공조 시스템 계획

왜 배우는가: 공기조화 시스템 계획은 건물 용도, 에너지 성능, 유지관리성을 동시에 만족시키는 설계 판단의 출발점이다. 계획 단계에서 정한 방식이 이후 설비 용량, 에너지 사용량, 운전 편의성을 좌우하므로 실무에서 가장 영향력이 크다. 기술사 시험에서는 단계별 고려사항, 용도별 차이, 에너지 절약 전략을 묻는 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제136회 2교시 5번, 제125회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공기조화 시스템 계획은 건물의 용도와 부하 조건, 에너지 성능, 유지관리성을 함께 고려하여 공조 방식과 설비 용량을 단계별로 정하는 설계 과정이다.

핵심 키워드

• 공기조화 시스템 계획
• 설계용 실내온도
• 부하 계산
• 현열비
• 외기도입량
• 부분부하 운전 효율
• 에너지성능지표
• 유지관리성

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 건물 안의 온도와 습도, 공기 질을 목표 수준으로 유지하기 위해 어떤 방식의 공조기와 열원, 덕트를 쓸지 미리 정하는 일이다. 설계 순서가 정해져 있어서 앞 단계의 결과가 다음 단계의 입력이 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 공기조화 시스템 계획은 실의 부하 특성을 파악하고, 그에 맞춰 열원 방식, 공조 방식, 반송 방식, 제어 방식을 선정하여 설비 용량과 운전 방법을 결정하는 설계 절차이다.

핵심 용어 풀이

부하 계산은 실내에 들어오거나 나가는 열량을 실별로 구하는 작업이다. 냉방 부하와 난방 부하를 구분하여 계산하며, 설비 용량 선정의 근거가 된다.

현열비(sensible heat ratio)는 전열부하 중 온도 변화에 쓰이는 현열의 비율이다. 현열비에 따라 공급 공기의 온도와 송풍량이 결정된다.

외기도입량은 실내 공기질 유지를 위해 외부에서 받아들이는 공기량이다. 재실자 1인당 필요 환기량과 실 면적당 오염물질 발생량을 함께 고려하여 정한다.

부분부하 운전 효율은 설비가 정격 용량보다 낮은 부하에서 운전할 때의 효율이다. 건물의 실제 운전 시간은 대부분 부분부하이므로 이 값이 에너지 성능에 크게 영향을 준다.

에너지성능지표는 건축물의 에너지 설계 적합성을 점수로 평가하는 제도 기준이다. 「건축물의 에너지절약설계기준」에서 기계설비 항목의 배점으로 판정한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기에는 설계자의 경험에 따라 설비 용량을 크게 잡는 경우가 많았다. 용량이 과다하면 초기 투자비와 운전비가 함께 늘고, 부분부하에서 효율이 떨어진다. 반대로 용량이 부족하면 쾌적성이 확보되지 않는다. 이 문제를 해결하려고 부하 계산과 용량 산정을 체계화하는 절차가 필요해졌다.

에너지 가격 상승과 온실가스 감축 요구가 커지면서 설계 단계에서 에너지 성능을 평가하는 제도가 도입되었다. 「건축물의 에너지절약설계기준」은 설계용 실내온도와 외기조건을 정하고, 열원·공조·반송·제어 설비별로 권장사항과 의무사항을 나눠 규정한다. 설계용 실내온도는 난방 20℃, 냉방 28℃를 기준으로 하되 설비 용량이 과다해지지 않도록 용도별 범위를 참고하라고 규정하고 있다.

또 건물이 대형화되고 용도가 복합화되면서 병원, 극장, 학교처럼 요구 조건이 다른 건물을 같은 방식으로 설계하기 어려워졌다. 용도별 필요 환기량, 재실 밀도, 운전 시간을 먼저 파악하는 계획 절차가 필수가 되었다. 유지관리성도 같은 시기에 중요해졌다. 설비가 복잡할수록 운전자가 제어 방식을 이해하고 점검할 수 있어야 실제 성능이 유지되기 때문이다.

이런 배경에서 공기조화 시스템 계획은 부하, 에너지, 운영을 하나의 흐름으로 묶는 설계 단계로 자리 잡았다. 답안에서는 이 흐름을 단계별 절차로 보여 주는 것이 중요하다.

4. 구성요소·원리·절차

공조 시스템은 열원설비, 반송설비, 공조기(AHU), 환기설비, 자동제어설비의 다섯 요소로 나눠 계획한다. 각 요소가 부하를 만들고 나르고 조절하는 방식을 먼저 정하고, 설비 용량은 그 다음에 맞춘다. 요소마다 계획 단계에서 판단하는 기준이 다르다.

열원은 부분부하 효율이 높은 기기를 골라 대수분할로 운전해야 한다. 반송 펌프와 공조기 팬은 부하에 따라 풍량과 유량을 줄일 수 있어야 반송 동력이 줄어든다.

공조 설비의 원리는 부하 계산에서 출발한다. 실의 부하를 현열과 잠열로 나누고, 현열비(SHF, Sensible Heat Factor)로 급기의 온도와 풍량을 정한다. 다음은 환기에 필요한 외기도입량으로 외기와 환기의 혼합 상태를 정하고, 목표 급기 상태를 만들기 위한 가열·냉각·가습·감습량을 계산한다.

$SHF = \frac{q_s}{q_s + q_L}$

q_s는 현열부하(kW), q_L은 잠열부하(kW)다. SHF가 클수록 현열 위주의 공간이므로 급기 온도차를 크게 잡아 풍량을 줄일 수 있다.

$T_m = \frac{G_o T_o + G_r T_r}{G_o + G_r}$

T_m은 혼합공기 온도(℃), G_o와 G_r은 외기와 환기의 풍량(같은 단위), T_o와 T_r은 각각의 온도(℃)다. 외기 댐퍼 개도를 바꾸면 T_m이 바뀌므로 외기냉방과 최소 외기량 확보를 함께 검토한다.

계획 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 실별 설계 조건과 재실 밀도, 발열원을 정하고 부하를 계산한다.
• 부하로 SHF를 구하고 급기 상태와 송풍량을 정한다.
• 외기도입량을 정하고 혼합 상태와 댐퍼 제어 방식을 정한다.
• 공조 존(zone)을 나누고 존별 온도조절 방식을 정한다.
• 열원 용량과 반송 방식을 정하고 부분부하 운전 전략을 붙인다.
• 자동제어와 TAB·커미셔닝 계획으로 설계 성능을 검증한다.

부하 계산 후 공조 방식, 열원, 반송, 공조기 순으로 용량을 정한다

흐름도의 마지막 화살표는 검증 결과를 부하 계산에 되돌리는 과정이다. 제어와 TAB에서 성능이 맞지 않으면 부하와 용량을 다시 계산한다.

5. 관련 법령·기준·표준

공조 계획의 수치 기준은 「건축물의 에너지절약설계기준」이 주로 정한다. 이 기준은 기계부문 의무사항(제8조)과 권장사항(제9조), 전기부문 의무사항(제10조)을 나누고, 제15조에서 에너지성능지표 평점과 기계부문 필수 항목을 판정한다. 설계 용량 산정에는 외기 설계조건과 실내 설계온도를 먼저 정한다.