2-3. 대공간 건축물의 효율적 공조를 위한 다음 사항을 설명하시오.

1) 대공간 공기환경의 특징

대공간 건축물은 일반적인 사무실이나 주거 공간과 비교하여 독특한 공기 환경 특징을 갖습니다. 이러한 특징을 이해하는 것은 효율적인 공조 시스템 설계를 위해 매우 중요합니다.

(1) 넓은 공간과 높은 층고:

• 체적 증가: 일반적인 공간에 비해 매우 넓은 면적과 높은 층고는 공기 체적을 크게 증가시킵니다. 이는 공조 용량 증가, 덕트 시스템 규모 확대, 냉난방 부하 증가로 이어집니다.
• 공기 유동 경로 복잡: 넓은 공간은 공기 유동 경로를 복잡하게 만들고, 균일한 공기 분배를 어렵게 합니다. 특히 사각지대 발생 가능성이 높아 공기 정체 영역이 생길 수 있습니다.
• 수직 온도 성층화 (Thermal Stratification) 심화: 높은 층고로 인해 밀도 차이에 의한 온도 성층화 현상이 더욱 뚜렷하게 나타납니다. 따뜻한 공기는 상부로, 차가운 공기는 하부로 쏠리는 현상으로, 실내 상하 온도차가 커져 에너지 비효율을 야기합니다.

 

(2) 다양한 내부 발열 요인:

• 다수 재실자: 대공간은 많은 인원을 수용하는 경우가 많아 인체 발열량이 높습니다. 특히 공연장, 컨벤션 센터, 스포츠 시설 등은 순간적으로 많은 인원이 집중될 수 있습니다.
• 고발열 장비: 산업 시설, 데이터 센터, 실험실 등에서는 고발열 설비, 장비, 조명 기기 등이 다수 설치되어 내부 발열량이 높습니다.
• 높은 조명 부하: 넓은 공간을 밝히기 위한 조명 설비 역시 발열량이 상당합니다. 특히 과거에는 백열등, 할로겐 램프 등 고발열 조명을 많이 사용하여 냉방 부하를 가중시켰습니다. (최근에는 LED 조명 보급으로 조명 발열량은 감소 추세입니다.)

(3) 외부 환경 영향 증대:

• 넓은 외피 면적: 대공간 건축물은 외벽, 창문, 지붕 등 외부와 접하는 면적이 넓어 외부 기온 변화, 일사량 변화에 민감하게 반응합니다.
• 높은 침기량: 넓은 출입구, 개방적인 구조 등으로 인해 외부 공기 침입량이 많아 냉난방 부하 증가 및 실내 공기 질 저하를 유발할 수 있습니다.
• 풍압 영향: 높은 건물이나 넓은 공간은 풍압 영향을 크게 받아 특정 부위에 과도한 외풍이 유입되거나 압력 불균형이 발생할 수 있습니다.

(4) 용도 변화 및 부분 부하 운전:

• 다양한 용도: 대공간 건축물은 다목적 홀, 컨벤션 센터, 스포츠 시설 등 다양한 용도로 사용될 수 있으며, 용도에 따라 공조 요구 조건이 크게 달라집니다.
• 부분 부하 운전: 사용 시간, 재실 인원, 구획 변화 등에 따라 부분적으로만 공조가 필요한 경우가 많습니다. 전체 공간을 항상 최대 부하로 운전하는 것은 에너지 낭비를 초래합니다.

(5) 소음 및 진동 문제:

• 공조 설비 용량 증가: 대공간은 공조 설비 용량이 커지므로, 설비 작동 소음 및 진동이 커질 수 있습니다. 특히 덕트 풍절음, 송풍기 소음, 냉동기 진동 등이 문제가 될 수 있습니다.
• 넓은 공간 울림: 넓고 개방적인 공간은 소리가 울리기 쉬워 공조 설비 소음이 더욱 증폭되어 거주 쾌적성을 저해할 수 있습니다.

이러한 대공간 공기환경 특징을 고려하여 공조 시스템을 계획하고 설계해야 효율적인 에너지 사용과 쾌적한 실내 환경을 동시에 확보할 수 있습니다.

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2) 공기 분배방식에 따른 공조시스템

대공간 공조 시스템 설계에서 가장 중요한 요소 중 하나는 공기 분배 방식입니다. 공기 분배 방식은 실내 공기 유동 패턴, 온도 분포, 환기 효율, 에너지 소비량 등에 큰 영향을 미칩니다. 대공간에 적합한 주요 공기 분배 방식과 그에 따른 공조 시스템은 다음과 같습니다.

 

(1) 혼합 환기 방식 (Mixing Ventilation):

• 원리: 급기구를 통해 고속의 공기를 실내로 불어 넣어 실내 공기를 강제적으로 혼합시키는 방식입니다. 일반적인 천장 디퓨저, 노즐 등을 사용하여 급기합니다.

 

• 특징:
• 장점: 시스템 구성이 간단하고 초기 투자비가 저렴합니다. 일반적인 덕트 시스템 및 공조기 적용 가능합니다.
• 단점: 온도 성층화 현상 발생 가능성이 높습니다. 급기된 차가운 공기가 하부에 정체되고, 상부에는 따뜻한 공기가 축적되어 불균일한 온도 분포를 보입니다. 또한, 오염 물질 제거 효율이 비교적 낮고, 에너지 소비량이 많을 수 있습니다.

 

• 적용 시스템:
• 정풍량 방식 (CAV, Constant Air Volume): 항상 일정한 풍량을 공급하는 방식입니다. 부하 변동에 대한 대응력이 떨어지고, 부분 부하 시 에너지 낭비가 심합니다. 주로 부하 변동이 적은 공간에 적용됩니다.
• 변풍량 방식 (VAV, Variable Air Volume): 실내 부하 변화에 따라 급기 풍량을 조절하는 방식입니다. 부분 부하 운전 시 에너지 절감 효과가 높습니다. 대공간의 부분 부하 운전 특성에 적합하며, 일반적인 사무 공간, 상업 공간 등에 널리 사용됩니다.

 

• 대공간 적용 시 고려사항:
• 고풍속 급기: 넓은 공간에 공기를 멀리 보내기 위해 급기구에서 고풍속으로 공기를 분사해야 합니다. 이는 덕트 풍량 증가 및 송풍기 동력 증가로 이어질 수 있습니다.
• 균일한 디퓨저 배치: 공간 전체에 균일한 공기 분배를 위해 디퓨저를 적절한 간격으로 배치해야 합니다.
• 온도 성층화 완화: 믹싱 팬, 제트 노즐 등을 활용하여 온도 성층화 현상을 완화하고 공기 혼합을 촉진하는 방안을 고려해야 합니다.

(2) 치환 환기 방식 (Displacement Ventilation):

• 원리: 저속의 공기를 바닥 근처에서 공급하여 실내 하부에서부터 상부로 밀어 올리면서 환기하는 방식입니다. 주로 바닥 취출구, 하부 벽면 디퓨저 등을 사용합니다.

 

• 특징:
• 장점: 온도 성층화 현상을 효과적으로 억제하고, 재실 영역 (하부) 에 쾌적한 환경을 조성합니다. 오염 물질 제거 효율이 높고, 혼합 환기 방식에 비해 에너지 절감 효과가 큽니다.
• 단점: 초기 투자비가 다소 높고, 바닥 구조 변경이 필요할 수 있습니다. 급기 온도 및 급기량 제어가 중요하며, 부적절한 설계 시 냉방 성능 저하 및 결로 발생 위험이 있습니다.

 

• 적용 시스템:
• 바닥 공조 시스템 (Underfloor Air Distribution, UFAD): 건축물의 바닥 구조 (이중 바닥 등) 를 활용하여 공기를 공급하는 시스템입니다. 바닥 취출구를 통해 저속의 공기를 공급하고, 천장 또는 상부 벽면으로 배기합니다. 사무 공간, 데이터 센터, 로비 등에 적용이 증가하고 있습니다.
• 저측 덕트 시스템: 바닥 근처에 덕트를 설치하고, 낮은 위치의 디퓨저를 통해 공기를 공급하는 시스템입니다. UFAD 시스템에 비해 구조 변경이 적고, 시공이 용이합니다.

 

• 대공간 적용 시 고려사항:
• 높은 층고 공간 적용: 층고가 높은 공간에서 온도 성층화 억제 효과가 더욱 뚜렷하게 나타납니다.
• 저속 급기: 공기 혼합을 최소화하고 치환 효과를 극대화하기 위해 급기 풍속을 낮게 유지해야 합니다.
• 배기 위치: 오염된 공기 및 열을 효과적으로 배출하기 위해 배기구를 천장 또는 상부 벽면에 설치하는 것이 유리합니다.
• 보조 냉방: 극심한 하절기에는 치환 환기만으로는 냉방 부하를 감당하기 어려울 수 있으므로, 천장 복사 냉방, 스팟 냉방 등 보조 냉방 시스템을 병행하는 것을 고려해야 합니다.

(3) 제트 기류 환기 방식 (Jet Ventilation):

• 원리: 제트 노즐, 고속 디퓨저 등을 사용하여 고속의 공기를 멀리까지 보내 넓은 공간 전체에 공기를 공급하는 방식입니다. 주로 천장 또는 벽면에 설치된 노즐에서 공기를 분사합니다.

 

• 특징:
• 장점: 넓은 공간에 대한 공기 도달 거리가 길어 대공간 전체에 효율적인 공기 순환을 유도할 수 있습니다. 덕트 설치량 감소 및 시공비 절감 효과가 있습니다. 국부 냉난방, 스팟 냉방 등에 유리합니다.
• 단점: 급기구 주변의 풍속이 높고, 소음 발생 가능성이 있습니다. 제트 기류 도달 범위 및 방향 제어가 중요하며, 부적절한 설계 시 공기 불균형, 사각지대 발생 가능성이 있습니다.

 

• 적용 시스템:
• 펄스 제트 환기 (Pulse Jet Ventilation, PJV): 제트 노즐에서 펄스 형태로 공기를 간헐적으로 분사하여 공기 혼합 및 순환 효과를 높이는 시스템입니다. 산업 시설, 창고, 체육관 등 높은 층고의 대공간에 적용됩니다.
• 에어 커튼 (Air Curtain): 출입구 상부에 설치하여 고속의 공기 막을 형성, 외부 공기 침입을 차단하고 실내 공기 유출을 방지하는 시스템입니다. 출입문 개방 빈도가 높은 공간에 에너지 절감 및 실내 환경 유지 효과를 제공합니다.

 

• 대공간 적용 시 고려사항:
• 노즐 선정 및 배치: 공간 형태, 크기, 부하 분포 등을 고려하여 적절한 노즐 종류, 풍량, 분사 각도, 배치 간격 등을 결정해야 합니다.
• 기류 도달 거리 및 방향 제어: 제트 기류가 재실 영역에 직접 닿지 않도록 설계하고, 공기 순환 경로를 최적화해야 합니다.
• 소음 저감 대책: 노즐 소음, 풍절음 등을 줄이기 위해 저소음 노즐 사용, 흡음재 설치, 덕트 설계 개선 등 소음 저감 대책을 적용해야 합니다.

(4) 층별 분리 공조 방식 (Zoned Air Conditioning):

• 원리: 대공간을 수직 또는 수평적으로 구획하여 각 구역별로 독립적인 공조 시스템을 적용하는 방식입니다. 각 구역의 부하 특성 및 사용 용도에 맞춰 개별 제어가 가능합니다.
• 특징:
• 장점: 부분 부하 운전 시 에너지 절감 효과가 매우 높습니다. 각 구역별로 최적의 실내 환경을 조성할 수 있으며, 유지보수 및 관리 효율성이 향상됩니다.
• 단점: 초기 투자비가 증가하고, 시스템 구성이 복잡해질 수 있습니다. 구획별 부하 분석 및 제어 시스템 설계가 중요합니다.

 

• 적용 시스템:
• 멀티 에어컨 시스템 (Multi Air Conditioner System): 실외기 1대에 여러 대의 실내기를 연결하여 각 구역별로 개별 냉난방 제어가 가능한 시스템입니다. 상업 시설, 사무 공간 등에 널리 사용됩니다.
• 존별 VAV 시스템: 각 구역별로 VAV 박스를 설치하여 풍량을 제어하고, 중앙 공조기에서 온도 제어를 담당하는 시스템입니다. 대규모 건물, 복합 건물 등에 적용됩니다.

 

• 대공간 적용 시 고려사항:
• 구획 설정: 건물 용도, 부하 분포, 사용 패턴 등을 고려하여 효율적인 구획을 설정해야 합니다. 수직 구획 (층별), 수평 구획 (구역별), 시간별 구획 (운전 스케줄) 등 다양한 구획 방식 적용 가능합니다.
• 존별 부하 계산: 각 구획별 냉난방 부하를 정확하게 산정하고, 시스템 용량을 최적화해야 합니다.
• 통합 제어 시스템: 전체 시스템의 효율적인 운전 관리를 위해 통합 제어 시스템 구축이 필요합니다. 각 존별 운전 상태 모니터링, 에너지 사용량 관리, 스케줄 제어 등을 통합적으로 관리할 수 있어야 합니다.

공기 분배 방식 선정은 대공간 건축물의 용도, 형태, 부하 특성, 에너지 효율 목표, 초기 투자비 및 유지보수 비용 등을 종합적으로 고려하여 결정해야 합니다. 최근에는 에너지 절감 및 쾌적성 향상을 위해 치환 환기 방식, 층별 분리 공조 방식 등 고효율 시스템 적용이 증가하는 추세입니다.

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3) 대공간에서의 냉방방식

대공간 냉방은 넓은 면적과 높은 냉방 부하로 인해 일반적인 냉방 방식으로는 에너지 소비가 많고 쾌적성 확보가 어려울 수 있습니다. 대공간의 효율적인 냉방을 위한 다양한 방식들이 적용되고 있으며, 주요 냉방 방식은 다음과 같습니다.

(1) 복사 냉방 방식 (Radiant Cooling):

• 원리: 냉수 또는 냉매가 순환하는 패널 (천장, 벽, 바닥) 표면 온도를 낮춰 복사열 교환을 통해 실내를 냉방하는 방식입니다. 공기를 직접 냉각하는 방식이 아닌, 실내 표면 온도를 낮춰 쾌적감을 제공합니다.
• 특징:
• 장점: 재실자에게 직접적인 냉풍을 느끼게 하지 않아 쾌적성이 높습니다. 현열 부하 냉방에 효과적이며, 에너지 소비량이 적고, 소음이 적습니다. 온도 성층화 현상 완화에도 기여합니다.
• 단점: 잠열 부하 처리 능력이 부족합니다. 습도가 높은 환경에서는 결로 발생 위험이 있습니다. 초기 투자비가 다소 높고, 패널 설치 공간 및 배관 시스템 설계가 필요합니다.

 

• 적용 시스템:
• 천장 복사 냉방 (Chilled Ceiling): 천장에 복사 패널을 설치하는 방식입니다. 넓은 천장 면적을 활용하여 냉방 효과를 극대화할 수 있습니다. 사무 공간, 상업 공간, 로비 등에 적용됩니다.
• 바닥 복사 냉방 (Chilled Floor): 바닥에 냉수 배관을 매립하여 바닥면을 냉각하는 방식입니다. 냉방과 난방 겸용 시스템으로 활용 가능하며, 체육관, 강당 등에 적용됩니다.
• 벽면 복사 냉방 (Chilled Wall): 벽면에 복사 패널을 설치하는 방식입니다. 특정 구역 집중 냉방, 스팟 냉방 등에 활용될 수 있습니다.

 

• 대공간 적용 시 고려사항:
• 습도 관리: 복사 냉방 시스템과 함께 제습 시스템을 병행하여 실내 습도를 효과적으로 관리해야 결로 발생을 방지하고 쾌적성을 유지할 수 있습니다. 데시칸트 제습, 흡수식 냉동기 제습 운전 등이 활용될 수 있습니다.
• 보조 냉방 병행: 극심한 하절기 또는 고부하 조건에서는 복사 냉방만으로는 냉방 부하를 감당하기 어려울 수 있으므로, 팬 코일 유닛, 공기조화기 등 보조 냉방 시스템을 병행하는 것을 고려해야 합니다.
• 패널 디자인 및 배치: 실내 디자인과 조화를 이루는 복사 패널 디자인을 적용하고, 공간 형태 및 부하 분포를 고려하여 패널 배치 및 용량을 최적화해야 합니다.

(2) 증발 냉방 방식 (Evaporative Cooling):

• 원리: 물 증발 시 발생하는 기화열을 이용하여 공기를 냉각하는 방식입니다. 건조한 공기를 물과 접촉시켜 증발을 촉진시키고, 공기 온도를 낮춥니다.

 

• 특징:
• 장점: 에너지 소비량이 매우 적고, 친환경적입니다. 건조한 기후 지역에서 냉방 효과가 뛰어납니다. 설비 구조가 간단하고 유지보수가 용이합니다.
• 단점: 습도가 높은 환경에서는 냉방 효과가 떨어집니다. 공기 습도가 높아지므로, 쾌적성 저하 및 설비 부식 문제가 발생할 수 있습니다. 잠열 부하 증가는 냉방 효과를 감소시킵니다.

 

• 적용 시스템:
• 직접 증발 냉각 (Direct Evaporative Cooling): 공기를 직접 물과 접촉시켜 냉각하는 방식입니다. 가습 효과가 뛰어나 건조한 환경에 적합합니다. 산업 시설, 창고, 농업 시설 등에 적용됩니다.
• 간접 증발 냉각 (Indirect Evaporative Cooling): 1차 공기를 증발 냉각시키고, 열교환기를 통해 2차 공기를 간접적으로 냉각하는 방식입니다. 습도 증가 없이 냉방이 가능하며, 직접 증발 냉각 방식에 비해 적용 범위가 넓습니다. 데이터 센터, 사무 공간 등에 적용이 증가하고 있습니다.

 

• 대공간 적용 시 고려사항:
• 기후 조건: 건조한 기후 지역 (여름철 상대 습도 60% 이하) 에서 냉방 효과가 극대화됩니다. 습한 기후 지역에서는 적용에 제한이 있습니다.
• 습도 관리: 증발 냉방 방식과 함께 제습 시스템을 병행하거나, 간접 증발 냉각 방식을 적용하여 습도 증가 문제를 해결해야 합니다.
• 수질 관리: 증발 과정에서 스케일, 미생물 번식 등이 발생할 수 있으므로, 급수 수질 관리 및 설비 청소, 소독 등 유지보수가 중요합니다.
• 보조 냉방 병행: 극심한 더위 또는 고부하 조건에서는 증발 냉방만으로는 냉방 부하를 감당하기 어려울 수 있으므로, 압축식 냉방기 등 보조 냉방 시스템을 병행하는 것을 고려해야 합니다.

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(3) 축열 냉방 방식 (Thermal Storage Cooling):

• 원리: 심야 시간대 등 전기 요금이 저렴한 시간대에 냉열을 축적해두었다가, 주간 피크 시간대에 축적된 냉열을 이용하여 냉방하는 방식입니다. 주로 냉수 축열, 빙축열 방식이 사용됩니다.

 

• 특징:
• 장점: 피크 부하 저감 및 전기 요금 절감 효과가 큽니다. 전력 수급 안정화에 기여하고, 발전소 건설 비용 절감 효과도 기대할 수 있습니다. 예비 냉방 용량 확보 효과도 있습니다.
• 단점: 초기 투자비가 높고, 축열조 설치 공간이 필요합니다. 축열 효율 및 운전 제어 기술이 중요합니다. 냉방 용량 및 운전 시간이 축열 용량에 의해 제한될 수 있습니다.

 

• 적용 시스템:
• 냉수 축열 시스템: 심야 전력을 이용하여 냉동기로 냉수를 생산하고, 축열조에 저장했다가 주간에 냉방에 활용하는 시스템입니다. 일반적인 건물 냉방에 널리 적용됩니다.
• 빙축열 시스템: 심야 전력을 이용하여 냉동기로 얼음을 생성하고, 축열조에 저장했다가 주간에 융해열을 이용하여 냉방하는 시스템입니다. 냉수 축열 시스템보다 축열 밀도가 높고, 작은 축열조로도 큰 냉방 용량을 확보할 수 있습니다.

 

• 대공간 적용 시 고려사항:
• 부하 변동 예측: 냉방 부하 패턴을 정확하게 예측하고, 축열조 용량을 최적화해야 합니다. 과도한 축열 용량은 초기 투자비 증가 및 공간 낭비를 초래하고, 부족한 축열 용량은 피크 부하 대처 능력을 저하시킵니다.
• 축열 효율 관리: 축열조 단열 강화, 축열 매체 선정, 운전 제어 최적화 등을 통해 축열 효율을 극대화해야 합니다. 축열 효율 저하는 에너지 절감 효과 감소로 이어집니다.
• 운전 스케줄: 냉동기 운전 시간, 축열/방열 시간, 보조 냉방 시스템 운전 등을 고려하여 효율적인 운전 스케줄을 수립해야 합니다. 피크 부하 시간대에 축열 시스템만으로 냉방 부하를 감당하기 어려울 수 있으므로, 보조 냉방 시스템과 연동 운전하는 것을 고려해야 합니다.

(4) 데시칸트 냉방 방식 (Desiccant Cooling):

• 원리: 데시칸트 (흡습제) 를 이용하여 공기 중 습기를 제거 (제습) 한 후, 증발 냉각 또는 압축식 냉각을 통해 공기를 냉방하는 방식입니다. 잠열 부하와 현열 부하를 분리하여 처리하여 효율적인 냉방이 가능합니다.

 

• 특징:
• 장점: 습한 기후 지역에서 쾌적한 냉방 효과를 제공합니다. 잠열 부하 처리 능력이 뛰어나 쾌적 습도 유지가 용이합니다. 재생 열원으로 저온 열원 (태양열, 폐열 등) 활용 가능성이 높습니다.
• 단점: 초기 투자비가 다소 높고, 시스템 구성이 복잡합니다. 재생 열원 확보 및 효율적인 시스템 운전 기술이 중요합니다. 흡습제 성능 저하 및 유지보수 문제가 발생할 수 있습니다.

 

• 적용 시스템:
• 흡착식 데시칸트 냉방: 고체 흡습제 (실리카겔, 제올라이트 등) 를 사용하여 제습하는 방식입니다. 흡착-탈착 과정 반복을 통해 지속적인 제습 운전이 가능합니다.
• 흡수식 데시칸트 냉방: 액체 흡습제 (염화리튬 용액, 브롬화리튬 용액 등) 를 사용하여 제습하는 방식입니다. 흡수-재생 과정 반복을 통해 지속적인 제습 운전이 가능합니다.

 

• 대공간 적용 시 고려사항:
• 제습 부하: 실내 발생 습기량, 외부 침입 습기량 등을 고려하여 적절한 제습 용량을 산정해야 합니다. 과도한 제습 용량은 에너지 낭비를 초래하고, 부족한 제습 용량은 쾌적성 저하를 유발합니다.
• 재생 열원: 데시칸트 재생에 필요한 열원을 경제적이고 안정적으로 확보하는 것이 중요합니다. 태양열, 폐열, 도시열, LNG 배가스 열 등 다양한 저온 열원 활용 가능성을 검토해야 합니다.
• 하이브리드 시스템: 데시칸트 냉방 시스템과 압축식 냉방 시스템, 증발 냉방 시스템 등을 조합한 하이브리드 시스템 구축을 통해 시스템 효율을 극대화하고 다양한 운전 조건에 대응할 수 있습니다.

대공간 냉방 방식 선정은 건물의 용도, 규모, 기후 조건, 에너지 비용, 쾌적성 요구 수준, 초기 투자비 및 유지보수 비용 등을 종합적으로 고려하여 최적의 방식을 선택해야 합니다. 최근에는 에너지 절약 및 환경 친화적인 냉방 기술에 대한 관심이 높아지면서 복사 냉방, 증발 냉방, 데시칸트 냉방 등 신재생 에너지 활용 및 고효율 냉방 방식 적용이 확대되는 추세입니다.