스크랩 산업기사이론 공조 부하 계산

[美세상(최승일)]

<공조 부하 계산>
1. 부하 계산의 목적
(1) 설계 부하의 계산을 통하여 공조 시스템 및 장비 선정에 필요한 기초
자료 확보
(2) 덕트 및 배관 선정에 필요한 자료 확보
(3) 최대 부하 또는 부분 부하 조건에 대하여 계산을 해야 하며, 이러한
계산을 통하여 부하 경감 및 시스템 개선의 가능성을 제시
2. 부하 계산의 종류
(1) 최대 부하 계산법
① 공조기, 냉동기 및 보일러 등의 용량 결정을 위한 최대 열부하
계산
② 설계용 최대 부하 계산을 위한 기상 자료 및 설계 조건은 일정
기간의 극한 조건을 대표하는 값으로 적용
③ 정적 열부하 계산
(2) 기간 부하 계산법
① 건물의 연간 에너지 소비 성능이나 어느 특정 기간의 실온 및
부하 변동 특성을 파악하기 위해서는 기간 부하 해석 시물레이션
수행
② 최근 컴퓨터 성능의 발전과 함께 동적 해석을 기반으로 한 에너지
시물레이션 프로그램의 활용이 일반화
③ 1년간 또는 어떤 일정 기간에 걸쳐 시시각각 변하는 외기 및 실내
조건 등에 대응하여 정확한 부하 계산 가능
3. 부하 계산용 기초 자료
(1) 설계용 일사량 (TAC 온도)
① T.A.C : Tecnical Advisory Committee (ASHREA의 공조자문
위원회의 명칭)
② 냉난방 설계시 외기 조건을 최고(냉방), 최저(난방)로 설정할 경우
장비 등의 용량이 과대해지므로, 초과 확률의 개념을 도입한 온도
③ TAC 2.5%는 냉난방 기간중 97.5%는 장치 용량이 충분하나,
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日 변화의 불역층 年 변화의 불역층
0.5m 전후 10m 전후
2.5%는 장치 용량의 부족 우려
④ 열원 기기의 용량을 줄이고 에너지 절약 차원에서 적용
⑤ TAC 위험률의 값이 낮을수록 장치 용량이 커짐
⑥ 정부 권장 TAC 위험율 : 2.5~10% (현업에서는 통상 2.5% 적용)
(2) 지중 온도
① 지하실 또는 지중배관 등의 열손실을 구하기 위해 주로 사용
② 외기 온도, 일사의 영향에 의해 연간을 통해 주기적으로 변화
③ 토질 뿐만 아니라 지표면의 상태변화, 지중의 수분 등에 따라서도
영향을 받으나, 이들의 영향은 비교적 낮은 저층에 한정된다.
④ 깊이 1m 증가 → 0.03~0.05℃ 온도 상승
(3) 풍향 및 풍속
① 건물 외벽이나 지붕 등 외표면에 존재하는 공기층의 표면 열손실
계수에 영향을 줌
② 실내에는 풍압차에 의한 외기 침입으로 인한 열손실량을 증가
③ 일반적으로 3.0~5.0m/s 내에서 풍속 적용
(4) 기간 열부하 계산용 기상 자료
① 동적 부하 계산 방식인 기간 열부하 계산용 프로그램에 필요한
기상 자료
② 온도, 습도, 일사량, 풍량, 풍속 및 운량 등의 기본 정보를
시간별로 요구
③ 그 지역의 기상조건을 대표할 수 있는 표준 기상자료는 통상
30년 이상의 측정 항목별 데이터를 통계 처리해 작성
④ 관련 프로그램명 : DOE-2(미국), HASP(일본),
K-UNIV, K-LOAD, LOAD CAL(한국)
(5) 실내 온습도 조건
① 실내 온도 : 건구온도 20·26℃ (냉방기 26℃, 난방기 22℃)
② 상대 습도 : 35~55% (주로 40~50% 적용)
③ 기류 : 0.5m/s이하, CO : 10ppm 이하, CO2 : 1000ppm 이하
④ 기타 실내공기 오염물질의 농도 : ‘실내공기질 관리법’에서 규정

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(1) 난방 부하 계산
① 구조체를 통한 열손실 (외벽, 지붕, 바닥, 유리, 천정 등)
q = K×A×△T×K'
② 침입 외기(극간풍)에 의한 열손실
㉮ 현열 손실
qs = G×C×△T = 0.24×1.2Q×△T
= 0.288×Q×△T
㉯ 잠열 손실
qL = 597×G×△x = 597×1.2Q×△x
= 717×Q×△x
여기서, K : 열관류율 (kcal/㎡ h ℃)
A : 구조체 면적 (㎡)
△T : 구조체 양면의 온도차 (℃)
△x : 실내,외 절대 습도차 (g/kg)
K' : 방위 계수 (N:1.2, S=1.0, W/E=1.1)
③ 극간 풍량 계산식
㉮ 환기 횟수법
Q = n × VR
㉯ 크랙법
Q = L × VC
㉰ 창문 면적법
Q = A × VW
여기서, Q : 환기량 (㎥/h)
n : 환기 횟수 (회/h)
VR: 실체적 (㎥)
L : 창 둘레 크랙 길이 (m)
VC: 크랙 길이당 풍량 (㎥/m h)
VW: 창문 면적당 풍량 (㎥/㎡ h)
A : 창의 면적 (㎡)

(2) 난방 부하의 특징
① 난방 부하 기간동안 최악의 조건을 만족시킨다는 의무에서
일사부하와 내부 발열이 제외된다.
② 구조체의 축열 효과가 무시된다.
③ 배관 열손실(10~20%), 예열 부하(10~20%)는 내부 발열이나
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일사 부하와 상쇄하여 반영하지 않는 추세
④ 간헐적으로 난방하는 특성을 가진 건물은 10% 정도의 픽업
부하를 고려
(3) 주거용 건물의 난방 부하 특성 (상업용 일반 건물 대비)
① 보통 24시간 난방 실시, 규모상 단일 존이 보편적
② 인체, 조명 등 내부 발열보다 구조체를 통한 열손실, 침입 외기,
환기에 의한 영향이 크다.
③ 설계 외기 조건보다 양호한 대부분의 난방 기간동안 부분 부하
상태로 운전될 가능성이 있다.
④ 공동 주택은 모든 벽체가 외기에 접하고 있지 않다.
5. 최대 부하 계산법 - 냉방 부하 계산
(1) 냉방 부하 계산 방법
① TETD, TA법 : 총상당온도차와 시간평균방법
-. 불투명한 벽체, 지붕 등 일사를 받는 구조체에서의 열
침입은 실내온도와 상당외기온도의 차이에 의해 계산
-. 축열에 의한 시간 지연 감안
-. 투과 일사량에 의한 부하는 순간적으로 실내의 열부하가
되는 것으로 가정하여 계산
② TFM법 : 전달함수법
-. 전도전달함수(CTF)와 실전달함수(RTF)를 이용
-. TFM 부하계산
* 공간의 열획득 계산(외부로부터의 유입+내부 발열)
* 열획득에 대한 공간부하의 계산
(RTF 계수에 의해 부하량으로 계산)

* 실온 및 실질 부하의 계산
③ CLTD, SCL, CLF법
㉮ CLTD(냉방부하온도차) : cooling load temp. differential
-. 일사를 받는 외벽, 지붕 등의 온도상승에 의한 전도,
대류, 복사의 열전달 요소의 시간 지연을 고려한 계산법
-. 실내 발열, 투과 일사량에 의한 실내 구조체에 대한 축열
에 의한 시간 지연도 고려하여 계산함
-. 정상 열부하보다 최대 부하 삭감이 가능하고 정밀하고
정확한 부하계산이 가능
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-. 실내 온습도 조건을 표준유효온도로 대체 가능
-. CLTDcorr(보정된 온도) = CLTD+(25.5-Tr)+(Tm-29.4)
-. 외벽, 지붕을 통한 전도열량
Q = K×A×CLTDcorr
-. CLTD로의 변천 과정
􋭘� 최대부하계산 (최고 외기온도 사용)
􋭖� TAC온도 (2.5%)
􋭖� ETD (상당외기온도)
􋭖� TETD (총상당온도차)
􋭖� TFM (전달함수법)
􋭖� CLTD (수정 data 사용)
㉯ CFL (냉방부하계수) : cooling load factor
실내 발열체(조명, 인체, 발열기구), 동력으로부터 각각의
요소에 주어진 값을 참고로 하여 개소에 적용되는 방법
㉰ CFM (외기도입부하) : cooling infiltration air method
외기 침입에 따른 현열, 잠열 계산
㉱ TD (온도차)법 : temp. differential method
칸막이 벽에서의 벽체 안과 밖의 온도차에 의한 부하 계산
㉲ SCL (일상냉방부하계수) : solar cooling load
여름철 냉방부하 계산시 일사에 의한 load
㉳ SC (차폐계수) : shading coefficient
-. 여름철 냉방부하 계산시 유리창의 차폐계수
-. SC값이 적을수록 좋다.
-. 차양 설치, 브라인드 설치, 착색 등으로 SC 감소
(2) 냉방 부하의 계산
① 외부 부하
-. 지붕을 통한 전도열 : q = K×A×(CLTDcorr)
-. 외벽을 통한 전도열 : q = K×A×(CLTDcorr)
-. 유리를 통한 전도열 : q = K×A×(CLTDcorr)
-. 유리를 통한 일사열 : q = A×(SC)×(SHGF)×(CLF)
-. 칸막이벽,천정,바닥 등을 통한 전도열 :
q = K×A×△T
-. 침입 외기에 의한 열 획득 :
q = G×△h = 1.2Q×△h
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qs = G×C×△T = 0.288×Q×△T
qL = 597×G×△x = 717×Q×△x
② 내부 부하
-. 재실 인원에 의한 발열 : qs = N×(SHGP)×(CLF)
qL = N×(LHGP)×(CLF)
-. 조명으로부터의 발열 : q = N×(HGEL)×(CLF)
-. 동력 사용에 의한 발열 : q = (PINPUT)×(CLF)
-. 실내기구로부터의 발열 : qs = (SHGAPPL)×(CLF)
qL = (LHGAPPL)×(CLF)
③ 환기 부하 (외기 도입에 의한 부하)
q = G×△h = 1.2Q×△h
qs = G×C×△T = 0.288×Q×△T
qL = 597×G×△x = 717×Q×△x
④ 공조 장치 부하
-. 덕트로부터의 열 취득
q = Σ(DUCT gain) 3~7%
-. 송풍기로부터의 열 취득
q = PINPUT(송풍기) 5~13%

6. 기간 부하 계산법
(1) 난방 도일(Degree Day : DD, Heating Degree Day : HDD)
① 건물의 연간 에너지 소비량을 계산하는 가장 간단한 방법
② 외기 온도가 18℃일 때 건물의 일사 취득과 내부 발열 등으로
인한 열량이 건물이 외파나 환기를 통해 잃은 열량과 상쇄되어
균형을 이룬다는 가정하에 에너지량을 산출하는 방법 (DD18)
③ HDD = Σ(Ti-To)×Z
= (실내평균기온-실외평균기온)×난방기간 [℃ㆍday]
④ 연간난방부하 (Q)
Q = BLC × HDD × 24
⑤ 건물총열손실율(Building Loss Coefficeint) : watt/℃
BLC = K×A +1200×V
= (구조체 열관류율×구조체면적) + (1200×환기량)
⑥ 균형점 온도 (BPT) : Balancing Point Temperature
-. 건물에서의 열손실량과 열획득량이 균형을 이룰때, 이때의
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실외 온도를 균형점이라 함
-. 균형점 온도는 난방 개시 시점을 의미함
-. Qi = K×A×(Ti-Tb) BLC = K×A +1200×V
Tb = Ti - (Qi / BLC)
여기서, Qi : 내부열 및 태양열 획득 (watt)
Ti : 일평균 실내온도 (℃)
Tb : 균형점 온도 (℃)
V : 환기량 (㎥/h)

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실외 온도를 균형점이라 함
-. 균형점 온도는 난방 개시 시점을 의미함
-. Qi = K×A×(Ti-Tb) BLC = K×A +1200×V
Tb = Ti - (Qi / BLC)
여기서, Qi : 내부열 및 태양열 획득 (watt)
Ti : 일평균 실내온도 (℃)
Tb : 균형점 온도 (℃)
V : 환기량 (㎥/h)
(2) 확장 도일법 (EDD) : Extended Degree Day
① 종래의 Degree Day법은 일사나 내부 발열 등에 의해 상승된
실내 온도를 고려하지 않아 난방 부하가 실제보다 크게 산출된다.
② 이러한 문제점을 보완하기 위해 Degree Day법에 일사, 내부발열,
야간 복사량 등의 부하요소를 고려한 것
③ 균형점의 온도가 Degree Day법에 비해 낮아짐
(3) BIN법 (부하빈도법)
① 간이식 열부하 계산용으로 개발한 방법
② 외기 온도를 여러 단계(5℉간격)으로 세분화하여 각 BIN에서
에너지량을 계산하고 그 계산치에 온도 출현 시간수를 곱하여
가중 계산
(4) 수정 BIN법
① 표준 BIN법에 시간 평균부하 및 다변부하의 개념 적용
② 각 온도 BIN 구간에 대한 부하계산(일사, 전도, 환기, 실내발열)을
하고, 이것에 공조기간 동안 발생된 외기 온도의 출현 빈도수
(시간)를 곱하여 건물 열부하 및 에너지 소비량을 구함
③ 냉방부하계수(CLF)를 이용하여 건물 구조체의 축열 성능도 고려

표면적 1㎡에
있어서 1시간 동안 전해지는 열량을 나타낸 것
2. 식의 유도
(1) 실내 공기 → 실내 벽면으로의 전달 열량
? ? ? ? ? ? ? ? ? ………ⓐ
(2) 실내 벽면 → 외측 벽면으로의 전달 열량
? ? ?
?
? ? ? ? ? ? ………ⓑ
(3) 외측 벽면 → 실외로 전달되는 열량
? ? ? ? ? ? ? ? ? ………ⓒ
ⓐ, ⓑ, ⓒ식을 정리하면,? ? ?? ??
전열량 H = q1 = q2 = q3 이므로,
?여기서? ?? ? ? 실내 벽면? 실외 벽면의 표면 열전달율
 ? 재료의두께 ??
? ? 재료의열전달률??? ℃?
(4) 열관류 저항 : 1 / K
3. 열관류율(K)을 줄일 수 있는 방법
(1) 내표면의 열전달율을 적게 한다.
(2) 외표면의 열전달율을 적게 한다.
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(3) 벽체의 두께를 두껍게 한다.
(4) 열전도율이 적은 단열재를 사용한다.
(5) 밀폐된 공기층을 두어 전달저항을 증가시킨다.

<상당외기 온도차>
1. 개요
불투명한 벽면 또는 지붕면에서 태양열을 받으면 외표면 온도는 차츰
상승하게 되는데, 이 상승되는 온도와 외기 온도를 고려한 온도를 말한다.
2. 상당 외기 온도차 ? ? ?  ?
??
여기서 외표면의 열흡수율  외표면의 열전달율? 일사의세기??? ?
 ?  외기온도? 실내온도?℃? 상당외기온도?℃? 장파장계수
3. 상당 외기 온도의 제어
(1) 구조체 온도 증가에 대한 단열 조치
(2) 내단열보다는 외단열이나 중단열 검토
(3) 습도에 대한 고려(방습층 설치)
(4) 구조체 표면온도 저하로 냉방에 기여

<공조의 ZONING>
1. 개요
(1) 한 건물 내에서도 부분에 따라서 열부하 특성이 달라진다.
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(2) 조닝 방법은 시간대별, 방위별, 용도별 조닝 등이 있으며, 일반적인
사무실 건물의 경우 내주부, 외주부로 구별하는 것이 일반적
(3) 부하 특성이 유사한 구역을 하나의 존으로 하여야 효율적인 공조 및
에너지 절약을 할 수 있다.
2. 내주부와 외주부를 구별하는 이유
(1) 외주부 존은 열취득 및 열손실이 외기조건에 따라 다른 반면, 내부
존은 연중 냉방 부하가 발생
(2) 실 깊이가 9M 이상의 경우 창측의 온도와 실내의 온도분포가 불균일
해져 불쾌감을 초래할 수 있음
(3) 외주부의 건축 모듈에 의한 칸막이 형성시 공조가 불확실한 경우에
대비하기 위함
(4) 외피 부하는 창호의 기밀성과 건물 외피의 단열이 개선되면서 부하가
감소되지만, OA 기기 사용의 확대와 근무 여건의 변화 등으로 실내
부하는 더욱 증가될 것으로 예상
(5) 실내부의 실의 용도, 근무시간, 재실인원, OA 기기의 변동에 따른
부하 변화에 대처하기 위하여 공조의 융통성(flexiblity)이 필요
3. Zoning시 고려 사항
(1) 실내로의 열 운송 경로
(2) 실의 용도, 기능, 사용 시간대
(3) 실의 요구 청정도
(4) 실의 방위, 부하량 및 구성
4. Zoning의 효과
(1) 에너지 절약 (과열, 과냉, 과가습, 과제습 방지 등)
(2) 부하 변동이나 외기의 변화에 효과적으로 대처
(3) 시스템의 효율적인 운전, 유지 관리 용이
(4) 건물 사용자의 편의나 쾌적도 향상

5. 공기 조화 조닝 계획
(1) 공조 조닝 기준
① 실내의 용도 및 사용 시간대
주간 / 주야 / 24시간 / 간헐운전

<공조 부하 계산>
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N
W 내주부 (Core) E
S
② 열부하 특성
-. 내부와 외주부 부하가 공존하는 실
-. 내부 발열이 상태적으로 큰 실
-. 외주부 부하가 상대적으로 큰 실
-. 층고가 높고 대공간인 경우
③ 실내 공기 환경 조건
청정 / 준청정 / 일반
④ 실내 온습도 조건
일반 온습도 조건 / 정밀 온습도 조건 / 항온항습
(2) 사무실의 건물 조닝 예 (사용 시간대별 및 용도별)
① 주간 Zone : 사무실, 임원실, 로비
② 주야간 Zone : 복리후생시설, 통신시설
③ 24시간 운전 Zone : 전산실, 중앙감시실, 방재센터, 경비실
④ 간헐 운전 Zone : 회의실, 강당, 식당
(3) 외주부와 내주부
① 외주부 : 외벽에서 3m 정도
② 내주부 : 외벽에서 3m 이상 이격된 실내
③ 수공기 방식에서는 내주부와 외주부를 구분하지 않는다.