공조 에너지절약

왜 배우는가: 공조 에너지절약은 건물 에너지 소비의 큰 부분을 차지하는 공조 설비의 운전 비용과 온실가스 배출을 줄이는 핵심 과제다. 건축계획, 부하, 시스템, 기기, 제어, 유지관리를 종합적으로 다루어야 하므로 기술사 시험에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제131회 3교시 2번, 제120회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

공조 에너지절약은 건축계획, 공조 부하, 시스템·기기, 제어, 유지관리 단계에서 공조에 필요한 에너지 소비를 최소화하는 종합 대책이다.

핵심 키워드

• 공조 에너지절약
• 외피 단열과 기밀
• 공조 부하 저감
• 열원·반송 시스템 효율
• 외기냉방(Economizer)
• 열회수 환기
• 자동 제어
• 유지관리(TAB, 커미셔닝)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 공조 에너지절약은 "필요한 만큼만, 가장 적은 에너지로 공기를 조화시키는 것"이다. 건물은 외부 기후와 내부 발열에 따라 냉난방 부하가 생기고, 이 부하를 처리하는 데 열원·반송·공기처리 설비가 에너지를 쓴다. 따라서 부하를 줄이고, 줄어든 부하를 효율 높은 설비로 처리하며, 설비를 상황에 맞게 운전하는 것이 에너지절약의 기본 방향이다.

정식 정의는 다음과 같다. 공조 에너지절약은 건축물의 외피 성능, 실내외 부하, 공조 시스템의 구성, 기기 효율, 에너지 사용 방식, 자동 제어, 유지관리의 전 단계에서 공조 에너지 소요량을 감소시키는 계획과 기술의 체계를 말한다.

원리는 두 가지다. 첫째, 부하 자체를 줄인다. 외피 열관류율을 낮추고 창의 일사 유입을 제어하며 틈새바람을 줄이면 냉난방 부하가 감소한다. 둘째, 같은 부하를 더 적은 에너지로 처리한다. 고효율 열원기기, 변풍량 반송, 외기냉방, 열회수 환기를 적용하면 공급 에너지량이 줄어든다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 열관류율(U값): 벽체 양측 온도차 1K당 단위 면적을 통과하는 열량이다. 단위는 W/(㎡·K)다.
• 외피면적비: 건축물 체적 또는 연면적에 대한 외피 면적의 비다. 작을수록 열손실이 적다.
• 외기냉방: 중간기나 동계에 실내 엔탈피보다 낮은 외기를 도입해 냉방부하를 줄이는 방식이다.
• 열회수형 환기장치: 배기 공기의 열을 급기 공기와 교환하는 환기장치다.

3. 등장 배경과 필요성

공조 에너지는 건물 전체 에너지 소비에서 큰 비중을 차지한다. 에너지 가격 상승과 기후변화 대응 요구가 커지면서 설계 단계부터 에너지 성능을 관리하는 제도가 도입되었다. 국내에서는 「녹색건축물 조성 지원법」에 따라 건축물의 열손실 방지와 에너지절약 설계가 의무화되어 있다.

필요성은 세 가지 측면에서 설명할 수 있다. 첫째, 경제성이다. 운전비와 설비 용량이 줄어들어 생애주기 비용이 낮아진다. 둘째, 환경성이다. 에너지 사용량이 줄면 온실가스 배출도 준다. 셋째, 쾌적성과 신뢰성이다. 부하 기반 설계와 제어가 맞으면 과냉각·과가열이 줄고 실내 환경이 안정된다.

설계 단계별로 보면 건축 계획은 공조 부하의 크기를 결정하고, 설비 계획은 그 부하를 처리하는 효율을 결정한다. 제어와 유지관리는 설계된 효율이 실제 운전에서 유지되도록 한다. 따라서 에너지절약은 한 가지 기술이 아니라 단계별 대책의 연계로 이루어진다.

다만 설계 기준이 있는 항목과 운전 기술로 얻는 효과는 구분해서 본다. 기준이 있는 항목은 법정 최소 성능으로 관리하고, 운전 최적화는 실측 데이터로 검증한다.

4. 구성요소·원리·절차

공조 에너지절약은 건물의 외피·공조기기·제어·운용을 하나의 흐름으로 보고, 열이 새는 곳을 막고 불필요한 열을 줄이는 방향으로 설계한다. 구성요소는 외피 단열·기밀, 공조 부하 저감, 열원·반송 효율, 제어, 유지관리 다섯 축으로 나눠 본다.

표의 각 구성요소는 설계 단계에서 먼저 부하를 줄이고, 그 뒤에 기기와 제어로 효율을 올리는 순서로 적용한다. 부하를 줄이지 않은 상태에서 고효율 기기만 쓰면 에너지 절감 폭이 작다. 외피 열관류율과 기밀은 부하의 크기를 결정하므로 가장 앞선 항목이다.

원리는 다음 두 가지다. 첫째, 공조 에너지는 외피를 통한 전도·대류·복사 열이동과 극간풍, 외기 도입에 따른 현열·잠열 부하의 합으로 결정된다. 둘째, 기기의 에너지 소비는 부하율과 효율의 함수이므로 부분부하 운전에서 효율이 좋은 방식을 택해야 한다. 여기서 효율은 공급 에너지에 대한 출력 유효에너지의 비다.

절차는 다음과 같다.

• 건물 외피 성능을 정하고 열관류율·기밀 기준을 만족시킨다.
• 외기 도입량과 환기량을 실제 필요량으로 산정한다.
• 조닝과 운전 시간을 사용 스케줄에 맞춘다.
• 열원·반송 기기를 대수분할 및 가변속 운전이 가능하게 선정한다.
• 열회수 장치와 외기냉방(이코노마이저시스템)을 적용해 중간기 부하를 줄인다.
• 제어 로직을 설계하고 커미셔닝으로 성능을 확인한다.

이 흐름을 나타내면 다음과 같다.

공조 부하 계산의 기본 식은 외피 전도 부하를 대표하는 식으로 다음과 같다.

$Q = K \cdot A \cdot \Delta T$

여기서 Q는 전열량(W), K는 열관류율(W/㎡·K), A는 외피 면적(㎡), \Delta T는 실내외 온도차(K)다. 외피 면적을 줄이거나 열관류율을 낮추면 부하가 비례해 감소한다.

외기 도입에 따른 현열 부하는 다음과 같다.

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

여기서 Q_s는 현열 부하(W), V는 외기량(㎥/h), \Delta t는 외기와 실내 온도차(℃)다. 외기량을 필요 최소로 줄이는 것이 가장 직접적인 절감 수단이다.

5. 관련 법령·기준·표준

건물 에너지절약의 법적 기준은 「녹색건축물 조성 지원법」에 근거한 「건축물의 에너지절약설계기준」이다. 이 기준은 열손실 방지, 기계설비, 전기설비, 신·재생에너지 설비 부문으로 나뉘며, 설계자는 의무사항을 반드시 따르고 권장사항은 선택적으로 채택한다. 아래 표는 본 절에서 다루는 기준값을 모은 것이다.

열관류율 세부 값은 지역·부위별 별표1에 따르며, 본 표에는 핵심 값만 옮겼다. 설계 조건의 위험률은 설비 용량 계산의 기준이 되므로 외기 조건 선정 시 함께 적용한다.