공조설비 기본설계

왜 배우는가: 공조설비 기본설계는 건축 계획 초기에 열원·반송·공조 방식과 기계실·샤프트 위치를 정하는 단계로, 이후 실시설계와 시공 비용·에너지 성능을 좌우한다. 시험에서는 설계 절차와 검토 항목을 묻는 형태로 반복 출제된다.

출제 이력: 제124회 4교시 2번, 제117회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공조설비 기본설계는 건물의 공조 목표와 조건을 정하고, 열원·반송·공조 방식과 기계실·공조실·샤프트의 위치와 크기를 결정하여 기본계획서로 정리하는 설계 단계이다.

핵심 키워드

• 공조설비 기본설계: 설계 초기 단계에서 공조 방식의 골격을 정하는 업무
• 건축협의: 건축 평면·층고·샤프트 위치를 기계설비와 맞추는 협의
• 사전조사: 기후·부하·건물 용도·법규 조건을 수집하는 단계
• 시스템 구상: 열원·반송·공조 방식을 비교하여 선택하는 단계
• 기계실·공조실 계획: 장비 배치와 유지보수 공간을 정하는 단계
• 샤프트 계획: 덕트·배관이 수직으로 통과하는 공간의 크기와 위치를 정하는 단계
• 에너지절약 계획: 「건축물의 에너지절약설계기준」에 맞춘 설계 방향
• 기본계획서: 위 결정 사항을 문서로 정리한 최종 산출물

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 공조설비 기본설계는 "어떤 방식으로 냉난방과 환기를 할지 큰 틀을 정하는 일"이다. 건물이 완성된 뒤에는 기계실 위치나 샤프트 크기를 바꾸기 어렵기 때문에, 설계 초기에 건축과 함께 정해야 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 공조설비 기본설계는 건축물의 용도, 규모, 부하 특성, 법규 조건을 조사한 뒤 열원설비, 반송설비, 공조설비의 방식을 선정하고, 이를 설치할 기계실과 공조실·샤프트의 위치와 면적을 정하여 기본계획서로 작성하는 단계이다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

• 열원설비: 냉열원(냉동기, 흡수식 냉온수기 등)과 온열원(보일러 등)을 만드는 설비이다. 열원 방식은 건물 규모와 에너지원 조건으로 정한다.
• 반송설비: 열매(냉온수, 공기)를 건물 내부로 이송하는 설비이다. 공기 반송은 덕트, 수 반송은 배관과 펌프로 이루어진다.
• 공조설비: 공기를 처리하여 실내 온습도와 청정도를 맞추는 설비이다. 공기조화기(AHU)와 팬코일 유닛 등이 여기에 속한다.
• 중앙식 공조방식: 기계실 또는 공조실에 열원과 공기조화기를 두고 반송계통으로 실에 공기를 공급하는 방식이다. 「건축물의 에너지절약설계기준」은 이를 정의하고 있다.
• 기계실: 열원기기와 펌프 등을 설치하는 실이다.
• 샤프트: 덕트와 배관이 층을 관통하는 수직 공간이다.

3. 등장 배경과 필요성

건물 설계가 진행되면서 건축 계획이 먼저 확정되고 설비가 뒤따르면, 기계실이나 샤프트 공간이 부족하여 설계 변경과 공사비 증가가 생긴다. 기본설계 단계에서 건축과 협의하면 이런 문제를 줄일 수 있다.

에너지 측면에서도 필요성이 커졌다. 「건축물의 에너지절약설계기준」은 열손실 방지와 에너지 효율을 의무사항으로 두고 있으며, 설비 방식 선정 단계에서 이 기준을 반영해야 한다. 기준은 기계부문에서 설계용 외기조건을 위험률 기준으로 정하도록 하고 있어, 기본설계에서 부하 산정의 출발 조건을 명확히 할 필요가 있다.

또한 초고층 건물처럼 설비 규모가 큰 경우, 열원과 반송 방식을 어떻게 나눌지가 경제성과 운전 편의성을 함께 좌우한다. 실제 사례로 대형 주거 건축물은 세대 공조와 공용부 공조를 방식별로 나누어 계획하는 경우가 많다. 이처럼 설비 방식의 큰 틀을 정하는 것이 기본설계의 역할이다.

다음 절에서는 기본설계의 구성요소와 절차를 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

공조설비 기본설계는 열원, 반송, 공조기, 환기, 제어 설비를 하나의 시스템으로 묶는 단계다. 구성요소별 역할과 설계 순서를 먼저 정해야 뒤의 상세설계와 장비 선정이 흐트러지지 않는다.

각 설비의 역할은 서로 연결된다. 열원이 만든 냉온수는 반송설비로 공조기에 전달되고, 공조기는 실내 부하를 처리한다. 따라서 기본설계는 부하를 먼저 정하고 그 부하를 처리할 설비 용량을 역순으로 정하는 방식으로 진행한다.

설계 원리는 부하 처리의 분산과 집중의 선택이다. 중앙집중식 공조방식은 열원과 공조기를 기계실이나 공조실에 모아 관리 효율을 높인다. 반면 개별방식은 실별 제어가 쉽지만 유지관리 지점이 많아진다. 기본설계에서는 건물 용도, 사용 시간, 에너지 목표를 기준으로 방식을 고른다.

기본설계 절차는 다음과 같다.

• 설계 조건 설정: 실내 목표 온습도, 외기 설계조건, 재실 밀도를 정한다.
• 부하 산정: 냉난방 부하와 환기 부하를 산정한다.
• 열원방식 선정: 열원 종류와 용량, 대수분할 계획을 정한다.
• 반송방식 결정: 수배관 방식과 덕트 계통을 나눈다.
• 공조기 구성: 공조기 대수, 외기 도입 방식, 열회수 장치를 정한다.
• 에너지절약 계획: 이코노마이저, 가변풍량, 비례제어 등을 검토한다.
• 기계실·공조실 위치 확정과 기본계획서 작성.

계산의 기본 관계식은 다음과 같다.

$Q = \dot{m} \cdot c_p \cdot \Delta t$

여기서 Q는 열량(kW), \dot{m}은 공기 질량유량(kg/s), c_p는 공기 정압비열(약 1.006 kJ/kg·K), \Delta t는 공기 온도차(K)다. 같은 식으로 냉수 측 열량도 구하며, 열원 용량은 최대 부하에 여유율을 더해 정한다.

중요 원칙은 부하의 최대값만 보지 않고 부분부하 운전 효율까지 함께 보는 것이다. 대수분할을 두면 부하가 낮을 때 열원기 일부만 운전해 에너지를 줄인다.

도식 1: 기본설계 흐름

도식 2: 구성 연결

5. 관련 법령·기준·표준

공조설비 기본설계의 에너지 기준은 「건축물의 에너지절약설계기준」이 정한다. 이 기준은 「녹색건축물 조성 지원법」에 근거하며, 기계설비부문의 설계 기준을 제8조 이하에 둔다.

제8조 설계용 외기조건은 난방과 냉방설비 용량 계산의 기준이며, 위험률 방식 대신 별표7에서 정한 외기온·습도를 사용할 수도 있다. 위험률은 냉방기와 난방기를 분리한 온도출현분포를 쓸 때 2.5%, 연간 총시간 분포를 쓸 때 1%다. 별표7 외 지역은 가장 유사한 기후 지역의 값을 쓴다.

「건축물의 에너지절약설계기준」 제5조는 중앙식 공조방식과 중앙집중식 냉난방설비를 정의한다. 이 정의는 기본설계에서 방식을 정하는 근거가 된다.

개정 연혁으로는 해당 기준의 용어 정의가 최근 개정에서 기후에너지환경부 관련 규정을 반영하도록 바뀌었다. 기계설비 기준의 세부 수치는 개정마다 달라질 수 있어 설계 시점의 현행 기준을 적용한다.

한편 기본설계의 행정 절차는 「공기업·준정부기관 총사업비관리지침」과 「건설공사 용역관리지침」 제9조가 정한다. 기본설계는 기본계획 결과를 반영하고, 시공성·경제성·유지관리·안정성을 검토해 최종안을 정하도록 규정한다.