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[스크랩] 난방부하 계산(열부하)

비구름달 2014. 9. 1. 16:52

[스크랩] 열부하계산 표준데이타 통합

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3-1  개  요

3-1-1 열부하의 분류

 실내를 일정한 온습도로 유지하고 있을 경우, 실외에서 유입되는 열과 실내에서 발생하는 열을 열취득이라 하며, 실외에 유출하는 열을 열손실이라 한다. 다음으로 어떤 실내를 주어진 온습도로 유지하기 위하여 제거하거나 공급하는 열량을 열부하(heat load)라고 한다. 드러나 이 값은 열취득이나 열손실과 약간 다른 값이 된다.

 간헐운전과 같이 장치가 정지상태에서 시동하여 실내 설정조건까지 끌어올리는 동안 실내설정온도를 운전도중 바꾸는 경우에는 일시적으로 특별한 부하가 추가되어 열부하와는 다른 열량을 제거해야 한다. 이것을 제거열량이라고 한다.

 이상은 실내측에서 생기는 부하이나 여기에 도입되기를 실내온습도 상태로 하기 위한 열량, 송풍기의  동력열, 덕트로 부터의 침입열 등을 가한 것이 공조기에 걸리는 부하이며, 이것을 일반적으로 냉방부하, 난방부하라고 한다.

 또한, 하나의 실에 1대의 공조기를 담당시키는 경우에는 냉방부하, 난방부하가 그대로 공조기부하가 되지만, 몇 개의 실을 1계통으로 한 경우의 공조기부하는 각 실의 냉[난]방부하의 합계와 약간달라지게 된다. 이것은 각 실의 최대부하시각이 다르거나 소요송풍온습도가 다르게 되기 때문이다. 여기에서 계통별의 공조부하를 장치부하 라고 하며 별도로 계산한다.

 한편, 건물전체로 보면 계통별의 부하합계와는 또 다른 부하로 되며, 각 계통의 최대부하시 각의 차이, 배관·펌프로 부터의 열, 축조열의 유무 등과 같이 열원기기로부터 결정되는 부하를 열원부하라고 한다.

 이들이 관련을 그림 3-1에 나타내는데, 이들 부하계산의 목적은 송풍공기량의 계산, 열원기기, 공조기기 등의 선정을 위한 것이며, 공기조하 설계에 있어서는 가장 기본이 되는 과정이다.

3-1-2 부하계산법

 공조대상 건물이나 실에서는 냉방부하 또는 난방부하가 존재하며, 부하계산이란 이들을 계산하는 것으로 대별하여 두 가지 방법이 있다. 하나는 연간을 통하여 각 시각에 대한 부하를 계산하는 것이며, 이것에 의하여 합리적인 공조장치의 계획을 세워서 연간운전비를 산출하는데, 그러기 위해서는 방대한 계산이 필요하며, 전자계산기를 이용하지 않으면 안되므로 준비된 프로그램에 필요한 데이터를 사용하여 계산한다.

 다른 하나는 공조설비에 필요한 용량을 결정하기 위한 최대부하를 구할 목적으로 특별한 월이나 시간에 대하여 계산한다. 이것은 일반적으로 수(手)계산으로 행하며 여기에 필요한 많은 수표(數表) 또는 계산양식이 만들어져 있다.

그림 3-1  부하의 형태 및 흐름

1.죠닝

 공조부하의 계산에 앞서 먼저 건물 전체를 공조하고자 하는 구역별로 몇 개로 구획분활하여  각 구역별로 공조계통을 수립한다. 이와 같이 건물을 몇 개의 구역으로 구분하는 것을 죠닝(ZONING)이라고 한다. 죠닝을 나누는 방식은 여러 가지가 있지만, 대별하면 다음의 두 가지로 구분된다.

그림 3-2  건물의 존

(1) 방위별 죠닝

 계절을 고려하여 건물의 각 방위별 죠닝을 구분하는 것으로 그림 3-2에서와 같이 구획한다. 이 경우 창쪽 부분을 외부존(PERIMETER ZONE OR EXTERIOR ZONE)이라 하여 그림 3-2에서와 같이 동, 서, 남, 북의 존으로 구분할 수 있다. 또한 실내측 부분을 내부존(INTERIOR ZONE)이라고 하며, 외부에서의 열손실이나 열 취득은 거의 없는 것으로 간주하나다.

(2) 사용별 죠닝

 실의 사용목적에 따라 죠닝을 하는 것이며, 그에 따라 공조의 계통을 구분하거나 각 실별로 독립하여 온도제어 또는 풍량제어를 실시한다.

①사용시간별 죠닝

  빌딩 내의 사무실이나 상점, 다방, 식당과 같이 운전시간이 다르며 사용용도가 다른 경우의 구별.

②공조조건별 죠닝

  전자계산기실과 같이 온습도 조건이 항상 일정하게 유지되어야 할 필요성 등에 따라 계통별로 구별.

③부하특성별 죠닝

  건물의 중역실 및 회의실, 식당과 같이 일반사무실에 비해 현열비가 크게 다른 경우 계통별로 구별.

2.최대부하계산

 건물의 부하는 시시각각 변화하는데, 하루 중에서 이것이 최대가 되는 시각에 대해 열량을 계산하여 공조의 각종 설계에 사용하는 경우가 있다. 이와 같이 최대부하시(PEAK HOUR)에 대한 부하계산을 최대부하계산(PEAK LOAD DESIGN)이라고 하는데, 이는 종래의 부하계산이라 부르는 것이다. 이 계산은 일반적으로 수(手)계산에 의해 행해지며, 이제부터 본서에서 설명하는 부하계산은 바로 이 방식에 의한 것이다.

3.기간열부하계산

 1년간 또는 어떤 일정기간에 걸쳐 모든 시각의 부하를 계산하는 방법으로, 전자계산기를 이용해야 하는 방대한 작업이 요구되나 보다 정확한 연간에너지 소비량을 계산할 수 있다. 이러한 기간열부하를 계산하기 위하여 여러 가지 방법이 연구되어 실용화되고 있으며, 대표적인 몇 가지 방법을 제시하면 다음과 같다.

(1)동적열부하 계산법

(2)전 부하상당 시간에 의한 방법

(3)냉난방도일법

(4)확장도일법

(5)감도해석에 의한 효과추정법

(6)온도계급별 출현빈도표에 의한 방법

(7)축열계수법

(8)기타

3-2  난방부하의 구성요인 & 설계조건

3-2-1 난방부하의 구성요소

 동기(冬期)의 열부하 즉, 난방부하는 공조(또는 직접난방) 장치 가운데 보일러, 공기가열기(또는 방열기) 등 설비기기용량의 산정 및 연료소비량의 추정에 사용되는 기초자료이다. 난방부하는 표 3-1에 나타내는 바와 같이 냉방부하보다 내용은 간단하다. 이는 냉방부하에서 고려할 일사의 영향이나 조명기구·재실자의 발생열량 등은 일반적으로 무시하며, 냉방의 경우처럼 시각별 계산의 필요도 없기 때문이다. 그러나, 조명기구나 재실자의 발생열량이 특히 많은 경우에는 이를 고려해야만 하는데, 이에 따라 기기용량이 과대해지는 예가 있으므로 주의를 해야 한다.

표 3-1  난방부하

3-2-2 계산 조건

1. 외기설계조건

 난방설계용 외기온도 조건은 겨울철(12.1.2.3월)의 전 난방기간에 대한 위험율 2.5%를 기준으로 한 건구온도와 상대습도를 사용하며, 건물의 종류와 지역에 따라 다르게 결정되는데 일반적으로 지역별 외기 조건은 표 3-2를 적용한다.

2. 실내설계조건

 난방부하 계산에는 쾌적한 실내온도와 적정한 외기온도를 설정하지 않으면 안된다. 정확한 실내 조건이 요구되지 않는 경우에는 유효온도(ET)범위 내에서 가능한 한 온습도 조건을 완화하여 건구온도 18℃, 상대습도 40%를 기준으로 하도록 권장하고 있다. 다만, 유리창에서의 결로방지를 위하여 기준상태와 동일한 신유효온도(ET*)를 이용하여 상대습도를 30%까지 낮추거나 실내온도와 평균복사온도와의 차가 2℃ 이상인 경우에는 기준온도를 효과온도로 바꾸어 건구온도의 설계조건을 정한다.

 그러나, 실제 설계에 있어서는 표 3-3에 나타내는 바와 같이 사무실에 대하여 건구온도 22℃, 상대습도 40%를 적용하며, 기타 실에 대해서는 사용 목적에 따라 다르므로 표 3-4와 같은 실내온도를 기준으로 한다. 실내온도는 일반적으로 벽체 (직접 난방인 때에는 방열기가 설치되어 있는 반대측 벽체 )에서 1m 떨어지고 , 바닥 위에서 1.5m 높이 (바닥 복사난방일 때에는 0.75m 높이)의 호흡선에서 측정한다. 떠한, 일반적으로 노동량·운동량이 큰 실내는 온도를 보다 낮게 책정하고 있으며, 천장이 놓은 실의 온도 분포는 높이에 따라 다르게 나타나므로 주의하여야 한다. 따라서, 천장이 높은 실의 온도분포는 표 3-5를 이용하여 보정하여야 한다.

표 3-2 난방설계용 외기조건

[주]:① 공기조하·냉동공학회  표준기상자료 (1985)

       ② 이 표의 값은 부표3에 제시되어 있는 값과 비교하여 선택적으로 사용할 수 있음.

표 3-3  난방설계용 실내조건

[주] 직접난방에서 복사효과를 기대할 수 있는 경우에는 건구온도 20℃ 로 한다.

표 3-4  실내온습도 조건

 

표 3-5 천장높이와 실내온도

                      [주] th : 바닥 위 h[m]의 온도 [℃]

                              t  : 표준실온 [℃]

                             h  : 바닥 위의 높이 [m]

3-3  손실열량

 실내의 손실열량은 벽·유리 및 기타 구조체를 통한 열관류에 의한 손실열량과 창이나 문의 틈새사이로 침입하는 큼새바람에 의해 손실되는 열량과 10% 정도의 안전율을 가산하여 합계한 것이다. 그러나, 완전 공기조하를 하기 위해 겨울에도 실내 온습도를 일정하게 유지하기 위해서는 잠열부하도 계산하여야 한다. 즉, 외기의 절대습도와 실내 절대습도의 차에 따른 잠열부하가 있지만, 이것에 관해서는 후술하는 냉방부하계산법을 참조하기 바란다.

1.벽체 등을 통한 손실열량

 난방에 있어서 실내외의 열의 출입은 냉방과는 달리 태양복사열의 영향이나 외기온도의 주기변화 등을 계산하지 않고 일정한 온도차에 의한 정상상태의 열전도 계산만을 실시한다. 즉, 유리창·천장(또는 지붕)·바닥·간벽 등의 정열손실이 있는 면에 대하여 열관류율(K 값, 부표-5 참조)과 실내외 온도차를 적용하여 다음 식과 같은 정상열전도의 계산을 한다.

Hs=K*A*(ti-to)*p [kcal/h]                               (3-1)

 여기서, Hs : 전열손실열량 [kcal/h]

        K  : 구조체의 열관류율 [kcal/㎡·h·℃]

        A  : 전열면적 [㎡]

        p  : 방위보정계수

        ti,to : 실내의 온도 [℃]

방위보정계수 p는 동일구조의 벽체라 할지라도 방위에 따라 풍속이 다르므로, 열전도율이 변화하고 일사에 의한 건조도도 변화하게 된다. 따라서, 이것을 상세히 계산하기는 어려운 문제이므로 전열손실을 계산할 때에는 표 3-6 과 같은 p값을 적용한다.

표 3-6  방위계수(p)

또한, 실내외 온도차는 외기와 실내온도와의 건구온도차를 적용하는데 천장·바닥·간벽 등 이라든가 복도와 접하여 있을 때에는 그 인접개소와의 온도차를 사용한다. 인접개소가 지붕속 공간이거나 창고, 복도 등으로 비난방공간인 경우에는 그림 3-3에 제시된 방법에 의하여 그 온도를 계산한다. 일반적으로, 그 온도차는 비난방공간이 외기와 접하는 면이 적을 때에는 3-4℃의 온도차, 많을 때에는 외기와 실내 설계온도와의 차에 대한 절반 정도의 온도차로 계산한다.

 한편, 지하층의 벽, 바닥에서의 열손실은 벽·바닥의 열관류율 [kcal/㎡·h·℃]*면적 [㎡]*(실내온도 [℃]-지중온도 [℃])에 의하여 구한다. 표 3-7은 지역별 설계용 지중온도를 나타낸다.

그림 3-3 비난방공간의 온도계산법

 

표 3-7  난방 설계용 지중온도(tx)

단위 〔℃〕

2. 틈새바람에 의한 손실열량 

 틈새바람에 의한 열손실은 난방부하 계산에 있어서는 중요한 요소이며, 특히 고층건물이 때는 건물의 굴뚝효과에 의한 틈새바람의 유입을 고려해야 하므로 간단히 취급해서는 안된다. 그러나, 그 양은 풍속·풍향·건물의 높이·구조·창이나 출입문의 기밀성 등 많은 요소에 의한 영향을 받으므로 정확한 계산은 어렵다. 틈새바람에 의한 손실열량은 일반적으로 다음과 같이 계산한다.

HI=0.29*Q*(ti-to) [kcal/h] (3-2)

 여기서, HI : 틈새 바람에 의한 손실열량 [kcal/h]

            Q  : 틈새바람의 양 [㎡/h]

          ti,to : 실내의 온도 [℃]

식 (3-2)에서 틈새바람의 양을 계산하는 방법에는 다음의 세가지 경우가 있다.

(1) 틈새법 -crack method

창이나 문의 틈새의 길이를 산출하여 풍속과의 관계에서 틈새바람의 양을 계산하는 방법으로 가장 정확한 방법이기는 하나 계산이 좀 번거롭다. 틈새의 길이는 각각의 새시(sash)에 대하여 계산하지만, 하나의 실에 있어서 3면 이상이 외기와 접하고 있을 때에는 바람맞이의 2면에 대해서만 계산하면 된다. 그러나, 그 길이는 적어도 그 방의 전 틈새길이( 외기와 접하는 것)의 1/2 이상이어야 한다.

 틈새법에 의한 풍량계산을 식으로 표현하면 다음과 같다.

Q=B*L [㎡/h]                         (3-3)

여기서, Q  : 틈새바람의 양 [㎡/h]

             B : 틈새길이당 풍량 [m³/㎡·h]

            L  : 틈새바람의 양 [㎡/m·h]

표 3-8  창문으로부터의 틈새바람의 풍량(B)[m³/㎡·h]

  

〔주〕: 문풍지는 Weather strip

(2) 환기횟수법 (air change method)

 실의 용적에서 풍량을 구하는 가장 간단한 방법이지만, 실용적과 틈새바람과는 반드시 일정한 관계가 아니므로 결과는 개략치가 된다. 따라서, 개략계산을 하거나 검토용으로 표 3-9를 기준으로 하여 다음 식에서 구한다.

  Q=n*V [㎡/h] (3-4)

여기서, Q  : 틈새바람의 양 [㎡/h]

             n : 환기 횟수 [회/h]

             V : 실의 용적 [㎡]

표 3-9  환기횟수

(3) 면적법

 창이나 문의 면적에서 풍량을 구하는 방법으로, 표 3-10 및 표 3-11에 의거하여 산정한다. 이 면적법은 바람의 영향만을 고려한 것이며, 틈새법에 비하여 다소 간단한 방법이다.    

표 3-10  창문의 틈새바람(겨울철)

〔주〕겨울철 풍속 7〔m/s〕기준임

표 3-11  출입문의 틈새바람

 

3-4  냉방부하의 구성요인 & 설계조건

 

3-4-1 냉방부하의 구성요인

실내온습도를 일정하게 유지하기 위해 실내의 취득열량에 대응하여 제거해야 할 열량을 냉방부하(cooling load)라고 하며, 여기에는 표 3-14에 나타낸 바와 같은 부하가 있다. 계산은 이들 순서에 따라서 현열과 잠열로 구분하여 시행한다.

표 3-14 냉방부하의 종류

3-4-2 설계조건

1. 설계외기조건

냉방설계용 설계외기의 온습도 조건은 여름철(6, 7, 8, 9월)의 전 냉방시간에 대한 위험률 2.5%를 기준으로 한 외기온도와 일사량을 이용하여 작성된 상당외기온도를 사용하며, 일반적으로 지역별 외기조건은 표 3-15를 적용한다. 그러나, 이표는 그 기준이 여름철 오후 1시-3시의 값이므로 계산시간이 다른 경우에는 표 3-16에 나타낸 바와 같이 시각별 보정을 해야한다.

표 3-15 냉방설계용 외기조건

또한 어떤 실에 대한 냉방시의 풍량이나 송풍온도, 실내 유닛의 용량을 결정할 때에는 그 방의 실내부하가 최대가 되는 계절과 시간에 대하여 부하계산을 시행한다. 실내부하는 반드시 외기온이 최고가 되는 여름철의 오후 2-3시경에 최대가 되지는 않는다. 대개 동쪽에 면해 있는 방은 오전 중 (9-11시), 남쪽은 오후(12-14시), 서쪽은 늦은 오후(15-17시)에 최대가 된다. 북쪽에 면해 있거나 외기에 면하지 않는 방은 시간에 영향받지 않으므로 오후 3시를 적용한다. 최대부하 발생시간이 불확실한 경우에는 계산을 되풀이해서 확인할 필요가 있다.

 부하계산은 위와같은 실내부하가 최대가 되는 시간을 적용하며 그 외에 장치부하 또는 건물전체의 부하를 어떤 특정시간에 대하여 계산하는 경우도 있고, 공조장치의 계획상 중간계절이나 겨울철 냉방부하를 계산하는 경우도 있다.

표 3-16 외기조건의 시각별 보정

 

2. 실내설계조건

1) 인간을 대상으로 하는 쾌적공조에서는 작업상황과  착의상태 및 계절에 따라 쾌적범위가 다르나 통상적인 사무실 작업 또는 가벼운 보행정도의 노동을 하고 잇는 건강인을 대상으로 할 때 쾌적온도(ET*)의 범위 안에서 건구온도 17-18℃, 상대습도 40-70% 범위에서 유지하도록 설계한다.

2) 냉방설계시 정확한 실내조건이 요구되지 않는 경우에는 건구온도 26℃ 상대습도 50%를 기준으로 한다.

3) 난방설계시에는 건구온도 20-22℃. 상대습도 35%를 기준으로 한다.

4) 일반적으로 설계시 적용하는 실내온습도 조건의 기준치는 표 3-17과 같다.

표 3-17 실내조건의 기준치

[주]: ( )값은 온습도의 적용한계 범위를 나타낸다.

3-5  취득열량

  1. 외벽.지붕을 통한 취득열량

외기에 직접 면해 있는 벽체 또는 지붕에서의 침입열에는 건물내외의 온도차에 의한 전도열과 일사에 의한 태양복사열이 있다. 태양복사열은 일사가 외벽에 닿아서 그 표면온도가 상당하여 이것이 온도차에 의하여 안쪽으로 열이 이동하게 되므로, 전도열과 비슷한 침입상태가 된다. 따라서 온도차와 더불어 태양복사의 열량을 더하여 열전도를 계산하여야 한다.

 즉, 빛의 직사. 반사 또는 복사열에 의하여 벽의 외면이 열을 받으면 그 일부는 반사하고 나머지는 흡수하여 벽체의 온도를 상승시킨다. 흡수하는 양은 벽체 표면의 색채, 조밀현상, 재질등에 따라 다르며, 흡수된 열을 구조두께에 따라 상이한 시간적 지연(time lag)을 가지고 실내로 전달된다. 이와같이 벽 외부의 온도는 외기온도와는 전혀 다른 것으로서 실내온도와의 차에 따라 벽체를 통하여 열의 관류가 생긴다고 가정된 온도를 상당외기온도 또는 일사온도(sol-air-temperature)라고 한다. 바꾸어 말하면, 상당외기온도란 벽면, 지붕면에 일사가 있을 때 그 효과를 기온의 상승에 환산하여 실제의 기온과 합한 것으로 다음 식으로 구할 수 있다.

tsa = ta + 0.035J[℃]                               (3·5)

여기서,  tsa : 상당외기온도[℃]

             ta  : 외기온도 [℃]

             J   : 전일 양 [kcal/㎡·h]

한편, 벽. 지붕에 있어서는 이 상당외기온도와 실내온도와의 차에 따라 열의 취득이 이루어지므로, 이 온도차를 상당온도차 (equivalent temperature difference)라 한다. 즉 상당온도차를   te로 하면, 태양열에 의한 취득열량은 다음 식과 같이 된다.

                     Qs = Ks·A· te [ kcal/h ]                               (3·6)

여기서,   Qs : 외벽, 지붕으로부터의 취득열량 [ kcal/h ]

         Ks : 구조체의 열관류율 [kcal/㎡·h·℃]

         As : 구조체의 면적 [ ㎡ ]

        te : 상당온도차 [ ℃ ]

상당온도차의 값은 계절, 시각, 방위, 구조체에 따라서 달라지므로 대상이 되는 구조체 형태에 따라 여러 가지 자료가 있어야 하는데, 일반적으로 표 3-18의 값을 사용한다.

표 3-18 상 당 온 도 차(ETD)

 

2. 내벽·바닥면에서의 취득부하

qwI = K·A· t                                (3·7)

         여기서, qwI  : 내벽·바닥면의 취득 부하 [kcal/h]

                     A    : 내벽 바닥면의 면적[㎡]

                      K   : 내벽 바닥면의 열통과율 [ kcal/㎡h deg]

                      t   : 실내의 온도차 [deg]

내벽면적 A를 구할때의 벽면 높이는 천장 높이를 사용하며, 실내의 온도차의 개념은 일반적으로 표 3-19와 같이 된다.

표 3-19 실내외의 온도차 t(deg)

 

3. 창유리를 통한 수열

태양일사면에 유리창이 있으면 일부의 열은 흡수되나 그 대부분은 직접 실내로 전달된다. 또 옥외의 지면이나 다른 건물, 그 밖의 태양일사광의 복사열 대류에 의한 열의 침입이 있으면 실의 열취득은 증가한다. 이와 같이 외부에서 유리를 통하여 실내에 들어오는 열은 그림 3-5와 같이 분류된다.

그림 3-5  유리창을 통한 열취측

① q1 : 복사열 중에서 직접 유리를 투과하여 침입하는 열량

② q2 : 복사열 중에서 일단 유리에 흡수되어 유리온도를 높인 다음 다시 대류 및 복사에 의하여 실내에 침입          하는 열량

③ q3 : 유리면의 내외온도차에 의한 열전도에 의하여 실내로 침입하는 열량

이중에서 (q1+q2)를 넓은 의미에서 유리를 통과하는 태양복사열이라 하여 계산하며, q3는 벽체, 천장, 바닥 등과 같이 단순한 전도열로서 계산한다.

(1) 태양복사열량의 계산

이 복사에는 태양광선이 직접 닿는 직달일사와 허공에서 산란하거나 물체표면에서 반사되어 닿는 확산일사가 있다. 따라서, 햇빛이 닿지 않는 북쪽 또는 그늘진 유리창에서도 복사에 의한 부하는 생긴다. 일반적으로 ,건물에 닿는 태양복사의 열량은 위도, 계절, 시각, 우리창의 방위에 따라서 다르며, 유리를 통과하는 열량은 입사각, 유리의 종류, 차폐성에 의하여 달라진다. 표 3-20은 표준유리 (두께 3mm)에 의한 유리창에서의 일사취득열량을 나타내며, 표 3-21은 각종 유리에 대한 차폐계수이다.

표 3-20 유리창에서의 표준일사열취득[ kcal/㎡h ]

따라서 유리창에서의 태양열 복사에 의한 취득열량은 다음 식으로 계산한다.

QGR = Igr×Ag×SC [ kcal/h ]                           (3·8)

여기서, QGR : 유리창에서의 태양복사에 의한 취득열량[ kcal/h ]

             Igr  :  표준일사열취득[ kcal/㎡h ]

             Ag  : 유리차의 면적[㎡]

             SC  : 차폐계수

표 3-21  차 폐 계 수

 

(2) 전도열량의 계산

외기에 면하는 유리창을 통하여 들어오는 열 중에서 q1(직접투과열량), q2(대류, 복사열량)에 대하서는 태양복사열 계산에 의하여 이루어졌으므로, 여기서는 실내의 온도차에 의하여 침입하는 열량 q1를 계산한다. 온도차로서는 계산하는 계절, 시각에 있어서의 외기온도와 실내온도와의 차를 사용한다.

  따라서, 유리창에서의 전도에 의한 취득열량은 다음 식에 의해 계산한다.

 QGR = Ks·Ag· t [kcal/h]                                (3·9)

여기서, QGR : 유리창에서의 전도에  의한 취득열량[ kcal/h ]

             Ks  :  유리창의 열관류율 [kcal/㎡·h·℃ ]

            Ag   : 유리창의 면적[㎡]

            t    : 실내의 온도차 [℃]

또한, 각종 유리의 열관류율은 표 3-22와 같다.

표 3-22 유리의 열관류율[kcal/㎡·h·℃ ]

[주] : 평균속도 1) 3.5m/s, 2) 7m/s

4. 실내에서의 취득열량

(1) 인체에서의 발생열

실내에 거주하는 재실자들로 부터의 발생열량은 표 3-23에 나타내는데, 발한작용도 고려하여 다음 식과 같이 현열과 잠열로 나누에 계산할 필요가 있다.

QH = QHS +QHL[ kcal/h ]                           (3·10)

            QHS = 1인당 현열량 × 재실인수 [ kcal/h ]

            QHL = 1인당 잠열량 × 재실인수 [ kcal/h ]

여기서, QH : 인체로 부터의 취득열량 [ kcal/h ]

          QHS : 현열취득열량 [ kcal/h ]

          QHL:잠열취득열량〔kcal/h〕

표 3-23 인체에서의 발생열량〔kcal/hㆍ인〕

한편 재실원수가 분명하지 않을 때는 표 3-24의 개략치에 의하여 계산한다.

표3-24 인원, 조명산출용 참고값

     〔주〕: 조명은 호텔은 백열등, 기타는 형광등 기준임

(2) 기기로 부터의 발열량

 실내에서 발생하는 열원이 되는 기기는 조명기구, 전동기와 같이 현열만을 발생하는 것과, 전기기구, 가스기구와 같이 수증기를 발생시켜 잠열도 고려할 필요가 있는 것이 있다.

 그림 3-6에서와 같이 발생열량은 백열등인 경우 860kcal/h kW이며, 형광등은 안정기에서 전력이 소비되므로 1000kcal/h kW이다. 기타에 대해서는 표3-25에 나타난다. 각종 기기로부터의 발열량을 산정하는 식은 다음과 같다.

    백열등 QES=860kW · f〔kcal/h〕                                        (3 · 11)

    형광등 QES=1000kW· f〔kcal/h                                          (3 · 12)

   전동기 Qm=860           =  f〔kcal/h〕               (3 · 13)

기타기기 QA= 860kW · f〔kcal/h〕

여기서,  kW  : 소비전력 〔kW〕  

                f  : 부하계수 〔%〕

           ηm    : 전동기효율〔%〕(1kW이하 50∼70%, 1kW이상 80∼90%)

표 3-25 실내기구에서의 발생열

5. 틈새바람에 의한 취득열량

 (1) 틈새 바람의 양

 창문새시의 틈새 또는 출입문에서는 틈새바람이라는 외기가 침입한다. 그러나, 냉방인 때에는 난방인 경우 만큼 대단한 요소는 아니다. 그것은 실내의 온도차가 여름에는 겨울철보다 적고 일반적으로 더운 날에는 강한 바람이 불지 않기 때문이다.

또한, 이 부하에 대해서는 신선외기를 혼합해서 급기하고 있을 때는 그것에 의해 틈새바람은 방지된다. 따라서, 일반 건물에서는 이것을 계산하지 않는 일도 많으며, 밀폐창인 경우에는 냉방시 틈새의 계산은 생략한다. 그러나, 틈새가 많은 구조의 새시라든가 개폐할 수 있는 창이 많은 실에 대해서는 계산할 필요가 있으며, 3-2-3절의 난방부하계산법에 있어서의 열손실량을 참조하여 계산한다.

또한, 비교적 적은 실에 있어서 외기에 면해 있는 곳에 출입구가 설치되어 있을 때에는 그 개폐에 의한 외기의 침입이 부하에 영향을 미치므로 표 3-26의 값을 적용하여 계산한다.

표 3-26 출입문의 개폐에 의한 틈새바람

  〔주〕 ①단위는 실내인원수 1인당 틈새풍량(㎥/h·인)임

            ②스윙식 출입문에 전실이 있는 경우에는 회전식을 적용한다.

            ③출입문에 3.5〔m/s〕의 바람이 수직으로 돌아오는 경우이며 경사지어 닿는 경우에는 0.6배 한다.

  (2) 틈새바람에 의한 취득열량

틈새바람의 양이 결정되면 다음 식에 의하여 부하를 계산한다.

          QI=qIS + qIL〔kcal/h〕                                      (3 15)

          qIS=0.29 · Q(to-ti)〔kcal/h〕                             (3 16)

          qIL=720 · Q(χoi)〔kcal/h〕                            (3 17)

                                                                        

   여기서,  QI  : 틈새바람에 의한 취득열량〔kcal/h〕

              qIS  : 틈새바람에 의한 취득현열량  〔kcal/h〕

              qIL   : 틈새바람에 의한 취득잠열량〔kcal/h〕

                 Q  : 틈새바람의 양〔㎥/h〕

            (to-ti) : 외기온도와 실내온도와의 차〔。C〕

           (χo-χ) : 외기와 실내공기의 절대습도차〔kg/kg'〕

6.기타부하

 기타 부하요소는 실제적으로는 실내에서 발생하는 부하는 아니지만 이것에 준하는 것으로 실내부하에 포함시켜 취급하는 것이 편리하며, 다음과 같은 항목이 있다.

(1)급기덕트에서의 열취득

 냉방되지 않는 높은 곳을 급기덕트가 지나게 되면 표면에서의 열의 침입이 있게 된다. 이에 따라 손실열량은 실내부하계산에 포함시켜야 한다.

(2) 급기덕트의 누설손실

덕트는 일반적으로 누설이 있게 마련이고 시공이 불량하면 더욱 누설된다. 이것은 현열과 잠열의 손실이며 실내부하에 더해 주어야 한다. 누설량은 덕트의 길이, 형상, 시공, 공기의 압력 등에 따라서 달라지므로 정확하게는 알 수 없지만 일반적으로는 송풍량의 5∼10%정도이다. 그러나, 이 중에서 열손실이 되는 것은 공조하지 않은 공간을 통하는 부분에서의 누설량이다. 패키지형 공조기를 사용하는 경우와 같이 덕트의 길이가 짧거나 없는 경우에는 덕트에서의 손실은 거의 없다.

(3) 송풍기동력

 송풍기에 이하여 공기가 가압되는 때는 주어지는 에너지는 열로 변하여 급기온도를 상승시키므로 현열부하로서 가산하지 않으면 안된다. 다만, 송풍기가 냉각코일보다 상류측에 있을 때는 이 열은 냉각코일의 부하가 되며 실내 현열부하는 아니다. 이중덕트방식이나 멀티죤방식은 이러한 경우이다. 이열도 실내현열부하에 대한 %로 표시되는 것이 취급하기 쉽다.

(4) 기타 부하의 합계

 상술한 기타 부하는 덕트열취득, 덕트누설손실, 송풍기동력 등 각각의 %를 구하여 실내무하에 가산하면 되지만, 일반적인공기부하계산에서는 이것들을 한데 묶어서 하나의 합계 %로 하여 간단히 계산하는데 그 참고값을 제시하면 다음과 같다.

   ◆ 기타부하

     1. 실내 현열 및 잠열부하 소계의 10%(일반적인 경우)

     2. 실내 현열 및 잠열부하 소계의 15%(고속덕트 등 송풍기정압이 높은 경우)

     3. 실내 현열 및 잠열부하 소계의 5%(급기덕트가 없거나 짧은 경우)

 

7. 외기부하

 실내에는 항상 신선한 외기가 보급될 필요가 있다. 일반적으로 덕트에 이한 공조시스템에서는 실내로 부터의 환기와 신선외기를 혼합해서 코일로 소요의 풍량을 만들어 실내로 송풍하는 방식을 취한다(보통 외기량은 총 급기량의 20∼30% 정도이다.). 그 까닭은 산소를 공급하여 인체에서의 냄새를 제거하고, 담배연기 또는 오염물질을 배출시켜서 공기의 청정도를 높이기 위해서이며, 일반적으로 이것을 환기하고 한다.

즉, 이것은 외기를 송풍량의 일부로서 실내로 부터의 환기와 혼합해서 다시 실내로 도입하므로써 생기는 부하이며, 외기의 도입은 재실자를 위한 일종의 환기이므로 이것을 환기 부하라고 한다.

 인간에 대한 필요외기량은 표 3-27에 나타내고 있다. 도입외기량이 겨정되면, 다음 식으로 외기를 실내상태에서 냉각감습시키기 위한 열량을 계산하여 도입외기부하로 한다.

       외기부하 QF=qFS + qFL〔kcal/h〕

       취득현열 qFS=0.29 qF (to-ti)〔kcal/h〕

       취득잠열 qFL=720 qFoi)〔kcal/h〕

여기서, qF : 도입외기량〔㎥/h〕

        (to-ti) : 온도차〔。C〕

      (χoi) : 절대습도차〔kg/kg'〕

또한, 전열로서 다음 식을 쓰는 일도 있다.

       QF=1.2 qF (iA-iB)〔kcal/h〕

여기서, (iA-iB) : 외기와 실내공기의 엔탈피차〔kcal/kg'〕

표3-27 필요외기량

 

3-6  냉방부하와 장치부하

1. 냉방부하계산법

 단독실인 경우의 냉방부하는 이상에서 계산한 실내부하와 외기부하와의 합계를 말한다. 다만, 이 냉방부하는 어디까지나 계산적용시간에 있어서의 것이며, 실내부하는 최대라 하더라도 냉방부하는 최대가 아닌 경우도 있다. 예로서, 여름철이 아난 게절에 대해 계산하거나 같은 여름철이라도 낮시간이 아닌 경우에는 냉방부하가 최대가 되는 시간으로 바꿔서 계산하고, 이것을 이 방에 대한 공조기의 부하로 한다. 다만, 이 경우 이방에 대한 송풍량은 실내 부하의 최대시간에서 얻어진 송풍량을 기준으로 한다.

이와 같이 냉방부하계산은 종래에는 정도가 높고 실용적인 냉방부하 계산방식이 확립되어 있지 않아서 부하가 과다하게 산출되는 경우가 많았다. 공조장치의 설비는 열원의 과잉설계를 방지하기 위하여 엄밀한 계산을 시행한다.

냉난방부하계산은 표 3-28을 이용하여 구역별 최대부하가 예상되는 시간과 건물전체의 최대부하가 예상되는 시간으로 계산하며, 전자는 구열별 공기 부하가 되고 후자는 장치 (냉동기)부하가 된다.

표 3-28 냉난방부하 계산서

 

2. 장치부하의 계산

 단독실인 경우의 냉방부하는 그대로 공조기부하가 되지만 여러 실이 하나의 송풍계통으로 되는 경우에는 각 개실의 냉방부하의 합계가 그대로 공조기 또는 공조장치의 부하로 되지 않는다. 이것은 그 송풍계통(공조계통)의 부하가 최대로 되는 시간과 각 개실이 시간이 반드시 일치하지 않으며, SHF도 틀리고 각 개실의 현열비에서 얻을 수 있는 송풍상태점이 조금씩 달라지기 때문이다.

 따라서, 다수실을 하나의 공조계통으로 묶은 경우에는 그 장치부하를 별도로 다음 방법에 의하여 계산한다.

 ① 각 개실의 부하계산은 실내부하만을 계산하고 외기부하는 계산하지 않으며 대신 각 개실별 현열비를 계산한다. 이 현열비는 조금씩 다르므로 그 중에서 이 계통용으로서 하나를 선정해야 하며, 일반적으로 안전하게 가장 낮은 것을 채용한다. 그러나, 개중에는 다른 것과 동떨어지게 낮은 것이 있을 수 있으므로 그런 것은 제외시키는 것이 좋다. 그래서 그방에 대해서는 분기덕트 내에서 재열하고 그 열량을 샐내현열부하에 가산하여 현열비를 높게 해서 다른 것과 균형을 이루도록 한다.

 ②선정된 현열비에 의하여 선도상에 그은 상태선(SHF선)을 참고로 하여 적당한 송풍은 도차를 결정하여 장치로서의 냉각코일출구 공기의 온도와 습도를 구한다.

 ③ 송풍량계산식에 의하여 각 실별 송풍량을 산출하고 이것을 합계하여 이 계통의 송풍량으로 한다. 또한, 계통에서 필요한 도입외기량을 정하여 송풍량을 외기량과 환기량으로 구분한다.

 ④ 장치가 최대가 된다고 예상되는 계절과 시간을 정한다. 대개의 경우, 도입외기의 부하가 최대가 되는 여름철 오후 1∼3시로 하지만 각 실의 최고부하가 다른 계절이나 시간에 집중되어 있는 경우에는 주의를 요한다.

 ⑤ 다음 식에 의하여 환기와  외기가 각각 공조장치(냉각코일, 공기청정기)에서 처리되는 열량을 산출한다.

        QR=1.2 · QRA· (iRA-iC)〔kcal/h〕

        QO=1.2 · QOA·(iOA-ia)〔kcal/h〕

여기서,  QR : 환기에서 처리해야 할 열량〔kcal/h〕

           QRA : 환기량〔㎥/h〕

            iRA : 환기의 엔탈피〔kcal/kg'〕(일반적으로 실내의 엔탈피와 같다.)

             iC : 냉각코일출구상태의 엔탈피〔kcal/kg'〕(여기에서는 선정된 현열비와 송풍온도 차이에 의하여 선도상에서 얻어진 코일출구상태점에서 구한다).

           QO : 외기에서 처리해야 할 열량〔kcal/h〕

          QOA : 도입외기량〔㎥/h〕

          iOA : 도입외기의 엔탈피〔kcal/kg'〕

           ia : 실내공기의 엔탈피〔kcal/kg'〕

 ⑥ 이들 두가지 부하를 합계한 것이 장치부하이며, 보다 정확히 계산할 때에는 환기덕트의 열손실을 더한다.

열원부하로서는 패키지형 공조기는 그대로 선정해도 좋으나 냉수 또는 냉매를 멀리 반송해 오는 공조기인 경우 냉동기의 부하는 장치부하에 냉수배관에서의 침입열, 냉수순환펌프의 동력열 등 약5% 정도의 손실을 더한다.

 더욱 실내상대습도를 유지하기 위하여 냉각코일을 통과한 공기를 재열기에서 가열하면서 보내는 경우에는 가열량만큼 실내현열부에 가산하고 냉동기부하도 증가시킨다. 

출처 : 에너지기사
글쓴이 : 유호경 원글보기
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