠드빔 설비 자체를 규정한 법령은 없다. 수배관 칠드빔의 결로 방지 성능을 직접 다루는 기준으로는 공동주택 결로 방지를 위한 설계기준(국토교통부 고시)이 있다. 이 기준은 공동주택 세대 내 출입문, 벽체접합부, 창의 결로 방지 성능을 온도차이비율(TDR, Temperature Difference Ratio)로 평가한다. 온도차이비율은 실내와 실외의 온도차에 대한 실내와 적용 부위 실내표면의 온도차의 비율이며, 단위가 없고 0~1 사이의 값으로 산정한다. 칠드빔 천장면의 결로 판단 원리도 같은 개념에 기반하므로 설계 시 함께 참고한다.

기준 수치는 다음과 같다.

위 표의 실내 조건은 결로 성능 판단용 표준값이며 실제 설계 실내 온도와 다를 수 있다. 실내 조건이 바뀌면 노점온도도 바뀌므로 냉수 설정 온도를 다시 계산해야 한다. 설계기준은 3년마다 타당성을 검토하도록 정하고 있다(제10조).

수배관 칠드빔의 수온과 노점 관계는 법령 수치가 아니라 열전달 원리로 판단한다. 따라서 칠드빔 냉수 온도 설정값은 특정 법정 수치로 제시하지 않고 노점 계산 결과에 따른 값으로 쓴다.

6. 유형과 비교

고성능 칠드빔은 냉수를 이용해 실내 현열부하를 처리하는 방식이라 구조에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 가장 먼저 구분할 것은 공기 공급 여부다. 패시브 칠드빔(Passive Chilled Beam) 은 공기를 공급하지 않고 천장 쪽 열교환기와 자연대류로 냉방한다. 액티브 칠드빔(Active Chilled Beam) 은 1차 공기를 노즐로 불어 넣어 2차 공기(실내 공기)를 유인하고, 그 공기가 냉수 코일을 지나며 냉각된다.