대한설비융합협회가 주최하는 ‘설비주니어 1기 기초교육’ 강연에서 국립한밭대학교 건축설비시스템공학과 조진균 교수가 연사로 나서 ‘공조 시스템의 해부’를 주제로 기계설비 설계 실무의 핵심 내용을 강의했다.
조진균 교수는 강연 서두에서 지구 온난화 극복과 2050 탄소중립이라는 국제적 과제의 중심에 건물 부문이 자리 잡고 있음을 상기시켰다. 국가 전체 에너지 소비량 중 건물 부문이 20% 이상을 차지하고, 이 가운데 냉방과 난방 및 환기를 담당하는 공기조화 설비가 건물 에너지의 50%를 소비하기 때문이다. 조 교수는 건물에서 부하를 발생시키는 원인은 건축이 제공하지만 이를 실제로 제어하고 실행하는 주체는 설비라는 점을 명시하며, 기계설비 엔지니어들이 무거운 책임감과 함께 강력한 자부심을 가져야 한다고 강조했다.
단위의 정합성과 열역학적 기초를 통한 공조 계통의 유기적 이해
조진균 교수는 공기조화 설비를 단순히 공조기(AHU)라는 단일 장비로만 국한해 바라보는 초보적 시각을 경계해야 한다고 설명했다.
공조 시스템은 공기 측의 덕트 라인(Air-side)과 열원 및 수열 측의 배관 계통(Water-side)이 유기적으로 연결된 하나의 거대한 계통이기 때문이다.
이에 따라 조 교수는 엔지니어가 기계실의 냉동기, 보일러, 냉각탑과 공조실의 공조 장비, 반송설비 (송풍기 및 펌프) 전체를 종합적으로 이해할 수 있는 안목을 지녀야 한다고 제언했다.
특히 공학을 다루는 엔지니어에게 단위의 정합성은 무엇보다 중요하므로, 실무에서 혼용되는 압력과 열량 단위를 자유롭게 변환할 수 있는 감각이 필수적임을 역설했다.
아울러 실내 재실자의 쾌적성을 유지하기 위해서는 온도의 변화만을 수반하는 현열 부하와 습도의 변화를 수반하는 잠열 부하의 거동을 공기선도상에서 명확히 구분해야 한다고 강조했다.
조 교수는 이와 같은 상태점 변화와 열역학적 수식을 모두 활용해야 하므로 공조기 선정은 기계설비 분야에서 가장 난이도가 높은 영역이며, 주니어 엔지니어들은 향후 변형된 다양한 공조 방식에 대응하기 위해 이 중앙식 표준 모델을 가장 먼저 마스터해야 한다고 거듭 당부했다.
상사법칙과 인버터 제어를 통한 반송 동력 절감 및 빌트인 공조의 설계 대응
조진균 교수는 실내 부하 변동에 대응하는 대표적인 전공기 방식으로 정풍량(CAV)과 변풍량(VAV) 방식을 비교하여 설명했다.
과거에는 팬 속도를 고정하는 정풍량 방식이 주를 이루었으나 부하 감소 시에도 팬 동력이 지속적으로 소비되는 단점이 있었다고 지적했다.
반면 현대 공조 설계의 강력한 에너지 절약 전략인 변풍량 시스템은 유체기계의 상사법칙에 기인하여 비약적인 동력 절감을 실현할 수 있다고 밝혔다.
팬의 소요 동력은 회전수(풍량)의 세제곱에 비례하므로, 인버터 제어를 통해 풍량을 50%로 감축하면 팬 소요 동력은 8분의 1(12.5%) 수준으로 급격히 줄어들기 때문이다.
한편 냉온풍을 동시에 제조하여 말단에서 혼합하는 이중 덕트 방식은 열원 손실이 극심하여 일반 건축물에서는 불합리하지만, 개별 실의 초정밀 온·습도 유지가 최우선인 특수 연구실 등에는 필수적으로 적용된다는 실무적 기준을 제시했다.
이어 조 교수는 대규모 풍량이 요구되는 대형 건축물이나 초고층 빌딩에 도입되는 빌트인(Built-up) 공조기의 공간적 한계와 시공성에 대한 기술적 분석을 이어갔다.
건축 구조체의 벽면을 공조기의 외함으로 활용하는 빌트인 방식은 대형 공조에 유리하지만, 설계 단계에서 건축 부문이 공조실을 협소하게 획정하는 경향이 있어 시공 현장의 난이도가 극에 달한다고 언급했다.
특히 공조기 한 대에는 급기, 환기, 외기, 배기의 네 가지 덕트 라인이 필연적으로 연결되며 최소 한 번 이상의 덕트 교차가 발생하기 때문이다.
조 교수는 설계 수개월, 시공 수년 대비 완공된 건물의 유지관리 운영 단계는 수십 년간 지속된다는 점을 상기시키며, 설계자는 시공성을 고려하고 시공자는 운영 편의성을 깊이 감안하여 장비를 배치해야만 장기적인 운영 효율을 확보할 수 있다고 전했다.
체계적인 공조 설계 계산 프로세스와 저탄소 시대의 응용 시스템 전략
조진균 교수는 공조 설계가 새로운 이론의 창조가 아니라 이미 정립된 열역학 및 유체역학 이론을 정해진 선후 관계에 따라 체계적으로 적용하는 과정임을 설명했다.
설계 프로세스는 앞 단계의 결과물이 다음 단계의 입력 변수로 작용하는 연쇄적 구조를 가지므로 임의로 순서를 변경할 수 없다는 점이 핵심이다.
조 교수가 제시한 설계 프로세스에 따르면, 첫 단추는 실외·실내 온습도 조건 및 구조체 데이터를 입력하여 실내 냉난방 부하 계산을 수행하는 것이다.
이후 도출된 최대 냉방 현열량을 바탕으로 공조기 송풍량을 구하게 되는데, 이때 취출 온도는 수식만으로는 도출할 수 없으며 공기선도상에서 현열비(SHF) 선을 작도하고 코일 통과 시의 바이패스 팩터를 고려하여 취출 상태점을 지정함으로써 결정된다고 밝혔다.
풍량이 확정되면 혼합 공기의 엔탈피 차이를 이용하여 냉각 코일 용량을 결정하고 난방 가열 코일과 가습기 용량까지 순차적으로 산정하며, 배관 관경 결정과 양정 계산을 거쳐 최종적으로 냉온수 펌프 선정을 완료하는 정밀한 10단계 프로세스를 상세히 정립해 주었다.
나아가 조진균 교수는 탄소중립 시대를 주도하기 위한 고효율 응용 공조 시스템 전략들을 소개했다.
급기 온도차를 확대하여 반송 동력을 줄이는 저온 공조 시스템, 거주 구역만 집중 공조하여 유효 체적을 저감하는 바닥 공조 및 치환 공조 시스템은 대형 공간과 초고층에서 탁월한 에너지 절약 효과를 발휘한다고 설명했다.
특히 실내 부하를 처리하는 냉방 계통과 신선 외기를 처리하는 계통을 완전히 분리하는 외기 전용 시스템(DOAS)은 변풍량 방식의 단점을 보완하며, 항상 일정한 실내 공기질을 유지하고 코일 부하를 줄여주는 선진적인 저탄소 에너지 절약 전략이 될 수 있다고 강조했다.
“ 과도한 안전율보다 합리적인 공학적 데이터에 기반하여 설계하는 태도가 엔지니어의 정체성이다 ”
조진균 교수는 주니어 엔지니어들에게 명확한 근거 없이 과도하게 안전율을 높여 에너지를 낭비하기보다, 철저하게 합리적인 데이터와 공학적 분석에 기반하여 장비를 설계하는 프로페셔널한 태도를 가질 것을 당부했다.
특히 5년 차 전후의 주니어 단계는 지식과 경험을 흡수하는 가장 중요한 시기이며, 현장과 도면을 치열하게 겪으며 실무 능력을 탄탄하게 다져놓아야 향후 대체 불가능한 전문가로 자립할 수 있음을 환기시켰다.
자신이 경험해보지 못한 새로운 프로젝트나 대형 프로젝트가 주어졌을 때 리스크를 두려워하지 않고 변화에 도전하는 자세야말로 기계설비 업계의 최고 전문가로 성장하는 확실한 발판이 될 것이라는 격려와 함께 조진균 교수는 강연을 끝맺었다.