가. 공조부하
(1) 일반적인 사항
초고층 건물의 경우, 일반적인 저층건물에 비해 건물의 높이가 매우 높기 때문에 복사, 냉각, 바람과 같은 기상변동의 영향을 더 많이 받게 되고, 냉난방 부하에 영향을 주는 여러가지 인자들의 영향을 주는 여러가지 인자들의 영향도 저층건물의 경우보다 특이하게 나타난다. 또한, 경량구조로 되어 있으므로 이러한 측면에서 초고층건물에서 나타나는 공조부하의 특징은 다음과 같다.
(가) 풍속의 영향 : 지상에서의 높이가 증가함에 따라 풍속도 증가한다. 예를 들면 지상 100m에서는 지표면의 1.6배, 150m에서는 1.8배 정도로 된다. 그러므로, 고층부의 외기침입량이 증가하고 냉난방 부하가 커지며, 실내의 온도분포가 불안정하게 되기 쉽다.
(나) 일사의 영향 : 외벽면에 천공에 대한 형태계수가 커지고, 천공복사를 받는 양이 많아지기 때문에 냉방부하가 증가하게 된다. 또한 다른 건물보다 현저하게 솟아 있으므로 주위의 건물로부터 복사열을 받아 냉방부하가 증가하게 된다. 특히 남쪽에 면한 면은 동계의 날씨가 밝은 경우 일사량이 최대가 되어 북쪽에서는 난방이 필요한데 반해 냉방이 필요하며, 이에 따라 냉온열원이 동시에 구비되어야 한다.
(다) 침기량의 영향 : 풍속이 증가함에 따라서 외기의 취입량이 증가하게 되고 건물에서의 틈새바람 증가와 외벽의 열관류율에 영향을 주어 외피의 단열성능 및 기밀성능이 나쁠 경우 부하증가의 원인이 되므로 2중 유리나 차양을 포함한 루버나 발코니를 채용하여 풍속의 영향을 적게 한다. 특히, 겨울철에는 여름철 보다 풍속이 발라지기 때문에 손실열량이 더 커지게 된다.
(라) 야간복사 : 종래 대기복사는 거의 고려되지 않았지만, 유리면적이 큰 초고층 건물에서는 이의 영향이 현저하게 되고, 이 때문에 동계의 야간에 있어서 유리면의 열손실은 50% 정도 증가한다. 즉 동계에는 외기온도가 낮고, 하루종일 난방이 되므로 야간복사의 양이 증가해서 실온의 저하나 아침 무렵의 예열로 인해 에너지 소비가 크게 된다.
(마) 부하의 불균일성과 변동성 : 초고층화됨에 따라 건물의 경량화가 필수적이므로 이에 따라 건물의 열용량이 작아지므로, 냉방부하의 시간지연이 짧게 변동하고 방위별 부하의 차가 커지게 된다.
(바) 침기의 영향 : 건물의 높이가 높으며, 부력에 의한 상하 공기의 이동이 크게 되며, 특히 난방시에는 내피의 온도차로 인해 출입구나 창의 개구부에서 외기가 침입하고, 찬바람이 입구나 계단, 샤프트를 통하여 건물의 내부에 스며들어, 고층부에서는 틈새바람을 통해 공기가 유출하는 굴뚝효과(stack effect)가 생긴다.
(2) 초고층 건물의 공조부하에 영향을 미치는 인자
(가) 초고층 건물의 풍압분포
① 외벽에 작용하는 풍압
일반적으로 고충건물에 있어서는 높이와 더불어 증가하는 풍속에 의하여 풍압력이 증가하고 풍압분포는 건물의 형상, 풍향뿐이 아니고 풍속기울기, 인접건물의 기하학적 조건에 따라서 달라진다. 실내압은 건물의 각외벽면에 작용하는 풍압력과 외벽, 간벽의 틈새특성에 의하여 형성된다.
그림 3.38에서 처럼 건물에 바람에 부딪치면, 풍상측에서는 기류가 막혀 동압이 정압으로 변화되어 압력은 높아지지만, 풍하면에서는 기류가 이탈하여 순환역이 생겨 압력이 저하된다. 이 풍압력(P_{w})는 건물형태에 의하여 변화하기 때문에 풍동실험법이냐 수치 시뮬레이션법에 의하여 검토할 필요가 있지만, 풍향이 일정한 조건에서는 P_{w}는 거의 풍속의 자승에 비례한다. 따라서 건물상공의 점과 건물높이에 있어서의 상류측 점의 풍속을 참고속도(V_{r})로 하여 동압(p(V_{r})²/2)을 구하면, 풍압력은 다음 식으로 계산할 수 있다.
식 (12)에서 C는 풍압계수라하며P_{w} 외벽면에 작용하는 풍압[㎜Aq]은 자유풍속(m/s)이다. 풍속기울기가 있는 경우의 V_{r}의 값은 건물높이의 레벨에 대한 자유풍속을 사용하는 경우가 많다. 일반적으로 건물의 풍압계수가 상류면에서는 +가 되고, 지붕, 풍하면 등에서는 - 가 된다. 풍압계수가 +인 면에 개구부가 있으면, 그 지점이 기류의 유입구가 되며 풍압계수가 -인 면에 개구부가 있으면 유출구가 되어, 유출기류는 자유공간으로 분출한다고 보아도 좋다.
② 실내압
실내압은 건물의 각 외벽면에 작용하는 풍압력과 외벽과 칸막이벽의 투기특성에 의해 형성된다. 입방체로 각 면의 틈새면적이 같은 경우의 실내압은 - 가 된다. 판형태의 건물에서 서로 마주보는 2면에만 같은 틈새가 있고, 풍향이 면에 수직인 경우는 + 가 된다. 일반적으로 칸막이벽의 틈새가 크면 실내의 풍압계수는 G_{i} 는 土0.2의 범위로 보면 된다 풍하중에 사용하는 풍력계수는 외벽면에 작용하는 풍압계수 C 에서 실내 풍압계수를 뺀 값으로,건축법과 DIN에서는 G_{i}=-0.2를 사용하고 있다.
③ 풍향과 풍압계수
풍압계수는 풍향에 의해 크게 변한다. 그 예를 그림 3.39에 나타내었던 이것은 20층 정도의 집합주택을 대상으로 한 것이다. 외벽면의 풍압계수에 대해 첫째, 건물의 짧은 변에 직각인 풍향(θ=Oo)에서는 긴 변에서 바람을 맞는 외벽의 상류부분은 양면 모두 큰 음압이 발생한다. 짧은 변 외벽이 밀폐되어 있는 건물에서는 실내압도 - 가 되며, 자연배기통 등을 설치한 경우, 역류의 원인이 될 우려가 있다. 또한 위층에서 부력에 의한 압력차가 안쪽에서 바활쪽으로 작용하는 경우는 풍력에 의한 음압이 가해져 투기량이 증대한다. 긴 변풍상 외벽의 하류부분에서는 도약한 흐름이 다시 벽면에 도달하여 벽면을 따라 흐르므로, 풍압은 거의 0 이 된다. 이것은 옥상면에서도 동일하다. 둘째, Θ=22.5^{0}가 되면 풍상벽면은 양압이 되지만, 곤류에서는 거의 0 이 된다. 이 특징은 e=45^{0} 인 경우에도 해당된다. 셋째, Θ=67.5^{0} 인 경우는 풍상의 짧은 변 외벽에서 전면적에 음압이 발생한다. 이것이 만약 긴 변이면 음압으로는 되지 않고, Θ=22.5^{0}로 나타내는 긴 변과 같이 양압이 된다. 이들 특징은 긴 면과 짧은 변의 비율에 근거한 것이다.
옥상의 풍압계수에 대해서는 일반적으로 풍향에 상관없이 음압이 된다. 이예처럼 가늘고 긴 건물에서 풍향이 긴 변에 평행인 경우는 도약한 흐름이 다시 옥상면에 도달해 면을 따라 흐른다. 풍하면에 옥탑층이 있으면 옥탑층에 가까워짐에 따라 압력이 상승해서 양압이 된다. 이 특징은 배기구가 옥상으로 개구하는 경우 배기량을 저하시키거나, 역류를 일으키는 원인이 된다.
(나) 틈새바람량
최근 고층건물의 외벽 개구부에는 밀폐창 또는 고도의 기밀성을 갖는 개방가능한 창을 설치하므로 창문자체의 기밀성이 높다. 일반적으로 틀새바람량Q_{s}의 특성은 다음과 같다.
틈새바람량, Q_{s}는 틈새길이 1m당의 통과유량(m³/s)이며, a 를 유량계수라 부르며 일반적인 개구부에서는 0.65-0.7정도이다. 개구면적을 A(m²),aA는 상당 개구면적이라고 부른다
즉, Δp= 1㎜Aq인 때의 틈새바람량은 0.1 m³/s이 된다. 이것은 창문새시 주위의 틈새에 대한 실험실에서의 값이며, 현장에 있어서는 외벽을 구성하는 재료의 틈새도 있으므로 더욱 많아진다. 캐나다에서 실측한 바에 의하면 캐나다의 건축금속제조협회의 기준에 알맞게 개방되는 창이 있는 커튼월의 최대 틈새바람량은 Δp = 7.6㎜Aq 인 경우 외벽및적 1m²당 1.1m³/s로 정하고 있다.
(다) 외기흡입구, 배출구 및 오염물 배출구
① 외기흡입구 및 배출구의 위치선정
일반적으로 공조기 외기흡입구는 오연원의 재도입을 최소화할 수 있는 곳에 위치되어야 하며, 또한 시스템의 부하에 물리적으로 영향을 미칠 수 있는 먼지, 습기, 열 등의 재도입도 최소화할 수 있는 곳에 설치되어야 한다. 아울러 냉각탑 주변에 위치할 경우 더운 날씨에 냉각탑으로부터 습기의 도입은 공조장비의 부하를 증가시킬 수 있고 열제거 및 환기 시스템의 성능을 감소시킬 뿐 아니라 냉각탑에 부유하는 유해세균도 실내로 흡입될 수 있다. 추운 날씨에는 얼음이 도입부 그릴과 필터를 가로막거나, 이때 생긴 수분이 장비에 동파의 위험을 주고, 성능을 상당히 저하시킬 수 있다. 그러므로, 외기흡입구 및 배출구의 선정은 오염물 배출구를 주의깊게 배치하는 것과도 매우 관계가 깊다. 특히 초고층 건물에서는 상층으로 올라갈수록 풍속이 급격히 증가하고 풍향의 변동이 심하므로, 이러한 부분에 대해 세심한 주의를 기울여야 하다.
또 다른 문제로서 초고층 건물에서는 고층부에서 풍속의 증가와 풍향의 급작스런 변동으로 공조기에서의 외기흡입 및 배기가 컨트롤러에 의해 계획된 대로 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 이를 위해 외기흡입 및 배출구 부분을 댐퍼로서 조절을 할 수 있지만 순간적인 풍향 및 풍속의 변동에 즉각적으로 대처하기 어려울 경우도 있으므로, 건축적으로 이러한 부분을 보호해줄 수 있는 고려가 필요하다.
② 굴뚝 및 배열장비의 위치
오염물질은 배출초기에 포집기에 의해서 합리적인 혹은 법적인 농토로 감소 되어야 한다. 처리 후 남은 유출물질은 인근의 지역에 최소한의 공기 오염량으로서 건물에 재도입되도록 충분한 희석과 분산을 통하여 대기에 방출되어야 한다. 굴뚝 설계의 가장 중요한 고려사항이라면, 굴뚝의 높이는 건물의 개구부를 통하여 재도입을 해서는 곤란한 물질을 제거하고 산란, 희석시키는데에 필요한 실제적인 최소값 이상이 되어야 한다는 점이다.
③ 역전층에 대한 고려
역전층이란 지상 약 100m 이상의 높이에 존재하는, 대기 중의 유해가스등이 정체하는 공기층
을 말하는 것으로, 공조설비에서 필요한 신선외기를 받아들이는 외기취입구의 위치가 고층부에 있을 때에는 주변 고층건물의 굴뚝의 높이와의 관계와 함께 반드시 고려하여야 한다. 역전층이 생길 경우, 그 아래 방향의 대기 중에는 대도시에서 질소산화물, 유황산화물, 매연 등이 자욱하고, 대기는 현저하게 오염되어 있다. 역전충의 높이와 건물높이와의 관계에서 건물이 오염된 대기 중에 놓이는 정로와 오염에 의한 영향도가 결정된다. 이와 같은 정도와 영향은 초고층 건물에서 더 크며, 외기흡입구(inlet)와 배출구(outlet)의 위치와 함께 OA의 청정화 대책이 필요하다.
(라)초고층 건물에서의 연돌효과
건물 내외부의 온도차에 의한 부력차로 인하여 공기의 밀도가 달라지게 되어 공기가 건물안의 계단실 등을 통해 자연환기되는 현상으로 굴쪽에 의한 통기력과 동일한 원리이기 때문에 건물내의 이러한 현상을 '연돌효과′라고 한다. 건물 내외에 그림 3.41과 같이 층고에 따른 압력차가 형성되어 외벽의 개구부로부터 외기가 유입 또는 유출된다. 주거용 고층건물의 경우 계단, 입상관 공동구, 엘리베이터 통로, 쓰레기 통로 등이 수직통로에서 발생하여 건물의 열부하에 영향은 물론 악취 및 세균 등의 실내 인입으로 경제적, 위생적 문제점을 야기시키고 있다. 특히, 건물이 고층화 될수록 연돌효과로 인한 풍량이 전체 건물에너지에 미치는 영향이 급격히 커지는 경향이 있다.
① 연돌효과의 원리
연돌효과는 건물 내외부에서 형성되는 공기의 온도에 따른 밀도차에 의하여 발생되며 건물 내부의 공기기둥이 형성된 경우에 발생된 압력차에 의하여 야기된다.
공기의 온도가 높아지면 밀도가 낮아지고, 온도가 낮아지면 공기의 밀도는 높아진다. 건물 내부에 형성된 공기기둥에서 실내온도와 같은 공기의 온도를 유지하며, 반면에 건물외부의 공기기둥은 동일한 높이의 외기와 같은 온도의 무거운 공기로 형성된다.
부력을 P, 건물높이를 H(m), 실내 ·외 공기의 온도차가 높이방향으로 일정하며, 각각의 비중량을 r_{i}, r_{o} [㎏/m³]이라 하며,
로 나타낸다. 단위로부터 알 수 있듯이 P는 압력이다 식 (15)를 실내 외 공기 온도 θ_{i}, θ_{0} (℃)를 이용하여 나타내면
구체적으로 그림 3.42에 나타낸 것과 같이 건물 최상부의 실내·외 압력차 ΔP_{u}와 1층의 실내 ·외 압력차 ΔP_{d}의 차이다.
또, 실내·외 압력차가 0이 되는 위치를 중성대라 하며 지상에서의 높이 H_{n} 을 중성대 높이라고 한다. 건물의 하부에 개구부가 집중하면 H_{n}은 아래쪽으로, 상부에 극간이 많으면 H_{n}은 위쪽으로 이동한다.
만일 건물의 하부가 열려있고 그 나머지 부분은 완전하게 밀봉되어져 있다면, 아래쪽 입구부분은 외부와 압력이 같고 최상부에서 최대압력차 ΔP가 생길 것이다.
반대로 만일 건물의 하부가 완전히 밀봉되어져 있고, 옥탑층 문이 열려 있는 경우 건물 하부에서 최대압력차 ΔP 가 발생할 것이다.
그러나, 실제로 건물외피를 통해 공기가 전혀 통과하지 못하는 것은 아니므로 재료 유형과 시공의 정밀성에 따라 침기량이 달라지게 된다.
연돌효과에 의해 발생된 ΔP는 그림 3.43 (c)에서 처럼 크게 건물 하부와 상부로 나누어지게 된다. 건물상부에서 빠져나가는 공기는 하부에서 들어오는 공기에 의해 채워진다. 이와 같이 공기의 밀도차로 인해 단면에 생긴 건물 내 ·외부의 압력차이는 높이에 따라 달라지게 되는데, 건물하부에서는 외부의 압력이 내부보다 더 커서 누기가 생기고, 상부에서는 내부압력이 커서 누기가 생긴다.
② 연돌효과의 영향
겨울철 출근시와 같이 통행량이 많은 경우, 초고층 건물의 출입구에서 20,000㎥/h이상의 대량의 외기가 유입하는 경우도 있다. 이 결과, 로비의 실온 저하를 야기시키며 환경의 악화는 물론 난방부하의 증가에까지 이어진다 에너지절약의 관점에서도 자주 지적되는 사항이다. 특히, 최근 증가한 아트리움을 채용한 건물에서는 건물내부의 공기유동저항이 적키 때문에 외·벽에 통상의 건물보다 큰 압력이 작용하여 침입외기량도 4배 정도가 된다. 이에 대한 대책으로서는 회전문의 채용이 효과적이다. 사실, 뉴욕의 초고층 빌딩 출입구의 대부분에 회전문이 설치되어 있다. 일본에서는 사용하기 불편한 점 때문에 오랫동안 회피해 왔지만, 최근 직경이 4m를 넘는 대형의 자동회전문이 수입되기 시작 한 때부터 백화점, 사무소나 레저시설 둥에 사용되게 되었다.
출입구로부터의 외기유입과 동시에 중성대보다 아래층의 외벽극간으로부터 외기가 유입된다. 이 풍량을 기준층 평균의 환기 횟수로 나타내면 대략 0.2회/h가 된다 또, 상부의 극간으로부터 난방공기가 누출될 때, 외벽에 결로나 결빙 소동을 일으킨다.
③ 건물내의 압력분포
고층건물에 있어서 특히 난방시의 내외온도차는 크고, 연돌효과에 의한 외벽 과 내벽간에 작용하는 압력차가 생긴다.
내부격벽의 저항이 무시되는 건물에서는 단실로 취급되기 때문에 그림 3.43(c)에 나타난 압력분포와 유사한 분포를 보인다. 단, 마찰에 의한 압력손실은 무시될 수 있다. 이 경우 부력은 곧 외벽의 압력차에 의해서 작용하기 때문에 높이 H=30m, 내외온도차 Δt=20℃일 경우, 약 1.3㎜Aq, 유속은 4.6m/s에 달한다.
계단실에 문을 설치한 경우에도 그 틈새는 외벽의 틈새보다 크다. 또 내부 격벽의 틈새도 크기 때문에 부력에 의한 압력차의 약 80%는 외벽에 작용되고 있다. 개구부의 틈새가 건물전체에 균일하게 분포하여 있다면 중성대는 1/2H의 근처에 위치한다. 따라서 1층 출입구에는 약 40%의 압력차가 작용한다. 나머지 10%의 압력차는 수직 샤프트(엘리베이터, 계단실, 파이프, 덕트 샤프트)의 1층 부분에 작용한다고 한다.
출입문의 면적 1.8m에 15㎜Aq를 넘는 압력차가 걸리면, 성인의 힘으로도 문을 열 수가 없다. 출입문에 걸리는 압력차를 경감시키기 위해서 현관실을 설치하고 2중문을 한다면, 각 출입문에 작용하는 압력차는 1/2로 감소될 수 있다. 회전문이 설치되는 것은 더욱 좋은 대책이 된다.
1층에 상점 등을 둔 건물과 같이 1층에 큰 개구부가 있는 경우는 1층 외벽에 작용하는 압력차는 0에 가깝게 되고, 그 층의 수직 샤프트 및 천정 슬래브에는 큰 압력차가 생긴다. 이것을 그림 3.45에 나타냈다 1층 이외의 계단의 기밀성이 동일하다면 각층 바닥에 작용하는 압력차는 저감되지만 상층에서는 수직 샤프트로부터 실로 유입되거나 외벽으로부터 외부로 유출되는 공기량은 증가한다.
최상층의 천정슬래브와 외벽의 중공층에 실내의 절대습도가 높은 공기가 침입한다면, 옥상 슬래브는 외벽의 내부에 경로를 발생하게 된다.
④ 연돌효과에 대한 대책
초고층 건물의 HVAC 시스템을 설계하는 경우에는 특히 건물의 연돌효과를 고려해야 한다. 연돌효과는 크게 하층부 외기침입과 상층부 누기로 인하여 난방에너지 손실이 커지고 엘리베이터 문의 오작동을 일으킬 수 있다. 그러나 이러한 두 문제는 결국 엘리베이터의 압력분포와 건물 내부의 압력분포 및 외부의 압력분포를 어떻게 조절하는가에 달려있으며, 문제가 발생할 수 있는 지역 (엘리베이터 홀이나 출입구 부분)에 대해 부분적으로 이를 해결하는 방법과 보다 적극적인 방법으로 공조시스템을 이용하여 건물압력분포를 외부압력분포에 근접시키는 방법, 건물압력분포를 엘리베이터 샤프트 압력분포에 근접시키는 방법 등으로 나눌 수 있다. 어떤 방법이 최선의 것인지는 건물의 외피특성, 냉 난방 시스템의 조건 둥에 따라 다른데 궁극적으로 엘리베이터 샤프트와 건물내 부의 압력분포 차이를 줄이면서 동시에 이렇게 함으로써 증가된 건물내부와 외부란의 압력분포 차이를 줄일 수 있도록 건물외피를 밀실하게 하는 것이라고 할 수 있다.
부분적으로 해결하는 방법으로, 입구부분에서 외기침입을 막기 위해서는 출입문이 바깥으로 열려야 하며, 이 경우 외부압력이 더 크므로 밖에서 문을 여는 것이 힘들 수가 있다. 미국의 법규에는 11.3㎏정도의 힘으로 면적1.95㎡의 문을 열 수 있는 정도로 내외부 압력차가 유지되어야 한다고 규정하고 있다
각주 033)
아울러 초고층 건물의 가장 효율적인 출입구로서는 회전문이 바람직한데, 이 경우 반대쪽 문 압력화의 균형 때문에 회전문은 쉽게 작동한다. 회전문이 불가 한 경우는 현관홀이 별도로 계획될 수 있다. 그러나 현관홀이 사용되었을 때에는 건물 내외부의 사람의 움직임이 바쁜 시간동안에 홀 내외부 현관문이 동시에 열려 있을때에는 그 효과가 크게 떨어지게 된다.
회전문을 사용할 수 없는 경우, 입구로비에 더 많은 외기를 공조기나 별도의 보조장치를 통해 공급함으로써(즉 건물을 가압함으로써) 입구로비의 내외부 압력차는 감소될 수 있다.
(그림 3.46 참조)
하지만 만일 입구로비를 가압하는 이러한 경우 초고층 건물에 있어서, 입구 부분에서 작아진 압력차(ΔP)가 건물상층부에서 압력차(ΔP)를 증가시키므로 이렇게 하는 데에는 한계가 있다.
엘리베이터 로비는 특히 굴뚝효과에 있어서 취약부분으로 초고층 건물에서는 엘리베이터 문의 개폐 성능에 영향을 주거나 소음을 일으키지 않도록 해야 하므로, 각 충에 홀로 구획된 엘리베이터 로비를 만드는 것을 고려할 수 있다. 또 다른 방법으로서 엘리베이터 홀을 배기 또는 순환되는 공기보다 급기량을 더 많이 공급함으로색 가압할 수도 있다. 가압되는 정도는 건물의 높이와 위치에 따라 달라지며, 이러한 가압방식은 화재가 발생할 때에는 위험 지역으로부터 대피지역으로의 연기 이동을 막는데 도움을 준다.
다음으로 건물압력 분포를 외부 압력 분포에 근접시키는 방법을 살펴보면, 엘리베이터 문의 문제와 침기에 따른 에너지 손실은 건물외피를 기밀하게 함으로써 최소화될 수 있는데 대개 건물외피는 7.6㎜Aq의 내외부 압력차에서 1.ICMH/m²이하로 침기량을 유지해야 한다.
각주 034)
그러나 침기량이 많은 오래된 기존의 건물에 있어서 각 층으로의 순환공기량 제어를 실시함으로써 이러한 건물 내외부 압력차(ΔP)를 최소화하는 것이 가능할 것이다. 중성대 아래에서는 침기 를 줄이기 위해 순환공기량을 감소시켜 건물을 가압하여야 한다.
이에 반해 중성대위에서는 순환공기량을 늘리기 위해 순환공기용 덕트는 더 많은 공기가 순환될 수 있도록 크게 설계되어야 하며, 각 층에 순환공기를 제어하기 위한 압력 콘트롤러 세트와 자동댐퍼가 필요하다. 그러나 이와같은 방법에서는 엘리베이터 샤프트의 압력분포와 건물내부의 압력분포가 지나치게커져 엘리베이터 문이 오작동을 일은키지 않도록 압력 콘트롤러 세트는 건물외부의 분포와 건물내부의 압력분포, 그리고 엘리베이터 샤프트의 압력분포를 적절히 유지할 수있어야 한다.
건물압력 분포를 엘리베이터 샤프트에 근접시키는 방법으로, 단순히 하충부의 침기를 막기 위해서 하층부에서는 순환공기량을 줄이고 상층부의 누기를 막기위해서 순환공기량을 늘림으로써 에너지 손실을 막는 방법은 엘리베이터 문의 작동을 불량하게 할 수 있다. 따라서 하층부에서는 순환공기량을 급기량보다 많게 하고 상층부에서는 순환공기량을 급기량보다 적게 하여 건물 내부 압력분포를 엘리베이터 샤프트의 압력분포에 근접하게 맞춤으로써 이를 해결할수 있다.
(그림 3.47 참조)
엘리베이터 문안의 순환공기량 조절을 통한 압력제어, 특히 이 경우 각층 공조방식일 경우에는 하층부에서 급기량을 줄이면 외기도입량이 줄어들므로 실내오염을 줄일 수 있는 장점이 있으나, 몇 가지 문제점도 있다. 첫째로 만일 건물외피가 밀실하지 못하다면 건물압력분포와 외부압력분포는 차이가 커져서 침기가 증가하고 이에 따라 에너지 소비가 커질 수 있다. 특히 주거용 건물에서 상층부 재실자는 난방가동 스위치를 끄는 반면 하층부의 재실자는 난방기를 약 두배의 시간으로 난방하는 경우가 있으며, 상층부에 개방식 창문이 있을 경우 이러한 문제는 더욱 심각해질 것이다. 또한 건물외피가 밀실해도 추운 겨울 가습에 의해 상대습도가 높은 건물 상층부에서는 압력차로 인해 건물외피를 통해 수분이 빠져나감으로써 내부결로 등의 발생 가능성이 있다. 둘째로 중앙식 위생 배기 시스템의 성능에 있어서 문제가 생길수 있는데 그림 3.48(a)와 같이 실온과 외기온의 차이가 거의 없을 경우에는 배기덕트 내의 압력이 평형을 이룬다. 날씨가 추운 경우 팬은 똑같은 송풍량을 가지고 작동되지만, 그림 3.48(b)와 갚이 수직배기덕트의 최하층 흡입구에서는거의 2배의 공기가 빠져나가고, 최상층에서는 오히려 이렇게 흡입된 공기가 건물 내부로 역류할 것이다. 아을러 최하층에서는 공기가 수직배기덕트로 빨려들어 실내로 공급되는 공기가 불균등하게 된다. 초고층 건물에서 겨울철 연돌효과에 의한 이러한 현상을 막기 위해서는 풍량 제어기가 필요하다. 덕트의 연결부위에 제어기가 설치되어 과도한 양의 공기가 빨려나갈 경우, 팬의 송풍압력을 조절하면서 이를 조절해야 할 것이다.
⑤ 초고층주택에서의 통풍환기
최근 보이드형으로 불리우는 통풍환기장치를 가진 초고층 집합주택이 많이 건설되고 있다. 이 통풍환기장치는 하부와 상부에만 개구를 가지고 측면에는 개구가 없기 때문에 굴뚝과 같은 구조가 되어 유풍시에는 옥상의 풍압력에 의해 통풍환기가 얻어진다. 이 때 보이드측면의 벽면도 큰 부압이 되어 어떤 방위의 주택도 외부측으로부터 보피드측으로의 통풍환기를 확보할 가능성이 높다. 단, 이 공간의 기온을 높이는 것이 어려워 굴뚝효과를 기대할 수 없는 것이나 무풍시는 당연히 환기가 되지 않으며 유풍시에도 개구를 만드는 방법에 따라서는 흐름이 없는 영역이 나오기 때문에 이 공간으로부터의 주방, 화장실의 배기나 연소배기가스 등의 배출은 피하여야 한다.
표 3.31은 연돌효과와 틈새바람에 대한 건축및 설비적 대응을 나타내고 있다.
나. 조닝계획
(1) 수직 조닝
초고층 건물은 일반건물에 비하여 열원의 용량이 과대해지고 수직적인 높이가 증가함에 따른 수압이 최대과제로 열원과 열매체, 기계실의 위치가 큰 문제점이 된다. 열원설비와 공조설비 기기가 설치되는 설비층의 위치가 기준층의 형태를 변화시킬 수 있고 건물의 유효면적, 건물의 외관 및 층고에 영향을 미친다. 수직조닝은 층수에 따른 조닝으로서 공조기의 배치방식과 열원계통의 배치계획에 관한 것으로 계획초기부터 고려해야 할 중요한 요소이다. 수직조닝에 영향을 주는 요소로는 건물의 충별 용도, 수압, 기타 관련설비로서 급수 및 급탕설비가 있다.
(가) 열원계통의 배치계획
① 중앙열원방식
초고층건물에서는 열 전송 거리가 길다는 문제 외에도 기기류에 정수압, 열원설비의 보조 기기, 설비 등의 경제성이나 건출주위의 조건 등이 그 위치 결정에 중요한 비중을 차지한다. 초고층건물의 냉열원 계획에서 가장 큰문제점 은 위의 응축기 및 증발기 부분이 모두 수회로이므로 정수압의 문제를 두 방향에서 연구해야 한다. 냉동기의 위치에 따른 특징과 실제사례는 표 3.28과 같다.
초고층건물에서는 온열원의 배치계획에서 가장 큰 조건이 되는 것은 보일러 자체보다도 연돌과 관련된 문제에 있다. 일반적으로 보일러의 설치장소로서 고려할 수 있는 곳은 지하층, 중간층, 최상층 그리고 특수한 경우로 별동 즉 저층부의 최상층이다. 그러나 중간층(15-20층)이나 최상층에 설치하는 방식은 현실성이 거의 없는 것으로 사료된다. 중간층이나 최상층에 보일러를 설치 할 경우의 문제점을 검토해 보면 다음과 같다.
·보일러 및 그 부속 기기들의 반 출입이 어렵다.
·잡음, 진동의 문제로 설계 상이나 구조계획상 제약조건이 많다
·화재의 위험이 많고 소방활동이 어렵다.
지하층 설치방식은 건물이 고층화함에 따라 연돌의 스페이스로 건물의 유효면적이 감소하고 기준층의 평면계획이나 구조계획에 문제점이 있다. 또한 별동부 방식은 사실상 일반적인 방식이라고는 할 수는 없다. 별동 옥상에서 배출하는 배기가스가 본 건물에 영향을 주지 않도록 본 건물과의 거리확보의 문제나 그 지방의 주 풍향과의 관계를 고려한 후에 채택이 가능한 것이다. 온 열원의 배치계획은 지하층 설치방식 뿐만 아니라 별동부 방식과 같이 건물의 특성이나 주위의 환경 등을 검토하여 각 건물에 적합한 방식으로 하는 것이 중요하다.
② 개별열원방식의 배치계획
현재 개별 열원기기의 대부분이 공기열원 분리형 히트펌프이고 최근에는 1 대의 실외기에 여러 대의 실내기로 구성된 다중 에어콘 시스템(multi air-con system)이 많이 사용되고 있다 공기 열원 히트펌프를 계획할 때에는 다음의 사항을 고려해야 한다.
·사용온도의 온도조건이 있어야한다.
˙외기조건과 실내 흡입 공기온도 조건에 따라 냉난방 능력이 변화한다. 따라서, 필요로 하는 능력과 외기온도, 실내 온도 조건 등을 충분히 검토한 후 기종을 선택해야 한다.
·냉매배관의 길이가 한정된다. 최근에는 냉매배관의 최대 허용 상당길이가 100m 까지 가능한 기종이 개발되었지만, 허용 상당길이가 기종에 따라 다르므로 계획 시 많은 고려가 필요하다.
·실내외기의 설치높이와 냉매배관의 길이에 따라 능력이 변화한다.
(나) 공조기의 배치방식
팬코일 유닛이나 유인 유닛은 실내의 외주부에 설치되어 열원으로부터 냉·온수를 공급받아 실내에서의 열교환으로 직접 냉 온풍을 취출하므로 그 설치장소는 큰 문제가 되지 않는다. 그러나 공조기는 열원으로부터 냉수나 증기로 열 교환을 한 후 공조덕트를 통하여 냉 온풍을 실내로 송풍하는 것이고 또한 그 자체가 매우 진동과 소음을 수반하는 기기이므로 그 설치 장소나 설치방식은 계획의 초기단계에서 중요한 결정사항 중의 하나다. 공조기의 배치방식은 공사비뿐만 아니라 완공 후 가동이나 관리 면에서도 영향을 미친다. 또한 공조기 위치에 따라 수반되는 외기취입구의 문제는 곧 건물 입면에 영향을 즐 수도 있고, 기계설비 공사에서는 공조실과 같은 기계실에서 작업량이 많으므로 공조실의 위치나 수는 건물의 공정계획에도 영향을 준다.
그림 3.49는 공조기의 배치방식을 그림으로 나타낸 것이다. a)옥상 ·지하층 집중방식은 지하 기계실이나 저층부의 공조실에 집중 배치하거나 지하 기계실과 최상층 2곳에 공조기를 설치하여 각층에 공조된 공기를 분배하는 방식이다. 이 방식의 경우는 20층 이하의 건물에서 주로 채용되고 있다. 그러나 이 방식은 30층 이상의 고층건물의 경우 공조기에서 담당층까지의 거리가 연장되므로 주 덕트의 단면이 증가하게 되며, 동시에 덕트 샤프트의 면적도 증가되고 냉온수 배관의 압력이나 냉매 배관에도 문제가 있으므로 b), c), d)의 방법이 고려될수 있다.
b)중간 공조실 집중방식은 종래의 방식인 옥상 ·지하층 집중방식과 비슷하지만 중간 설비층을 두고 상 ·하로 덕트를 연장하여 공기를 배분하는 방식이다. 최상층, 중간층, 지하층에 공조실을 배치한 것으로써, 20층 이상의 건물에서 사용되고 있으며 공조실의 간격은 약 10층 전후이며 또한 1개 공조기가 담당하는 층수는 3~9층 정도이다. 상부 또는 하부로의 공조덕트의 연장한계로는 보통15개층 정도이다. 그것은 기준층 면적과 공조기가 부담할 수 있는 한계 풍량과 깊은 관계가 있다. 따라서 건물의 공조방식에도 관계가 있다. 즉 전공기 방식은 공기-수방식에 비하여 약 50%이상 풍량이 증가하기 때문이다. 중간 설비층의 위치는 주로 건물의 용도 및 종류, 공조설비의 성능에 의해 결정되지만 동시에 급배수, 전기, 엘리베이터 등의 설비비, 건축비, 유지관리비, 운전경상비 등의 견지에서 종합적으로 검토하여야 한다.
c)분산설치방식은 각 층별로 공조기를 설치하는 것이지만 2개층 마다 혹은 3개층 마다 공조기를 두는 경우도 일종의 분산방식이라고 한다. 이 방식은 건물이 고층화됨에 따라 실의 사용시간이나 용도상의 분류가 다양해지고 공조상의 조닝의 세분화가 필요하게 치언 채택된 방식으로 현재 인델리전트 사무소 건물에서 가장 많이 사용되고 있다.
d)오픈 코어장식은 오픈코어 부분에 설비기기를 집중시켜 기준층의 평면계획에 영향을 주지 않게 된다. 그러나 이 방식은 공조설비 뿐만 아니라 다른 설비의 수직 조닝과 관계가 있고 건축 계획상의 제약을 해결하여야 한다.
(다) 수직조닝에 영향을 주는 요소
① 수압: 1차 열원기기나 2차 열원기기는 대부분이 수 회로로 되어있기 때문에 수압에 직접적인 영향을 받고 경우에 따라 순환펌프의 양정이나 펌프정지 시 발생하는 수격작용에 의한 수압이 부가되므로 냉동기, 수-수 열교환기 등은 각 기기의 허용 수압 범위 내의 층에 설치되어야한다. 수압의 대처방안으로는 다음과 같다.
첫째, 내압성이 있는 기기를 사용하거나 중간층에 열교환기 사용한다. 그러나, 이 방법은 가격이 현저하게 증가하므로 불가피한 경우 충분한 타당성 검토후에 사용해야한다.
둘째, 몇 개 층의 단위로 열교환기를 설치하여 공조기에 걸리는 압력을 줄인다. 여기에도 몇가지의 문제점은 있다. 즉, 2차 측 냉수온도가 2~3℃ 높아지므로 공조기 코일의 열수가 커지고 팬코일 유닛의 형상이 커져 설비비의 증가원인이 된다. 2차측에도 펌프를 설치해야하며 냉수 계통의 효을이 떨어지므로 전체적으로 냉방용량이 커진다.
셋째, 계기를 분산배치한다. 즉, 건물의 20층에서 25층부터 최상층까지의 부분을 별개의 계통으로 구획하여 지하층 및 저층부의 법수 계통에 lO㎏/㎠하의 정수압이 걸리도록 한다.
넷째, 냉수계통 배관방식으로서 간접 인입 방식이나 병용방식을 사용한다.
② 구조측면에서의 문제: 열원 설비층이 건물구조에 미치는 영향은 중량과 강성이다. 층고가 높은 열원 설비층을 최상부 부근에 설정하는 것은 구조계획상 매우 불리한 것이 된다. 열원 설비층은 그 계획에 있어서 충간 변위 응답치 곡선을 충분히 고려하여 결정해야 한다는 것이다.
③ 건물의 층별 용도:건물의 용도를 수직적으로 조닝하는 것은 공조계획 초기단계에서 열원설비 계획과 밀접한 관계를 가지고 있다
④ 공조 대상공간의 특징: 공조 대상공간의 높이, 크기, 사용시간, 부하 변동특성
⑤ 엘리베이터: 중간 엘리베이터 기계실은 설비층에 포함시키는 것이 바람직 하나 반드시 열원 및 공조 설비층과 동일하게 엘리베이터 조닝을 할 필요는 없다. 중간 엘리베이터 기계실이 설비층 이외에 포함되어있는 경우는 방진, 방음에 특히 주의한다.
⑥ 방재계획: 층간구획이 효과적이다. 화재 시 굴뚝효과를 억제시키고 연기의 확산을 막기 위해 팬을 사용할 필요가 있다.
⑦ 공급, 반송, 전송 경로의 길이
(2) 수평 조닝
일반적인 사무소 건물에서 실시되는 수평조닝 방법은 각 방위별의 외주부와 내주부로 구분하고 외주부는 방위별 부하특성을 고려하여 조닝을 한다. 외주부는 외피를 통하여 출입하는 일사, 외기, 전열 등이 부하요인으로 작용하며 건물 각 면에 대한 부하가 시간별로 변화하므로 이를 4개 방위로 나누거나 필요에 따라 세분하여 조닝을 하는 경우도 있지만 기존 사무소 공조조닝 방식으로 개별 제어나 연장 운전 시 시스템의 효율적인 운전이 어렵다.
초고층 사무소 건물은 앞에서 기술한 바와 같이 일반 건물에 비해 부하가 현저하게 크고 부하변동에 대응할 수 있는 시스템이어야 한다. 또한 공조 조닝의 중요한 목적 중의 하나인 개별제어를 가능하게 함으로써 시간외 운전 및 에너지 절약을 도모할 수 있도록 해야한다. 따라서 초고층 사무소의 수평공조 조닝은 기존의 일반 사무소 건물에서의 부하대응을 위주로 한 조닝과는 다른 방법으로 조닝을 할 필요가 있다. 즉, 평면상에서 더욱 세분하여 조닝을 하고 개별제어 및 부분운전에 대해서도 시스템이 효율적으로 운전되도록 해야한다.
(가) 실의 용도에 따른 조닝
각 실들은 용도별로 부하특성, 실의 사용 시간대 등이 서로 다르므로 쾌적한 실내 환경유지 및 공조 시스템을 효율적으로 유지하기 위해서는 용도별로 적절한 조닝이 필요하다. 평면상에서의 용도별 조닝은 먼저 각 실을 온도별로 수직조닝을 한 다음 실시되어야 한다. 또한, 건물 내 에서는 사용용도에 따라 공조에 요구되는 온 ·습도, 분진농도 등의 조건이 일반 사무실과 틀린 것이 있다. 이는 제어정도의 확보와 비용의 양면에서 조닝이 요청된다. 엄밀한 온 습도 조건이나 고도의 공기청정조건이 필요할 때 고가의 자동제어장치, 냉각, 가열, 가습, 감습 등의 장치와 이를 위한 에너지, 초고성능 필터 등이 필요하며 매우 고가이므로 필요한 최소한의 규모로 한정시키는 동시에 열원시스템을 포함한 공조계통으로 해야 한다. 이와 같은 부하별 조닝, 운전시간대, 온도나 공기 청정도의 제어정도 등을 고려하여 ,계통상 또는 평면상에서의 공조기 또는 공조계통을 분할해야 하며, 각 계통별로 최소 1개의 제어가 필요하지만 실내부하의 변동이 클 경우 가능한 한 많은 존으로 나누어 제어가 이루어져야만 한다.
전문직용의 워크 스테이션이나 TV회의실, 디시젼 룸, 칸막이를 필요로하는 방(전용기능 존), 일반 집무 스페이스(집무 존)장치를 고밀도로 수용하는 스페이스(heavy duty zone) 등에 대해서는 사용시간, 발열분포, 작업형태 둥을 고려하여 조닝을 한다. 그 밖의 동일 집무실에서도 외기의 영향을 받는 외주부와 내주부, 입주자의 요구에 의한 공조 공급 조건의 차이 등을 검토하여, 적절한공조 조닝 계획을 행한다. 공조시스템은 조닝을 고려하여 각 존에 대해서 공조조건을 만족하게 하는 것이 가능한 시스템을 선정한다.
실의 용도 변경에 대한 유동성을 갖는 공조 시스템의 설계를 경제적으로 행하는 것은 현실적으로는 상당히 어렵다. 원칙적으로 실의 용도변경에 따라 시스템의 기본적인 사항이 완전히 드러나 보이는 것과 같은 공조계획은 피하는 것이 좋다. 실의 용도 변경 정도가 공조시스템에 어느 정도 영향을 주는가를 파악하여 적용방법 등을 초기 건축계획 단계에서 반영시켜 두어야만 할 것이다. 특히, 임대건물의 경우 우선 전용 존과 공용 존을 구분한 다음, 입주실별로 공조계통을 분할할 필요가 있으며, 입주실의 용도가 변경되어 공조 시스템이변경될 경우에도 다른 입주실의 공조 서비스에 지장이 없도록 해야한다. 표3.33은 용도별 공조 조닝과 공조 시스템에대한 예를 나타내고 있다.
표 3.34는 건축의 변경에 따라 공조 시스템이 대응할 수 있는 레벨을 나타내고 있다. 공조시스템이 유동성을 갖는다고 하는 것은 레벨I~레벨 3까지의 범위이며 레벨 4의 경우는 시스템을 변해야만 한다. 이것을 반대로 말하면 레벨 3까지의 변경에는 충분히 대응할 수 있는 설비계획으로 해야만 할 것이며 설계 시에 다음 사항을 검토할 필요가 있다.
·공조시스템의 단말 측의 자유도의 확보
·추가 가능한 시스템의 채용
˙건물의 변경을 최소한으로 하는 공법의 채용
이중, 공조 시스템 말단(취출구 등)의 변경은 실내 재실자들에게 직접적으로 환경의 변화나 국부적 불쾌감을 초래할 수 있으므로 설비의 기본 계획 시에 장래의 변화에 대응할 수 있는 배치(덕트 레이아웃, 취출구 ·흡입구의 배치)가 필요하다.
(나) 실의 사용 시간별 조닝
건물 내의 각 실들은 사용시간대가 서로 다르므로 시간대별로 조닝을 해야 한다. 즉 사무소 건물 내의 상가, 휴게실 등의 일정한 운전시차에 의한 것, 은행, 전산실처럼 연장운전이 실시되거나 24시간 공조가 되는 실, 식당, 회의실 등 간헐적인 운전이 되는 것 같은 실들은 인구밀도가 낮거나 변동이 심하여 외기 도입율이 틀리고 서로 공조 시간대가 다르므로 적절한 조닝을 할 필요가 있다.
특히 임대 건물의 경우 각 입주자들이 24시간 업무를 하거나 집무시간대에 차이가 생길 수 있으므로 열원계를 포함해서 사용시간별 조닝 등 개별적으로 대 응할 수 있는 공조시스템을 계획해야 한다.
(다) 부하에 따른 조닝
① 초고층 빌딩의 내부 발열의 특징
초고층 빌딩의 내부발열이 일반 빌딩과 다른 점은 OA기기 발열량이 상당히 크고 비 공조 시에도 발열하는 기기가 있다. OA기기 특히 CRT화면을 보기 쉽게 하기 위한 조명발열량이 증대한다. 또한 OA기기 설치에 따라 인원밀도가 작아지게 된다.
위와 같이 OA기기의 도입 조건에 따라 내부 발열량이 좌우되기 때문에, ″어떤 타입의 기기가 몇 대인가, 어떠한 시기에 어디에 설치되어 어떠한 상태로 가동되는가″라는 가정 하에 내부 발열량과 그의 변동상태, 편재정도를 추정하고 현재 이용되고 있는 기기의 기능 및 발열량도 향후 어떤 모양으로 개량될 것인가도 추정할 필요가 있다.
② 공조부하의 예측
OA부하를 계산하는 방법은 업종, 기업규모, 부서나 OA화의 단계에 따라서 큰 차이가 있다. 또한 OA기기를 집중적으로 설치하는 경우와 분산설치 하는 경우는 설치대상 공간의 단위면적에 대한 부하가 크게 달라진다 OA화의 단계를 정확하게 예측하여 부하를 계산한다는 것은 참으로 어려운 일이며 특히, 현재 OA기기가 1인 1대로 증가하였기 때문에 소비전력이 막대해져야 하나 실제로는 고효율 기자재의 개발 등으로 인하여 소비전력이나 발열량은 절감되어 나갈 것이다. 현재 제 2단계에서는 평균 25%, 제 3단계에서는 약 50%로 절감이 예상되고 있다.
③ Heavy duty area의 부하대응
Heavy duty area는 부하처리에 있어서 가장 많은 고려를 해야할 부분으로서 일반적으로 말하는 컴퓨터 및 통신기기 관련의 각 실로 보안과 하중, 이중 바닥구조, 천장높이 등 건축적 배려가 중요하고, 공조설비 계획에 있어서도 이것에 대한 충분한 대응책이 필요하다. 이 부분은 건축계획 초기단계에서 한 부분으로 별도로 설정되는 경우가 많고 임대 건물 면적의 5~7%정도가 일반적이며 OA화에 따라 각층마다에 설치되는 경우도 많다.
Heavy duty area의 공조계획은 일반적으로 다른 부분과 합하여 냉각수 배관 또는 냉수 배관 등의 예비배관을 갖기도 하고 배관공간을 확보하는 경우도 많이 있지만, 보안문제와 신뢰성을 위하여 입주자 전용배관 및 냉각탑이 요구되는 경우에도 충분히 대응할 수 있어야 하고 계획 시에 적절한 여유공간을 확보하여 부하증가에 대응할 수 있도록 고려해야하며 부하를 처리하기 위한 냉각수 예비배관 및 소형 패키지용 냉매 배관공간을 확보하여 놓는 것이 비교적 효과적인 방법이다.
④ 부하변동에 따른 시스템의 대응
축열 장치와 제어기술을 어떻게 적절하게 편성하느냐에 따라 최적의 설계가 가능하게 된다. 대규모의 오피스에서 초고층화가 진전되고 워크 스테이션이 오피스 내에 분산 배치되어지는 경우, 외주부의 공조기는 동일하지만 내주부 및 워크스테이션용의 공조기를 통합하여 스페이스 존마다 VAV에서 제어하는 방식을 취한다. 또한, OA기기의 증설에 대처할 수 있도록 외주부에 공조기의 예비 스페이스를 예상하여 계산에 포함한다.
(라) 개별제어를 위한 조닝
① 개별제어 방법
적절한 조닝을 행한 후 제 각각의 존에 대응한 개별의 공조설계를 행하고 필요한 공조장치를 설계한다. 개개의 환경조건을 실현하는 것은 가능하지만 코스트, 건물조건, 장래의 면경이나 확장성 등을 고려한 것이 아니면 반드시 그것이 최적의 공조방법이라고는 말할 수 없다. 실의 사용조건, 시스템으로서의 합리성, 에너지절감 대책 및 그 밖의 공조로서 요구되어지는 제 조건을 고려하여 시스템을 결정하는 것이지만 일반적으로 개별제어의 방법으로 다음과 같은 것을 고려할 수 있다.
공조기의 분산설치
중앙 방식과 분산방식의 편성
계통의 섬세한 분할
멀티제어방식, VAV방식 등 개별 대응 공조기술로서 개발된 방식의 채용
축열 시스템의 채용
그림 3.50은 존별 제어뿐만 아니라 개인이 제어가 가능한 공조 시스템을 보여주고 있는 데, 실제로 초고층 빌딩에 채택된 경우도 있다.
② 제어 세분화를 위한 블록, 존(Block, zone)의 설정
개별제어를 하는 건물에서는 실내온도의 조정 범위를 적게 하기 위해 온도제어에 주력한 작은 블록, 존을 설정하고 각각의 존마다 개별제어를 한다. 일반적으로 외주부 존에는 1span마다(예를 들면 팬코일 유닛 1대 내지 2대에 대해서 온도계 등의 온도 조정기구를 1조씩 설치한다) 내부 존에서는 20~100m²(workstation 2개~10개 단위)으로 하고, 외주부는 내주부의 약 1/2~1/3 정도의 공조단위로 하는 경우가 많다. 초고층 빌딩의 수준이 상승할수록 세분되는 면적은 작아진다. 특히 각층에서는 여러 개의 방으로 칸막이가 되어있는 방에는 개별제어를 필요로 한다.
개별제어 즉 실을 여러 개의 존으로 나누어 제어를 하기 위해서는 우선적으로 건축 계획단계에서 기본 모듈이 결정되어져야 한다. 여기서 모듈 크기는 평면상에의 배치와 천정 유닛의 배치를 동시에 고려해야 한다. 즉 사무소 평면계획의 기본 모듈에 설비적인 조건을 포함한 최소 사무실 단위를 미리 설정해야 하며 이것이 사무실 스페이스의 기본적인 단위가 되어야 한다. 또한, 사무실내의 천장에는 공조용(취출구, 흡입구, 스프링클러 헤드), 조명용(형광등, 비상등), 방재용(화재 ·연감지기), 정보용(스피커 등)의 단말 유및이 설치되며 각각의 기능적 혹은 규제에 의해 그 범위나 배치간격이 제한된다. 천장 유닛의 배치에서 융통성을 확보하기 위해서는 일정한 치수(기본모듈)로 천장을 분할하는 동시에 바닥의 설비 터미널(전원 콘센트, 정보용 배선의 아웃렛 등)도 이에 대응시키고 필요에 의해 기본 모듈의 수배수 조합에 의해 칸막이가 되도록 해야한다.
창이 있는 건물 외주부의 공조부하는 외기온이나 일사의 영향을 크게 받으며 계절별이나 시각별로 차이가 크게 발생하게 된다. 따라서 부하가 비교적 안정되어 있는 내주부와의 온도 분포 차가 생기게 되므로 일반적으로 창측 유닛(팬콘일 유닛, 콘벡터 둥)으로 외주부 부하를 처리해야 한다. 부하계산상에서는 내 ·외주부 사이의 칸막이 벽을 가정하여 각각의 부하를 계산하게 되지만 실제로는 내 ·외주부의 경계벽이 없는 상태가 되므로 공기가 서로 혼합하게 된다.외주부가 난방이고 내주부가 냉방일 때 양 존으로 취출한 냉 온풍의 혼합은 혼합손실을 일으키며 반면 양 존의 부하가 혼합되거나 상쇄되어 하나의 부하만으로 되는 경우에는 혼합이득이 생기게 된다. 이러한 혼합손실, 혼합이득, 소비 열에너지의 차, 내· 외주부의 온도 분포의 차등은 외주부 깊이에 크게 영향을 받게된다. 공조시스템의 적용에 있어서 일반적으로 공기 반송보다는 물 반송방식이 동력이 절감되므로 외주부의 깊이를 크게 할수록 에너지 소비 면에서는 유리하지만 공기 환경(특히 환기)면에서 불리하게 된다. 따라서 외주부의 깊이는 외피구조의 단열성능이나 평면의 모듈계획을 포함시켜 설정하는 것이 바람직하다. 특히 모듈계획의 경우에는 기본모듈 또는 기본모듈의 2배 정도까지가 합리적이다.
다. 공조방식의 선정
공조방식의 종류는 다양하게 표현되어 있는데 크게 중앙방식과 개별방식으로 분류된다. 중앙방식은 상업용 공조설비의 원점이기도 하며 현재도 기본이 되는 방식이며 일반적으로 중앙기계실 열원으로 냉동기 및 보일러를 설치, 2차 측에 설치한 공기조화기에 의해 공조하는 방식이다. 개별방식은 이른바 패키지 유닛이라는 압축기를 내장한 유닛을 필요에 따라 분산 설치하는 방식이며 역사적으로는 주택용으로 발달한 유닛이 고급화, 대형화해서 그 자체의 간편성으로 최근 채용하는 예가 증가되고 있다.
초고층 건축에서는 수백m에 이르는 타워에 시시각각 변하는 외부환경에 대해 항상 쾌적한 실내환경을 만들어야한다. 외주부에서는 외기온도와 일사의 변화에 대응해 일년 내내 열취득이 있는 경우는 냉풍을, 열손실이 있는 경우는 온풍을보내서 실온을 유지한다. 외기온도가 낮을 때도 남쪽의 페리미터 존처럼 일사가 있는 경우에는 냉풍을 필요로 하는 경우도 있다. 따라서 열원공급은 법열원과 온열원을 동시에 하며 실내를 적당한 환경으로 유지하도록 공기조화 방식을 취해야한다. 인테리어 존에서는 외기부하 변동을 빼면 연간 냉방부하로 존재하며 겨울철 외기온도가 낮을 때는 외기에 의한 냉방도 가능하다. 단 간헐운전인 경우 가상 부하해석으로 알 수 있듯이 충분한 축열이 없는 건물에서는 예열시에 상당한 온열원을 필요로 한다. 또한 실내부하 변동에 대한 제어방법은 건물의 사용목적 및 열 경제성으로 적절한 방식을 선택해야 된다.
이러한 부하특성을 고려한다면, 본 연구에서 핵심 요소기술로서 개발한 2가지의 공조방식은 적절한 대안이 될 수 있다. 특히, 외피부하를 적극적으로 처리하는 페리미터공조방식은 장차 건축의 디자인적인 측면과 기술개발이 결합된다면 초고층건물에 매우 적절한 공조방식이 될 전망이다.
초고층 빌딩에서는 항상 냉온열원이 요구된다. 일반적으로 냉열원 장치는 냉동기를 사용한다. 대규모 빌딩에서 사용하는 것은 전기공급을 받는 터보 냉동기와 증기에 의한 흡수식 냉동기가 많다. 온열원은 보일러, 히트 펌프, 히트펌프 보조보일러에서 얻는다. 최근 대기오염 방지의 목적으로 중유를 대신해 가스와 전기사용을 많이 볼 수 있다. 따라서 에너지 비용의 경제성을 도모해 히트펌프를 이용하는 경우가 상당히 많아질 것이다. 히트펌프의 열원으로는 우물물이 가장 적합하다. 하지만 대도시에서는 제약이 있어 대기의 공기를 이용하는 공기열원 히트펌프 또는 건물내부의 발생열을 회수해서 온열원으로 사용하는 열회수히트펄프방식이 유리하다. 여기에는 부족한 열을 보충하기 위해 보조열원, 축열조가 필요하다.
냉온열원 공급계통으로 지역공급 방식이 있다. 이것은 지역 에너지 플렌트에서 직접 증기, 고온수 및 냉수공급을 받는 것이다. 이것은 에너지를 집중화해서 에너지 비용의 절감과 공해방지를 도모하는 것이다. 공급열원은 반드시 냉온 복합열원이 필요한 것은 아니며 히트펌프방식인 경우 보조열원으로의 온열원 또는 패키지 방식인 경우의 냉각수공급과 공급열원 형태는 열공급자와 협조해서 고려해야 된다.
냉온열원 시스템, 페리미터 존 및 인테리어 존에서의 공기조화 방식을 비교 평가하는 것은 전부 건물마다 다르며 어느 방식을 사용할 것인지 그 계획마다 검토해서 정해야한다. 공기조화 방식의 시스템 결정에서는 최종적으로 종합적인 경제평가가 핵심이다. 이것을 연간 경상비라는 형태로 비교하면 공사비, 점유공간의 면적평가, 내용연수에서 오는 원가 상각비를 비롯한 고정비와 운전비, 유지비, 인건비에 의한 변동비 합계의 많고 적음에 따라 평가된다. 공사비가 저렴해도 내용연수가 짧고 점유면적이 큰 것은 고정비의 증대를 초래한다. 운전비는사용에너지의 종류와 열효율에 좌우되며 유지비, 인건비는 수와 정도의 함수로평가된다. 초고층 건물 같은 대규모 빌딩의 경우는 특히 유지보수상 이점이 중시된다. 실제 계획에서는 경험적인 추측에만 의존하지 않고 개별 사례연구에 의해 신중한 비교검토가 필요하다.
라. 설비용량과 소요 면적
(1) 건물 규모와 열원 용량, 전력설비용량
공조 계획 중에서 열원용량의 개략치를 사전에 파악하고 그 수치를 기초로 열원기기의 종별과 분할대수, 스페이스나 설비공사비를 산출하고 계획서를 작성한다. 표 3.37은 사무소 건물의 경우이며 예컨데 바닥면적 당 원단위의 용량이다. 최소에 가까운 수치는 축열조가 있으므로 특별한 시스템이다. 최고에 가까운 수치란 사무소건물에 컴퓨터실이나 특수한 용도의 실내인 경우 또는 건물 등급이 높고 평균치보다 열부하가 많은 경우이다. 계획 단계에서는 평균치에 다소 여유가 있는 기기 용량으로 하는 편이 건물 계획상 변화에 대응할 수 있을 것이다.
참고로, 표 3.38에 호텔, 병원, 백화점에 대해서 바닥 면적당 원단위의 열원용 량을 정리하였다. 공조용 전력부하의 개략치는 표 3.39와 같다. 이것은 계획의 개략용히며 공조방식이나 열원방식에 따라 다르므로 계획을 집산한 단계에서는 각 건물마다 별도로 산출해야한다.
(2) 기계실, 덕트 배관 스페이스
공조설비 기계실 개략 바닥면적은 건물용도에 따라 다른데 바닥면적 3.5-7% 정도의 비율로 공조기계실이 필요하다. 전기실은 1.7-3.0%이므로 전기실을 포함한 설비실 스페이스는 6-12%가 된다. 이 표와 같은 면적은 계획시의 사항이며 계획을 구체적으로 추진하고 사용 기기의 종별, 기기의 배열, 기계실 간의 상호 연락, 기계실의 천장 높이나 빔 하부 높이에 의한 제약조건을 받아들여 최종적으로 각 건물마다 각각 정해진다. 그러나, 이 표 수치로 최종결정이 되지는 않는다. 사무소 건물의 예로서 주요 기계실의 층 높이 개략치는 표 3.40과 같다. 공 조기계실에서는 냉동기, 보일러 주요 공조기에 따라 층 높이가 정해진다. 층 높이에 보 높이 바닥의 신더 콘크리트를 앤 나머지 높이가 설비용으로 제공된다.
표 3.41에 사무소건물의 기준층에서 덕트, 배관 스페이스 등 평면 스페이스 개략치를 든다. 배연덕트 스페이스를 포함한 덕트 스페이스는 바닥면적에 대해 1.6-2.5%의 폭이 된다. 각 층에 공조기기를 설치하고 외기도입과 배기를 같은층에서 처리할 때의 주 덕트 스페이스는 없어지며 화장실, 급탕실 등의 배기나 배연 덕트가 되는데 이 수치는 기준층 바닥면적에 대해 0.5-1.5%가 된다.
(3) 계획 단계에서의 설비용량의 개산법
건축계획의 초기단계에서 설비용량의 결정은 기본계획을 원활하게 진행하는데 있어서 상당히 중요하다. 최근 건설수요가 증가하면서 냉난방설비 용량(그림 3.51)뿐만 아니라, 전기 설비의 개략적인 용량(그림 3.52)을 아는 것도 대단히 중요하다.
(4) 계획 단계에서 설비의 소요 스페이스
전항에서 설명된 것처럼 초기단계에서 설비의 소요 스페이스를 파악하는 것은 기본계획을 원활하게 진행시키는데 상당히 중요하다. 열원 설비실, 위생 설비실,전기실을 일반적으로 비교해볼 때 상당히 큰 층고가 필요하다. 그래서 일반층의 층고보다 훨씬 높게 설계하는 경우가 많다. 위생설비실과 전기설비실의 소요 스페이스를 아는 것이 총 소요 스페이스를 파악하는데 필요하다.
(가) 기계 설비실의 소요 스페이스
건물 용도별 전 기계실 면적과 순 바닥면적의 관계는 그림 3.53과 같다. 전 기계 설비실 A_{M}은 다음에 열거하는 모든 실의 합이다.
·공기 설비실: 팬, 냉동기, 펌프, 공조실, 열교환기 등
·위생 설비실: 수조, 펌프, 급탕실, 고가수조, 중수 처리시설 둥
·환기 설비실: 송배풍기, 배연
(나) 전기 설비실의 소요 스페이스
건물 용도별 전 전기설비실과 순 바닥면적과의 관계는 그림 3.50과 같다. 전전기설비실 A_{E}는 다음에 열거하는 모든 실의 합이다.
·수변전실: 고압 수변전실, 특고 수변전실
·중앙 관제실: 중앙 감찰실, 방재실
·기타: 분전반실, 자가 발전기계실
마. 환기설비
환기설비의 기본방향은 우선, 환기의 목적에 적합한 환기방식의 채택이 중요하다. 실내환경에 따른 환기계통의 분리와 운전시간대를 고려한 계통의 분리가 필요하다. 또한, 환기의 재유입에 따른 오염방지 및 실내의 압력차를 고려하여 취기의 확산방지에도 주의를 요한다. MT130과 같이 일반적으로 초고층건물은 복합용도의 건물이다. 따라서, 복합적인 용도 중 사무실 등의 상업용 부분(표 3.42)과 아파트를 대상으로하는 주거용 부분(표 3.43)으로 나누어 제시된 대표적인 대안에 따라 다양한 환기방식을 상호 비교 검토할 수 있다.
바. 에너지 절약방법
(1) 설비 용량의 삭감
에너지 절약 계획을 추진하는 것은, 열부하의 경감이 되며, 장치의 설비 용량 삭감과 동시에 연간을 통한 에너지 소비량도 경감할 수 있다.
열부하의 경감은, 건축 구조에 관한 에너지 절약, 설비 시스템에 관한 에너지 절약의 두 가지로 대별되는데, 건축 및 설비의 양쪽이 에너지 절약계획을 기본적 사고 방식에 입각해서 추진하지 않으면, 결과적으로 성과를 거두지 못하는 예가 있다. 설비 계획자는 설비 시스템에 관한 에너지 절약뿐만이 아니라, 건축 구조, 계획에 관한 에너지 절약대책에 대해서도 적극적으로 참여해야 한다.
(가) 건축 구조에 관한 요점
건물형상(정방형 플랜이 바람직하다), 건물방위(남북축이 바람직하다), 유리정 방위(동 ·서의 유리면은 피한다), 외벽부재에 단열재를 넣는다. 유리창을 복층화로, 새시 개구부는 기밀성의 구조로, 루버나 채양을 설치, 유리창 벽면에 대한 창면적비를 최소화한다. 실내측은 조명기구 와트수를 줄이고, 실내 용도를 명확히 해, 대도록 흡연실 분리를 고려한다.
(나) 공조시스템에 관한 요점
설비 용량의 삭감을 도모하는 주요 사항은 다음과 같다.
·실내 ·외기 함께 온습도 조건을 평가하고, 공조의 설계 ·선정상에 여유를 두지 않는다.
도입 외기량은 실내에서 평균적으로 CO₂ 가스 농도가 1000 ppm이 되도록 CO₂ 검출기를 제어하는데, 그 허용 한도의 외기량에서, 열원용량 · 기기를 설계한다.
·열원 시스템은 하계 ·동계 운전의 기간 운전으로 냉 ·온열원 동시 사용으로 하지 않는다.
·배송계 동력 절감을 도모하기 위해 송풍 및 수측 공히 온도차를 크게 하고 변류량 방식 또는 온오프 운전 방식으로 한다.
·작은 블록으로 구분하고, 각 존마다 온도를 제어(원격 제어방법으로)한다.
·전열 교환기에 의해 적극적으로 폐열을 회수한다.
·열원 기기, 배송계 기기 공히 효율이 좋은 기기로 운전 상태도 고효율이 되도록 선정 한다.
˙중간기는 외기 냉방 방식으로 채용하고, 냉열원 운전 기간을 단축시킨다.
˙열원 기기, 에어 필터 등의 보수를 용이하게 할 수 있게 고려한다.
표 3.40에 공조설비의 에너지 절약을 위한 구체적인 방법을 든다.
(2) 에너지 이용계획
공조용 에너지는, 대지 경계선 내부를 사용 범위로 하며, 도시 설비측에 설치 되어 있는 에너지에 의해 제약을 받게 되는데, 다음과 같은 특징이 있다.
(가) 전력
건물 규모, 축열 이용에 의해 전력 공급측 제약이 있으며, 전력 요금도 다르다. 전력 설비 용량이 커지면, 그만큼 계약 전력이 커지며, 에너지 비용은 상승 한다 각지 전력 회사나 가스 회사에 따라 약간 다른 점도 있지만, 연간 에너지 비용「원/년」이 같으면 석유 환산에 의한 1차 에너지 소비량에서, 예컨대
전기식 공냉 히트 펌프 급냉 방식: 108.2 Mcal/년˙m²
가스 냉온수 발생기 방식: 121.1
패키지 공조 방식: 62.0
석유 방식. 129.5
와 같다고 한다면, 전력 방식이 가장 에너지 절약이 되며, 가스 이용, 석유 이용의 순서가 된다. 반대로 연간 에너지 소비량의 1차 에너지 환산치가 같으면, 전력 이용의 에너지 코스트가 상숭하는 것을 의미한다.
그러나, 전력 이용의 경우라도 열원 시스템에 여러 종류가 있으며, 공냉 히트 펌프식 패키지 공조기를 이용했을 경우, 같은 운전 조건에서 수냉(템방 전용)급 냉가스 온수 보일러 방식에 비해, 연간 에너지 비용(물을 포함)「원/년 ·㎡]이70% 정도가 되면, 1차 에너지 환산치의 에너지 소비량은 55% 정도가 되는 예도 있으며, 열원 시스템에 의해 공조용 열원 에너지 소비량의 1차 에너지 환산치는 50%정도의 차이가 생긴다.
(나) 가스
최근 도시 가스를 이용한 열원 기기가 많이 이용되고 있다. 단순한 1차 에너지 환산치에서는, 가스 냉온수 발생기의 사용은 공냉 히트 펌프 급냉의 경우와 비교해서 10% 정도 수치가 커지며, 에너지 절약면에서 불리하다. 그러나, 에너지 비용으로는 오히려 유리하기 때문에 가스를 사용하는 사례가 많다.
(다) 석유
가스와 비교해서 같은 열부하에 대한 연간 에너지 소비량으로 보면, 1차 에너지 환산치는 가스보다 5~7% 상승한다. 따라서 에너지 절약적이지는 않지만, 현실은 가스 사용 열원 기기에 비해 석유를 사용했을 경우, 연간 에너지 코스트는 가스 사용시의 83~85%가 되므로, 석유 이용의 흡수 냉온수기는 많다.
(라) 태양열
태양에너지의 이용은 에너지 절약적인 방법이기는 하지만 아직은 경제성이 문제이기 때문에 쉽게 적용되고 있지 못하고 있는 실정이다. 그러나, 환경의 시대라는 세계적인 추세로 보아 우리도 국가적인 차원에서 보다 장기적이고 적극적인 지원대책이 강구되리라 사료된다. 태양열 이용의 경우 기후가 크게 작용하므로, 연간 기상자료를 입수해서, 지역성의 특징을 가미해서 검토해야 한다.
(3) 운전 관리와 에너지 절약
계획 · 설계에서 시스템이나 기기가 결정되었다 하더라도 실제로 운전을 해야 비로소 시스템의 기능을 발취할 수 있다. 공조 시스템 운전상의 조정은, 단순히 기기 · 장치를 운전할 뿐만 아니라, 건물 전체를 보아, 균형 잡힌, 낭비가 없는 에너지 절약이라는 양과 질의 양면을 고려해야한다. 계획단계에서부터 건물이 완성된 후 실제 운전상에 나타날 수 있는 상황이나 내용을 미리 이해해 두어야 한다.
에너지 절약대책은 약간의 조정으로는 불가능하며, 시스템 각 부분의 균형과 원활한 운전 관리가 선행되어야 한다.
(가) 외기 도입량의 조정
·거주 인원에 비례한 적량의 외기를 도입하고, 여분의 외기는 적극적으로 줄인다.
˙예냉열 시에 외기 도입은 중단한다.
˙중간기·냉방기에 외기 도입량을 조정한다.
(나) 과냉과열의 방지
·수동으로 온도 변동이 없게 조정한다.
·자동 제어에 의해 조정한다.
·송수·송풍 온도의 설정·변경을 한다.
·중간기 등 서모스타트의 설정 온습도를 변경한다
·외기 계획을 조정 또는 도입한다.
(다) 공조 운전의 제한
·비사용실의 공조을 정지한다
·공조 운전 시간을 단축하고, 잔업 시간의 공조를 되도록 정지한다.
·국소 공조를 한다.
(라) 장치의 운전 관리
·열원 설정 온도, 전력 등을 조정한다.
·열원의 대수 제어를 적극적으로 실행한다.
·팬이나 펌프의 대수 제어의 조정을 한다.
(마) 조명 설비의 관리
·비사용 공간의 조명을 제한한다.
·복도 주위는 필요한도의 조도를 유지한다.
(바) 보수 관리에 의한 대책
·공조기 코일, 필터를 지주 청소한다.
·냉동기의 응축기나 증발기관의 관을 청소한다.
·자동 제어 기기를 점검 수리한다.
·계량기의 증설로 감시를 강화한다.
·수질 관리를 하며, 관의 부식 방지, 스케일 방지에 노력한다.
상기 항목은 예시이지만, 보다 적극적으로 행동하고, 상대적 비교에 의해, 항상 고효을 상태로 시스템이 운전되는 것을 예측하고, 사전계획시 검토해야 한다.
사. 내진 설비
(1) 방진, 내진 계획
건물내의 주 진동원으로 건축설비 관련기기, OA기기와 오디오 기기 등을 들 수 있으나 최근에는 한 건물내에 사무실, 주택, 상업용도의 시설 등이 공존하는 복합건축이 증가함에 따라 진동원도 다양화되고 있다. 특히, 초고층 건물과 같은 사례에서는 지진발생시의 이러한 진동원은 엄청난 피해의 원인이 될 수 있다.
건축물에 적용되는 각종 설비 기기는 전기적, 기계적, 유체적 에너지를 필요로 하며 필연적으로 진동, 소음을 발생한다. 따라서 설비 계획시에는 우선 주요한 설비 기기의 발생진동, 소음의 특성을 소정의 방법으로 파악하고 저진동 타입의 기기를 거주역으로부터 격리하는 배치계획이 가장 중요하며 인접하지 않도록 계획하는 것이 기본이다. 그러나 최근에는 에너지절약의 관점으로부터 기기의 분산배치화가 진행되면서 설비 기기를 거주역에 인접시켜 설치하는 경우가 있다. 또 공동주택 등의 엘리베이터 설비 둥에서도 이러한 경향을 볼 수 있다. 이 경우에는 거주역의 음, 진동 환경을 만족하도록 발생원 및 전달경로에서 방음, 방진의 대책을 검토하지 않으면 안된다.
(2) 내진설비 설계의 필요성
우리나라도 지진의 안전지대는 아니라는 사실이 최근 전국 곳곳에서 확인되고 있다. 천재지변에 대비하는 자세는 물론이려니와, 부실시공이 문제가 되고 있는 건설업계에 있어서도 건축물 내진설계의 중요성이 더욱 강조되는 시점이다. 지진에 의해 비틀어지거나 파손될 우려가 있는 기기, 배관, 덕트 둥을 건축 구조체에 견고히 고정하고, 지진과 같은 비상사태에도 건물과 일체가 되어 진동하고 계속 작동하도록 하기 위해서는 필수적으로 설계초기 단계에서부터 법제화하여야 한다.
현재까지 국내의 상황을 살펴보면, ″건축법″과 ″건축물 구조기준 등에 관한 규칙″에서 내진설계를 이미 의무화하고 있다. 그러나, 건축설비에 대한 관련규정 이나 기준이 없어, 지진 발생시 수도, 가스, 소화, 엘리베이터, 전기 및 통신관로 등 건축물의 각종 설비시설의 기능마비, 막대한 인명 및 재산의 피해가 심각하게 우려되고 있다. 건축분야에서 내진설계 적용대상은 5층 이상 아파트, 6층이상 건축물, 연면적 1만m² 이상의 건축물 (5천m² 이상의 판매시설)로 규정되어 그 적용범위도 매우 광범위하여 그 파급효과는 막대하다고 볼 수 있다.
최근 이웃 일본서 발생한 지진의 피해현황을 보면, 특히, 건축 설비의 손상으로 건축물의 기능이 마비되어 생활에 많은 지장을 초래했다는 보고가 있다. 일본의 경우, 일본공기조화 위생공학회에 의해 ″건축설비 내진 설계지침″, 건축 센터에서는 ″건축설비 내진 설계, 시공지침″에 의해 건축 기준법, 동 고시가 고시된 내용을 충족하는 형이며 설비 내진 설계방법이 고시되어있다. 예를 들면, 건축물에 설비하는 급수, 배수 기타 배관설비의 설치 및 구조는 다음 각 항에 설정하는 바에 의해야 한다고 규정하고 있다.
(가) 풍압, 토압 및 수압 또한 지진 및 충격에 대해서는 안전상 지장이 없는 구조로 해야한다.
(나) 건설부 고시(옥상에서 돌출하는 수조, 굴뚝 등의 기준을 설정하는 건)에 의해 법적으로 규제를 받게 된다.
(3) 내진설비 설계, 시공의 요점
옥상수조 등(설비기기 배관계도 포함된다. 지상 3층 이상 건물이 대상)에 대해 수평진도(k=1.0)에 지역계수 Z를 곱해 구한 지지력 P에 의해 생기는 응력에 대해서는 안전에 지장이 없어야한다.
(4) 내진설비 설계의 요점
(가) 기기, 배관 등의 설비기능을 확보하기 위해 또 직접적, 간접적으로 인명의 안전, 재산의 보전을 확보하기 위해서도 내진 설계를 한다.
(나) 기기 본체는 설계용 수평 지진력이 원칙적으로 기기 중심에 작용하는 것으로 설계용 표준진도(통상의 경우 0.4-1.0=최상, 중요성이 높은 경우 0.6-1.5(2.0)=최상, 2.0은 방진 설치 기기의 경우 옥상에서의 진도)에 기기 등의 중량을 곱한 수치로 한다.
(다) 기기 등의 설치부는 설계용 수평 지진력과 설계용 수직 지진력을 합성한 지진력의 수치로서 이것에 의해 앵커볼트의 인발력으로 앵커볼트를 선정한다. (라) 원칙적으로 기기 본체는 기기 메이커에 의해 내진 설계된 사항으로 보고 콘크리트 기초, 기초와 기기와의 앵커볼트, 가구, 배관 주위의 지지재와 인서트에 대해 내진설비 설계상의 배려를 해야한다.
(마) 앵커볼트류나 인서트의 허용 인발력 실험도 고려해서 이론상의 뒷받침으로 지침이 제시되어 있으므로 이 자료를 사용해야한다.
(바) 방진재 설치 기기는 원칙적으로 내진 스토퍼를 설치, 이동, 전도를 방지한 다. 방진재 설치기기에 배관이 접속되어 있는 경우 원칙적으로 변위 흡수 가능 한 관이음(변위 흡수 이음이라고도 함)으로 한다.
상기항목과 같은 내친설비 설계를 기본으로 하는데 이 내진설비는 설비 시스템의 사고 방식이며 내진 설계를 같은 레벨로 하는 것이 요망된다. 1-2개소의무 배려가 설비 시스템의 기능을 마비시키는 결과가 된다. 이제까지의 지진에 의한 피해 사례보고가 공표되어 있는데 이것을 교훈으로 설계, 시공자가 함께 설비 내진 대책이 필요하다는 인식이 기본적으로 필요하다.
아. 설비설계의 최근 경향
(1) 최근 빌딩의 공조시스템
종래의 일반적인 보건공조를 위주로 하였던 빌딩의 공조 시스템 설계는 최근 사회 의식 및 집무 환경의 변화에 대응하여 새로운 설계 접근 방법을 요구하게 되었으며, 지금까지의 일반적인 설계 접근 방법으로는 이러한 변화에 추종하는 것이 어렵게 되었다. 이러한 관점에서 최근의 공조 기술에 관련된 국내 · 외의 주요 동향은 인텔리젼트빌딩 시스템에 대응하는 설계, 건축 및 건축설비에 있어서 최근의 에너지 절약 기술의 동향, 실내환경의 고급화 추구 현상, 컴퓨터를 이용한 설계 기술의 확대, 설비 시스템의 사용 내구성을 감안한 설계라고 요약할 수 있다. 이러한 측면을 고려할 때, 본 연구에서 재발된 요소기술 중 바닥공조시스템이나 페리미터공조시스템은 최근의 경향에도 부응하는 적절한 시스템이라고 사료된다.
(2) 인텔리젼트빌딩 시스템에 대응하는 설계
(가) 인텔리젼트빌딩의 생성 과정을 살펴보면, 이미 독립적으로 사용되고 있는 빌딩 자동 제어 설비, 방재 설비, 수송 설비등을 집약, 일괄적으로 제어하여 에너지· 절약과 빌딩 전체의 종합적인 안정성 향상을 도모하는 한편, 기본적으로 빌딩 입주자에게 정보 서비스, 통신이나 사무 자동화 등의 설비를 서비스함으로써 부가 가치를 높이고자 한 것이 그 시초였다. 따라서, 굳이 인텔리젼트화의 개념이 있이도 건설에 대응하여 설계 시부터 적용하여 왔고, 사용 시에도 필요에 의하여 보완하여 온 것을 시행착오를 적게 하기 위한 방편으로 개념의 도입이 필요하게 되었다. 그 후 고도 정보화 사회에 있어서 기업 활동의 효율화를 계획하는 필요한 하드(hard) 및 소프트(soft)한 면의 기능과 창조성을 발휘할 수 있는 환경을 갖춘 사무소 건물, 구체적으로 정보 서비스 기능, 오피스 서비스 기능, 빌딩 자동화 기능, 거기에 사무실 공조 기능의 각 분야에서 고도 의 균형 기능을 갖춘 사무소 건물이란 개념으로 인텔리젼트빌딩이란 용어가 사용되었다. 따라서 인텔리젼트빌딩에 있어서 공기 조화 계획에 필요한 조건을 생각해 볼 때, 다음의 3가지 내용으로 집약된다.
① 지적 생산성 향상을 위해서 인간에게 더욱 쾌적한 실내 환경을 조성하는것.
② 물질, 즉 정보 시스템 등에 더욱 효율적인 환경일 것, 그리고 구축된 공조시스템이 기능적으로 작동해서 에너지 절약을 달성할 수 있을 것.
③ 고도 정보화 사회의 발전 속도는 극히 빠르므로 통신, OA 기기는 급속한기술 혁신에 의해서 빈번히 개량되고, 또 업무의 변화에 따른 사무실 배치의변경도 빈번하게 이루어진다. 이같이 변화에 대응할 수 있는 유연성과 정비성을 갖출 수 있을 것.
(3) 인텔리젼트빌딩 공조 시스템의 대응 자세
인텔리젼트빌딩의 목적이 사무 작업에 있어서 생산성의 향상에 있다면, 이 목적을 달성시키기 위해서 공조 설비에 요구되는 기능 성능은 다음의 5가지로 대별된다.
(가) 쾌적성 (comfort ability)
일반적으로 인간의 주거 환경이 쾌적성에 영향을 미치는 인자로는 공기의 온도, 습도, CO₂ 농도, CO 농도, 분진, 풍속 및 주위의 색채나 소음 등을 들 수 있다. 그 중 색채를 제외하고는 전부 공조 설비에 속하는 항목이며, 특히 온열 환경에서는 초고층 빌딩의 공조 부하 형태가 극히 복잡하고, ′다양화되는 경향이 있기 때문에 평면적으로 균일하고, 동의 폭이 적은 온열 환경을 창출해 내기 위해서는 고도의 기술이 요구된다.
(나) 신뢰성 (Reliability)
인텔리젼트빌딩에 있어서 시스템의 트러블이나 오동작은 빌딩에 있어 치명적 인 결함이 된다. 시스템 전체는 물론 시스템을 구성하는 장치, 기기의 하나 하 나가 높은 신뢰성을 갖는 것이어야 한다.
(다) 편리성 (Usefulness)
사무 작업자가 그 능력을 발휘하고, 본래의 목적인 작업의 생산성을 향상시키기 위해서는 각종 설비의 제어를 포함한 시설의 사용 상황이 양호하도록 일상의 사무 작업에 대하여 백업(Back-up)에 대한 세심한 배려가 필요하다. 즉, 기본적 사항에 대해서는 관리를 하면서도 어느 정도의 제어를 개인이 할 수 있는 시스템, 이것이 사무소 건물의 공조 설비에 요구되는 기능이다.
(라) 대응성 (Flexibility)
대응성도 또한 사무소 건물에 요구되는 기능의 하나이다. 사무실에서 작업자도 생산 부문과 마찬가지로 그 목적이나 활동의 변화에 합당하게 사무실의 배치를 자유롭게 변경할 수 있는 것이 요구되고 있다. 공간의 용도가 변경되는 경우에도 거의 그대로 대응이 가능하던가, 또는 경미한 조치로서 용이하게 대응할 수 있는 시스템이어야 한다.
(마) 효율성 (Efficiency)
에너지 절약이나 공간의 유효한 이용도 사무소 건물에 요구되는 요소의 하나 이다. 쾌적성을 추구하는 나머지 공조를 위한 에너지 사용량이 막대하게 되고, 그 결과 운전비가 증가되어 버리면 결코 부가가치가 높은 건물이라 할 수 없다 또한 유효 면적의 증대는 건물주에게도 이익을 줄뿐만 아니라 작업자에 있어서도 공간의 활용성에 큰 이점을 준다.
(4) 인텔리전트빌딩(또는 초고층 빌딩)의 공조 설계시 유의 사항
(가) OA 기기에 의한 열부하 예측
OA 기기가 그대로 1인 1대가 된 지금, 사용전력이 막대할 것으로 예측되었으나 실제로는 기기의 개량에 의해 각각의 소비 전력의 절감이 가능해졌다. 따라서, 단계가 발전할수록 OA 기기 부하는 증가하나 소비 전력의 절감율이, 제 2단계에서는 평균 25%, 제 3단계의 시점에서는 약 50%로 절감이 예상되고 있다. 그러므로 실제로 OA 부하는 제 2단계와 제 3단계에서 일정한 수준에 머물고 있으며, 또한 조명 분하는 증가하지만 인체 부하는 1인이 차지하는 면적이 증가하는 데 따라서 감소한다
이들을 종합하면, 현재 140 Kcal/h · ㎡ 부하가 제 2단계 및 제 3단계에서는 164 kcal/h · ㎡로 증가된다. 따라서 공조 계획 시 이 값을 고려해도 되나 처음부터 이와 같은 부하 증가를 전부 고려하여 기기를 선정하는 것은 바람직하지 않다고 생각된다. OA 부하는 모두 냉방 부하이며, 경우에 따라 운전 방법도 일반적인 공조와는 달라진다. 따라서 OA 부하의 증가에 대한 대응으로는 전용의 기기를 단계마다 추가 설치해 나가는 것이 바람직하다.
(나) 온열기류에 관한 유의점
① 내부 발열량이 미치는 영향 : OA 부하가 10Kcal/h˙m²를 초과하게 되면, 냉방 용량이 난방 용량에 비해 크게 된다. 동계에도 냉방 열원의 운전이 필요하고 냉각 제습되므로 실내 온도는 낮아진다. 그리고, 일반적인 내부 발열에 비하여 발열량의 변동 및 OA 기기 배치에 따른 편재가 심하다.
② 내부 발열 발생 시간대 : OA 기기 사용 시간대가 일반적인 집무 시간대와 다른 경우에는 연장 운전에 대한 대책이 필요하다.
③ 기류 분포에 대한 주의 : OA 부하가 크면 풍량이 많아져서 경우에 따라서 는 환기 회수가 시간당 30회 정도가 된다 따라서, 실내의 가류도 빨라지고, 또 한 낮은 칸막이의 설치로 인해 기류 분포가 저해되거나 국부적인 드래프트 현상의 선정도 중요하다
④ 기기 용량의 산정 : OA 부하도 OA화 수준이나 시기가 명확하게 되면 적절한 기기를 선정할 수 있지만 대개는 불명확함으로 예측하기 어렵다. 이로 인해 초기에 과대한 장치로 설계가 되면 드래프트 현상이나 기기의 발정 빈도가 많아지기 쉬우므로 부분 부하 운전 효율이 좋은 시스템의 채택이나 부하 증가에 따른 증설 방법이 바람직하다.
(다) 개별 제어에 관한 유의점
① 변풍량시스템에 의한 대응
개별 제어를 변풍량 시스템으로 대응하려면 냉 ·난방의 절환 문제와 풍 감소에 따라서 발생하는 외기량의 감소의 문제에 유의할 필요가 있다. 중간기에 동일 변풍량 ·계통의 실 중에서 OA 기기가 집중되어 있는 실만이 냉방이 되고, 나머지는 난방인 경우에는 전혀 대응할 수 없게 되므로 적어도 냉 ·난방이 동시에 되어도 문제가 없는 계통으로 정리할 필요가 있다.
② 개별 유니트 설치에 의한 대응.
개별 제어를 팬코일유니트나 수열원 패키지 에어컨 등으로 하려는 경우에는 물의 누수가 OA 기기에 주는 영향을 고려하여야 한다. 또한 이미 설명한 것과 같이 OA 기기로서 24시간 가동한 것 중이 있는데 이들 계통은 다른 간헐 계통과는 별도의 존으로 구분하여 두지 않으면 운전의 효율화 및 에너지 절약이라는 측면에서 바람직하지 않다. 따라서 시스템의 복잡성을 어느 정도 감안한 단순한 시스템 구성이 필요하다.
편, 개별 제어를 패키지 에어컨으로 하는 방법은 온도의 온-오프(On-Off) 제어, 필터의 성능 문제, 가습기의 성능 문제, 냉매 배관의 허용 거리등의 문제점을 차지고 있으나, 개별 제어성, 조작성, 에너지 절약성이 높기 때문에 채용 예가 점차 많아지리라 예상된다.
(라) OA 기기의 공기 환경에 관한 유의점
지금까지 설명한 공조 환경은 모두 인간의 쾌적 환경에 대한 내용이었으나, 이하에는 기기를 위한 환경으로서 기기의 고장 방지 나아가서 보다 효율적인 운전을 위한 조건에 대해 설명하기로 한다.
① 온도 조건 : OA 기기의 제원은 10~15″C, 상한은 32~35℃. 다만, 장치에 따라서는 다소 여유가 있다. 자기 디스크 장치의 경우 온도 변화에 따라서 매체 의 신축이 일어나서 헤드의 위치 결정이 어긋날 수도 있다. 예를 들면, 실온 5℃ 일 때 읽을 수가 없게 되는 사태도 일어날 수 있다.
② 습도 조건(표 3.44) : OA 기기의 제원으로부터. 하한은 45%, 상한은 70%이므로 건물의 기밀성에 따른 표면 결로 현상에 대한 유의가 따른다. 독히 중요시되는 것은 습도의 하한 값인데 저습도로 되면 정전기기 발생하기 쉽고, 방전 현상에 따라서 오동작 등이 일어날 수 있다. 또한 프린터 잉크 리본, 플로터의 펜 끌이, 건조될 염려도 있다. 습도의 상한 값에 대해서는 보통 결로가 일어나지 않으면 문제가 없다. 다만, 결로가 발생하는 경우에는 자기 디스크의 헤드 고장이나 여러 곳에서의 녹의 발생 등의 악영향이 있을 것으로 예상된다. 또한 플로터 종류에서 용지의 신축의 안정을 위해 극단적인 습도 변동은 나쁜 영향 을 준다. 겨울철의 공조 개시 시에 OA 기기의 표면 습도가 10% 정도까지 강하할 때, 급격한 가습을 하면 표면이 흐릴 정도의 결로를 일으킬 우려가 있다. ③ 먼지 실내 환경 기준은 0.15 ㎎/㎥ 이 확보되면 별 문제가 없다.
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