2-1. 지하상가의 공조방식에 대하여 다음을 설명하시오. 1) 설계조건 2) 열원설비 3) 환기설비

지하상가 공조방식에 대한 설명

지하상가의 공조방식은 쾌적하고 안전한 쇼핑 환경을 조성하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 지상과 다른 지하 공간의 특성을 고려하여 설계, 열원, 환기 설비가 구성됩니다.

 

1. 설계 조건

지하상가 공조 시스템 설계 시에는 다음과 같은 다양한 조건들을 고려해야 합니다. 이러한 조건들은 쾌적하고 효율적인 공조 시스템 구축의 기초가 됩니다.

 

1) 부하 계산 및 목표 설정:

• 냉방 부하:
• 인체 발열: 지하상가는 높은 인구 밀도를 가지므로, 인체 발열량이 냉방 부하의 주요 요인이 됩니다. 특히 피크 시간대에는 더욱 증가합니다.
• 조명 발열: 상점 조명, 광고 조명 등에서 발생하는 열 또한 상당합니다. LED 조명 도입이 증가하고 있지만, 여전히 무시할 수 없는 열원입니다.
• 기기 발열: 상점 내 냉장고, 컴퓨터, 주방 설비 등 다양한 기기에서 발생하는 발열량도 고려해야 합니다.
• 외기 조건: 지하 공간은 지상에 비해 외기 온도 변화에 덜 민감하지만, 환기를 위해 도입되는 외기의 온도 및 습도 조건도 설계에 반영해야 합니다.
• 벽체 및 바닥을 통한 열전달: 지하 공간은 토양과 접하고 있어, 지열 및 주변 환경으로부터의 열전달을 고려해야 합니다. 여름철에는 토양 온도가 상대적으로 낮아 냉방 부하를 감소시키는 요인이 될 수 있습니다.
• 난방 부하:
• 외기 조건: 겨울철 외기 온도가 낮아지면, 환기를 통해 유입되는 외기에 의해 난방 부하가 발생합니다.
• 벽체 및 바닥을 통한 열손실: 지하 공간은 토양과 접하고 있어, 겨울철에는 토양으로의 열손실이 발생할 수 있습니다.
• 인체 및 조명 발열: 냉방 부하와 마찬가지로 인체 및 조명 발열은 난방 부하를 감소시키는 역할을 합니다.
• 목표 실내 환경 설정:
• 온도: 쾌적한 쇼핑 환경을 위해 적정 실내 온도 범위를 설정해야 합니다. 일반적으로 냉방 시 24~26℃, 난방 시 20~22℃ 정도가 권장됩니다. 계절별, 시간대별, 구역별 (예: 푸드코트, 의류 매장) 다양한 온도 설정 전략을 고려할 수 있습니다.
• 습도: 과도한 습도는 불쾌감을 유발하고 곰팡이 발생의 원인이 될 수 있으므로, 적정 습도 유지가 중요합니다. 일반적으로 40~60% 정도의 상대 습도를 유지하는 것이 좋습니다.
• 기류: 실내 기류 속도는 쾌적성에 영향을 미칩니다. 너무 강한 기류는 불쾌감을 줄 수 있으므로, 적절한 기류 속도를 설계해야 합니다. 0.2~0.5m/s 정도가 일반적입니다.
• 청정도: 미세먼지, CO2, VOCs (휘발성 유기 화합물) 등 실내 공기 오염 물질 농도를 쾌적한 수준으로 유지해야 합니다. 고성능 필터 사용, 적절한 환기량 확보 등을 통해 실내 공기질을 관리해야 합니다.

​

2) 공간 특성 고려:

• 밀폐된 공간: 지하 공간은 지상에 비해 자연 환기가 어렵고 밀폐된 공간입니다. 따라서 기계 환기 시스템의 중요성이 더욱 강조됩니다. 화재 발생 시 연기 배출을 위한 제연 설비 설계도 필수적입니다.
• 제한된 공간: 지하 공간은 공간 제약이 있을 수 있습니다. 공조 설비 설치 공간, 덕트 공간 등을 효율적으로 확보해야 합니다. 콤팩트한 설비, 시스템 구성을 고려해야 합니다.
• 다양한 구역: 지하상가는 상점, 통로, 휴게 공간, 화장실, 주차장 등 다양한 용도의 구역으로 구성됩니다. 각 구역의 특성에 맞는 공조 시스템 설계가 필요합니다. 예를 들어, 음식점 구역은 주방 후드, 배기 시스템이 추가적으로 필요하며, 화장실은 냄새 제거를 위한 배기 시스템이 중요합니다.

​

3) 에너지 효율 및 친환경 고려:

• 고효율 설비: 고효율 냉동기, 고효율 펌프, 인버터 제어 팬 등 고효율 설비 적용을 통해 에너지 소비를 최소화해야 합니다. 초기 투자비용이 높더라도 장기적으로 운영비 절감 효과를 가져올 수 있습니다.
• Free Cooling/Heating: 외기 온도가 적절한 경우, 외기를 이용하여 냉방 또는 난방 부하를 줄이는 Free Cooling/Heating 시스템 적용을 고려할 수 있습니다. 지하 공간은 지중 열을 활용하기에 유리한 측면도 있습니다.
• 축열 시스템: 야간 전력을 이용하여 냉열 또는 온열을 축적하고, 주간 피크 시간대에 사용하는 축열 시스템을 통해 에너지 비용을 절감할 수 있습니다.
• 신재생 에너지: 지열, 태양광 등 신재생 에너지 활용을 통해 화석 연료 사용량을 줄이고 친환경적인 시스템 구축을 고려할 수 있습니다.
• 건물 에너지 관리 시스템 (BEMS): BEMS를 통해 공조 시스템 운영 데이터를 실시간으로 모니터링하고 분석하여, 에너지 효율을 최적화하는 전략을 수립하고 자동 제어 기능을 구현할 수 있습니다.

​

4) 안전 및 유지관리 고려:

• 화재 안전: 화재 발생 시 연기 확산을 방지하고 안전하게 대피할 수 있도록 제연 설비, 방화 구획 등을 설계해야 합니다. 소방법규 및 건축법규를 준수해야 합니다.
• 비상 운전: 정전 등 비상 상황 발생 시에도 최소한의 환기 기능 유지, 비상 조명 작동 등 안전 확보를 위한 비상 운전 계획을 수립해야 합니다.
• 유지 보수 용이성: 설비의 유지 보수 공간 확보, 점검구 설치 등 유지 관리가 용이하도록 설계해야 합니다. 필터 교체, 설비 점검, 수리 등을 위한 접근성을 고려해야 합니다.
• 내구성 및 신뢰성: 지하 환경은 습도가 높고 부식 가능성이 높으므로, 내구성이 강하고 신뢰성이 높은 설비를 선정해야 합니다.

​

5) 법규 및 기준 준수:

• 건축법, 소방법, 에너지 관련 법규: 건축법, 소방법 등 관련 법규 및 에너지 절약 설계 기준, 환기 설비 기준 등을 준수하여 설계해야 합니다. 최신 법규 및 기준을 확인하고 반영해야 합니다.
• KS, ASHRAE 등 표준: KS (한국산업표준), ASHRAE (미국 냉동공조학회) 등 관련 표준을 참고하여 설계의 신뢰성을 높여야 합니다.

​

2. 열원 설비

지하상가 공조 시스템의 열원 설비는 냉방 및 난방을 위한 열에너지를 생성하는 핵심 설비입니다. 주로 다음과 같은 설비들이 사용됩니다.

 

1) 냉동기 (Chiller):

• 압축식 냉동기: 냉매를 압축, 응축, 팽창, 증발 과정을 통해 냉수를 생산하는 방식입니다.
• 수냉식 냉동기: 냉각탑을 이용하여 응축열을 외부로 방출하는 방식입니다. 효율이 높지만 냉각탑 설치 공간 및 냉각수 배관이 필요합니다. 대규모 지하상가에 적합합니다.
• 공냉식 냉동기: 팬을 이용하여 응축열을 외부로 방출하는 방식입니다. 수냉식에 비해 효율은 낮지만, 냉각탑이 불필요하여 설치가 간편합니다. 중소규모 지하상가 또는 부분 냉방에 적합합니다.
• 터보 냉동기, 흡수식 냉동기: 대용량 시스템에 적용될 수 있으며, 에너지 효율 및 운전 비용 절감을 위해 고려될 수 있습니다. 흡수식 냉동기는 폐열 활용 가능성이 있습니다.
• 흡수식 냉동기: 열에너지를 이용하여 냉수를 생산하는 방식입니다. 폐열, 도시 가스 등을 열원으로 활용할 수 있어 에너지 절감 효과를 기대할 수 있습니다. 초기 투자비용이 높고 효율이 압축식에 비해 낮은 편이지만, 열원 활용 가능성을 고려하여 적용할 수 있습니다.

​

2) 보일러 (Boiler):

• 가스 보일러: 도시 가스 또는 LNG를 연료로 사용하여 온수를 생산하는 방식입니다. 난방 및 급탕용으로 널리 사용됩니다. 효율이 높고 유지 관리가 용이합니다.
• 기름 보일러: 등유 또는 경유를 연료로 사용하는 방식입니다. 가스 공급이 어려운 지역에서 사용될 수 있습니다. 가스 보일러에 비해 효율이 낮고 환경 오염 물질 배출량이 많을 수 있습니다.
• 전기 보일러: 전기를 열원으로 사용하는 방식입니다. 초기 투자비용이 저렴하고 유지 관리가 용이하며, 환경 오염 물질 배출이 없다는 장점이 있습니다. 하지만 운전 비용이 높을 수 있으므로, 난방 부하가 작은 경우 또는 부분 난방에 적합합니다.

​

3) 히트펌프 (Heat Pump):

• 공기열 히트펌프 (Air Source Heat Pump, ASHP): 공기를 열원으로 냉난방을 모두 수행하는 방식입니다. 냉방 및 난방 효율이 높고 설치가 간편합니다. 초기 투자비용 및 운전 비용이 상대적으로 저렴합니다. 외기 온도에 따라 효율이 변동될 수 있습니다.
• 지열 히트펌프 (Ground Source Heat Pump, GSHP): 땅속의 지열을 열원으로 냉난방을 모두 수행하는 방식입니다. 연중 안정적인 지중 온도를 이용하여 효율이 높고 에너지 절감 효과가 큽니다. 초기 투자비용이 높고 설치 공간이 필요하며, 지반 조건에 따라 설치 가능 여부가 결정될 수 있습니다. 지하상가는 지중 열을 활용하기에 유리한 측면이 있습니다.
• 수열 히트펌프 (Water Source Heat Pump, WSHP): 하천수, 지하수, 하수 처리수 등을 열원으로 냉난방을 모두 수행하는 방식입니다. 열원 확보가 용이하고 효율이 높습니다. 열원 수질 관리 및 취수/배수 설비가 필요합니다.

​

4) 지역 냉난방 (District Cooling & Heating):

• 지역 냉난방 시스템은 도시 단위로 열 생산 시설에서 냉수 또는 온수를 생산하여 배관망을 통해 건물에 공급하는 방식입니다. 지하상가가 지역 냉난방 공급 지역에 위치하는 경우, 초기 투자비용 없이 편리하게 냉난방을 공급받을 수 있습니다. 에너지 효율이 높고 환경 오염 물질 배출량을 줄일 수 있습니다.

​

5) 열원 설비 용량 결정 및 조합:

• 냉난방 부하 계산 결과: 앞서 설계 조건에서 계산된 냉난방 부하를 기반으로 적절한 용량의 열원 설비를 선정해야 합니다. 피크 부하 및 부분 부하 운전 특성을 고려해야 합니다.
• 예비 용량: 예상치 못한 부하 증가, 설비 고장 등에 대비하여 예비 용량을 확보하는 것이 중요합니다.
• 설비 조합: 냉난방 부하 특성, 에너지 효율, 초기 투자비용, 운전 비용, 유지 관리 등을 종합적으로 고려하여 최적의 열원 설비 조합을 구성해야 합니다. 예를 들어, 기본 냉방은 수냉식 냉동기, 부분 냉방은 공냉식 냉동기, 난방은 가스 보일러 또는 히트펌프를 조합하는 방식 등이 있습니다.
• 제어 시스템: 열원 설비의 효율적인 운전을 위해 자동 제어 시스템을 구축해야 합니다. 부하 변동에 따라 운전 대수 제어, 용량 제어 등을 통해 에너지 소비를 최적화해야 합니다.

​

3. 환기 설비

지하상가 공조 시스템에서 환기 설비는 실내 공기 질을 유지하고 쾌적한 환경을 조성하는 데 필수적인 설비입니다. 밀폐된 지하 공간에서 오염된 공기를 배출하고 신선한 외부 공기를 공급하는 역할을 합니다.

 

1) 환기 방식:

• 전체 환기 (General Ventilation): 실내 전체의 공기를 환기하는 방식입니다. 급기 팬과 배기 팬을 이용하여 실내 전체에 신선한 공기를 공급하고 오염된 공기를 배출합니다. 일반적인 상점, 통로 등에 적용됩니다.
• 국소 환기 (Local Ventilation): 오염 물질 발생량이 많은 특정 구역 (예: 주방, 화장실, 흡연 구역) 만 집중적으로 환기하는 방식입니다. 오염 물질 발생원에서 직접 배기 덕트를 연결하여 오염 물질이 실내 전체로 확산되는 것을 방지합니다. 주방 후드, 화장실 배기 팬 등이 국소 환기의 예입니다.
• 혼합 환기 (Mixed Ventilation): 전체 환기와 국소 환기를 조합하여 사용하는 방식입니다. 지하상가의 다양한 구역 특성을 고려하여 효율적인 환기 시스템을 구축할 수 있습니다.

​

2) 환기 설비 구성 요소:

• 급기 팬 (Supply Fan): 외부의 신선한 공기를 실내로 공급하는 팬입니다. 축류 팬, 시로코 팬, 터보 팬 등 다양한 종류가 사용됩니다. 풍량, 정압, 소음 등을 고려하여 적절한 팬을 선정해야 합니다.
• 배기 팬 (Exhaust Fan): 실내의 오염된 공기를 외부로 배출하는 팬입니다. 급기 팬과 마찬가지로 다양한 종류가 사용되며, 풍량, 정압, 소음 등을 고려하여 선정해야 합니다. 특히 주방 배기 팬은 유증기, 냄새 제거를 위해 고성능 필터, 싸이클론 등의 추가 설비가 필요할 수 있습니다.
• 공기 조화기 (Air Handling Unit, AHU): 급기되는 외기를 필터링, 냉각/가열, 가습/제습하여 쾌적한 상태로 실내에 공급하는 장치입니다. 프리필터, 메인필터, 냉각 코일, 가열 코일, 가습기, 제습 코일, 팬 등으로 구성됩니다. 실내 공기질 관리 및 쾌적성 확보에 중요한 역할을 합니다.
• 덕트 (Duct): 공기를 이송하는 통로입니다. 급기 덕트, 배기 덕트, 환기 덕트 등이 있으며, 재질, 단면 형상, 크기, 마찰 손실 등을 고려하여 설계해야 합니다. 지하 공간은 공간 제약이 있을 수 있으므로, 덕트 공간 확보 및 효율적인 덕트 경로 설계가 중요합니다.
• 디퓨저 및 그릴 (Diffuser & Grille): 덕트에서 공급되는 공기를 실내로 확산시키는 장치 (디퓨저) 및 실내 공기를 덕트로 흡입하는 장치 (그릴) 입니다. 공기 확산 방식, 기류 방향, 디자인 등을 고려하여 적절한 디퓨저 및 그릴을 선정하고 배치해야 합니다.
• 댐퍼 (Damper): 덕트 내 공기 흐름을 조절하는 장치입니다. 풍량 조절 댐퍼, 방화 댐퍼, 방연 댐퍼 등이 있으며, 필요에 따라 자동 제어 댐퍼를 사용하여 환기 시스템 효율을 높일 수 있습니다.
• 필터 (Filter): 공기 중의 먼지, 미세먼지, 꽃가루, 세균 등을 제거하는 장치입니다. 프리필터, 미디엄 필터, 헤파 필터, 활성탄 필터 등 다양한 종류가 있으며, 실내 공기질 목표 수준에 따라 적절한 필터 조합을 선택해야 합니다. 고성능 필터는 압력 손실이 크므로, 팬 용량 선정 시 고려해야 합니다.
• 제연 설비 (Smoke Control System): 화재 발생 시 연기를 배출하여 피난 경로를 확보하고 소방 활동을 용이하게 하는 설비입니다. 제연 팬, 제연 댐퍼, 제연 덕트 등으로 구성되며, 소방법규에 따라 설치 및 성능 기준을 준수해야 합니다. 지하 공간은 제연 설비의 중요성이 더욱 강조됩니다.

​

3) 환기량 결정 및 제어:

• 필요 환기량 계산: 실내 CO2 농도 기준, 법규 기준 환기 횟수, 인원 밀도 등을 고려하여 필요한 환기량을 계산해야 합니다. 각 구역별, 시간대별 환기량 변화를 고려할 수 있습니다.
• 환기 횟수 (Air Change Rate, ACH): 시간당 실내 공기가 외부 공기로 교체되는 횟수입니다. 지하상가의 경우, 법규 및 기준에 따라 적절한 환기 횟수를 확보해야 합니다. 일반적으로 4~8회/시 정도가 적용될 수 있습니다.
• CO2 센서 기반 환기 제어 (Demand Controlled Ventilation, DCV): 실내 CO2 농도를 실시간으로 감지하여 환기량을 자동 조절하는 시스템입니다. 재실 인원 변화에 따라 환기량을 최적화하여 에너지 절감 효과를 얻을 수 있습니다.
• 스케줄 제어: 지하상가 운영 시간, 피크 시간대 등을 고려하여 환기 시스템 운전 스케줄을 설정하여 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.

​

4) 환기 시스템 설계 시 고려 사항:

• 공기 질: 쾌적하고 건강한 실내 공기 질 유지를 최우선 목표로 설정하고, 고성능 필터, 적절한 환기량 확보 등을 통해 실내 공기질을 관리해야 합니다.
• 소음: 환기 팬, 덕트, 디퓨저 등에서 발생하는 소음이 실내 쾌적성을 저해하지 않도록 저소음 설비 선정, 방진 대책, 소음기 설치 등을 고려해야 합니다.
• 에너지 효율: 환기 시스템은 에너지 소비량이 큰 설비이므로, 고효율 팬, DCV 시스템, Free Cooling/Heating, 열회수형 환기 장치 (ERV) 등을 적용하여 에너지 효율을 높여야 합니다.
• 유지 관리: 필터 교체, 팬 점검, 덕트 청소 등 환기 설비의 유지 관리가 용이하도록 설계해야 합니다. 점검구 설치, 필터 교체 공간 확보 등을 고려해야 합니다.

​

결론적으로, 지하상가의 공조방식은 설계 조건, 열원 설비, 환기 설비의 유기적인 조합을 통해 쾌적하고 안전하며 에너지 효율적인 환경을 조성하는 것을 목표로 합니다. 각 설비별 최신 기술 및 기준을 적용하고, 지하 공간 특성에 맞는 맞춤형 설계가 중요합니다.