4-5. 상가, 공장 건물등에 냉․난방용으로 사용되는 상업용 옥외 패키지 방식의 장·단점과설계 시 고려사항에 대하여 설명하시오.

상업용 옥외 패키지 방식 냉·난방 시스템은 상가, 공장, 창고, 대형 사무실 등 비교적 넓은 단일 공간이나 여러 구역에 냉난방 공조를 제공하기 위해 사용되는 일체형(Package Type) 공조기입니다. 냉동 사이클의 주요 구성 요소(압축기, 응축기, 증발기, 송풍기 등)와 경우에 따라 가스 버너 또는 전기 히터 등의 난방 장치까지 하나의 외함에 통합되어 있으며, 주로 건물의 옥상이나 지상 외부에 설치되고 덕트 시스템을 통해 실내로 조화된 공기를 공급하는 방식입니다.

 

장점:

1. 설치 및 유지보수 용이성: 모든 주요 부품이 하나의 장치에 통합되어 있어 실내 설치 공간이 절약되며, 실외 설치로 인해 장비 접근성이 용이하여 설치 및 유지보수가 비교적 간단합니다. 냉매 배관 작업이 최소화되어 냉매 누설 위험이 적습니다.
2. 초기 비용 절감: 개별 구역에 대한 시스템 구성 시 복잡한 중앙 집중식 시스템에 비해 초기 설치 비용이 저렴할 수 있습니다.
3. 실내 공간 절약: 냉동기실, 기계실 등 별도의 장비 공간이 크게 필요 없어 건물 내부 공간 활용도를 높일 수 있습니다.
4. 부분 운전 및 구역 제어: 여러 대의 패키지 유닛을 설치할 경우 각 유닛이 담당하는 구역별로 독립적인 운전 및 온도 제어가 가능하여 에너지 효율적인 운전이 가능합니다.
5. 교체 및 증설 용이: 기존 유닛 교체나 시스템 용량 증설 시 해당 구역 유닛만 교체/추가하면 되므로 유연성이 높습니다.
6. 공장 제작 및 품질 관리: 주요 부품이 공장에서 조립 및 시험 완료된 상태로 출고되어 품질 신뢰도가 높습니다.

단점:

1. 에너지 효율(부분 부하 시): 정속형 압축기를 사용하는 경우 부분 부하 운전 시 에너지 효율(COP)이 저하될 수 있습니다. (최근에는 인버터 등 효율을 개선한 제품도 출시되고 있습니다.)
2. 소음 및 미관 문제: 실외에 설치되므로 운전 시 소음이 발생할 수 있으며, 장비의 크기나 외관이 건물의 미관을 해칠 수 있습니다. 소음 민감 지역이나 주거 공간과 인접한 곳에는 설치 시 소음 대책이 필요합니다.
3. 덕트 시스템의 영향: 실내로 조화된 공기를 공급하기 위해 상당한 길이의 덕트 시스템이 필요하며, 덕트 설치 공간 확보, 덕트의 압력 손실, 단열 불량으로 인한 에너지 손실 등의 문제가 발생할 수 있습니다.
4. 정밀 제어 한계: 여러 구역을 하나의 유닛으로 담당하는 경우 구역별 온도, 습도 등 정밀한 개별 제어에는 한계가 있을 수 있습니다 (단일 덕트 시스템의 경우). VAV 시스템 등 추가 장치를 통해 어느 정도 제어 가능하나 복잡해집니다.
5. 외기 도입 및 환기 제어의 제약: 패키지 유닛 자체에서 외기 도입량을 제어하는 기능은 단순할 수 있으며, 에너지 회수형 환기 시스템 등과 연동 시 추가적인 장치 및 제어가 필요합니다.
6. 설치 위치의 제약: 장비 설치를 위한 충분한 옥상 또는 지면 공간과 하중을 견딜 수 있는 구조적 조건이 요구됩니다.

설계 시 고려사항:

1. 부하 계산 및 유닛 용량 선정: 건물의 정확한 냉방 및 난방 부하를 계산하여 각 패키지 유닛의 용량을 적정하게 선정해야 합니다. 과대 또는 과소 선정 모두 비효율 및 성능 저하의 원인이 됩니다.
2. 구역 설정 및 유닛 배치 계획: 건물의 용도, 재실 인원, 내부 구획 등을 고려하여 효율적인 냉난방 구역을 설정하고, 각 구역을 담당할 패키지 유닛의 개수 및 배치 계획을 수립합니다. 유지보수 및 소음 영향도 고려합니다.
3. 설치 위치 검토:
   • 구조 검토: 옥상 설치 시 건물 구조체의 하중 지지 능력을 반드시 확인합니다.
   • 접근성: 장비 설치, 유지보수, 부품 교체를 위한 장비 반입/반출 경로 및 작업 공간을 확보합니다.
   • 소음/진동 대책: 소음 발생원으로부터 민감 구역과의 이격 거리를 확보하고, 방진가대 설치, 방음벽 설치 등을 검토합니다.
   • 공기 흐름: 실외기 주변의 흡입 및 토출 공기 흐름이 원활하도록 충분한 공간을 확보하고, 다른 장비나 구조물에 의한 재순환(Short Cycling)이 발생하지 않도록 배치합니다.
   • 내후성 및 보안: 직사광선, 눈, 비, 바람 등의 영향과 보안을 고려한 배치 및 보호 조치를 검토합니다.
4. 덕트 시스템 설계:
   • 덕트 경로 및 크기: 실내 부하 분포 및 요구 풍량을 만족하도록 덕트 경로를 최적화하고, 적절한 풍속 및 압력 손실을 고려하여 덕트 크기를 설계합니다. 덕트 길이를 최소화하는 것이 효율에 유리합니다.
   • 덕트 단열 및 방습: 냉방 시 결로 발생 방지 및 열 손실/습득 방지를 위해 덕트의 단열 및 방습(특히 냉방 덕트)을 철저히 수행합니다.
   • 취출구 및 흡입구 배치: 실내 기류 분포 및 온도 균일도를 고려하여 취출구(디퓨저 등)와 흡입구(그릴 등)의 종류, 크기, 위치를 설계합니다.
   • 방화/방연 설비: 덕트가 방화 구획을 관통하는 부위에는 관련 법규에 따른 방화 댐퍼, 방연 댐퍼 등을 설치합니다.
5. 외기 도입 및 환기 계획:
   • 건물 용도 및 재실 인원에 따른 최소 외기 도입량(환기량)을 산정하고, 패키지 유닛의 외기 도입 기능을 통해 이를 만족할 수 있도록 계획합니다.
   • 에너지 절약을 위해 외기 냉방(Economizer) 제어나, 필요시 별도의 에너지 회수형 환기 장치(ERV/HRV) 도입을 검토합니다.
6. 응축수 배수 계획:
   • 냉방 운전 시 증발기에서 발생하는 응축수 및 난방 시(히트펌프의 경우) 제상으로 인해 발생하는 물을 원활하게 배수할 수 있도록 응축수 배관을 설치하고, 동결 방지 등을 고려한 배수 경로 및 마감을 계획합니다.
7. 제어 시스템 설계:
   • 각 구역의 온도 제어를 위한 온도 조절기 설치 및 배선 계획.
   • 운전 스케줄 설정, 운전 모드 전환(냉방/난방), 외기 도입 제어 등 효율적인 시스템 운전을 위한 제어 시스템을 구축합니다. 중앙 관제 시스템(BMS)과의 연동도 고려할 수 있습니다.
8. 전기 및 안전 설비:
   • 각 유닛 용량에 맞는 전원 공급 설비를 설계합니다.
   • 장비 보호 및 안전을 위한 각종 안전 장치(압력 스위치, 온도 스위치, 동파 방지 히터 등) 및 소방 관련 연동(화재 감지 시 시스템 정지 등)을 고려합니다.

상업용 옥외 패키지 방식은 특정 유형의 건물이나 구역에 적합한 장단점을 가지고 있으므로, 건물의 특성, 요구 사항, 예산 등을 종합적으로 고려하여 신중하게 선정하고, 위의 고려사항들을 바탕으로 철저하게 설계 및 시공해야 최적의 성능과 효율을 확보할 수 있습니다.