냉방부하 계산

왜 배우는가: 냉방부하는 건물의 에어컨 용량과 송풍량, 제습 성능을 정하는 출발점이다. 실내 부하는 용도와 재실 상황에 따라 크게 달라지므로 실무 설계에서 가장 먼저 검토하는 항목이다. 시험에서는 정의, 내부부하 종류, 계산 방법을 묻는 문제가 반복해서 나온다.

출제 이력: 제118회 2교시 6번, 제92회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의

냉방부하는 실내 온도와 습도를 설정값으로 유지하기 위해 공간에서 제거해야 하는 현열과 잠열의 합이다.

핵심 키워드

• 냉방부하
• 현열부하
• 잠열부하
• 열취득
• 내부부하
• 침입열량
• 극간풍

이 용어들은 2절의 개념 풀이와 4절의 구성요소에서 반복된다. 냉방부하를 열취득과 구분해 정의하는 것이 답안의 첫 단계다. 두 용어를 섞어 쓰면 채점에서 개념 이해가 부족하다고 판단된다. 키워드는 답안 본문 안에서 한 번씩 정확한 뜻으로 쓴다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 냉방부하는 방 안에 쌓이는 열을 냉방장치가 매 순간 빼내는 양이다. 사람이 들어와 땀을 흘리고 조명이 켜지고 햇빛이 창을 통과하면 방 안의 열과 수증기가 늘어난다. 냉방장치는 그만큼을 빼내야 실내가 설정 온도와 습도를 유지한다.

정식 정의는 1절의 한 줄 정의와 같다. 실내 공기의 온도와 습도를 일정한 설정값으로 유지하려면 공간에서 제거해야 하는 열량이다. 이 열량은 현열과 잠열로 나뉘어 계산된다.

현열은 온도 변화로 나타나는 열이다. 공기의 온도만 올리거나 내리며, 벽체 전도열, 일사열, 조명과 기기의 발열이 주로 현열이다. 물질의 상태는 변하지 않는다.

잠열은 수증기의 응축이나 증발에 쓰이는 열이다. 상태가 변하므로 온도계로는 그 변화가 보이지 않는다. 사람의 호흡과 발한, 외기에서 들어오는 수증기가 잠열부하를 만든다.

열취득은 열이 공간으로 들어오거나 공간 안에서 생기는 비율이다. 냉방부하와 같은 단위를 쓰지만 뜻이 다르다. 복사열은 벽, 바닥, 가구가 먼저 흡수하고 나중에 대류로 공기에 전달한다. 그래서 열취득과 냉방부하는 시간차를 두고 나타난다.

냉방부하 = 현열부하 + 잠열부하

각 항은 단위 시간당 열량(W 또는 kW)이다. 열취득이 같아도 장치의 단속 운전 때문에 열제거량은 달라질 수 있다. 제어 과정에서 실내 온도가 오르내리는 스윙이 생기기 때문이다. 그래서 순간 냉방부하보다 열제거량을 계산하는 것이 실제 에너지 제거량을 더 잘 보여준다는 견해가 있다.

인체, 조명, 사무기기처럼 동시에 켜지지 않는 부하에는 사용계수를 곱해 다양성을 반영한다. 다양성 계수는 부하가 시간에 따라 같이 최대가 되지 않는다는 점을 보정하는 값이다.

내부부하는 인체, 조명, 사무기기, 식당 장비처럼 실내 자체에서 발생하는 열이다. 외피를 통해 들어오는 침입열량과 구분해 계산표를 나누는 것이 일반적이다. 침입열량은 건물 외부 환경에 의한 열이고, 내부부하는 재실과 설비의 상태에 따라 달라진다.

3. 등장 배경과 필요성

냉방부하 계산이 중요해진 배경은 건물 외피 성능이 높아진 것이다. 단열 기준이 강화되고 기밀성이 좋아지면서 외피를 통한 열 유입이 줄었다. 반대로 내부 발열의 비중은 상대적으로 커졌다. 내부부하를 정확히 산정하지 않으면 실내 과열이나 장치 과대 설계가 생긴다는 지적이 있다.

기후 변화와 도시 열섬 현상으로 여름철 외기 온도가 설계 당시보다 높아지는 경우가 늘었다. 외기 조건을 보수적으로 잡으면 장치가 커지고, 너무 낮게 잡으면 여름철 설정 온도를 맞추지 못한다. 이 균형을 맞추는 도구가 냉방부하 계산이다.

용도별 차이도 크다. 대형 사무실, 학교, 강당처럼 재실 인원과 기기 발열이 많은 건물은 내부부하가 지배적이다. 이런 건물은 외기 영향이 상대적으로 작다. 반대로 외피 면적이 넓은 저층 건물은 침입열량의 비중이 크다. 같은 면적이라도 용도에 따라 계산의 중심이 달라진다.

과대 설계는 초기 투자비를 늘리고 부분부하 운전 효율을 떨어뜨린다. 실내 습도 제어도 나빠진다. 공기를 과하게 냉각한 뒤 다시 가열해야 하는 재열 손실이 생기기 때문이다. 과소 설계는 여름철 실내 온도를 유지하지 못하고 민원과 운영 문제를 만든다.

따라서 냉방부하 계산은 장치 용량, 송풍량, 제습 방식을 함께 정하는 기준이 된다. 이 기준이 없으면 장치를 고르는 근거가 흔들린다.

4. 구성요소·원리·절차

냉방부하는 실내 공간에서 제거해야 하는 열량이다. 구성 요소는 침입열, 내부 발생열, 외기 부하로 나뉜다. 각 요소는 현열과 잠열로 나누어 계산한다.

표의 구성 요소 중 침입열은 외부 조건에 따라, 내부 발생열은 재실과 기기 운전에 따라 달라진다. 외기 부하는 실내 설정 조건을 맞추기 위해 들어오는 외기를 처리하는 열량이다.

열취득과 냉방부하는 같지 않다. 복사열은 먼저 벽, 바닥, 가구 같은 표면에 흡수되고, 표면 온도가 실내 공기보다 높아진 뒤에야 대류로 공기에 전달된다. 따라서 복사에 의한 현열 취득은 시간 지연을 거쳐 냉방부하로 나타난다. 이 시간 지연은 건물 구조와 내부 물질의 열저장·열전달 특성에 따라 정해진다. 잠열 취득은 대부분 즉시 냉방부하가 된다.

벽체와 지붕의 전도 부하는 다음 식으로 구한다.

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

여기서 q는 취득열량(W), U는 열관류율(W/(m²·℃)), A는 면적(m²), \Delta T_e는 상당온도차(℃)다. 상당온도차는 일사와 외기 온도 변화를 하나의 온도차로 환산한 값이다.

극간풍의 현열 부하는 다음 식으로 구한다.

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

여기서 q_s는 현열 부하(W), Q는 극간풍량(m³/h), \Delta t는 외기와 실내의 온도차(K)다. 계수 0.33은 공기의 밀도와 비열을 곱하여 시간 단위를 맞춘 값이다.

냉방부하 계산 절차는 다음과 같다.

• 설계 조건을 정한다. 실내 건구온도와 절대습도, 실외 설계 조건을 기준서에서 가져온다.
• 방위별 외벽, 지붕, 창, 내벽, 바닥의 면적과 열관류율을 정리한다.
• 벽체와 지붕은 상당온도차, 창은 일사 취득을 적용해 시간별 열량을 구한다.
• 극간풍과 외기 풍량에 대해 현열과 잠열을 따로 구한다.
• 재실자, 조명, 기기의 발열량에 사용계수를 곱해 내부 부하를 구한다.
• 각 부하를 합산해 실 부하를 구하고, 장치 부하와 외기 부하를 더해 설계 냉방부하를 정한다.

냉방부하는 실내 조건을 유지하기 위해 제거할 현열과 잠열의 합이다

5. 관련 법령·기준·표준

냉방부하 계산의 설계 기준은 국내 건축설비 설계 기준과 해외 표준으로 나뉜다. 국외에서는 ASHRAE Handbook—Fundamentals가 대표 기준이다. 이 기준은 전이 함수법(TFM), 냉방 부하 온도차·냉방 부하 계수법(CLTD/CLF), 총 등가 온도차·시간 평균법(TETD/TA)을 제시한다. CLTD/CLF는 TFM에서 파생된 방법으로 표준화된 데이터를 써서 계산을 단순하게 한다. TETD/TA는 CLTD/CLF가 나오기 전까지 수계산에 쓰인 방법이다.

계산에 쓰는 기준값은 다음과 같다. 설계 조건은 설계 시점의 기준서에서 확정한다.