2-5. 건축물의 용도, 에너지 성능, 유지관리성을 고려한 공기조화 시스템 계획에 대하여 다음 각 항목에 대하여 설명하시오.

1) 공기조화 시스템 계획 시 단계별 고려해야 할 주요 사항
2) 건물 용도별(병원, 극장, 학교) 공조 방식 선정 기준과 차이점
3) 에너지 절감과 유지관리성 확보를 위한 설계 전략
4) 최근 탄소중립 정책과 기술 동향이 공조 계획에 미치는 영향

 

건축물의 용도, 에너지 성능, 유지관리성을 고려한 공기조화 시스템 계획

건축물의 공기조화(HVAC) 시스템 계획은 쾌적하고 건강한 실내 환경을 제공하는 동시에 에너지 효율성을 극대화하고 유지관리를 용이하게 하는 것을 목표로 합니다. 건축물의 용도, 규모, 예산, 그리고 최신 기술 동향 등을 종합적으로 고려하여 최적의 시스템을 선정하고 설계해야 합니다.

 

1) 공기조화 시스템 계획 시 단계별 고려해야 할 주요 사항

공기조화 시스템 계획은 일반적으로 여러 단계를 거쳐 진행되며, 각 단계마다 중요한 고려 사항들이 있습니다.

• 기획 단계 (Pre-design Phase):
  • 건축물 용도 및 특성 파악: 건물의 주된 용도(사무실, 주거, 병원, 상업 시설 등)와 그에 따른 요구 조건(온습도 조절 범위, 공기질 요구치, 소음/진동 허용치 등)을 명확히 정의합니다.
  • 건축 계획 이해: 건물의 규모, 형태, 향(方位), 창문 면적, 단열 성능 등 건축적인 특징이 냉난방 부하에 미치는 영향을 분석합니다.
  • 예산 및 일정 확인: 프로젝트 예산 및 전체 일정에 맞춰 공조 시스템의 규모와 종류, 그리고 설치 및 시운전 계획을 수립합니다.
  • 친환경 및 에너지 목표 설정: 건물의 에너지 성능 목표(예: 제로 에너지 건물, 특정 에너지 효율 등급)와 친환경 인증 취득 여부를 고려하여 시스템 방향을 설정합니다.
• 개념 설계 단계 (Conceptual Design Phase):
  • 부하 계산 및 존(Zone) 설정: 건물의 냉난방 부하를 정밀하게 계산하고, 용도 및 부하 특성이 유사한 구역별로 존을 설정하여 독립적인 제어가 가능하도록 계획합니다.
  • 공조 방식 선정: 건물의 규모, 용도, 부하 특성, 예산, 에너지 목표 등을 종합적으로 고려하여 중앙식, 개별식, 또는 복합식 등 적합한 공조 시스템 방식을 선정합니다. 각 방식의 장단점과 적용성을 비교 검토합니다.
  • 주요 장비 용량 산정: 선정된 공조 방식에 따라 냉동기, 보일러, 공조기, 펌프, 팬 등 주요 장비의 개략적인 용량을 산정합니다.
  • 에너지원 검토: 전기, 가스, 지역난방/냉방 등 사용 가능한 에너지원을 검토하고, 에너지 효율성 및 비용 측면에서 유리한 에너지원을 선택합니다. 신재생 에너지 적용 가능성도 검토합니다.
• 기본 설계 단계 (Schematic Design Phase):
  • 시스템 구성 및 배관/덕트 계획: 선정된 공조 방식에 따른 전체 시스템 구성도를 작성하고, 주요 배관 및 덕트의 경로와 크기를 계획합니다. 장비실 및 샤프트 공간을 확보합니다.
  • 제어 방식 설정: 개별 제어, 존 제어, 중앙 집중식 제어 등 건물의 운영 방식과 요구 조건에 맞는 제어 방식을 설정하고, 자동 제어 시스템 구성 계획을 수립합니다.
  • 소음 및 진동 방지 계획: 소음 및 진동 발생 가능성이 있는 장비의 위치를 선정하고, 방진 및 방음 대책을 계획합니다.
  • 유지관리성 고려 설계: 장비의 배치, 접근성, 배관 및 덕트의 청소 용이성 등을 고려하여 유지관리가 용이하도록 설계합니다.
• 상세 설계 단계 (Detailed Design Phase):
  • 최종 장비 선정 및 배치: 성능 및 효율을 고려하여 최적의 장비를 최종 선정하고, 설치 공간 및 유지관리 동선을 고려하여 상세 배치 계획을 수립합니다.
  • 배관 및 덕트 상세 설계: 모든 배관 및 덕트의 크기, 경로, 이음쇠, 지지 방식 등을 상세하게 설계하고, 압력 손실 계산을 통해 펌프 및 팬의 최종 용량을 확정합니다.
  • 자동 제어 시스템 상세 설계: 센서 종류 및 위치, 제어 로직, 제어 밸브 및 댐퍼 사양 등을 상세하게 설계합니다.
  • 전기 및 기계 통합 설계: 공조 장비에 필요한 전력 공급 및 제어 배선, 기타 기계 설비(급배수, 소방 등)와의 간섭 여부를 확인하고 통합적으로 설계합니다.
  • 시방서 및 도면 작성: 상세 설계 내용을 바탕으로 시방서 및 최종 도면을 작성합니다.

2) 건물 용도별(병원, 극장, 학교) 공조 방식 선정 기준과 차이점

건축물의 용도별 특성에 따라 요구되는 공조 성능과 중점 고려 사항이 다르므로 공조 방식 선정 기준에 차이가 있습니다.

• 병원:
  • 선정 기준: 가장 높은 수준의 공기질, 온습도 정밀 제어, 구역별 독립성, 신뢰성 및 비상 대응 능력, 소음/진동 최소화, 감염 관리 및 방역 기능이 요구됩니다.
  • 차이점:
    • 공기질 및 필터링: 고성능 필터(HEPA 필터 등), 자외선 살균 장치 등 엄격한 공기질 관리가 필수적이며, 구역별로 청정도 등급을 달리하여 관리합니다.
    • 압력 제어: 수술실, 격리 병실 등은 차압 제어를 통해 오염 확산을 방지합니다 (양압 또는 음압 유지).
    • 환기율: 일반 건물보다 높은 환기율이 요구되며, 외기 도입 비율이 높을 수 있습니다.
    • 신뢰성 및 이중화: 중요 구역의 공조 시스템은 비상 상황에 대비하여 이중화되거나 백업 시스템을 갖추는 경우가 많습니다.
    • 개별 제어 및 유연성: 병실 등은 개별적인 온습도 조절이 가능하도록 하여 환자의 쾌적성을 확보합니다.
• 극장:
  • 선정 기준: 대규모 공간의 온습도 제어, 소음 및 진동 최소화(무대 및 객석), 쾌적한 기류 분포, 에너지 효율성, 화재 안전 및 제연 기능이 중요합니다.
  • 차이점:
    • 대공간 공조: 대규모 공간 전체를 효율적으로 냉난방하고 환기하는 시스템이 필요합니다 (예: 전공기 방식, 덕트 시스템).
    • 소음 제어: 공연 중 소음이 매우 중요하므로, 저소음 장비 선정, 덕트 내 소음기 설치, 장비실의 방음/방진 등 철저한 소음 제어 대책이 요구됩니다.
    • 기류 분포: 객석 전체에 걸쳐 균일하고 불쾌감을 주지 않는 기류 분포를 형성하는 것이 중요합니다. 취출구 및 환기구의 위치와 형상 선정에 신중을 기합니다.
    • 환기 부하: 재실 인원이 많으므로 인체에서 발생하는 열 및 습기 부하, CO2 발생량이 커서 충분한 환기량 확보가 중요합니다.
• 학교:
  • 선정 기준: 학생들의 학습 환경에 적합한 온습도 및 공기질 유지, 에너지 효율성, 유지관리 용이성, 내구성, 안전성, 경제성이 고려됩니다.
  • 차이점:
    • 변동 부하 대응: 수업 시간, 쉬는 시간, 점심 시간 등 재실 인원 및 활동 수준의 변화가 크므로 변동 부하에 효율적으로 대응할 수 있는 시스템이 유리합니다 (예: VAV 시스템).
    • 구역별 제어: 각 교실 및 특별실별로 독립적인 온습도 제어가 가능하도록 계획하여 에너지 낭비를 줄입니다.
    • 외기 도입 및 환기: 학생들의 밀집도가 높으므로 충분한 외기 도입과 환기를 통해 CO2 농도를 관리하고 쾌적한 학습 환경을 조성합니다.
    • 유지관리 및 내구성: 사용 빈도가 높고 관리 인력이 제한적일 수 있으므로 내구성이 뛰어나고 유지관리가 용이한 장비를 선정하고 시스템을 구성합니다.
    • 안전성: 학생들의 안전을 고려하여 장비의 설치 위치 및 배관/덕트의 노출 여부 등을 검토합니다.

3) 에너지 절감과 유지관리성 확보를 위한 설계 전략

에너지 효율적인 운전과 용이한 유지관리는 공조 시스템의 생애주기 비용과 성능에 큰 영향을 미치므로, 설계 단계부터 이를 고려하는 것이 매우 중요합니다.

• 에너지 절감 설계 전략:
  • 고효율 장비 선정: 에너지 효율 등급이 높은 냉동기, 보일러, 펌프, 팬 등을 선정하여 운전 단계의 에너지 소비를 최소화합니다.
  • 열원 시스템 최적화: 건물의 부하 특성에 맞는 열원 시스템(중앙 집중식, 분산식, 하이브리드 등)을 선정하고, 부분 부하 운전 시 효율이 높은 장비를 우선적으로 고려합니다.
  • 폐열 회수: 배기되는 공기나 폐수 등의 열을 회수하여 외기 예열/예냉, 급탕 가열 등에 활용하는 폐열 회수 장치(전열 교환기, 현열 교환기 등)를 적용하여 에너지 손실을 줄입니다.
  • 자연 에너지 활용: 지열, 태양열 등 신재생 에너지를 공조 시스템에 연계하여 화석 에너지 사용량을 줄입니다.
  • 효율적인 제어 시스템 구축: VAV(Variable Air Volume), DCV(Demand Controlled Ventilation) 등 변풍량/변수량 시스템과 최적 제어 알고리즘을 적용하여 실내 부하 변동에 따라 에너지 공급을 정밀하게 조절합니다.
  • 건축적 고려: 건물의 단열 성능 강화, 고효율 창호 적용, 차양 계획 등을 통해 냉난방 부하 자체를 줄여 공조 시스템의 에너지 소비를 최소화합니다.
• 유지관리성 확보 설계 전략:
  • 장비 배치 및 접근성 확보: 장비실 내 주요 장비의 점검, 수리, 교체가 용이하도록 충분한 공간을 확보하고 접근 통로를 마련합니다.
  • 배관 및 덕트 설계: 배관 및 덕트의 청소, 점검이 용이하도록 적절한 위치에 점검구 및 드레인 포트 등을 설치합니다. 배관 라벨링을 명확히 합니다.
  • 필터 접근성 및 교체 용이성: 필터 교체가 쉽도록 공조기 내부 필터 섹션의 접근성을 높입니다.
  • 자동 제어 시스템의 유지관리 편의성: 제어반의 구성이 체계적이고, 센서 및 액추에이터의 점검 및 교체가 용이하도록 설계합니다. 원격 모니터링 및 제어 기능을 통해 유지관리 효율을 높입니다.
  • 표준화 및 모듈화: 가능한 표준화된 장비 및 부품을 사용하고 시스템을 모듈화하여 유지보수 및 부품 수급을 용이하게 합니다.
  • 배수 시스템 고려: 응축수 등 배수가 원활하게 이루어지도록 배관 기울기, 트랩 설치 등을 고려하고, 배수 시스템의 점검 및 청소가 용이하도록 설계합니다.
  • 유지관리 매뉴얼 제공: 시스템 운영 및 유지관리에 대한 상세한 매뉴얼을 제공하여 효율적인 관리가 이루어지도록 지원합니다.

4) 최근 탄소중립 정책과 기술 동향이 공조 계획에 미치는 영향

최근의 탄소중립 정책과 기술 동향은 공조 시스템 계획에 상당한 영향을 미치고 있으며, 앞으로 이러한 경향은 더욱 심화될 것입니다.

• 저(低) GWP 냉매 전환: 지구온난화 지수(GWP)가 높은 기존 냉매(HFCs 등)의 생산 및 사용이 단계적으로 감축됨에 따라, GWP가 낮은 신규 냉매 또는 자연 냉매(CO2, 암모니아, 탄화수소 등)를 사용하는 냉동기 및 히트펌프 시스템의 적용이 확대되고 있습니다. 이는 시스템 설계, 장비 선정, 안전 기준 등에 변화를 가져옵니다.
• 전력화(Electrification) 가속화: 탄소 배출이 없는 전기를 에너지원으로 사용하는 히트펌프 시스템의 효율이 향상되고 적용 범위가 넓어짐에 따라, 화석 연료 기반의 보일러 시스템을 대체하며 공조 시스템의 전력화가 가속화되고 있습니다. 이는 전력 공급 인프라 및 시스템 설계에 영향을 미칩니다.
• 신재생 에너지 연계: 태양광, 풍력 등 신재생 에너지 발전 시스템과 공조 시스템을 직접 연계하거나, 생산된 전력을 활용하는 히트펌프 시스템 적용을 통해 공조 시스템의 에너지 자립도를 높이고 탄소 배출을 줄이는 방향으로 계획이 이루어지고 있습니다.
• 건물 에너지 관리 시스템(BEMS) 및 스마트 제어: 건물의 에너지 사용량을 실시간으로 모니터링하고 분석하여 공조 시스템의 운전을 최적화하는 BEMS 도입이 확대되고 있으며, AI 기반의 예측 제어, 자율 제어 등 스마트 제어 기술을 통해 에너지 효율을 극대화하고 있습니다.
• 환기 및 공기질 관리 강화: 코로나19 팬데믹 이후 실내 공기질 및 환기의 중요성이 부각되면서, 외기 도입량 기준 강화, 환기 시스템 효율 향상, 공기 청정 및 살균 기능 강화 등이 공조 계획에 반영되고 있습니다. DCV 등 필요에 따라 환기량을 조절하는 시스템의 적용도 증가하고 있습니다.
• 건축물 에너지 효율 기준 강화: 건축물의 에너지 절약을 위한 단열 기준, 창호 성능 기준 등이 지속적으로 강화되고 있으며, 이는 냉난방 부하 감소로 이어져 공조 시스템의 용량 선정 및 효율 향상에 영향을 미칩니다. 제로 에너지 건축물 의무화 등 정책적인 변화도 공조 시스템 계획의 핵심 동인이 되고 있습니다.

이러한 탄소중립 정책 및 기술 동향은 건축물의 공조 시스템이 단순히 실내 환경을 조절하는 기능을 넘어, 에너지 생산 및 소비의 효율성을 극대화하고 환경 부하를 최소화하는 방향으로 발전하도록 유도하고 있습니다. 공조 엔지니어는 이러한 변화를 이해하고 최신 기술과 정책을 반영하여 지속 가능한 건축 환경을 위한 공조 시스템을 계획해야 합니다.