열 부하 계산법

설비공학 분야에서 열부하 계산법은 공조 시스템의 설계 및 운영 계획에 필수적이며, 계산의 목적과 적용 조건에 따라 여러 유형으로 분류된다. 열 부하 계산법의 주요 분류는 계산이 적용되는 범위와 시간에 따른 변화를 기준으로 구분된다.

1. 목적 및 범위에 따른 열 부하 계산 종류

열 부하 계산은 실내 공간에서부터 건물 전체의 열원 공급 시스템까지 그 범위에 따라 세분화된다.

• 실부하 (Room Load): 실내에 침입하는 열량 또는 실내에서 발생하는 열량에 의한 부하를 의미하며, 이는 냉방부하와 난방부하로 구분된다. 실부하를 처리하기 위해 각 실의 피크 부하 시점에 필요한 급기 풍량을 산정한다.
• 공조기 부하 (Air Handling Unit Load): 실부하와 외기부하, 팬 발열, 덕트에서의 열취득 또는 열손실을 모두 합한 부하이다. 공조기 부하를 결정함으로써 공조 코일의 용량, 냉온수의 필요 유량, 가습장치의 용량 등을 결정하게 된다. 냉방 시 공조기 부하에는 실부하, 외기부하, 팬에서의 열취득, 덕트에서의 열취득, 트로퍼(troffer)에 의한 조명열부하, 그리고 재열부하가 포함된다.
• 열원 부하 (Heat Source Load): 공조기 부하와 펌프 발열, 배관으로부터의 열취득 또는 열손실을 합한 값이다. 이 부하를 기준으로 열원 기기(냉동기, 보일러 등)의 용량이나 대수를 최종적으로 결정한다. 축열조가 있는 경우, 배관, 냉동기, 펌프 등 구성 부재의 축열 부하를 추가로 고려할 수 있다.

2. 시간 의존성에 따른 열 부하 계산 종류

열부하를 계산할 때, 조건이 시간에 따라 변화하는지 여부에 따라 구분된다.

• 정상 열부하 계산 (Steady-State Heat Load Calculation): 외기온도나 일사량, 재실자, 조명 등의 조건이 일정하게 유지되어 열부하의 변화가 없는 상태를 가정하고 계산하는 방식이다.
• 비정상 열부하 계산 (Unsteady-State Heat Load Calculation): 외기온도, 일사량, 재실자, 조명 등의 조건이 시간에 따라 일정하지 않게 변화하는 상황을 고려하여 열부하를 계산하는 방식이다. 간헐 공조 시 건물 구조체에 열이 축열되었다가 운전 재개 시 실내 측 부하로 나타나는 축열 부하(예열부하, 예냉부하)는 비정상 열부하 계산을 통해 정확히 계산될 수 있다.

3. 목표 및 적용 범위에 따른 열 부하 계산 종류

열부하 계산의 주요 목표는 시스템 용량 산정 또는 에너지 소비량 예측으로 나뉜다.

• 최대 열부하 계산 (Maximum Heat Load Calculation): 주로 공조 시스템의 설계를 목적으로 수행된다. 기상 조건은 TAC(Technical Advisory Committee)와 같이 확률적인 위험률을 고려하여 엄격한 기준을 사용하며, 사람, 조명, 기기 등의 발열도 고려한다. 난방 부하 계산 시에는 난방 기간 중 최악의 조건을 기준으로 계산하는 최대 부하 계산법이 적용되며, 이때는 일사나 내부 발열 효과, 구조체의 축열 효과 등은 통상 무시한다.
• 연간 부하 계산 (Annual Load Calculation): 설계된 공조 시스템을 다양한 기상 조건하에서 운전할 경우 기기 작동이나 에너지 소비량을 예측하기 위해 수행된다. 이 계산에는 연평균 표준 기상 데이터를 이용하며 기기의 가동률을 고려한다.

열부하를 계산하기 위한 구체적인 알고리즘이나 방법론으로는 TETD/TA법, TFM법, CLTD/CLF법, Heat Balance(HB)법, 그리고 복사 시계열(RTS)법 등이 있으며, RTS법은 HB법을 간소화하여 최대 부하 계산에 적합하도록 개발되었다. 한국에서는 일본의 상당 온도차/축열 계수법과 미국의 CLTD/CLF 법을 사용한 수계산 방법이 주류였으며, 최근에는 HASP/ACLD나 DOE-2, 그리고 RTS-SAREK 프로그램 등이 활용되거나 도입되어 왔다.