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건물의 최대 열부하 계산은 냉난방 설비 용량을 결정하는 매우 중요한 과정입니다. 이 부하 계산에는 여러 방법이 있으며, 대표적으로 RTS(복사시계열)법과 열평형법이 있습니다. 두 방법 모두 건물의 열적 특성과 시간 변화를 고려하지만, 부하 계산 접근 방식과 복잡성에서 차이를 보입니다.
1. 유사점 (Similarities)
- 목적: 두 방법 모두 건물의 쾌적한 실내 온도를 유지하기 위해 특정 시간(주로 최대 부하가 발생하는 시간)에 제거(냉방)하거나 공급(난방)해야 할 열량인 열부하를 산정하는 것을 목표로 합니다.
- 고려 열원: 건물로 유입되거나 건물 내에서 발생하는 주요 열원들을 모두 고려합니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.
- 외피(벽체, 지붕, 창호 등)를 통한 열 관류 (전도, 대류, 복사)
- 창호를 통한 태양 복사열 직접 유입
- 외피 표면 흡수 후 실내로 전달되는 열
- 실내 거주자, 조명, 장비 등으로부터 발생하는 내부 발열
- 침기(Infiltration) 및 환기에 의한 열(현열 및 잠열) 유입/유출
- 시간 변화 고려: 두 방법 모두 부하가 하루 중 시간대별로 변화하는 동적 특성을 고려합니다. 태양의 위치 변화, 외기 온도 변화, 내부 발열원 가동 시간 변화 등 시간 의존적인 요소들을 계산에 반영합니다.
- 물리적 원리 기반: 전도, 대류, 복사 등 기본적인 열 전달 원리와 열역학 제1법칙(에너지 보존)에 기반하여 부하를 산정합니다.
2. 차이점 (Differences)
| 구분 | 열평형법 (Heat Balance Method) | RTS법 (Radiant Time Series Method) |
| 계산 원리/접근 방식 | 가장 근본적이고 엄격한 방법. 각 실내 공간과 모든 내외부 표면에서의 열 수지(Heat Balance)를 시간대별로 연립하여 계산합니다. 실내 공기 온도와 각 표면 온도를 미지수로 놓고 시간대별 열 유입/유출 및 축열량을 직접 계산합니다. | 열평형법으로부터 파생된 간편화된 방법. 순간적으로 실내에 들어오는 열량(열 취득, Heat Gain)이 즉시 냉방 부하가 되지 않고, 실내 구조체의 축열 효과에 의해 지연되거나 완화되어 냉방 부하로 나타나는 현상을 미리 계산된 시간 요소(Time Factors)나 계수를 사용하여 반영합니다. (예: CLTD/CLF, RTF) |
| 열용량(축열) 처리 | 건물의 구조체(벽체, 슬래브, 가구 등) 각 요소의 열 흡수 및 방출(축열/방열) 현상을 시간대별로 직접 계산에 포함합니다. 각 표면의 동적 열 전달을 상세히 모델링합니다. | 축열 효과를 나타내는 복사 시계열 계수(RTF)와 같은 미리 계산된 상수나 함수를 사용하여 반영합니다. 축열 자체를 계산하는 것이 아니라, 열 취득이 부하로 변환되는 비율을 나타내는 계수를 활용합니다. |
| 계산 복잡성 | 높음. 각 시간대별로 실내 공기 및 각 표면의 열 평형 방정식을 풀어야 하므로 복잡하고 많은 계산량이 필요합니다. 주로 전산 시뮬레이션 프로그램을 통해 수행됩니다. | 상대적으로 낮음. 미리 계산된 계수나 표를 활용하여 계산하므로 수계산이나 간단한 프로그램으로도 적용 가능합니다. 열평형법에 비해 계산 과정이 단순합니다. |
| 정확성 | 높음. 건물의 고유한 형태, 재질, 운전 조건 등을 가장 정확하게 모델링할 수 있어 일반적으로 가장 정밀하다고 평가받습니다. | 상대적으로 낮음. 표준적인 건물 구조나 조건에 대해 미리 계산된 계수를 사용하므로, 실제 건물이나 운전 조건이 표준과 다를 경우 오차가 발생할 수 있습니다. |
| 요구 정보 | 건물의 상세한 형상, 각 외피 및 실내 구조체의 다층 재질 구성, 밀도, 비열, 열전도율, 흡수율, 방사율 등 상세한 열 물성치, 상세한 내부 발열원 시간 스케줄 등이 필요합니다. | 각 외피의 총괄 열전달 계수(U값), 면적, 외피의 분류(경량/중량), 내부 발열원의 총량 및 간단한 가동 스케줄 등이 주로 필요합니다. 상세한 재질 물성치는 직접 요구되지 않습니다. |
| 결과 활용 | 시간대별 열부하 외에 각 실내 표면 온도, 열류 변화 등 다양한 상세 정보 도출이 가능합니다. | 주로 시간대별 열부하 계산 결과 자체에 집중됩니다. |
결론:
열평형법은 건물의 열적 거동을 물리적으로 가장 정확하고 상세하게 모델링하는 방법으로, 높은 정확성을 가지지만 계산이 복잡하여 주로 전문 전산 프로그램에 의해 수행됩니다.
RTS법은 열평형법의 결과를 기반으로 축열 효과를 간편한 계수로 나타내어 계산 복잡성을 줄인 방법입니다. 열평형법보다는 정확도가 떨어질 수 있지만, 계산이 비교적 간단하여 실무에서 널리 사용됩니다.
어떤 방법을 사용할지는 요구되는 정확도 수준, 건물의 복잡성, 사용 가능한 계산 도구 및 시간에 따라 결정됩니다. 최대 열부하 계산에서는 건물의 열용량(축열 능력)이 중요한 변수로 작용하며, 두 방법 모두 이 축열 효과를 고려한다는 점에서 유사하지만, 처리 방식에서 큰 차이를 보입니다.
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