난방부하

왜 배우는가: 난방부하를 정확히 구해야 보일러·공조기 용량을 맞추고, 실내 온습도와 결로를 함께 관리할 수 있다. 시험에서는 손실 항목별 계산과 현열·잠열 구분을 묻는 문제로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제124회 2교시 6번, 제114회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 난방부하는 겨울철 실내 손실을 보상해 설계 실내 온습도를 유지하는 데 필요한 공급 열량이다.

핵심 키워드: 난방부하, 손실열량, 열관류율, 극간풍, 외기 도입 부하, 현열, 잠열, 가습 부하

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 겨울에 건물 안에서 빠져나가는 열과 바깥 찬 공기를 데워 들여오는 데 드는 열을 모두 더한 값이다. 이 값만큼 난방설비가 실내에 열을 넣어야 실내가 설계 온도에 머문다.

정식 정의는 다음과 같다. 난방부하는 동절기 설계 실외조건과 설계 실내조건의 차이에서 생기는 건물의 열 손실과 습도 보상에 필요한 열량의 합이다. 공조 설계에서는 이를 실내를 일정 상태로 유지하기 위해 공급해야 하는 열량으로 본다.

난방부하는 우선 현열(sensible heat) 부하와 잠열(latent heat) 부하로 나뉜다. 현열은 공기의 온도만 바꾸는 열이고, 잠열은 수증기의 양, 즉 절대습도를 바꾸는 열이다. 잠열은 온도 변화 없이 상태가 바뀔 때 출입하는 열이며, 난방에서는 외기를 실내 습도까지 맞추는 가습 과정이 잠열 부하를 만든다.

현열 부하는 실내외 온도차에 비례한다. 외벽, 창, 문, 지붕, 바닥 같은 구조체를 통한 전도 손실이 대표적이다. 구조체의 열관류율(U값, 단위 W/(m²·℃))에 면적과 온도차를 곱해 계산한다.

잠열 부하는 실내외 절대습도 차이에서 생긴다. 외기 절대습도가 실내보다 낮으므로, 외기를 들이면 실내 습도를 맞추기 위해 수증기를 더 공급해야 한다. 수증기 1kg을 공급할 때 필요한 열은 0℃ 수증기의 잠열인 2501kJ/kg을 기준으로 잡는다.

3. 등장 배경과 필요성

겨울에는 실내외 온도차가 커서 건물 외피를 통한 열 손실이 크게 나타난다. 이 손실을 정확히 예측하지 못하면 난방설비 용량이 부족해지고, 실내가 설계 온도에 도달하지 못한다. 실내 표면 온도가 낮아지면 결로와 곰팡이 문제도 생긴다.

반대로 부하를 과대하게 잡으면 설비 초기비용이 늘고, 부분부하 운전이 많아져 효율이 떨어진다. 따라서 난방부하 계산은 설비 용량을 적정하게 정하기 위한 출발점이다.

완전 공기조화를 하려면 온도뿐 아니라 습도도 유지해야 한다. 그래서 현열 부하만 계산하는 방식으로는 부족하며, 외기 절대습도와 실내 절대습도의 차에 따른 잠열 부하도 함께 계산해야 한다. 이 점이 난방부하가 냉방부하와 다르게 취급되는 이유 가운데 하나다.

한편 건물 손실에는 극간풍, 즉 창과 문의 틈새로 들어오는 외기의 손실이 더해진다. 이 값은 구조체 손실과 함께 합산하고, 계산 여유로 관련 기준이 정한 안전율을 더하는 것이 일반적이다. 이러한 합산 과정이 난방부하 계산 절차의 근거가 된다.

안전율은 손실열량 합계에 가산하는 여유이다.

후속 항목에서는 이 개념을 구성요소와 계산 절차로 나누어 설명한다.

4. 구성요소·원리·절차

난방부하는 실내 손실열량을 구성하는 요소별로 나누어 계산한다. 구조체를 통한 전열 손실과 틈새바람(극간풍)에 의한 손실이 대부분이며, 완전 공기조화에서는 가습을 위한 잠열부하도 더해진다.

원리는 정상상태 열전도다. 난방에서는 태양복사나 외기 온도의 주기 변화를 계산하지 않고 일정한 실내외 온도차로 계산한다. 벽체 전열 손실은 다음과 같이 쓴다.

$Q = K \cdot A \cdot (t_i - t_o) \cdot p$

여기서 Q는 전열 손실열량(W), K는 구조체의 열관류율(W/(㎡·℃)), A는 전열면적(㎡), t_i·t_o는 실내·외 온도(℃), p는 방위보정계수다. 방위보정계수는 방위별 풍속과 일사 차이를 간략히 반영하는 값이다.

극간풍에 의한 현열 손실은 공기의 밀도와 정압비열을 곱한 체적 열용량으로 계산한다.

$Q_s = \rho_{air} \cdot c_{p,air} \cdot \dot V \cdot (t_i - t_o)$

\rho_{air}는 공기 밀도(1.2kg/㎥), c_{p,air}는 공기 정압비열(1.004kJ/(kg·℃)), \dot V는 극간풍량(㎥/s)이다. 잠열 손실은 절대습도차에 증발잠열을 곱한다.

$Q_L = \rho_{air} \cdot \dot V \cdot (x_i - x_o) \cdot h_{fg}$

x_i·x_o는 실내·외 절대습도(kg/kg), h_{fg}는 0℃ 수증기 잠열이다. 현열과 잠열 손실은 따로 계산한 뒤 합한다.

난방부하 계산 절차는 다음과 같다.

• 실내외 설계조건을 정하고 방위·층별 구조체를 구분한다.
• 각 구조체의 면적과 열관류율을 구한다.
• 구조체별 전열 손실을 Q = K A (t_i - t_o) p로 계산한다.
• 극간풍량을 구하고 현열·잠열 손실을 각각 계산한다.
• 안전율을 더해 실별 난방부하를 합계한다.

도식 흐름은 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

난방부하 계산의 기준은 설계 실내외 조건, 구조체 열관류율, 방위보정계수, 안전율이다. 이 값들은 설계 기준과 관련 기준서에서 정한다. 아래 표는 본문 계산에 쓰는 기준값을 모은 것이다.

표의 값은 문제 조건에 주어진 값이다. 실내외 조건과 열관류율은 설계 조건에 따라 달라지므로 계산 시 주어진 값을 그대로 쓴다. 방위보정계수는 방위별로 달라지는 값이므로 적용한 표의 값을 함께 기록한다.

열관류율은 단열 성능이 높을수록 작아지고 손실이 줄어든다. 외벽과 내벽의 값 차이는 내벽이 실내 사이 구획이어서 온도차가 작기 때문에 손실이 작아진다는 점과 연결된다. 실내 간벽처럼 양쪽이 모두 실내인 구조체는 실내외 온도차를 적용하지 않고 실내끼리의 온도차를 적용한다.

비공조 층과 공조 층이 맞닿은 바닥·천장은 온도차를 실제 인접 공간 온도로 적용한다. 위층이 비공조 공간이므로 상부 구조체의 온도차는 비공조 공간의 온度로 정하고, 아래층이 같은 실내 조건이므로 바닥 구조체의 온도차는 0으로 본다.

난방부하는 구조체 전열 손실과 극간풍 손실의 현열, 가습을 위한 잠열의 합으로 구한다.

6. 유형과 비교

난방부하는 발생 원인에 따라 구조체 열손실, 틈새바람(극간풍) 열손실, 외기 도입에 의한 열손실, 기기 가습 부하 등으로 나뉜다. 열의 형태에 따라 현열과 잠열로 나누어 보면 계산 목적과 설비 용량 결정 방식이 달라진다. 아래 표는 부하 종류별 발생 원인과 현열·잠열 구분을 정리한 것이다.