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공조설비의 목적은 재실자에게 쾌적함을 제공이며 이를 위하여 에너지를 소비하고 있으며 건물 공조시스템에 사용되는 에너지 사용량이 40~50%차지하고 있다.(1) COVID-19으로 인한 실내 공기질에 대한 고려와 온실가스 배출 저감 및 에너지 절감을 위해서 많은 기업에서 에너지 절약에 중점을 둔 공조 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 발표는 칠드빔 공조시스템을 업무용 건물에 적용한 사례와 일반적인 효과에 대해서 기술하고자 한다.
칠드빔은 냉수코일의 대류 냉각 효과를 이용하여 실내의 현열부하를 처리하는 장치로 거주공간의 쾌적성과 에너지절약을 동시에 만족시킬 수 있는 공조장비이다. 1975년 노르웨이에서 개발되었고 2000년대부터 유럽과 호주 등에서 널리 사용되고 있다. 특히 환기부하가 크지 않고 냉방부하 중 현열부하 비중이 많은 곳에 적용하면 효율적이다. 국내에서는 백남준박물관(Passive Chilled Beam), LH본사(Active Chilled Beam)등 다수 적용 사례들이 있다.
국내 칠드빔 시장은 수입품이 주종을 이루고 있으며, 국내에서 개발된 제품도 시범적으로 적용된 바 있다.
액티브 칠드빔 공조시스템은 수-공기방식을 기반으로 반송동력을 최소화하여 에너지소비를 전공기식 대비 30%까지 절감이 가능하며, 외기공조기로 처리한 전외기를 1차공기로 이용 할 수 있어 일반적인 환기방식에서 발생하는 실내공기 혼합 재순환에 의한 오염 전파의 우려가 적은 장점이 있어 COVID-19 등 공기오염에 의한 질병확산 예방과 방지에도 부합되는 공조방식이다.
3.1 개요
칠드빔 공조시스템은 물-공기 방식으로 현열 부하에 대하여 환기를 위한 1차 공기에 100%까지의 외기 공급이 가능하며 칠드빔 공조시스템은 두가지 타입 제품이 있다. 능동형은 환기를 위한 1차 공기가 실내공기를 코일로 유인, 혼합한 공기를 실내에 이송하면 냉난방이 가능하다. 수동형은 자연대류의 작용으로 실내 공기를 코일로 인입하고 1차 공기가 공급되지 않으므로 별도의 환기 시스템 필요하며 냉방전용으로 간주된다.
3.2 칠드빔 유닛 설계 적용 및 가이드 라인
칠드빔 유닛 설계 적용 및 가이드 라인은 크게 두가지로 나뉘어져 있다. 유럽에서는 유럽공기조화협회(REHVA, Federation of European Heating, Ventilation and Air Conditioning Associations)의 칠드빔 시스템 가이드라인을 주로 따르고 있다. 그러나 북미에서는 미국냉동공조학회(ASHRAE, American Society of Heating, Refrigeration and Air-conditioning Engineers) 가이드 라인을 따르고 있다. 미국냉동공조학회와 유럽공기조화협회 비교표는 아래와 같다.(2)(3)(4)
북미에서는 ASHRAE 200 기준에 의한 성능시험을 완료한 제품은 유럽 기준에 적용되지 않은 공기계통 및 소음에 대한 공인 데이터를 제공하게 되므로 ASHRAE 200 기준에 의한 프라이스 제품의 경우 공기역학적인 노즐 설계와 열전달 효율을 높인 코일 설계로 1차 공기량 대비 높은 공조 능력을 가지고 있다. 또한 공기가 천장을 타고 고르게 분포되어 재실자가 쾌적함을 느낄 수 있다.
4.1 칠드빔 공조 시스템 열원 및 시스템 계획
판교 OO 건물 공조방식은 외주부 칠드빔과 내주부는 복사판넬과 AHU가 결합된 공조 시스템이다. 능동형 칠드빔 약 2,800여개가 외주부 부하를 감당하고 있다. 열원으로 터보 냉동기 (600 USRT) 2대가 운영되며 외기 공조기에 의해 100% 외기만을 처리하여 공급하는 외기전용공조 방식이다. 실내잠열부하를 외기 공조기가 100%처리하고 공기를 재순환하지 않기 때문에 실내 쾌적성을 향상시킬 수 있다.
또한 칠드빔의 반송동력을 줄임으로써 에너지 절약성이 우수하며 유지보수비용 측면에서 필터교체, 팬모터, 팬코일 교체비용과 같은 부가적인 비용이 다른 시스템에 비해 적어 유지보수비용 측면에서도 유리하다.
4.2 운영 시 고려사항
칠드빔 시스템은 국내의 하절기 냉방시 고온다습한 외부 기류의 유입에 의한 결로제어 요건과 환기 방법의 제한이 고려하여야 할 사항이다. 자연환기나 창문의 개방 같은 제어되지 않은 외기 도입은 실내습도의 상승으로 칠드빔에서의 결로 발생원인이 된다.
따라서 외기전용공조기를 이용하여 제어된 공기만을 공급하는게 중요하다. 또한 냉방 시 외기전용공조기에 의한 실내습도제어가 필수적이며 결로 발생 조건을 사전에 제어 할 수 있는 안정장치가 필요하다. 그 방법으로 결로방지센서에서 공기의 노점온도와 배관온도를 확인해 결로조건에 해당될 경우 2 way V/V의 조정에 의해 결로를 방지한다. 그리고 설정온도와 온도감지기에서 측정된 온도를 비교하여 V/V를 비례제어한다.
4.3 성능예측, 에너지, 환경, 쾌적성, 경제성 평가
칠드빔과 관련하여 성능예측, 에너지, 환경, 쾌적성, 경제성 평가에 대한 국내 자료는 많지는 않으나 조사한 내용은 다음과 같다.
Kim et al.(5) 은 칠드빔 시스템의 국내 개발을 위해서 연구를 수행하였는데 칠드빔의 토출 각도에 대해서 연구를 하였다. 그 연구에 의하면 토출각도에 따라서 온도분포가 다르게 나타나는데 52.5도의 토출각이 칠드빔 시스템에 적합하다고 발표하였다.
Kim et al.(6) 은 EnergyPlus v.9.1 프로그램은 사용하여 ASHRAE 90.1 Prototype Office Building을 해석모델로 선정 국내 인천에서의 기후를 시뮬레이션하였다. 실내 설정온도는 하절기 26도로 CAV, VAV System. UFAD System, Active Chilled Beam with DOAS 시스템이다. 에너지 사용량과 이산화탄소 배출량을 보면 능동형칠드빔과 외기전용공조기를 적용했을 경우 정풍량 대비 39.1%의 에너지 에너지 절약과 38.4%의 탄소배출 감소를 발표하였다.
Kim et al.(7) 은 칠드빔 시스템의 실내 열쾌적 분석에 대해 VAV 비교 연구를 진행했다. 조건은 여름철이고 Thermal Comfort Ratio를 이용해서 열쾌적 분석을 진행했다. 조건은 남측 페리미터존에 VAV 와 Active Chilled Beam 적용이고 기류속도는 0.1 m/s, 활동량은 1.1met, 의복은 0.5 clo(Summer)이다. VAV시스템을 적용했을 경우 Comfort Time Ratio는 46%이고 Active Chilled Beam 시스템 적용시 Comfort Time Ratio가 73%였다.
Cho et al.(8) 은 A사옥을 건축기준모델로 선정하였으며 지상 25층의 전형적인 사무실로 기준층 면적 1,500m², 연면적 40,000m²이다. 선정된 모델을 근거로 공조시스템 시스템 공사비를 산출하였다. 공조시스템 공사비 분석을 보면 칠드빔 공조 시스템이 초기 투자비가 기존 CAV의 경우 ₩120,000/m², VAV는 ₩129,000/m², UFAD의 경우 ₩173,000/m², 칠드빔과 외조기의 경우 ₩209,000/m²이다.
LH공사 본사 도서관에 적용된 능동형 칠드빔 36개 적용 사례에서는 에너지 비용 분석도 다루었다. 칠드빔 시스템과 정풍량 방식 채택에 따른 월별 에너지 비용을 조사했는데 칠드빔 시스템이 6,821,413원, 정풍량 방식이 9,144,591원으로 연간 25.40% 에너지 비용 절감 가능하다고 발표했다.(9)
공기조화 시스템의 목표는 에너지 절약과 더불어 재실자에게 최적의 환경을 제공하여 재실자를 만족시키는 것이다. 칠드빔 공조시스템의 경우 이론적으로 많은 장점을 가지고 있다. 동시에 결로제어와 환기 방법의 제한이 고려할 사항이며 운전자에게 충분한 교육이 필요하다. 안정성을 확보한다면 쾌적한 환경 조성으로 재실자에게 쾌적한 환경과 실내 IAQ 확보로 인해 재실자의 업무 능력이 향상되리라 생각된다.
칠드빔 공조 시스템의 경우 초기 투자비가 많이 발생되나 칠드빔 공조시스템이 공공건물에 적용되었을 때의 장점은 탄소 배출량 저감과 에너지 절약이 동시에 가능하며 COVID-19 시대에 부합하는 공조 시설이다. 또한 칠드빔 공조 시스템은 천장면을 따라 기류가 확산되어 기류 덤핑 위험이 낮고 공난내 온도차가 적어 열쾌적성 측면에 유리, 덕스 스페이스 저감과 건축 디자인과 통합성이 높다.
칠드빔이 권장되는 현장이 업무용 사무실 빌딩, 병원 입원실, 호텔, 실험실에도 가능하리라 생각된다. 칠드빔 공조시스템의 지속적인 운영과 데이터 수집을 통해서 칠드빔 시스템의 안정성과 장단점 분석을 통한 적용성 연구도 필요하다.
참고문헌