냉난방 부하계산법의 소개

[hvacyoon]

1. 냉난방 부하계산법의 소개 

1999년 현재까지 국내에는 독자적으로 개발한 냉난방설계용 부하계산법이 없고 어떠한 부하계산법을

사용해야한다는 기준도 설정되어 있지 않다. 따라서 국내설비업계에서는 미국 ASHRAE에서 1977년에

개발한 CLTD/CLF법을 주로 사용하고 있고, 극히 소수이긴 하지만 일본 공기조화·위생공학회에서

1981년에 개발한 ETD(실효온도차)법을 사용하는 경우도 있다.

이러한 방법들은 공조 및 열원장치의 용량결정을 위한 최대부하 계산법들로서 미국과 일본에서는 보다

정확한 부하계산결과를 얻어내기 위해 많은 연구를 계속해 왔고, 그 결과 미국 ASHRAE에서는 1992년에

더욱 개량된 TFM(전달함수)법, TETD(T/A)법, CLTD/SCL/CLF법을 개발하여 1993년부터

사용하고 있고, 일본 공기조화·위생공학회에서도 1987년, 1993년에 기존의 ETD법을 개량한 최대

열부하계산법으로 개량하여 사용하고 있다.

우리나라에서도 1993년에 공기조화·냉동공학회에서 "부하계산 및 기상자료 표준화 소위원회"를 구성하고,

1992년 ASHRAE에서 개량 발표한 TFM법을 국내에서 실용화시키기 위해 연구개발에 착수했고, 1996년에

건물의 공조부하 계산용 표준전산 프로그램 개발을 완료하여 연구개발보고서를 만들어 낸 바 있으나

현시점까지 실무에 활용되지 못하고 있는 실정이다.

원래 TFM법은 ASHRAE에서 1972년에 발표한 후 계속 개량시켜 왔으며, 1992년에 발표된 TFM법은 가장

정확한 부하계산법으로 알려져 있고 주로 정밀 부하계산용으로 활용되고 있다. 그러나, 이 방법은 계산과정이

너무 복잡하고, 적용해야 할 data값이 많아 실무용으로 사용하는데 용이하지 않는 단점이 있다.

이 때문에 ASHRAE에서는 실무에 용이하게 사용할 수 있고, 보다 정확한 계산결과를 얻을 수 있도록

1992년까지 개량된 TFM법을 기초로하여 Max. SHGF와 CLF값을 통합하여 SCL값을 만들고,

Wall/Roof No. 체계 및 기존 데이터를 Update하여 CLTD/SCL/CLF법을 새로이 발표하기에 이르렀고,

1993년 이후 현재까지 미국을 포함한 선진국에서 범용적으로 사용하고 있다.

CLTD/SCL/CLF법은 TFM법의 계산결과치를 data화한 표를 이용토록하므로서 계산과정을 보다

단순화시켰고 TFM법 계산 결과와 거의 일치한다. 또한, 이 계산방법은 국내에서 현재까지 주로 사용하고

있던 CLTD/CLF법처럼 수계산에 의해서도 계산할 수 있는 방법이며 계산의 신속성, 정확성을 기하기

위해 전산화하기에도 비교적 용이한 방법이다.

2. ASHRAE 부하 계산방법의 변천 

3. Cooling Load 계산

3-1. Cooling Load 계산식

1) 용어 정의  

K	열관류율 ( kcal/㎡·h·℃)	SH	Sensible Heat gain (kcal/h·인)
A	Wall / Roof / Glass /Partitions 등의 면적 (㎡)	LH	Latent Heat gain (kcal/h·인)
CLTD	Cooling Load Temperature Difference (℃)	TD	Temperature Difference (℃)
SC	Shading Coefficient	W	Wattage (W)
SCL	Solar Cooling Load (kcal/h·㎡)	BF	Ballast Factor
CLF	Cooling Load Factor	No	사람수

2) 계산식

구 분	계 산 식	비 고
External Roof	Q = K ×A ×CLTD	Roof Type : Table 8.4 CLTD : Table 8.2
Wall	Q = K ×A ×CLTD	Wall Type : Table 8.6 CLTD : Table 8.3
Glass Conduction	Q = K ×A ×CLTD	CLTD : Table 8.7
Glas Solar	Q = A ×SC ×SCL	Zone Type : Table 8.8 SCL : Table 8.9 Shaded Area : Table 8.16
Partitions	Q = K ×A ×TD
Internal Lights	Q = 0.86 ×W ×BF ×CLF	Zone Type : Table 8.8 CLF : Table 8.17
People	Qs = No. ×SH ×CLF Ql = No. ×LH ×CLF	Zone Type : Table 8.8 CLF : Table 8.19
Equipments	Qs = Heat gain ×CLF Ql = Heat gain	Zone Type : Table 8.8 CLF : Table 8.20
Infiltertion	Qs = 1.2 ×0.24 ×CMH ×△t Ql = 1.2 ×597.5 ×CMH ×△w	△t : 실내외 온도차(℃) △w : 실내외 절대습도차 (kg/kg')

3-2. Roof / Wall의 냉방부하 계산

1) 계산식

Q = K × A × CLTD

K : 열관류율 ( kcal/㎡·h·℃)

A : Wall / Roof 의 면적 (㎡)

CLTD : Cooling Load Temperature Difference (℃)

2) CLTD 값의 선정 (Table 8.2, 8.3)

 

선정시 참고 DATA	보 정 계 산 식
1. Roof / Wall No (Table 8.4, 8.6) ·주재료의 종류 ·부재료의 종류 (Wall only) ·Mass location (per insulation) ·Ceiling의 유무 (Roof only) ·열관류율값 2. CLTD값 선정 (Table 8.2, 8.3) ·위도에 따른 값을 표에서 보간법 이용 선정 (또는 ASHRAE 제공 Software로 계산) 3. CLTD값의 보정 (우측 식) ·실내외 설계 온도 및 일교차에 따라 보정	CLTD corr = CLTD + (25.56 - Tr) + (Tm - 29.44) Tm = To - Daily Range / 2 Tr = 실내 설계온도 (℃ DB) To = 외기 설계온도 (℃ DB)

3) Table 8.4 Roof Classifications for use with table 8.2

Mass Location	Ceiling 유무	열관류율 (kcal/㎡·h·℃)	Wood 1 in	H.W.Conc. 2 in	Steel Deck	Attic-ceiling Combination
Mass inside the insulation	무	0.489 이상 0.488 ∼ 0.245 0.244 ∼ 0.196	- - -	2 4 5	- - -	- - -
	유	0.977 이상 0.976 ∼ 0.489 0.488 ∼ 0.245 0.244 ∼ 0.196	- - - -	5 8 13 14	- - - -	- - - -
Mass evenly placed	무	0.977 이상 0.976 ∼ 0.326 0.325 ∼ 0.245 0.244 ∼ 0.196	1 2 4 4	2 - - -	1 1 2 2	1 2 2 4
	유	0.977 이상 0.976 ∼ 0.489 0.488 ∼ 0.326 0.325 ∼ 0.245 0.244 ∼ 0.196 0.195 ∼ 0.163	- 4 5 9 10 10	3 - - - - -	1 1 2 2 4 -	- - - - - -
Mass outside the insulation	무	0.977 이상 0.976 ∼ 0.489 0.488 ∼ 0.326 0.325 ∼ 0.196	- - - -	2 3 4 5	- - - -	- - - -
	유	0.489 이상 0.488 ∼ 0.326 0.325 ∼ 0.245	- - -	3 4 5	- - -	- - -

4) Table 8.6 Wall types for use with table 8.3

Principal Material	Mass Location	Secondary Material	열관류율에 따른 Wall No.						비 고
			0.751 ∼ 0.630	0.629 ∼ 0.542	0.541 ∼ 0.454	0.453 ∼ 0.382	0.381 ∼ 0.325	0.324 ∼ 0.279
A1,	Inside insulation	Face Brick	6	6	6	6	6	10
1in stucco	Evenly Distributed	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding	1 1	1 1	1 1	1 1	2 1	2 1
	Outside insulation	Face Brick	4	5	5	5	5	5
A2, 4in Face Brick	Inside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding Face Brick	6 6 13	6 6 13	6 6 14	6 6 14	10 6 -	10 10 -
	Evenly Distributed	Face Brick	16	16	16	16	16	-
	Outside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding Face Brick	5 4 12	5 5 12	5 5 12	5 5 12	5 5 -	5 5 -
B7,	Inside insulation	Face Brick	6	10	10	10	11	11
1in Wood	Evenly Distributed	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding	2 1	2 2	2 2	2 2	2 2	2 2
	Outside insulation	Face Brick	5	5	9	10	10	10
B10,	Inside insulation	Face Brick	11	16	16	16	16	-
2in Wood	Evenly Distributed	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding	4 4	4 4	4 4	5 4	5 5	5 5
	Outside insulation	Face Brick	10	15	15	15	16	16
B9, 4in Wood	Evenly Distributed	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding	11	16	16	-	-	-
C1, 4in Clay	Inside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding	5 5	5 5	5 5	5 5	10 5	10 6
Tile	Evenly Distributed	Face Brick	11	15	15	16	16	16
	Outside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding Face Brick	4 2 11	5 2 11	5 2 11	5 4 11	5 4 11	5 4 15
C2, 4in L.W Concrete	Inside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding Face Brick	4 2 11	4 2 11	4 2 11	4 2 11	4 2 12	5 4 12
Block	Evenly Distributed	Face Brick	9	9	10	10	10	10
	Outside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding Face Brick	2 2 10	2 2 10	4 2 10	4 2 10	4 2 10	4 2 10
C3, 4in H.W Concrete	Inside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding Face Brick	5 3 13	5 3 13	5 3 13	5 3 13	5 4 13	5 4 13
Bolck	Evenly Distributed	Face Brick	10	10	10	10	10	15
	Outside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding Face Brick	2 2 10	4 2 10	4 2 10	4 2 10	4 2 11	4 4 11

Principal Material	Mass Location	Secondary Material	열관류율에 따른 Wall No.						비 고
			0.751 ∼ 0.630	0.629 ∼ 0.542	0.541 ∼ 0.454	0.453 ∼ 0.382	0.381 ∼ 0.325	0.324 ∼ 0.279
C4, 4in Common	Inside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding	11 6	11 6	11 6	11 6	11 6	11 10
Brick	Evenly Distributed	Face Brick	16	16	-	-	-	-
	Outside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding Face Brick	5 5 12	5 5 16	5 5 16	10 5 -	10 5 -	10 5 -
C5, 4in H.W Concrete	Inside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding Face Brick	7 6 13	7 6 13	7 6 14	11 7 14	11 7 -	11 7 -
	Evenly Distributed	Face Brick	16	-	16	-	16	-
	Outside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding Face Brick	6 4 12	6 4 12	6 4 12	6 5 12	10 5 -	10 5 -
C6, 8in Clay	Inside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding	16 11	- 12	- 12	- 12	- 12	- -
Tile	Outside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding	11 11	16 11	16 11	16 11	- 11	- 16
C7, 8in L.W	Inside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding	10 5	10 5	10 5	10 6	10 10	11 10
Concrete	Evenly Distributed	Face Brick	16	15	16	16	-	-
Block	Outside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding Face Brick	5 5 16	10 5 16	10 5 16	10 5 16	10 5 16	10 9 16
C8, 8in H.W	Inside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding	11 6	11 6	11 6	11 11	11 11	12 11
Concrete	Evenly Distributed	Face Brick	16	16	-	-	-	-
Block	Outside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding	10 5	10 5	10 5	10 5	11 10	11 10
C17, 8in L.W Concrete	Inside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding Face Brick	- - -	- - -	4 4 16	4 4 16	9 5 -	10 9 -
Block (filled)	Evenly Distributed	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding Face Brick	- - -	- - -	4 2 10	4 4 15	- - 15	- - 16
	Outside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding Face Brick	- - -	- - -	4 4 15	9 4 15	9 5 15	10 9 -
C18, 8in H.W	Inside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding	11 10	11 11	11 11	11 11	12 11	16 11
Common Block (filled)	Outside insulation	Stucco/Plaster Steel/L.W sliding Face Brick	10 6 16	10 6 -	11 10 -	11 10 -	11 10 -	16 10 -

3-3. Glass의 냉방부하 계산

1) 계산식

Qcond = K × A × CLTD

Qrad = A × SC × SCL

K : 열관류율 ( kcal/㎡·h·℃)

A : Glass 의 면적 (㎡)

CLTD : Cooling Load Temperature Difference (℃)

SCL : Solar Cooling Load (kcal/h·㎡)

SC : Shading Coefficient

2) CLTD 값의 선정 (Table 8.7)

	Solar time (h)													비 고
	08	09	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
CLTD (℃)	0	1.1	2.2	3.9	5.0	6.7	7.2	7.8	7.8	7.2	6.7	7.1	4.4

☞ 1. 실내외 온도에 대한 보정은 Wall / Roof 계산시와 동일 적용

3) SCL 값의 선정 (Table 8.9)

선 정 순 서	보 정 계 산 식
1. ZONE Type 선정 (Table 8.8) ·ZONE Parameters (6개) ·실의 위치 (단층, 복층-1층, 최상층, 중간층) 2. SCL값 선정 (Table 8.9) ·위도에 따른 값을 표에서 보간법이용 선정 (또는 ASHRAE 제공 Software로 계산)	온도에 의한 보정 없음

4) Table 8.8 Zone Types for use with SCL

Zone Parameters						단층 건물	복 층 건 물
외벽수	Mid-Floor Type	Ceiling	Floor covering	Partition Type	Inside Shading		최상층	1층	중간층
1,2	2.5in conc.	○	Carpet	Gypsum	○	A	A	A	B
	2.5in conc.	○	Carpet	Gypsum	△	A	A	B	B
	2.5in conc.	○	Carpet	Conc.Block	○	B	B	B	C
	2.5in conc.	○	Carpet	Conc.Block	△	B	B	C	C
	2.5in conc.	○	Vinyl	Gypsum	○	B	B	C	C
	2.5in conc.	○	Vinyl	Gypsum	△	C	C	C	D
	2.5in conc.	○	Vinyl	Conc.Block	○	C	C	D	D
	2.5in conc.	○	Vinyl	Conc.Block	△	D	C	D	D
	2.5in conc.	×	Carpet	Gypsum	-	A	A	B	B
	2.5in conc.	×	Carpet	Conc.Block	○	B	A	C	C
	2.5in conc.	×	Carpet	Conc.Block	△	B	A	C	C
	2.5in conc.	×	Vinyl	Gypsum	○	B	A	C	B
	2.5in conc.	×	Vinyl	Gypsum	△	C	A	D	C
	2.5in conc.	×	Vinyl	Conc.Block	○	C	B	C	C
	2.5in conc.	×	Vinyl	Conc.Block	△	D	B	D	C

 

Zone Parameters						단층 건물	복 층 건 물
외벽수	Mid-Floor Type	Ceiling	Floor covering	Partition Type	Inside Shading		최상층	1층	중간층
1,2	1in wood	-	Carpet	Gypsum	○	A	A	A	A
	1in wood	-	Carpet	Gypsum	△	A	A	B	A
	1in wood	-	Carpet	Conc.Block	○	B	A	B	B
	1in wood	-	Carpet	Conc.Block	△	B	A	C	B
	1in wood	-	Vinyl	Gypsum	○	B	A	B	A
	1in wood	-	Vinyl	Gypsum	△	C	A	C	A
	1in wood	-	Vinyl	Conc.Block	○	C	A	C	B
	1in wood	-	Vinyl	Conc.Block	△	D	A	D	B
3	2.5in conc.	○	Carpet	Gypsum	○	A	A	A	B
	2.5in conc.	○	Carpet	Gypsum	△	A	A	B	B
	2.5in conc.	○	Carpet	Conc.Block	○	A	A	B	B
	2.5in conc.	○	Carpet	Conc.Block	△	B	B	B	C
	2.5in conc.	○	Vinyl	Gypsum	○	B	B	C	C
	2.5in conc.	○	Vinyl	Gypsum	△	C	C	C	D
	2.5in conc.	○	Vinyl	Conc.Block	○	B	B	C	C
	2.5in conc.	○	Vinyl	Conc.Block	△	C	C	C	D
	2.5in conc.	×	Carpet	Gypsum	-	A	A	B	B
	2.5in conc.	×	Carpet	Conc.Block	○	A	A	B	C
	2.5in conc.	×	Carpet	Conc.Block	△	B	A	C	B
	2.5in conc.	×	Vinyl	Gypsum	○	B	A	C	B
	2.5in conc.	×	Vinyl	Gypsum	△	C	A	C	C
	2.5inc onc.	×	Vinyl	Conc.Block	○	B	A	C	B
	2.5in concr.	×	Vinyl	Conc.Block	△	C	B	C	C
	1in wood	-	Carpet	Gypsum	○	A	A	A	A
	1in wood	-	Carpet	Gypsum	△	A	A	B	A
	1in wood	-	Carpet	Conc.Block	○	A	A	B	A
	1in wood	-	Carpet	Conc.Block	△	B	A	C	A
	1in wood	-	Vinyl	Gypsum	○	B	A	B	A
	1in wood	-	Vinyl	Gypsum	△	C	A	C	A
	1in wood	-	Vinyl	Conc.Block	○	B	A	C	A
	1in wood	-	Vinyl	Conc.Block	△	C	A	D	A
4	2.5in conc.	○	Carpet	Gypsum	○	A	A	A	B
	2.5in conc.	○	Carpet	Gypsum	△	A	B	B	B
	2.5in conc.	○	Vinyl	Gypsum	○	B	B	C	C
	2.5in conc.	○	Vinyl	Gypsum	△	C	B	C	C
	2.5in conc.	×	Carpet	Gypsum	○	A	A	B	B
	2.5in conc.	×	Carpet	Gypsum	△	A	A	B	B
	2.5in conc.	×	Vinyl	Gypsum	○	B	A	B	B
	2.5in conc.	×	Vinyl	Gypsum	△	C	A	B	B
	1in wood	-	Carpet	Gypsum	○	A	A	A	A
	1in wood	-	Carpet	Gypsum	△	A	A	A	A
	1in wood	-	Vinyl	Gypsum	○	B	A	B	A
	1in wood	-	Vinyl	Gypsum	△	C	A	C	A

☞ 1. Inside Shading의 ○는 Full Shading, △는 Shading이 half to none임.

5) Projection 의 Shadow length 계산법

계산 조건
Surface Azimuth (ψ)	N NE E SE S SW W NW 180。 -135。 -90。 -45。 0 45。 90。 135。
Solar Declination (δ)	20.6 (북반구, 7월 21일)
Latitude (L)	적용 지역의 위도 (。N)
Hour (H)	0.25 × l(12 - 적용 Solar time)l × 60
Projection Width (Pv) Projection Height (P)	Side fin 의 길이 (m) Overhange 의 길이 (m)

계산 적용식
Solar Altitude (β)	β = sin-1(cosL × cosδ× cosH + sinL × sinδ)
Solar Azimuth (φ)	φ = cos-1{(sinβ × sinL - sinδ) / (cosβ × cosL)}
Solar Surface Azimuth (γ)	γ = φ - ψ
Profile Angle (Ω)	Ω = tan-1(tanβ / cosγ)
Shadow Width (Sw)	Sw = Pv × ltanγl (단, 90 < γ < 270 이면, All shading)
Shadow Height (Sh)	Sh = P × tanΩ

6) Projection 의 Shadow length를 표로 찾는법

선정시 적용 Data	계 산 방 법
·적용할 위치의 위도 (。N) ·Solar time, Month, 방위 ·P, Pv의 길이 (m)	Table 8.16, Fig 8.3을 참조하여 Sw/Pv, Sh/P값에 Pv, P를 대입하여 계산한다

3-4. Internal 냉방부하 계산

1) 계산식

Lights Q = 0.86 × W × BF × CLF

People Qs = No. × SH × CLF

Ql = No. × LH × CLF

Equipments Qs = Heat gain × CLF

Ql = Heat gain

W : Wattage (W)

BF : Ballast Factor

No. : 사람수

SH : Sensible Heat gain (kcal/h·인)

LH : Latent Heat gain (kcal/h·인)

2) Zone type & CLF 값 적용

구 분	ZONE TYPE	CLF	예 외 적 용
Lights	Table 8.8	Table 8.17	전등이 켜져 있을때만 냉방하는 경우는 CLF값을 1로 적용
People	Table 8.8	Table 8.19	24h 냉방하지 않는 경우 또는 극장, 관람시설등 사람밀도가 큰 실의 경우는 CLF값을 1로 적용
Equipments	Table 8.8	Table 8.19, 8.20	24h 냉방하지 않는 경우는 CLF값을 1로 적용

3-5. Infitration의 냉방부하 계산

1) 계산식

Qs = 1.2 × 0.24 × CMH × △t

Ql = 1.2 × 597.5 × CMH × △w

1.2 : 공기의 비중 (kg/㎥)

0.24 : 공기의 정압비열 (kcal/kg·℃)

CMH : 풍량 (㎥/h)

△t : 실내외 설계조건의 건구온도차 (℃)

597.5: 공기의 증발잠열 (kcal/kg)

△w : 실내외 설계조건의 절대습도차 (kg/kg')

3-6. Partitions의 냉방부하 계산

1) 계산식

q = K × A × TD

K : 열관류율 (kcal/㎡·h·℃)

A : Partitions 의 면적 (㎡)

TD : Temperature Difference (℃)

4. Heating Load 계산

4-1. 용어 정의

K : 열관류율 ( kcal/㎡·h·℃)

A : Wall / Roof / Glass / Partitions 등의 면적 (㎡)

ti : 실내 설계 온도 (℃ DB)

to : 실외 설계 온도 (℃ DB)

TD : Temperature Difference (℃)

4-2. 계산식

구 분	계 산 식	비 고
Roof, Wall, Glass	Q = K × A × (ti - to)
Partitions	Q = K × A × TD	실내온도와 지중벽, 지중바닥, 비난방지역과의 온도차
Infiltertion	Q = 1.3 × 0.24 × CMH × (ti - to)

5. 참고문헌

1) Cooling and Heating Load Calculation Manual (Second Edition),

- Faye C. McQuiston & Jeffrey D. Spritler, ASHRAE

2) ASHRAE Fundamentals (1993년), Chapter 27, Fenestration

6. 별첨

·CLTD/CLF Method 와 CLTD/SCL/CLF Method 의 차이점 비교

·CLTD for Roof - 37。N (Table 8.2)

·CLTD for Wall - 37。N (Table 8.3)

·Solar Cooling Load for Sunlit Glass - 37。N (Table 8.9)

·Shadow Lengths and Widths for Building Exterior Projections - 37。N (Table 8.16)

[현길이]

정보 감사합니다