먼저 우리가 흔히 알고 있는 천장공조에 대해 간단하게 알아보자. 천장공조는 급기덕트와 리턴덕트가 천장 속으로 매립돼 천장에 배치된 디퓨져를 통해 급기하고 배기하는 시스템이다.
디퓨져들 간 배치는 공기흐름에 지대한 영향을 줄 수밖에 없으며 실 전체가 일방향의 공기흐름을 만드는 것이 아닌 실 전체가 혼합인 Mixing의 상태이기 때문에 오염원 제거가 되지 않을 뿐만 아니라 실내공간에서 지속적으로 발생하는 부하에 대한 효과적인 대응이 불가능하다.
불과 얼마전까지 우리의 삶에 큰 영향을 끼쳤던 코로나19 팬데믹을 가속화시켰던 이유 중 하나가 현재 천장공조 중심의 ‘중앙공조시스템’에 있다는 분석도 있다. 천장속에 매립돼 청소가 어려운 덕트 속 상태를 보면 이 공기를 마시고 살 수 있는지 의문이다.
인간은 하루에 1만L의 공기를 숨쉬며 삶의 90% 이상을 실내에서 지내면서 지속적으로 발생되는 오염원을 들이마신다. 그렇기에 공조시스템은 초기투자비, LCC개념에서의 유지관리 및 시스템성능 측면과 실내 공조환경에도 초점을 맞춰 선택에 신중을 기해야 한다.
천장공조 한계 개선, 바닥공조 도입 시초
천장공조방식으로는 실내공기질을 개선하는데 한계가 있음이 증명되고 있다. 기존 천장공조시스템이 갖고 있는 한계점을 개선하기 위해 1970년부터 미국에서 바닥공조방식이 도입되기 시작했다.
오피스건물을 위주로 하부에 전기트레이가 들어간 OA플로어라는 개념이 만들어졌으며 열부하가 많이 발생되는 전산실과 같은 곳에서 처음 쓰이기 시작했다.
이에 착안해 OA FLOOR을 더 높여 동시에 공기의 이동 통로로 활용하는 ACCESS FLOOR 하부를 이용한 공조방식이 개발됐다.
천장에 매립된 급기덕트를 없애고 바닥쪽으로 급기함으로써 천장고 또한 획기적으로 개선할 수 있었다. 30여년 전 처음 도입된 이후 현재는 다양한 시공사례가 축적됐으며 팬이 있는 형태에서 팬이 없는 형태로 진화를 거듭해 현재는 변풍량 가압식시스템이 거주자의 편의를 고려한 가장 합리적인 시스템이라는 평가를 받을 정도로 정착됐다.
바닥공조는 기존의 천장으로 급기, 리턴하던 시스템을 바닥급기 및 천장리턴으로 바꾼다는 단순한 시스템의 변경사항이 아닌 디테일한 엔지니어링이 필수적인 냉난방공조시스템이다.
이에 따라 최적의 솔루션 검토와 함께 기술지원이 이뤄진다면 신축뿐만 아니라 최근 늘어나고 있는 리모델링과 같은 현장에도 획기적인 환경개선이 가능하다.
바닥공조(UFAD) 시스템은 무엇인가
바닥공조는 국제적인 냉난방공조 가이드를 제시하는 ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)에서 발간한 정식 UFAD GUIDE BOOK이 지난 2013년 발간돼 기본적인 개념부터 장·단점, 시공법, TAB방법 등에 대한 자세한 설명이 게재돼 있다.
또한 바닥공조를 전문적으로 연구하는 대학 관련 연구실 및 다양한 논문자료가 꾸준히 발간되고 있다.
미국에서 시작된 바닥공조시스템은 이미 북미 내에서는 완벽하게 자리 잡았으며 현재는 기존의 천장VAV시스템과 어깨를 나란히 하는 일반적인 공조방식 옵션 중에 하나로 인식되고 있다.
ASHRAE UFAD GUIDE 2013
ASHRAE UFAD GUIDE 2013에는 UFAD(Under Floor Air Distribution) 시스템을 다음과 같이 정의한다. Access Floor 상단에 설치된 바닥 디퓨져를 통해 실내 거주역 공간으로 공조된 공기를 이송하기 위해 슬라브와 Access Floor사이의 완벽히 밀폐된 개방된 가압공간(Air Plenum)을 사용해 실내 거주역(1.8~2.0m) 공기를 온도성층화시키는 거주역 위주의 공조방식이다.
실제로 바닥공조시스템을 처음 개발하고 가장 많은 실적을 보유하고 있는 미국 AirFixture L.C.C사에 의하면 미국 내 개발되고 있는 대규모 신축프로젝트의 상당부분에서 바닥공조가 적용되고 있다. 최근의 대규모 프로젝트는 미국 뉴욕 Coach 허드슨야드 타워 C, JP Morgan 신사옥, 뉴저지 LG그룹 본사 등이 있다.
현재 마무리 공사 중인 JP Morgan 신사옥의 경우 탄소배출이 전혀 없는 건물이 될 것이라고 밝힐 정도로 친환경건물로 평가받고 있다.
또한 미주지역 바닥공조가 적용되는 프로젝트 특성으로는 오피스뿐만 아니라 공공시설인 학교(초등학교, 중등학교, 대학교 등) 및 도서관 등에 적용되고 있다는 점도 주목받을 부분이다.
천장공조는 차가운 바람을 위에서 취출하기 때문에 자연적인 공기 흐름에 반하는 인위적인 공기흐름의 공조방식이다. 전통적인 천장공조시스템과 달리 바닥공조(UFAD)시스템은 기본적인 ‘뜨거운 공기는 상승하고 차가운 공기는 가라앉는다’는 물리법칙에 따라 자연적인 기류흐름이 만들어지도록 설계된다.
바닥 디퓨져를 통해 차갑게 공조된 공기가 공급되고 천장 그릴을 통해 오염되고 뜨거워진 실내 리턴공기가 공조실로 돌아가는 사이클을 가지게 된다.
최적 바닥공조 설계방안
거주역 공조방식인 바닥공조는 최적의 공조효과 및 실내공기질(IAQ)을 제공하기 위해 거주역 온도성층화(ThermalStratafication)를 구현해야 한다.
이를 최적으로 구현하기 위해서는 거주역의 바닥에서 천장으로 일 방향(One-way) 기류, 일정한 기류속도, 일정한 급기온도 등 3가지가 필수적이다.
첫째, 일방향 기류는 가장 중요한 사항으로 거주역 바닥에서 천장으로 기류정체가 발생하지 않는 일 방향 흐름이다. 바닥에서 취출된 낮은 온도의 공기가 주위 열부하와 열교환을 통해 온도가 높아지며 상부로 이동하면서 바닥부터 거주역까지 온도층을 형성하는 기류를 만든다.
즉 실내 열부하와 열교환을 통해 상부로 이동할 때 실내오염원도 같이 끌고가 최종 AHU로 리턴시켜 거주자에 영향을 주는 열부하와 오염원을 동시에 제거시킨다.
이에 따라 거주역 바닥에서 천장으로 일방향 기류는 거주역 공기가 혼합Mixing)되지 않는다. 또한 실내 위치에 따라 온도편차가 발생하지 않아 우수한 열쾌적도(Thermal Performance) 및 실내공기질(IAQ)를 제공할 수 있으며 비거주역까지 냉난방되는 혼합(Mixing)방식에 비해 에너지절감효과가 매우 크다.
둘째, 거주역에서 일방향 기류에 의한 거주역 온도성층화를 구현하기 위해서는 모든 바닥 디퓨져에서 일정한 바닥취출 속도(V) 및 1.4m 높이에서 0.25m/sec 이내의 낮은 기류를 유지해야 한다.
여기서 모든 바닥 디퓨져에서 동일한 기류속도가 유지되도록 한다는 것은 균일한 차압이 걸린다는 의미다. 급기플레넘 전체에 풍량 밸런싱이 유지되도록 조절하면 모든 바닥 디퓨져에서 균일한 차압이 걸린다. 또한 일정한 취출속도(V) 유지를 위해서는 실내부하 변화에 따라 차압(△P) 변화가 발생되는데 실내와 급기플레넘의 차압(△P)이 일정하게 유지되도록 AHU Fan을 변풍량(VAV) 제어해야 한다.
셋째, 실내온도와 큰차이가 없는 일정한 취출온도로 공급해야 한다. 취출온도가 낮으면 거주자에게 Cold Draft 등 불쾌감을 주고 온도성층화 높이가 높아진다. 반대로 취출온도가 높으면 온도성층화 높이가 낮아지면서 거주역 공조효과가 떨어진다.
이에 따라 실내온도와 큰 차가 없는 일정한 온도로 공급돼야 하며 실내취출 후 일정 높이까지 주위공기와 혼합되면서 일정온도가 된 후 거주역 상부에서 저속의 층류 기류에 의해 실내 열부하와 오염원을 유인한 후 일괄적으로 AHU로 보내지는 것이 핵심이다. 즉 거주역 높이까지 3℃ 이내 온도차를 유지함으로써 최적의 공조효과를 제공한다.
끝으로 앞서 언급한 3가지 중요 요소에 영향을 줄 수 있는 급기플레넘 내 공기이동에 따른 열적저하(Thermal Decay)로 이것의 발생이 최소화될 수 있도록 반드시 사전검토가 수반돼야 한다.
<정성진 트루만 대표>
