안녕하세요, 이번에는 공조설비에 대해 알아보고, 탄소중립 시대에 맞는 공조설비 트렌드에 대해 소개해드리겠습니다. 공조설비는 공기조화 설비의 준말로, 실내 공기의 온도, 습도, 기류, 청정도 등을 적절하게 조절하여 사람이나 물품에 쾌적하고 건강한 환경을 제공하는 설비입니다. 공조설비는 보건용과 산업용으로 구분할 수 있으며, 열원, 열수송, 공기조화 등의 부분으로 구성됩니다. 공조설비는 에너지 소비량이 큰 설비로, 탄소중립을 위해서는 에너지 세이빙 기술과 무냉매 공조설비가 필요합니다. 또한, 재생에너지와 전력그리드의 확충, 히트펌프와 냉매방식의 개선 등이 공조설비의 트렌드로 주목받고 있습니다. 이번 글에서는 이러한 내용을 자세히 살펴보겠습니다.
공조설비란
공조설비란 공기조화의 4요소인 온도, 습도, 기류, 청정도를 조절하여 실내 공기를 쾌적하고 건강하게 만드는 설비입니다. 공조설비는 사람이 거주하거나 근무하는 공간에 적용되는 보건용 공조설비와, 물품이나 제품의 품질관리나 기능유지를 위해 적용되는 산업용 공조설비로 구분할 수 있습니다. 보건용 공조설비는 사무실, 상업시설, 호텔, 병원, 학교 등에 설치되며, 산업용 공조설비는 공장, 저장고, 농원예 시설, 서버룸 등에 설치됩니다.
공조설비는 열원설비, 열수송설비, 공기조화설비로 구성됩니다. 열원설비는 가열하거나 냉각된 공기를 만들거나 버리기 위한 장치로, 보일러나 냉동기가 해당됩니다. 열수송설비는 열에너지를 이동시키는 설비로, 덕트나 펌프가 해당됩니다. 공기조화설비는 냉각코일이나 가열코일, 가습기, 제습기, 에어필터 등이 해당되어 공기의 정화나 냉각, 가열, 습도의 조정 등을 실시하는 설비입니다.
공조 설비의 장점은 다음과 같습니다.
- 온도, 습도, 기류, 청정도를 적절하게 유지하여 거주자나 작업자의 쾌적성과 건강을 증진시킵니다.
- 외부오염이나 미세먼지를 방지하고, 실내공기를 신선하게 유지합니다.
- 작업능률이나 제품품질을 향상시킵니다.
- 외기 냉방을 사용할 수 있어 에너지 절감이 가능합니다.
공조 설비의 단점은 다음과 같습니다.
- 덕트나 천정 공간이 필요하여 건축비가 증가합니다.
- 초기 투자비가 크고, 유지보수 비용이 듭니다.
- 공조 기계실의 면적이 증대되어 공간 활용도가 감소합니다.
- 에너지 소비량이 크고, 온실가스 배출량이 많습니다.
공기조화의 4요소
공기조화란 실내 공기의 온도, 습도, 기류, 청정도를 적절하게 조절하는 것을 말합니다. 이러한 4가지 요소는 인간이 느끼는 쾌적감이나 건강에 영향을 미치므로, 공기조화 설비에서 중요한 역할을 합니다. 공기조화의 4요소에 대해 간단히 설명하겠습니다.
- 온도 (Temperature) : 공기의 차고 더움의 정도를 나타내는 지표로, 한국에서는 섭씨 온도 (℃)를 사용합니다. 온도는 건구온도와 습구온도로 구분할 수 있습니다. 건구온도는 일반적인 온도계로 측정한 온도로, 공기의 열량을 나타냅니다. 습구온도는 공기가 건조한 만큼 가재에서 수분의 증발이 활발해지고 그 증발열에 의해 온도 측정구 부분이 차거워져 그때의 건구온도 보다는 내려가는 폭이 커진다. 온 도 건구온도와 습구온도를 알면 그때의 상대습도가 결정되어 공기의 습기를 알 수 있습니다. 온도는 인간의 피부나 체온에 영향을 미치며, 너무 높거나 낮으면 불쾌감이나 건강문제를 야기할 수 있습니다.
- 습도 (Humidity) : 공기의 습기의 정도를 나타내는 지표로, 절대습도와 상대습도로 구분할 수 있습니다. 절대습도는 단위 부피의 공기가 함유하고 있는 수증기의 질량을 나타내며, g/m³ 또는 kg/kg (건조공기)로 표시합니다. 상대습도는 공기가 포함할 수 있는 최대 수증기량에 대한 현재 수증기량의 비율을 나타내며, %로 표시합니다. 습도는 인간의 호흡기나 눈에 영향을 미치며, 곰팡이나 부식 등의 문제를 야기할 수 있습니다.
- 기류 (Distribution) : 공기의 유동 상태를 나타내는 지표로, 공기의 속도와 방향을 포함합니다. 기류는 공기의 교환과 순환을 돕고, 열과 수분의 분포를 균일하게 만듭니다. 기류는 인간의 열감각에 영향을 미치며, 공기의 청정도와 신선도에도 관련이 있습니다.
- 청정도 (Cleanliness) : 공기의 신선도와 먼지, 이물질 등의 정도를 나타내는 지표로, 공기의 품질을 의미합니다. 청정도는 공기여과기, 환기, 배기 등의 방법으로 유지하거나 향상시킬 수 있습니다. 청정도는 인간의 건강과 쾌적성에 영향을 미치며, 외부오염이나 미세먼지를 방지하고, 실내공기를 신선하게 유지합니다.
이상으로, 공기조화의 4요소에 대해 간략히 설명했습니다. 다음 장에서는 공조설비의 분류에 대해 알아보겠습니다.
공조설비의 분류
공조 설비는 열의 분배 방식과 운반되는 열매체에 따라 다양하게 분류할 수 있습니다. 열의 분배 방식은 열원을 기계실 등에 집약해 공조하는 중앙열원 방식과, 열원을 각 층이나 존에 분산시켜 공기를 조절하는 개별분산열원 방식으로 나눌 수 있습니다. 운반되는 열매체는 공기, 물, 냉매 등이 있으며, 이에 따라 전공기방식, 전수방식, 공기-수방식, 냉매방식 등으로 구분할 수 있습니다. 각각의 방식에 대해 간략히 설명하겠습니다.
- 전공기방식 (all air system) : 이 방식은 중앙공조기로부터 덕트를 통해 냉․온풍을 공급하는 방식으로, 단일덕트 방식, 2중덕트 방식, 멀티존 유닛 방식 등이 있습니다. 이 방식의 장점은 공기의 청정도가 높고, 외기냉방이 가능하며, 중앙집중식으로 운전과 관리가 편리하다는 것입니다. 단점은 덕트 스페이스가 필요하고, 열 운반동력이 크고, 공기평형 유지가 어렵다는 것입니다. 이 방식은 사무실, 병원, 공장, 레스토랑, 극장 등에 적용됩니다.
- 전수방식 (all water system) : 이 방식은 보일러나 냉동기로부터 증기 또는 냉․온수를 각 실에 있는 유닛으로 공급시켜 냉난방을 하는 방식으로, 팬코일 유닛 방식, 복사 냉난방 방식 등이 있습니다. 이 방식의 장점은 덕트 스페이스가 필요 없고, 열 운반동력이 적고, 각 실의 개별적인 실온제어가 쉽다는 것입니다. 단점은 외기도입이 어렵고, 실내 배관에 의한 누수의 염려가 있다는 것입니다. 이 방식은 고도의 습도제어가 불필요하고, 개별제어가 요구되는 사무소, 주택, 여관, 요정, 모텔 등에 적용됩니다.
- 공기-수방식 (air-water system) : 이 방식은 공기방식과 수방식을 병용한 것으로, 덕트병용 팬코일 유닛 방식, 유인유닛 방식, 덕트 병용 복사 냉난방 방식 등이 있습니다. 이 방식은 전공기방식과 전수방식의 장점을 갖고 있으며, 서로의 단점을 보완시킨 방식입니다. 장점은 부하가 큰 실에 대해서도 덕트 스페이스가 적어질 수 있고, 열 운반동력이 적고, 유닛별로 제어하면 개별제어가 가능하다는 것입니다. 단점은 유닛에 고성능의 필터를 사용할 수 없고, 필터의 청소 및 보수, 기기의 점검이 증대하여 관리비가 증가하고, 누수와 유닛의 소음 등에 대한 염려가 있다는 것입니다. 이 방식은 사무소, 병원, 호텔 등의 다실 건축의 외부존은 수방식으로, 내부존은 공기방식으로 하는 경우가 많습니다.
- 냉매방식 (direct expansion system) : 이 방식은 냉매를 직접 열매체로 이용하는 것으로, 패키지 유닛 방식, 룸쿨러 방식, 멀티유닛 방식 등이 있습니다. 이 방식의 장점은 유닛에 냉동기를 내장하고 있으므로 부분운전이 가능하고 에너지 절약적이며, 덕트 스페이스가 필요 없다는 것입니다. 단점은 관리가 불편하고, 외기도입이 어렵고, 냉매의 누출로 인한 환경오염의 위험이 있다는 것입니다. 이 방식은 개별제어가 요구되는 사무소, 주택, 상점, 식당 등에 적용됩니다.
이상으로, 공조 설비의 분류에 대해 간략히 설명했습니다. 다음 장에서는 공조설비의 구성과 역할에 대해 알아보겠습니다.
공조설비의 구성과 역할
공조 설비는 열원설비, 열수송설비, 공기조화설비로 구성됩니다. 각각의 설비의 구성과 역할에 대해 설명하겠습니다.
- 열원설비 (heat source equipment) : 열원설비는 가열하거나 냉각된 공기를 만들거나 버리기 위한 장치로, 보일러나 냉동기가 해당됩니다. 보일러는 연료를 연소시켜 물을 가열하고, 증기나 온수를 만드는 장치입니다. 냉동기는 냉매를 압축하고 팽창시켜 열을 흡수하고 방출하는 장치입니다. 열원설비는 공조설비의 핵심 부분으로, 열에너지의 생산과 소비의 균형을 유지하는 역할을 합니다.
- 열수송설비 (heat transport equipment) : 열수송설비는 열에너지를 이동시키는 설비로, 덕트나 펌프가 해당됩니다. 덕트는 공기를 운반하는 관로로, 공기조화설비와 실내 공간 사이에서 공기를 순환시키거나 외기를 도입하기 위해 사용됩니다. 펌프는 물을 운반하는 장치로, 열원설비와 공기조화설비 사이에 냉·온수를 순환시키기 위해 사용됩니다. 열수송설비는 열에너지의 효율적인 전달과 분배를 위한 역할을 합니다.
- 공기조화설비 (air conditioning equipment) : 공기조화설비는 냉각코일이나 가열코일, 가습기, 제습기, 에어필터 등이 해당되어 공기의 정화나 냉각, 가열, 습도의 조정 등을 실시하는 설비입니다. 냉각코일은 냉수나 냉매를 흘려주어 공기를 냉각하는 장치입니다. 가열코일은 증기나 온수를 흘려주어 공기를 가열하는 장치입니다. 가습기는 공기에 수분을 공급하는 장치로, 증기식, 분무식, 흡습식 등이 있습니다. 제습기는 공기의 수분을 제거하는 장치로, 냉각식, 흡수식, 흡착식 등이 있습니다. 에어필터는 공기의 먼지나 이물질을 걸러내는 장치로, 섬유식, 전기식, 활성탄식 등이 있습니다. 공기조화설비는 실내 공기의 쾌적성과 건강성을 유지하기 위한 역할을 합니다.
이상으로, 공조 설비의 구성과 역할에 대해 간략히 설명했습니다. 다음 장에서는 산업용 공조설비의 종류와 특징에 대해 알아보겠습니다.
산업용 공조설비의 종류와 특징
산업용 공조 설비는 공간내에서 보관이나 생산되는 물건이나 제품의 품질관리나 품질유지, PC 등 기기류의 기능 유지를 목적으로 하고 있어, 주로 공장이나 저장고, 농원예 시설, 서버룸이라고 하는 시설이 대상이 됩니다. 산업용 공조 설비는 공조설비의 종류와 특징은 다음과 같습니다.
- 항온항습기: 온도와 습도를 설정해주면 1년내내 동일 조건으로 유지가능 하며, 실내 공기에 영향을 받는 각종 장비가 최상의 상태에서 작동될 수 있도록 공기 상태를 조정하는 공조기기입니다. 항온항습기는 열원장치, 열반송설비, 공기조화설비로 구성되어 있으며, 냉각방식, 송풍방식, 압축기의 능력에 따라 다양한 종류가 있습니다.
- 전열교환기: 신선한 외기와 오염된 내기를 교환하여 실내의 공기질을 개선하고, 에너지를 절약하는 공조기기입니다. 전열교환기는 외기와 내기의 온도차를 이용하여 열을 교환하므로, 냉난방 에너지의 손실을 줄일 수 있습니다. 전열교환기는 플레이트형, 회전형, 열관형 등의 구조가 있습니다.
- 흡착식 제습기: 흡착제를 이용하여 공기 중의 수분을 흡착하고, 열을 가하여 흡착제에서 수분을 분리하는 방식으로 제습하는 공조기기입니다. 흡착식 제습기는 습도가 높은 곳에서도 효과적으로 제습할 수 있으며, 냉각기와 결합하여 냉방과 제습을 동시에 할 수 있습니다. 흡착식 제습기는 흡착제의 종류와 형태에 따라 다양한 종류가 있습니다.
- 기화식 냉풍기: 물을 분무하여 공기와 접촉시키면서 열을 흡수하고, 냉각된 공기를 실내로 공급하는 공조기기입니다. 기화식 냉풍기는 냉매를 사용하지 않으므로 환경에 무해하고, 에너지를 절약할 수 있습니다. 기화식 냉풍기는 분무방식, 접촉방식, 흡습방식 등의 방식이 있습니다.
이상으로, 산업용 공조 설비의 종류와 특징에 대해 간략히 설명했습니다. 다음 장에서는 에너지 세이빙 기술과 무냉매 공조 설비에 대해 알아보겠습니다.
에너지 세이빙 기술과 무냉매 공조설비
공조설비의 에너지 세이빙 기술에는 다양한 종류가 있습니다. 예를 들면, 다음과 같습니다.
- 증발 냉각: 물을 분무하여 공기와 접촉시키면서 열을 흡수하고, 냉각된 공기를 실내로 공급하는 공조기기입니다. 냉매를 사용하지 않으므로 환경에 무해하고, 에너지를 절약할 수 있습니다.
- 지열 이용: 지하의 일정한 온도를 이용하여 실내의 온도를 조절하는 공조기기입니다. 지하의 온도는 계절에 따라 변화가 적으므로, 냉난방 에너지의 손실을 줄일 수 있습니다.
- 축열: 냉난방 부하가 낮은 시간대에 에너지를 저장하고, 냉난방 부하가 높은 시간대에 에너지를 사용하는 공조기기입니다. 전력 수요의 평준화와 에너지 절약 효과를 얻을 수 있습니다.
- 열회수: 신선한 외기와 오염된 내기를 교환하여 실내의 공기질을 개선하고, 에너지를 절약하는 공조기기입니다. 전열교환기는 외기와 내기의 온도차를 이용하여 열을 교환하므로, 냉난방 에너지의 손실을 줄일 수 있습니다.
- 제어기술: 공조설비의 운전을 최적화하고, 에너지 사용량을 관리하는 기술입니다. VAV는 풍량을 제어하여 에너지를 절약하는 기술이고, VRF는 냉매의 유량을 제어하여 에너지를 절약하는 기술입니다. EMS는 건물의 에너지 사용량을 모니터링하고, DDC는 공조설비의 운전을 자동화하는 기술입니다.
무냉매 공조설비는 냉매를 사용하지 않고, 공기나 물 등을 열매체로 이용하는 공조설비로, 다음과 같은 종류가 있습니다.
- 공기식 냉난방기 : 공기식 냉난방기는 실외기와 실내기로 구성되며, 실외기에서 공기를 열매체로 이용하여 열을 흡수하거나 방출하는 방식입니다. 실내기는 실외기에서 받은 열매체를 이용하여 실내 공기를 냉난방하는 방식입니다. 공기식 냉난방기는 냉매가 없기 때문에 냉매 누출로 인한 환경오염이 없고, 설치가 간편하며, 유지보수 비용이 적은 장점이 있습니다. 그러나 공기의 열전달 계수가 낮아서 에너지 효율이 떨어지고, 실외기와 실내기의 연결에 제한이 있으며, 실외기의 소음이 큰 단점이 있습니다.
- 물식 냉난방기 : 물식 냉난방기는 물을 열매체로 이용하는 공조설비로, 냉난방기와 팬코일 등으로 구성됩니다. 냉난방기는 물을 냉난방하고, 팬코일은 냉난방된 물을 이용하여 실내 공기를 냉난방하는 방식입니다. 물식 냉난방기는 냉매가 없기 때문에 환경오염이 없고, 물의 열전달 계수가 높아서 에너지 효율이 좋으며, 실외기가 없어서 소음이 없는 장점이 있습니다. 그러나 물의 동결이나 누수로 인한 위험이 있고, 물의 순환을 위한 펌프가 필요하며, 물의 품질 관리가 필요한 단점이 있습니다.
탄소중립에 기여할 공조설비 트렌드
- 전기화 : 전기화란 공조설비의 열원을 화석연료에서 전기로 바꾸는 것입니다. 전기화를 통해 공조설비의 직접적인 탄소배출을 줄일 수 있습니다. 전기화의 예로는 유도·복사 가열 또는 히트 펌프를 활용한 공정 열의 전기화, 철강 및 시멘트 제조와 같은 고온 공정 전기화, 열 구동 공정 전기화학적 공정으로 대체 등이 있습니다. 전기화의 장점은 환경오염을 줄이고, 에너지 효율을 높이고, 유연한 운전이 가능하다는 점입니다. 그러나 전기화의 단점은 전기가격의 변동성과 전력망의 안정성에 영향을 받을 수 있다는 점입니다. 따라서 전기화를 위해서는 전력믹스의 무탄소화 및 전력망 구축·강화를 뒷받침할 종합적 지원책이 필요합니다.
- 신재생에너지 활용 : 신재생에너지는 태양, 바람, 물, 지열, 바이오매스 등 자연에서 무한히 얻을 수 있는 에너지로, 환경오염을 일으키지 않고, 지속적으로 공급할 수 있는 장점이 있습니다. 신재생에너지를 활용하는 방법으로는 태양광, 풍력, 수력, 지열, 바이오매스 등의 에너지를 공조 설비의 열원으로 이용하거나, 전력으로 변환하여 공급하는 방법이 있습니다. 신재생에너지를 활용하면 공조 설비의 에너지 소비량을 줄이고, 탄소배출을 감소시킬 수 있습니다. 그러나 신재생에너지의 단점은 에너지의 불규칙성과 비용문제가 있다는 점입니다. 따라서 신재생에너지를 활용하기 위해서는 에너지 저장 및 관리 기술의 발전과 정책적 지원이 필요합니다.
- 스마트 공조설비 : 스마트 공조 설비란 인공지능, 빅데이터, 사물인터넷 등의 4차산업혁명 신기술과 융복합하여 공조설비의 성능과 효율을 높이는 것입니다. 스마트 공조 설비의 예로는 실내외 환경과 사용자의 행동패턴을 분석하여 최적의 온도, 습도, 기류, 청정도를 자동으로 조절하는 스마트 에어컨, 실시간 에너지 소비량을 모니터링하고 에너지 절약을 위한 제어를 수행하는 스마트 에너지 관리 시스템, 신재생에너지와 연계하여 에너지 공급과 수요를 균형있게 유지하는 스마트 그리드 등이 있습니다. 스마트 공조 설비의 장점은 에너지 절약과 편의성을 동시에 제공한다는 점입니다. 그러나 스마트 공조 설비의 단점은 보안과 개인정보 문제가 있다는 점입니다. 따라서 스마트 공조 설비를 활용하기 위해서는 보안과 개인정보 보호를 위한 기술과 제도의 개선이 필요합니다.
이상으로 탄소중립에 기여할 공조 설비 트렌드에 대해 알아보았습니다. 공조 설비는 탄소중립 시대에 맞는 친환경적이고 경제적인 기술로 변화하고 있습니다. 공조설비 산업은 이러한 트렌드를 적극적으로 수용하고, 기술 개발과 혁신을 통해 탄소중립 실현에 기여할 수 있을 것입니다. 감사합니다.