공기조화설비(기초)⑦팬코일유닛방식

각 실별 설치 가능…병원, 호텔, 오피스텔 등 다수실 건물에 널리 채택

공사비 절감·배관 공간 확보에 유리…외기도입 등 문제 해결이 숙제

전수방식은 실내에 설치되어 있는 공조장치에 열매로 냉온수를 공급해 실내 온도 조절을 하는 방식으로서 국내에서는 팬코일유닛(FCU: Fan Coil Unit)방식이 가장 많이 채택되고 있다.일반적으로 수방식은 중앙기계실과 각 개소에 설치되어 있는 팬코일유닛 사이에 배관으로만 연결되어 있어 전공기방식에서의 덕트 설치를 위한 공간이 불필요하고 기타 공조방식에 비해 설치비도 저렴하다. 중앙방식임에도 불구하고 각 기기별 개별제어가 가능하다는 장점이 있는 방식이다. 그러나 정밀제어가 어렵고 외기 도입의 문제점 등으로 인하여 적용 시에는 충분한 검토가 이뤄져야 한다. 본고에서는 중앙방식이지만 개별제어가 가능하고 저렴한 초기투자비 등의 이점으로 인해 널리 채택되고 있는 팬코일유닛방식의 기본적 구성과 특징, 장단점 등을 소개하고자 한다. /편집자 주

◇ 팬코일유닛의 내부 기기 구성

팬코일유닛은 [그림 1]에 나타낸 바와 같이 일체의 케이싱 내에 소형의 송풍기와 코일을 내장시킨 소형의 실내형 공기조화기이며, 그 구성은 송풍기, 전동기, 냉온수 겸용 코일, 공기여과기, 응축수받이판, 케이싱 등으로 구성돼 있다. FCU를 구성하는 송풍기로는 다익송풍기 또는 관류송풍기로서 전동기 축에 직결되어 있는 것이 많이 사용되며, 전동기의 회전수를 바꾸어 주는 스위치의 작동에 의해 수동으로 풍량을 바꿀 수 있다.

냉온수코일은 냉온수 겸용으로서 냉동기로부터 냉수를 통함에 의해 냉각코일로 되고, 보일러로부터의 온수를 통하는 것에 의해 가열코일로 된다. 또한 공기여과기는 간단한 건식필터가 사용되며, 이것은 실내의 분진을 제거하고 코일면의 막힘 방지와 공기의 정화를 하고 있다.

◇ 팬코일유닛방식의 시스템 구성

팬코일유닛 시스템은 각 실에 팬코일 유닛을 설치하고 열원기기에서 냉수·온수를 각 실 유닛으로 공급하고 개별 유닛에서는 송풍기로 실내공기를 순환시켜 실내를 냉·난방하는 방식이다. [그림 2]에서 실내에 설치하는 팬 코일 유닛을 보여준다. 팬에 의하여 화살표 방향으로 실내 공기가 흡입되고 냉각 또는 가열 코일을 거쳐 다시 실내로 취출된다. 따라서 [그림 3]에 나타낸 바와 같이 공기선도 상에서는 냉방 및 난방모드에서 실내공기만 순환하는 형태로 표시된다.

◇ 팬코일유닛방식의 설치 시 고려 사항

팬코일 유닛의 개략적인 기능은 이미 전술한 바와 같이 실내에 기기를 두고 유닛 내에 있는 에어필터를 통하여 흡입된 실내 공기를 냉각 또는 가열 코일을 통하여 다시 실내로 취출하여 실내를 적정온도로 유지시키는 것이다. 그러나 팬코일유닛 시스템만으로는 신선한 공기를 도입하는데 문제가 있으므로 외기도입용 시스템을 병용하여 설치하는 경우도 있다. 그러나 결로, 겨울철 동결 등의 해결이 어려워 일반적으로 건물의 외주부(Perimeter zone)에는 팬코일 유닛 방식, 내주부(Interior zone)에는 턱트 병용 팬코일 시스템을 채용하는 경우도 많다.

외주부에서 발생한 냉방 부하 중 조명이나 인체 발열 등의 내부 발생열은 내주부 부하와 함께 덕트 계통에서 취급하게 하고, 팬코일 유닛에서는 외벽이나 유리창을 통한 관류열이나 복사열에 의한 부하(Skin load)만을 분담하게 한다.

◇ 기기의 선정 및 수온과 유량 설계

팬코일 유닛의 선정은 단일 덕트의 경우와 마찬가지로 유닛이 담당하게 되는 최대 냉방부하의 현열성분과 송풍온도차에 의해 송풍량을 결정하고, 이에 따라 적합한 유닛을 선정하면 된다.

이때 송풍온도차는 일반적으로 10℃ 정도로 하며, 냉방부하에 비하여 난방부하가 큰 실에서는 난방시의 송풍 온도차에 의해 송풍량을 결정하기도 한다. 팬코일 유닛은 일정한 규격의 표준제품이 생산되고 있으므로 풍량에 따라 알맞은 제품을 선정하여 사용한다.

팬코일유닛에 공급되는 유량은 냉방 시를 기준으로 하여 냉방부하와 냉수 공급온도로부터 구한다. 냉방 시 팬코일 유닛에서는 공기의 냉각과 동시에 감습도 발생하므로 현열량과 전열량의 비율(현열비)을 검토해야 한다. 이것은 냉수코일의 구조 등에 따라서 다르므로 사용하는 팬코일 유닛의 특성을 파악하여 실의 현열부하를 유닛의 현열제거량으로 감당할 수 있도록 결정한다.

쾌적용 공조에서는 실내 습도의 허용 범위가 상당히 넓으므로 현열만을 취급하고 잠열을 무시하는 것도 무방하다. 냉수의 온도는 보통 6~8℃이지만 팬코일 유닛이 스킨부하(Skin load)만을 취급하는 경우에는 잠열부하로써 틈새바람에 의한 잠열성분만을 고려하게 되므로 냉수온도를 9~10℃정도로 높게 설정하기도 한다.

그러나 냉수온도를 높게 설정하면 냉수량이 증가하게 되고 따라서 관경이 커지게 되므로 이에 대한 경제성을 검토하여 적정 냉수온도를 결정하는 것이 바람직하다.

◇ 팬코일유닛방식의 배관 방식 및 온도조절

팬코일유닛 시스템의 배관방식에는 2관식, 3관식, 4관식이 있다. 열원장치에서 하나의 공급관을 통하여 난방 시에는 온수, 냉방 시에는 냉수를 유닛에 공급하며 환수관을 통하여 냉수 또는 온수를 열원장치로 되돌리는 것을 공급관 1개, 환수관 1개라는 의미에서 2관식이라 한다.

2관식은 경제적이긴 하나 열부하에 대응하여 실내 조건을 적절히 제어하기에는 한계가 있다. 열부하에 대응하여 냉수, 온수를 항상 공급할 수 있도록 각각에 대하여 별도의 배관을 설치한 것이 3관식, 4관식이다.

4관식은 공급관 뿐만 아니라 환수관도 냉수, 온수를 별도로 설치한 방식이고, 3관식은 환수관은 하나로 하여 냉수, 온수를 혼합시킨 방식이다. 3관식은 냉수와 온수의 혼합에 의한 혼합손실(Mixing loss)이 발생하므로 에너지 절약측면에서는 바람직하지 못하여 최근에는 거의 사용되지 않고 있다.

팬코일유닛의 배관은 유닛별로 또는 몇 개의 유닛을 하나의 존으로 하여 자동제어 할 수 있으며 실내 또는 팬코일 유닛 내부에 부착된 자동온도조절(Thermostat)에 의해서 팬을 작동시키고 냉온수용밸브를 개폐시킬 수 있다. 그러나 일반적으로 팬의 속도는 수동으로 조작하고 공급수량만을 자동으로 조절하는 경우가 많다.

◇ 지역열원을 이용하는 경우와 외기도입 병용형 시스템

국내에서는 집단에너지 공급시설로부터 온수를 공급받아 냉난방을 실시하여야 하는 지역이 고시되어 있다. [그림 4]에 나타낸 바와 같이 여름철 중온수흡수식 냉동기를 이용하여 냉수를 생산하고 이를 냉방용 열매로 이용하며, 겨울철에는 열교환기를 이용하여 생산된 온수를 난방용 열매로 이용한다.

이 경우 각 개별제어가 가능하며 중앙식인 시스템으로서는 팬코일유닛방식이 적절한 대안으로 인식될 수 있다. 설치된 외관상으로는 멀티에어컨 실내기와 동일하므로 구분이 어렵고 실외기 대신 옥상에 설치된 냉각탑의 유무로 유추해 볼 수 있다.

국내에서는 동파 및 분진 등의 문제를 고려하여 실질적 외기도입형이 사용되는 경우는 그다지 많지 않다. 전술한 바와 같이 팬코일유닛 방식은 기본적으로 실내공기의 재순환을 통하여 제어를 실시하므로 실내공기환경 유지를 위한 외기도입의 필요성이 중요한 문제로 대두되고 있다. 이에 대한 대안으로서 [그림 5]에 나타낸 바와 같이 환기유닛을 병용하는 방식이 널리 채택되고 있다.

◇ 팬코일유닛방식의 장단점과 적용 건물

팬코일유닛방식의 장점으로서는 유닛별 또는 그룹별로 단독 운전이 가능하므로 개별제어 또는 존제어를 간단히 할 수 있으며 장래에 부하가 늘어나는 경우에 대하여서 팬코일 유닛의 증설로 비교적 쉽게 대응할 수 있고 특히 수배관의 설치로 인하여 설치공간이 절약되는 것이다. 무엇보다도 전공기방식에 비해 낮은 초기투자비가 대표적 장점이라 할 수 있다.

그러나 수배관의 설치로 인한 누수 우려, 각 개소에 산재되어 있는 유닛의 유지관리 문제 및 외기도입 문제 등은 대표적 단점이라 할 수 있다. 그럼에도 불구하고 전술한 바와 같은 여러 가지 장점 때문에 많은 건축물에서 폭넓게 사용되고 있다.