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가압식 바닥공조는 현재 일반업무시설 및 쾌적공조용도로 광범위하게 이용되는 공조방식으로, 1800년대 후반에 이미 뉴욕 메트로폴리탄 오페라하우스 및 시카고 오디토리움과 같은 대규모 시설에 적용된 오랜 역사를 가지고 있으며, 1990년대 들어 공간효율성과 쾌적성 및 환기효율 등의 강점이 인정되면서 업무시설 및 다양한 존으로 구성된 건축물로 응용분야가 확대되고 있다.
현재 전세계적으로 유행하고 있는 코로나 바이러스는 비말 (침방울) 및 접촉을 통해서 전파되는 바이러스성 전염병이다. 미국공조냉동공학회 (American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, ASHRAE)에서는 실내에서 바이러스 확산 방지를 위한 대응책을 발표하였는데, 핵심은 실내 환기횟수를 늘리고 온도와 습도를 권장수준으로 유지하는 것으로, 이에 관련하여 건물의 공조시스템에 대한 적용이 관심을 받고 있다.
가압식 바닥공조시스템은 실내의 온도 성층화를 이루어 재실자에 의해 발생하는 오염물질이 열기둥 (Thermal Plume)을 통해 상부로 배출되므로, 쾌적성과 유효한 환기량을 늘리는 효과뿐 만 아니라, 비말의 수평이동을 줄일 수 있어 실내 환경을 안전하게 유지하는데도 도움이 될 것으로 생각한다.
가압식 바닥공조는 급기 통로로 이용되는 마루하부 플래넘 (Plenum) 공간 내의 압력과 재실 공간 사이에 일정한 압력 차이를 유지함으로써 바닥 취출구를 통해 실내로 급기 하는 방식으로 실 별 또는 존 별 온도조절기에 의해 해당지역 바닥 취출구의 개도를 제어하여 부하에 따른 변풍량 운전이 가능하다. 플래넘의 압력은 일반적으로 12.5Pa~25.4Pa 이 유지되도록 설계하면 통상의 업무시설이나 공연장의 급기량을 충족할 수 있는 수준으로 유지되는 것으로 ASHRAE 가이드에 언급되어 있으며, 부하 특성이나 공조 조닝에 따라 정풍량 및 변풍량이 모두 구현 가능하다.
가압식 바닥공조 시스템은 천정공조 시스템보다 높은 취출온도 (16~18℃)와 낮은 풍속(0.25m/s)으로 바닥 디퓨저를 통해 실내로 급기된다. 이렇게 유입된 공기는 공기성층화를 이루어 거주역인 1.8m 높이까지 공조가 이루어지며, 인체를 포함한 부하체의 발열은 열기둥을 통해 상부로 효율적으로 배출되어 거주역에 끼치는 영향을 최소화한다.
이는 실내의 오염물질은 상부의 리턴덕트로 환기되며, 재실자가 근무하는 거주역은 신선한 공기가 유지되어 쾌적한 실내환경을 만든다.
다년간의 연구와 현장검증을 통해 작성된 바닥공조 기준 지침서인 ASHRAE UFAD Guide 2013 에서는 가압식 바닥공조를 다음과 같이 소개하고 있다.
3.1.2 Pressurized Plenum (page 24-25) 에서,
In pressurized plenums, Typical plenum pressures at design airflow rates fall in the range of 0.05–0.1 in. wc (12.5–25 Pa).
가압식의 설계 풍량 범위에서 일반적은 급기 플래넘 압력은12.5 ~ 25Pa 이다.
To date, pressurized plenums have been the most common approach in UFAD configurations.
현재까지 가압식은 바닥공조 시스템의 가장 일반적인 시스템 접근방식이다.
When the supply air flows freely through the underfloor plenum, depending on the plenum configuration and construction, heat exchange with the structural mass (concrete slab and raised floor panels) may influence supply temperature variations as a function of distance traveled through the plenum, as well as other thermal performance issues, which are discussed in Section 3.4.
공조기에서 공급되는 급기가 플래넘을 자유롭게 유동 할 때 플래넘 구성 및 구조물, 건축물 구조체 (콘크리트 슬라브와 이중마루 타일) 와 열교환은 플래넘을 통과하는 거리에 관련된 함수로써 (실내) 급기온도 변화와 열성능 (손실)에 영향을 미칠 수 있다.
다음 내용은 ASHRAE 가이드에 언급된 설계 착안 사항을 정리한 것이다.
1) When configuring an underfloor air supply plenum, there are three basic approaches that are outlined in general below. In practice, final plenum designs often contain elements from all three. By far the most common practice, and the focus of this Guide, is a pressurized plenum using primary air-handling equipment to maintain a slight positive pressure in relation to the conditioned space (typical design pressures are 0.05–0.08 in. wc (12.5–20 Pa).
바닥공조 구성은 3가지 기본적인 방식 (가압식, 등압식, 덕트식)을 언급할 수 있으며, 현장에서 실제적인 플래넘 설계는 이들이 혼합된 형태로 적용. 바닥공조 방식으로 가장 일반적이면서 본 가이드가 초점을 맞추고 있는 것은 가압식 바닥공조로 공조 급기를 마루하부 압력이 12.5 – 20 Pa 정도로 약간의 양압을 유지되도록 공급하는 방식.
2) Once the supply air enters the underfloor plenum, it flows freely in direct contact with the thermally massive slab (unless insulation is used) and floor panels, and enters the workspace through diffusers at or near floor level. Because the air is supplied directly into the occupied zone, floor supply outlet temperatures should be maintained no lower than in the range of 61°F–65°F (16–18°C) to avoid uncomfortably cool conditions for the nearby occupants.
급기가 마루하부 플래넘으로 도입되면 슬래브 및 이중마루판과 접촉하면서 자유롭게 흘러가서 디퓨저를 통해 실내로 공급.
거주역에 직접 공급되는 급기의 특성상, 디퓨저에 인접한 거주자의 쾌적성을 위해 디퓨저 토출 공기는 16-18 °C 보다 낮은 온도가 되지 않도록 유지.
3) UFAD systems differ from true TDV systems primarily in the way supply air is delivered to the space: the air is supplied at higher velocity through smaller-sized supply outlets, and local air supply conditions are often under the control of the individual occupants, allowing comfort conditions to be optimized.
바닥공조는 치환공조와 기본적으로 급기 하는 방식이 상이: 작은 급기구에서 상대적으로 빠른 속도의 공기가 공급되며 많은 경우 각각의 사용자가 쾌적성에 맞게 급기를 조절할 수 있는 기능을 제공하는 것.
4) Underfloor duct extensions will be needed when the farthest cooling diffuser is more than 50 ft (16 m) away from the supply air point of entry.
Duct extensions should be sized for 1500–3000 fpm (7.6–15.2 m/s) air velocity … Allow at least 1–2 in. (3–5 cm) free space between the bottom of the RAF and the top of the duct for passage of wiring. The ends of outlets of these ducts ..the outlet velocity below 3000 fpm (15.2 m/s).
플래넘 급기구에서 가장 먼 디퓨저까지 거리가 16 m 이상이 되면 마루하부 덕트가 필요. 마루하부 덕트 연장은 풍속 7.6-15.2 m/s, 덕트 출구 풍속은 15.2 m/s 이하가 되도록 구성.
프라이스 인더스트리사의 제품을 적용하면 ASHRAE 가이드에 언급된 가압식의 장점을 활용하여 바닥공조를 구성하는데 효율성을 기할 수 있다.
1) 바닥 디퓨저 (MFD-TP, MFD-DP) 적용
거주역 하부공간이 부분적으로 믹싱되고 바닥에서 1.35m 높이로 기류 도달이 제한되어 거주역 성층화를 이루고, ASHRAE 환기효율 1.2을 충족하여 외기도입 및 환기량을 감소할 수 있어 반송동력 및 외기부하를 낮출 수 있다. 프라이스 제품은 CAV 및 VAV 디퓨저가 모두 이 성능기준을 만족한다.
2) 바닥 디퓨저면을 수동 회전하여 마루하부 댐퍼 바스켓의 개도 조절로 각각의 사용자가 쾌적성에 맞게 급기를 조절할 수 있는 기능을 제공한다.
3) 바닥공조용 차압센서
바닥공조에서는 반드시 구비하여야 하는 기능으로 별도의 센서나 튜브 없이 이중마루 면에 디퓨저와 같은 외관으로 설치하여 급기 플래넘과 실내 간의 차압을 측정 및 제어한다.
4) 각 존의 특성에 따라 다양한 시스템과 제품의 선택이 가능하여 유연성, 실내공기질 (IAQ) 향상 및 에너지 사용량 감소 등의 효과를 얻을 수 있다.
가압식 바닥공조 시스템은 오랜 역사를 가진 공조방식으로 미국에서 수십 년 간 연구개발을 시행하여 현장에서 실현되고 검증된 기술이다.
일반적인 공조 시스템과는 달리 가압식 바닥공조는 성층화를 통해 실내의 공기 및 공기 내에 부유하는 오염물질이 급기와 혼합을 통해 재순환되는 현상을 방지하며, 실내공기는 상부로 배기되고 공조 처리 된 급기가 바닥을 통해 실내로 유입되어 재실자가 호흡하는 공기질 개선에 많은 도움이 된다. 더불어, 코로나 사태로 인해 실내공기질의 관리가 더욱 중요해진 상황에서 재실자에게 쾌적하고 안전한 환경을 만들어주기에는 가압식 바닥공조 시스템이 상대적으로 많은 이점이 있다고 말할 수 있다.
이런 바닥공조의 장점을 살리기 위해서는 ASHRAE 가이드에서 언급한 성층화 (Stratification)와 환기효율 (Ez, Ventilation Effectiveness) 을 달성하는 시스템의 선정과 성능이 입증된 바닥공조용 디퓨저의 선택이 무엇보다 중요하다고 하겠다.
참고문헌
(1) ASHRAE UFAD Guide
(2) UFAD ModuFlex Brochure, PRICE Industries, https://www.priceindustries.com/
(3) Price Engineer’s HVAC Handbook, https://info.priceindustries.com/handbook/
(4) Wikipedia
(5) 코로나바이러스감염증-19(COVID-19) 정보 (질병관리본부, http://ncov.mohw.go.kr)
(6) ASHRAE Position Document on Infectious Aerosols (April 14, 2020, ASHRAE)