서 론
한국교회는 1900년대 초에 조직화되기 시작했으 며 100년이 지난 지금에는 기독교 신자가 861만 명 이 될 정도로 급속한 발전을 해왔다. 이때부터 지어 지기 시작한 교회 건축물들은 예배를 위한 장소뿐 만 아니라 음악, 연극 등 공연활동의 무대로도 활용 되어 왔으며 지역 사회 교류를 위한 커뮤니티 공간 으로도 활용되었다. 이런 배경을 바탕으로 최근에 전도를 통한 더 많은 기독교 신자 흡수와 다양한 문 화교류 프로그램을 수용하기 위해 대형 교회 건축 물들이 지어졌으며 이런 대형 교회 건축물들은 예 배 공간뿐만 아니라 업무시설, 복지시설, 커뮤니티 시설 등을 다양하게 갖추고 있어 외형적으로는 종 교건축물의 상징성을 가지고 있지만, 기능적으로는 현대의 대형 건축물처럼 복합건축물의 특징을 가지 고 있다.
최근에 준공한 사랑의교회도 이러한 대형화, 복 합화된 교회 건축물 중 하나로 6,500석의 대형 예배 공간과 문화공연을 위한 아트홀, 업무시설, 교육시설 등 다양한 용도의 시설로 구성되어 있다.
이에 본고에서는 에너지소비가 많은 대공간의 쾌적한 환경조성, 복합적 시설의 안정적인 유지관리 및 관리비 절감을 고려한 에너지절약 시스템 등에 대해 사랑의교회에 적용된 설계 사례를 통해 열원설 비 및 공조설비를 중심으로 소개하고자 한다.
홍 재 봉 (주)삼원엠이씨 (jni800@nate.com)
사랑의 교회 설계사례
[그림 1] 조감도
건축개요
서초구 반포대로 121에 위치한 사랑의교회는 지 하에 6,500명이 예배를 볼 수 있는 본당과 문화 공 연 등을 할 수 있는 600석의 아트홀이 있으며 부속 시설로 성가대 연습실 및 스튜디오가 있다. 지상층 은 남측 타워와 북측타워 2개동으로 나뉘어져 있으 며, 북측타워는 주로 업무시설과 교육시설로 구성되 어 있고, 국제회의장으로 사용할 수 있는 대회의실 을 포함하고 있다. 남측타워는 소규모 그룹 활동 및 예배 활동을 할 수 있는 가변적인 공간으로 구성되 어 있으며 식당, 도서관, 서점 등을 포함하고 있다.
건축개요는 표 1과 같다.
설계 기본방향
사랑의교회는 건물의 다양한 기능과 프로그램 을 원활히 수행할 수 있도록 건물 용도에 맞는 첨단 공조방식을 적용하여 건물 기능을 향상하고 가변성 에 대응할 수 있도록 했으며 무엇보다 에너지절약적 인 설계 시스템에 초점을 맞춰 시대를 대표하는 종 교 건축물이 될 수 있도록 노력하였다.
기계설비 시스템 계획
열원 시스템 계획
열원 시스템 선정 시 고려사항
1) 교회 운영 시간 및 요일에 따라 부분부하가 발생 하므로 부분부하에 대한 대책을 강구하여 운전 효율을 높이고 에너지를 절감할 수 있는 방법을 고려하였다.
- 열원 장비 및 펌프를 3대로 분할하여 부하에 따라 장비를 순차적으로 운전할 수 있도록 계 획하였다.
- 야간 및 새벽에 발생하는 부분부하에 대응하 기 위해 인버터 콘덴싱 보일러를 적용하고 난 방 순환펌프는 인버터제어로 부분부하에 대 응할 수 있도록 계획하였다.
- 냉온수 대온도차 시스템 적용으로 냉온수 순환량을 줄여 반송동력을 절감할 수 있도 록 계획하였다.(냉수 : Δt 8℃(6 → 14)℃/온수 : Δt 20℃(80 → 60)℃)
2) 건물 방위에 따라 냉 ·난방 부하 편차가 발생하 므로 부하에 신속하게 대응하고 안정적으로 냉 · 난방을 유지할 수 있는 방법을 고려하였다.
- 컨벡터 계통은 방위에 따라 남동 및 북서방향 으로 분리하여 방위별 부하 특성에 대응할 수 있도록 계획하였다.
- 부하에 대한 추종이 빠른 터보냉동기를 적용 하여 냉방부하 변화에 신속하게 대응할 수 있 도록 계획하였다.
- 공조기 및 터미널 유닛에 유량 제어성능이 우 수한 압력독립식 다기능 복합밸브를 적용하여 부하변동에 안정적으로 대응할 수 있도록 계 획하였다.
3) 단순하고 안정적인 열원 시스템을 적용하여 유지 관리성 및 제어성을 향상하고 초기 투자비를 절 감할 수 있도록 고려하였다.
<표 1> 건축개요
사 업 명 사랑의교회 신축공사
대지위치 서울특별시 서초구 반포대로 121
지역, 지구, 구역 준주거지역 / 지구단위계획구역 /주차장 설치제한구역
용 도 종교시설 대지면적 6,782.8㎡
건축면적 3,117.3㎡
연 면 적 66,385.2㎡
구 조 철근콘크리트조, 철골조
규 모 지하 8층, 지상 8층(북측타워) 및 14층
(남측타워)
- 냉수 순환펌프는 대수제어시 발생되는 유량 불균형 문제를 해결하기 위해 인버터제어로 정밀하게 유량을 제어하고 반송동력을 절감 할 수 있도록 계획하였다.
- 펌프, 냉동기, 냉각탑은 일대일방식으로 계획 하여 제어성을 향상하고 냉각수 유량의 불균 형이 발생하지 않도록 계획하였다.
열원 설비 용량
계통별 특성을 고려한 열원설비의 구성은 표 2 와 같다.
냉열원 시스템 운전계획
열원 시스템 선정 시 고려사항을 반영한 냉열원 설비의 구성은 그림 2와 같다.
냉열원 제어 방식
1) 냉방을 시작하면 냉동기에서 생산된 냉수를 헤더를 통해 냉방이 필요한 장소에 공급한다.
2) 냉각수 공급라인에 설치된 온도검출기의 냉각 수 검출온도에 따라 냉각탑의 팬을 기동/정지 하여 냉각수 온도를 일정하게 유지시킨다.
3) 냉수 환수 배관에 설치된 온도검출기 및 유량 계의 검출 값에 의해 부하량을 측정하며 부하 변동에 따라 냉동기 및 냉수 순환펌프를 대수 제어한다.
4) 냉수 순환펌프는 대수제어 운전 시 냉동기에 서 요구되는 정유량을 공급하기 위해 인버터 제어를 하여 반송동력을 절감하고 냉동기가 최적운전이 될 수 있도록 한다.
5) 차압조절밸브의 설정차압은 배관 말단부 압력 검출기에 의해 검출되는 차압 범위보다 높게 설정하여 냉수 순환펌프 인버터 제어 시 방해 가 되지 않도록 구성하며 과도한 차압 발생 시 에만 동작하여 수배관 시스템의 안정성을 유 지 시켜준다.
냉수 순환펌프의 인버터제어
냉수 순환펌프는 대수제 어 운전 시 계통내의 양정 변 화에 의해 필요유량보다 많은 유량이 공급되는 펌프의 병렬 운전 특성이 발생하게 된다. 이 러한 현상은 순환펌프의 소비 동력을 불필요하게 증가시키 고 정유량 특성의 냉동기에 과 다한 유량을 공급하여 냉동기 의 운전성능을 저하시키는 요 인이 되므로 순환펌프를 회전 수제어 하여 이러한 문제를 해 결하고 반송동력을 절감할 수
<표 2> 냉열원 장비 용량
구 분 장 비 명 용 량 수 량 냉온수 입출구 온도
냉열원 터보냉동기 800 USRt 3 입구 : 14℃/
출구 : 6℃
온열원 노통연관
보일러 4,000 kg/h 3 입구 : 80℃/
출구 : 60℃
[그림 2] 냉열원 시스템 흐름도
있도록 계획하였다.
냉수 순환펌프 인버터제어 시 펌프 성능곡선 변 화는 그림 3과 같다
1) 동일양정에서 각각의 펌프가 담당하는 유량 은 동일하다.
2) 부하변동에 따라 펌프를 대수제어 운전을 하 면 필요한 유량보다 약 1.5배 증가한다.
3) 인버터 제어를 통해 필요한 유량에 맞게 펌프 의 회전수를 제어하여 냉수를 공급하다.
온열원 시스템 운전계획
열원 시스템 선정시 고려사항을 반영한 온열원 설비의 구성은 그림 4와 같다.
온열원 제어 방식
1) 난방을 시작하면 증기보일러에서 생산된 증기 로 열교환하여 온수를 만들고 난방이 필요한 장소에 공급한다.
2) 난방 온수 공급 배관에 설치된 온도검출기의 검 출온도에 의해 난방제어밸브를 비례제어하여 온수공급온도를 일정하게 유지시킨다.
3) 난방제어밸브는 외기온도와 온수 공급온도의 설정치 편차에 따라 외기온도 보상제어를 한다.
4) 온수 순환펌프는 온수배관 말단에 설치된 배 관용 압력 검출기의 검출차압에 따라 인버터 제어를 하여 에너지를 절감시킨다.
5) 온수 환수 배관에 설치된 온도검출기 및 유량 계의 검출 값에 의해 부하량을 측정하며 부하
[그림 3] 냉수 순환펌프 인버터 제어시 펌프 성능곡선 변화
[그림 4] 온열원 시스템 흐름도
변동에 따라 보일러 및 난방순환 펌프를 대수 제어한다.
6) 차압조절밸브의 설정차압은 배관 말단부 압 력검출기에 의해 검출되는 차압 범위보다 높 게 설정하여 온수 순환펌프 인버터 제어시 방 해가 되지 않도록 구성하며 과도한 차압 발생 시에만 동작하여 수배관 시스템의 안정성을 유지 시켜준다.
공조 시스템 계획
본당은 그림 5와 같이 바닥 급기와 상부 배기에 의한 거주역 공조를 적용하여 쾌적한 실내환경을 조 성하였고, 온도 성층화에 의한 공조 불균형을 해결하
기 위해 하부층 객석과 상부층 객석의 공조계통을 분리하여 계획하였다. 그리고 많은 외기 도입에 따 른 냉 ·난방 부하 손실을 방지하기 위해 전열교환기 를 설치하여 배기열을 회수했으며, 공조기 조닝을 세 분화하여 교회 운영계획에 따라 공조기가 에너지 절 약적으로 운전될 수 있도록 계획하였다.
소규모 예배실은 그림 6과 같이 변풍량 단일덕 트 방식을 적용했으며 시간에 따른 재실인원에 의한 인체부하 변화에 대응할 수 있도록 계획하였다.
지상층의 주일학교 및 일반실은 그림 7과 같이 VAV 유닛에 의한 변풍량 단일덕트 방식을 적용했으 며 외주부에 컨벡터를 설치하여 콜드드래프트를 방 지하고 컨벡터를 방위별로 제어하여 실내 온도 편차
대규모 예배시 공조기 운전계획
성가대 연습시 공조 운전계획 소규모 예배시 공조기 운전계획
[그림 5] 본당 공조방식
가 발생하지 않도록 계획하였다.
놀이방 및 유아실은 그림 8과 같이 정풍량 단일 덕트 방식과 초절전 전기온수난방을 적용하여 쾌적 한 온열환경을 유지할 수 있도록 계획하였다.
휴게실 및 복도 계통은 그림 9와 같이 정풍량 단일덕트 방식을 적용하여 충분한 환기성능을 유지 했으며, 휴게실 비사용시 CAV 유닛을 ON/OFF제어 하여 불필요한 냉 ·난방에 의한 에너지손실을 방지 할 수 있도록 계획하였다.
스튜디오 계통은 그림 10과 같이 정풍량 단 일덕트 방식을 적용했으며 실내 소음을 NC 25dB 이하로 유지하기 위해 흡음라이닝덕트, 소음기, 3-ELBOW 덕트 등을 설치하였고 에너지절감을 위 해 CAV 유닛 ON/OFF 제어로 스튜디오가 개별적으 로 제어될 수 있도록 반영하였다.
위생설비 계획
수자원 절감을 위해 그림 11과 같이 넓은 옥상
을 이용하여 집수된 우수를 조경용수 및 청소용수 로 재사용하고, 절수형 위생기구를 적용하여 수자 원을 절감하였다.
자동제어 시스템 계획
운영 및 관리의 효율성 향상을 위해 그림 12와 같이 통합 SI 및 FMS 시스템을 적용했으며, EMS(에 너지 관리 시스템)을 적용하여 에너지절감 효과를 향상하였다.
에너지절약 시스템 계획
냉 ·난방 부하 및 급탕부하 저감을 위해 적용된 에너지절약 시스템을 그림 13에 나타내었다. 외기 부하 비중이 많은 건물 특성을 고려하여 신선외기 도입이 많은 본당용 공조기에 배기열 회수 시스템을 적용했으며, IAQ 댐퍼 적용을 통한 외기량 제어로 실내공기질을 쾌적하게 유지하고 에너지 손실을 최 소화할 수 있도록 계획하였다. 그리고 보일러 폐열
[그림 6] 지하층 소규모 예배실 공조방식 [그림 7] 지상층 주일학교 및 일반실 공조방식
[그림 8] 놀이방 및 유아실 공조방식 [그림 9] 휴게실 및 복도 공조방식
공조실 방음방진 계획 스튜디오 공조소음 차단 계획 [그림 10] 스튜디오 계통 공조방식
우수 재활용 시스템 절수형 위생기구 적용
[그림 11] 수자원 절감계획
Application
Server 네트워크관리
Wed 사용자 Interface Embedded
Control Server 통합된
프로그래밍 환경
통합 SI 시스템
설비분석관리
FMS EMS
운영자관리
사용관리에너지 정복전제어
최대수요전력관리
스케쥴타임 패턴 제어 제어 외기보상제어 작업관리
분석결과표시 구매관리자재/
장비이력관리 시설관리
에너지관리
