2020년 발간된 CTBUH(미국 세계초고층빌딩도시건축학회)의 특별판에 포스트 팬데믹에 대한 고층빌딩과 도시의 변화를 주제로 다양한 연구보고서가 발표됐다. 이중 주 저자인 Mehdi Jalayerian이 연구한 ‘포스트 펜데믹시대의 업무용 빌딩에 대한 공조시스템의 전략’이라는 보고서를 인상 깊게 살펴보며 전문을 공개하고 싶지만 지면이 허락하는 범위에서 주요 내용에 대한 요약된 내용을 소개와 해석을 통해 건축 및 설비인들의 이해를 돕고자 한다.
3년전 COVID-19 팬데믹이 유발되고 그 감염경로로 공기를 통한 전파증거들이 발견되면서 실내의 부족한 환기 및 부실한 공기정화시설이 문제점으로 드러났다. 이로 인해 미국냉난방공조학회는 ‘ASHRAE guidance for office building(ASHRAE 2020)’을 통해 실내에 환기량을 최대한 늘리고 공기필터를 가능한 높은 단계로 바꿀 것을 권고하는 가이드라인을 제시했다.
하지만 기존 시설을 전면 교체할 수 없는 실정에서 환기량 증가와 필터 교체만으로는 팬데믹에 대응하기에 한계가 있을 수밖에 없다.
이에 따라 기존 건축물에 대해 ASHRAE가 추천하는 운영상의 변화 이외에 추가적으로 실내 공기질 향상에 도움이 될 방안에 대해 제시했다. 그 방안으로 적절한 공조필터를 사용할 것을 권고했으며 UVGI시스템(자외선 살균장치)과 BPI시스템(양극성 이온화장치)를 소개했다.
최근 ASHRAE의 검증자료에 의하면 적정하게 설계된 공조필터는 공기전파 바이러스를 제거하는데 매우 효과적이다. 이에 따라 공기 중 미세입자를 약 90%를 제거할 수 있는 MERV13을 최소한의 사양으로 제시하고 있다. 또한 UVGI는 안전한 위치에 설치가 된다면 병원균을 감소시키는데 효과적이나 기존 건축물에 추가로 설치 시 비용적인 측면과 실내 디자인상의 문제가 제기되고 있다.
BPI는 공기 중 병원균 및 미세먼지 제거에도 도움이 되나 오존발생이라는 단점을 가지고 있어 오존에 대한 적절한 기준과 현장의 성능검사가 필수적이다.
향후 공조시스템의 변화
기존 고층빌딩의 경우, 중앙공급식 공조시스템을 흔히 사용했으며 최근 각층의 공조시스템이 분리된 형태가 적용되는 사례가 늘어나고 있다.
<그림1> 세번째 경우 옥상층 또는 기계실, 아니면 기계실층을 별도로 두고 복수의 층을 하나의 공조기로 묶는 형태를 중앙공급식이라고 할 수 있는데 이 경우 각 층간에 실내공기가 혼합돼 공급되기 때문에 바이러스 전파를 대비할 수 없으며 메인 덕트 사이즈 한계로 환기량을 충분히 증가시킬 수 없는 문제가 있어 팬데믹 대응에 매우 취약한 시스템이다.
이에 따라 각층간 혼합이 없는 <그림1>의 첫 번째와 두 번째 사례와 같이 층별 공조시스템으로 설계해야만 포스트 팬데믹시대를 대비할 수 있게 된다. 이중에서 가능하다면 <그림1>의 두번째 사례가 가장 권장되는 시스템이다. 그 이유는 필요에 따라 신선 외기의 양을 급기량의 100%까지 도입할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 이에 따라 OA와 EA 루버의 개구부 면적을 충분히 확보할 수 있도록 설계하는 것이 중요하다.
이처럼 미래의 건축물은 각층 간의 공기가 혼합되는 것을 제한하고 신선외기 도입을 최대화할 수 있어야 하며 뿐만 아니라 높은 에너지효율을 위해 열회수 능력을 갖추고 있어야 한다.
개선된 공간내 기류
여기에 한가지 더 중요한 요소로 공간내에서 혼합되는 공기흐름을 최소화하는 급배기 계획을 갖추고 있어야 한다.
대부분의 고층빌딩에서는 환기와 냉난방을 위해 천장을 통한 기류공급에 의존하고 있다. 다양한 공조방식과 변형된 형태가 존재하나 대부분 공조된 기류의 실내공급/배출 및 혼합은 천장공조방식을 이용하고 있다. 공조기에서 토출되는 공급기류의 온도는 약 12.7℃로 재실자에게 직접 도달할 경우 너무 차갑거나 불쾌적성을 유발할 가능성이 높기 때문에 천장 디퓨저는 공기 혼합이 최대로 이뤄지도록 설계된다.
디퓨저에서 토출된 찬 기류는 실내공기를 배기 디퓨저로 유인하며 혼합 및 실내로 열을 전달하는 역할을 한다. 천장공조를 채택한 고층빌딩은 공간을 완전히 혼합되게 만드는데 이는 환기와 냉난방을 고르게 하는데 효과적이다. <그림 2> 참조
그러나 또 다른 공조방식은 완전한 혼합이 없이도 개선된 실내공기질(Indoor air quality, IAQ)과 병원균 제거를 제공할 수 있다.
바닥공조시스템은 급기를 위한 덕트를 최소화하는 대신 이중바닥의 하부공간을 활용하며 낮은 풍속의 기류를 바닥높이에서 약 18~20℃의 냉각된 공기를 공급한다. <그림 3, 4> 참조
사무공간에서 인체나 컴퓨터에 의해 발생하는 열은 기본적으로 천장 방향으로 상승하며 느린 속도의 급기를 끌어들이며 천장부위에서 층상을 만든다. 이에 따라 공기 중에 열, 병원균 및 오염물질은 재실자 머리 위에 축적돼 성층화 된다.
바닥공조시스템에서는 분진 및 병원균이 전통적인 천장공조방식에 비해 공간으로부터 보다 빠르게 이동한다. CFD 분석은 두가지 시스템에서의 재실자에 의해 흡입되는 잠재적인 병원균의 경로를 잘 보여주고 있다. 바닥공조 시스템은 명확히 개선된 성능을 보여주고 있다. <그림 5, 6> 참조
이는 다시 말해 환기방식으로 구분하자면 천장공조는 ‘혼합환기’의 개념이며 바닥공조는 ‘치환환기’라고 말할 수 있다.
재실자의 개선된 환경을 고려할 때 바닥공조시스템은 고층 업무용 빌딩에서 가장 적합한 시스템이다. 이는 실내공기질(IAQ)의 장점이 명확하기 때문이다.
결론적으로 층간에 공기가 혼합되는 제한하기 위해 각층 공조방식을 채택하며 가급적 DOAS 시스템을 겸비해야 한다. 천장공조 방식보다는 바닥공조방식을 선택했을 때 미래에 다가올 팬데믹을 대비하는 가장 효과적인 공조방식이 된다.
지능형 IAQ 모니터링
COVID-19은 고층빌딩의 모든 재실자를 위한 가장 우선적으로 어떤 무엇보다 공조시스템과 실내공기질의 중요성을 높였다.
사람들이 살아가고 일하는 방식은 팬데믹에 의해 영원히 변화할지 모른다. 이에 따라 업무용빌딩은 재실자의 건강, 안전 그리고 웰빙을 최우선으로 고려하기 위해 변화에 적응해야 할 필요가 있다.
팬데믹이 진정된 이후라 하더라도 재실자들은 건물의 실내공기질 개선에 확실히 관심을 가질 것이며 그들의 환경에 대한 이해뿐만 아니라 더 높은 기능의 시스템을 요구할 것이다. 공기질에 대한 지능형 센서는 지속적으로 측정하고 확인하며 고층건물의 공기질 상태를 시각적으로 제공할 것이다.
초연결 사회가 지속될수록 지능형 센서들은 운영자와 재실자 모두에게 유용하도록 공기질 정보를 제공할 것이다. 투명성을 고려할 때 정보들은 의미 있는 수치로 수집될 것이며 재실자에게 건물의 운전과 기능에 대한 지식을 주기위해 공유돼야 한다.
IAQ에 대한 지속적인 최적화와 재실자에게 완전한 투명성을 제공함으로써 이러한 시도는 상업용 건물에 대한 기준을 높이고 고층 건물에 대해 포스트 팬데믹 시대의 근로자의 요구를 충족시키거나 그 이상을 채워줄 수 있는 높은 수준의 설계를 요구할 것이다.
미래의 업무용 고층빌딩
현재의 팬데믹으로부터 얻은 교훈은 미래의 업무용 고층빌딩에 대한 설계를 안내해줄 수 있다. 지속가능성을 간과하지 않는다면 건강과 웰빙, 그리고 실내공기질을 우선순위로 두는 빌딩들은 최고의 업무시설 입주자들을 유치하고 유지하는 좋은 조건을 차지하게 된다.
기본 시스템에 확장면 측면에서 유연성을 포함하고 있다면 다가올 팬데믹은 물론 알 수 없는 미래 상황에 적절히 대응할 수 있게 된다. 실내환경에 대한 데이터를 이용해 투명성을 제공하는 빌딩이라면 업무공간에 있을 입주자들에게 쾌적감과 확신을 제공할 수 있다.
분산형 각층 공조기는 층간의 공기 재순환을 방지할 수 있으며 개별적인 입주자의 운전과 공기질 향상에 대한 유연성을 제공한다. 바닥취출공조는 업무공간에서의 병원균 제거와 공기질 개선에 효과적이다. 두가지 시스템의 조합은 차세대 고기능의 고층빌딩에 대해 준비된 접근방식이다.
현재의 팬데믹은 결국엔 진정될 것이지만 몇가지 영향은 지속될 수 밖에 없다. 고층빌딩 입주자는 영원히 그들의 환경과 실내공기질에 더욱 관심을 높일 것이다.
미래 지향적인 상업용 고층빌딩의 공조시스템은 최상의 대응을 위해 재고하고 재구성해야 한다.
건축관련 전문가 그 누구도 팬데믹을 예견하지 못했다. 하지만 좋은 소식은 우리 모두가 장기적 대응이 개선된 미래의 건축물에서 역할을 할 수 있다는 것이다.
이상으로 Mehdi Jalayerian이 연구한 ‘포스트 펜데믹 시대의 업무용 빌딩에 대한 공조시스템의 전략’의 주요 내용을 소개를 마치며, 아직도 끝나지 않은 팬데믹으로 인해 매일 불안에 떨고 있는 우리의 현실에 조금의 희망을 가지며 미래의 불확실성에 대해 대비하는 자세를 가져야함을 다시 한번 상기시켜 보게 된다.
논문 제목 : Post-Pandemic HVAC Systems Strategies (저자 CTBUH의 Mehdi Jalayerian외 2인)
참고 문헌 : ASHRAE(2020). “Commercial Building Readiness Guide”, Commercial Technical Resources. ASHRAE, August 13, 2020.
Zhang et al (2020). “Study of Viral Filtration Performance of Residential HVAC Filters.” ASHRAE Journal, August.
<김현욱 케이프로텍 이사＞
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