전 세계적인 온실가스 감축 요구에 따라 에너지절감은 모든 산업부문의 행동강령으로 자리잡고 있다. 하지만 이러한 에너지절감은 기업의 생산성을 해지치 않아야 한다는 전제가 깔려있다. 다시 말해 산업계는 생산효율을 유지한 채 효과적인 에너지사용방안을 마련해야 한다는 새로운 도전 앞에 놓인 셈이다.
특히 건물에너지는 연간 총 사용량의 45% 이상을 차지하고 있어 건축물은 더욱 효율적인 에너지사용을 강요받고 있다. 이에 따라 건축물에 적용할 수 있는 다양한 에너지효율적인 패시브·액티브 기법들이 개발, 적용되고 있다.
건물에서 높은 에너지소비를 차지하고 있는 냉난방은 건물에너지사용량 절감에 있어 가장 먼저 고려해야 할 분야다. 하지만 빌딩의 로비, 체육관, 전시장, 공장 등과 같은 대공간의 경우 넓은 면적과 높은 층고로 일반 건물에서의 냉난방과는 다른 특수성을 나타내고 있다.
이에 따라 대공간 냉난방의 특성을 알아보고 효율적인 에너지사용방안에 대해 소개한다.
대공간이란
대공간이란 건축적인 볼륨으로 구분되며 일반적으로 벽이나 구조물 등으로 공간의 차단 없이 높이가 약 5m 이상의 공간을 지칭한다. 일반 빌딩의 로비, 공연장, 체육시설, 대형 역사공간, 강당, 공항의 대합실, 공장 등이 대공간에 포함된다.
특히 대공간에서는 여름과 겨울철에 과다한 에너지사용이 지적되고 있으며 냉난방지점과 층고에 따른 온도불균형이 나타나고 있다.
이러한 장소는 바닥면적이 넓거나 층고가 높다는 특성이 있다. 층고가 20~30m인 현장에서도 사람들이 3m 이내에서 활동하게 되므로 일반적으로 4m 이하의 열부하를 고려해 거주역 위주의 설계를 하게 된다.
체육관이나 공연장의 경우 면적은 넓지만 관객들이 있는 부분을 계산해 부하가 상층부로 뜨지 않도록 설계된다. 공장 등 면적이 넓은 장소에서도 생산설비가 놓인 곳을 제외하면 작업자의 동선을 예상할 수 있기 때문에 이러한 곳에 냉난방을 집중시켜야 에너지낭비를 막을 수 있다.
냉난방한 열이 상부로 뜨지 못하게 누른다거나 천장으로 올라간 열기는 외부로 배출시키는 구조 등이다. 에너지효율화도 이러한 방향으로 이해될 수 있다. 대공간에서는 사람들이 활동하는 구역에 필요한 만큼만 냉난방하는 것이 핵심이다.
특히 설비는 단열, 기밀 등 건축적인 설계가 이뤄진 후모자라는 부분을 메워주는 것이기 때문에 현장여건에 따라 좌우되는 특성이 있다.
대공간 냉난방, 대류·복사열 방식
대공간에서의 냉난방은 크게 대류를 이용하는 방법과 복사열을 이용하는 방법으로 나눌 수 있다. 두 가지 방법은 △쾌적성 △에너지절감성 △건축적 효율성 △투자비용 등을 고려해 현장마다 적합한 방식을 선택하게 된다.
대류를 이용하는 방법은 공조기에 강한 기류를 만드는 송풍기를 이용해 공기를 매개체로 냉난방열을 넓은 지역에 전달하는 방식이다. 시공이 간편하고 초기투자비용이 적게들며 오랜기간 사용한 검증된 방식이기 때문에 많은 현장에서 폭넓게 사용되고 있다.
하지만 기류를 직접 맞게 되면 불쾌감이 상승하기 때문에 쾌적성 면에서는 감점요인이다. 사용되는 동력이 크며 모터, 코일, 팬 등의 정기적인 점검이 필요하다. 또한 뜨거운 공기가 위로 뜨기 때문에 겨울철에는 난방열이 천장으로 올라가 에너지사용량이 올라간다.
특히 공항에 가보면 중간중간에 탑과 비슷하게 생긴 취출구가 눈에 띈다. 이처럼 덕트를 이용해 냉난방을 하는 현장은 취출구 자리를 마련하는 데 제약이 있고 기류도달거리가 부족하면 냉난방불균형이 발생하기도 한다.
복사열을 이용하는 방법은 바닥에 냉난방코일을 매설하거나 상부에 패널을 설치하기도 한다. 복사열이 은은하게 전달되기 때문에 재실자의 쾌적성이 높다는 점이 가장 큰 장점이다. 고급빌딩이나 호텔 등의 로비는 재실자의 쾌적성을 중요시하기 때문에 복사냉난방 사용비율이 높다.
또한 송풍기를 사용하지 않아 분진이 생기지 않는다는 점도 있다. 특히 물을 이용해 열을 전달하기 때문에 사용동력이 낮아 에너지비용이 적게 사용된다.
다만 초기비용이 대류방식에 비해 비싸고 냉방 시 결로가 문제될 수 있어 제어장치 및 제습장치가 꼭 필요하다. 복사냉난방이 국내에 들어온 초창기에는 시스템에 대한 이해도가 부족했기 때문에 결로문제가 발생하기도 했다.
쾌적성·초기비용 고려
에너지수송능력에 있어 공기와 물을 비교했을 때 매우 큰 차이가 난다. 그만큼 공기를 이용한 냉난방방식은 사용동력이 높아 에너지소비도 늘어날 수밖에 없다.
건물규모에 따라 다르지만 일반적으로 복사냉난방은 대류방식에 비해 초기투자비가 15~30% 정도 높지만 연간 운전비는 20~30%가량 절약될 수 있다.
건물의 용도와 특성에 따라 쾌적성이 중요하면 복사냉난방을, 초기설치비가 중요하면 대류방식을 적용하는 것이 일반적이다.
공장이나 체육관 등 재실자의 쾌적감보다는 국소 냉난방이 필요한 현장은 대류가 적합할 수 있다. 또한 대류방식은 초기투자비가 적게 들어간다는 장점이 있다. 똑같은 건물은 없기 때문에 현장마다 특성을 파악하는 것이 중요하다.
대부분 건설과 설비는 공사비 문제에서 갈리게 된다. 이에 따라 설계사무소에서는 현장에 따라 최선과 차선책을 제시하고 발주처는 비용 및 부수적인 여건을 고려해 선택을 하게 된다.
대공간 냉난방 대표사례
국내 대부분의 공장과 영화관, 전시장, 체육관 등은 대부분 대류를 이용한 냉난방시설이 적용돼있다. △삼성전자 △LG Display △케이티앤지 △CGV △지멘스 헬시니어스 △인천 청라 스퀘어세븐 △용산 아이파크몰 △CJ △풀무원 △중앙보훈병원 의학연구소 △마곡R&D센터 등 일반적인 대공간 현장에서 사용하고 있다.
최근 복사열을 이용해 냉난방을 하고 있는 현장들이 속속 등장하고 있다. 이러한 현장은 랜드마크급 건물들 위주로 나타나고 있어 더욱 눈에 띈다.
국내 대표 초고층빌딩인 롯데월드타워는 대공간 로비에 바닥복사냉난방이 적용됐다. 냉방부하의 26%, 난방부하의 36%를 바닥복사냉난방이 감당하고 있으며 나머지 부하는 바닥과 벽면의 취출구를 통한 공조기로 처리되고 있다. 바닥복사냉방으로 공조기 풍량을 30% 절감할 수 있으며 직달일사가 도달하는 곳에는 복사냉방의 처리용량을 더욱 증대시킬 수 있다.
겨울철에는 난방부하의 대부분을 바닥복사난방으로 감당할 수 있어 실내환기 및 공기질관리에 따른 최소한의 공조풍량만 유지하면 에너지절감을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
이 현장은 10개의 존으로 나눠 온·습도센서가 설치됐고 중앙제어장치는 온·습도센서, 외기온도센서, 공급수온도센서에 의해 결로가 생기지 않는 범위 내에서 최적의 냉난방을 수행할 수 있는 공급수온을 산정한다. 이를 통해 외기에 따라 보상운전을 할 수 있는 에너지절약적인 운전을 시행하고 있다.
냉방 시 1차측 냉수가 3-way 믹싱밸브까지 공급되며 3-way 믹싱밸브에서 약 14˚C 내외의 공급수와 약 19˚C 내외의 환수가 믹싱돼 외기보상 및 노점온도제어에 따른 적정 수온으로 순환펌프를 통해 바닥 코일배관에 공급된다.
난방 시에도 온수가 3-way 믹싱밸브까지 공급되며 3-way 믹싱밸브에서 약 35˚C 내외의 공급수와 약 45˚C 내외의 환수가 믹싱돼 외기보상제어에 따른 적정수온으로 순환펌프를 통해 바닥배관에 공급된다.
이외의 대공간 복사냉난방 사례로 △서울시청(약 1,600m²) △세종시 국립도서관(약 2,100m²) △CJ제일제당 통합R&D센터(약 3,200m²) △S사 사옥(약1,300m²) △P사 연수원(2,300m²) △H사 R&D센터(약 3,200m²) 등이 대표적이다.
국내 대부분의 공장과 영화관, 전시장, 체육관 등은 대부분 대류를 이용한 냉난방시설이 적용돼있다. △삼성전자 △LG Display △케이티앤지 △CGV △지멘스 헬시니어스 △인천 청라 스퀘어세븐 △용산 아이파크몰 △CJ △풀무원 △중앙보훈병원 의학연구소 △마곡R&D센터 등 일반적인 대공간 현장에서 사용하고 있다.
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