스마트빌딩의 사전적 의미는 건축, 통신, 사무 자동화, 빌딩 자동화 등을 유기적으로 통합해 첨단서비스 기능을 제공하는 건물이다. 또한 경제성, 효율성, 쾌적성, 기능성, 신뢰성, 안전성 등을 추구한 빌딩이며 화재감시장치, 보안, 정보통신망 기능과 사무자동화 등 네트워크 통합 첨단건물로 불린다.

인체의 호흡기관은 공기덕트와 열교환기 기능을 가지고 있어 공조·환기 열회수 히트파이프 시스템과 닮아 있으며 심장은 펌프, 동맥은 공급관, 정맥은 환수관, 심장 박동은 펌프의 펌핑 속도 조절과 닮아 있다. 혈액 노폐물과 소변 농축 이물의 배출처리를 담당하는 신장은 수처리 계통의 필터링 시스템과 뇌와 척수의 중추신경계는 BAS(Building Automation System)와 BEMS(Building Energy Managiment System), 말초 감각 및 운동신경계는 각종 자동센서 기능과 뼈와 근육의 골격은 건물의 철골 또는 철근콘크리트 골조와, 피부와 지방은 건물 외피 또는 단열재와 많이 닮아 있다. 

하지만 건물을 구성하는 여러 다른 분야와 발전해가는 거주 환경인프라에 비해 이용자의 요구수준에 아직 부응하지 못하고 있으며 다양한 니즈의 건물 이용자는 만족하지 못하고 있다.

스마트빌딩 미래연구소는 최근 오픈한 분당제생병원 신관에 K-Smart HVAC Air-Water 시스템을 적용했다. 이번 설치 사례와 같은 병원은 환자, 보호자, 의료진 등 다양한 니즈에 맞는 환경제공이 필요하다. 환자의 체질과 건강·심리상태, 활동과 취침 등에 따라 니즈가 다르고 특화된 다양한 수술 및 검사, 진료행위에 따라 의료진의 니즈도 다양하다. 

또한 이용자 측면에서의 좀 더 나은 혁신적인 시스템 적용과 에너지비용 측면에서도 병원의 경우 냉난방공조부문이 절반 이상 차지하고 있어 에너지비용 절감 및 저탄소에 대한 친환경 해법까지 해결해야 한다. 

K-Smart HVAC Air-Water 시스템은 에어빔과 칠드빔시스템이 결합된 시스템이다. 에어빔은 공기의 열전달 특성 중 대류 및 유인작용을 이용해 냉각 또는 가열해 거주공간의 쾌적성과 에너지절감을 동시에 만족시킬 수 있도록 고안된 시스템이다. 전 공기방식에 비해 냉온수를 거주공간에 직접 공급함으로써 쾌적성은 향상시키고 반송동력은 절감해 ‘두 마리 토끼’를 잡는 방식이다.

칠드빔의 개발 역사를 보면 1980년대 이전부터 거주공간내 컴퓨터 사용으로 인한 기기부하, 즉 열제거가 필요하게 돼 칠드씰링 형태로 등장했으며 이후 복사빔으로 개발됐다. 그러나 장비 현열부하 증가와 부적절한 근접 주변 냉각 등 추가적인 기술개발 필요성이 대두돼 마침내 현재 사용 중인 엑티브 에어빔 형태로 개발됐다. 이는 거주공간의 점유자 밀도와 현열부하 증가, 실별 부하특성과 사용자 니즈의 다양성 등을 충족시킬 수 있는 냉난방과 환기장치가 경제적으로 융·결합되는 형태로 발전했다. 

복사빔과 에어빔으로 혁신 개발되는 과정에서 보면 복사빔은 급기 환기 디퓨저를 별도로 설치해야 하며 빔 수량도 너무 많아져 실용성이 부족하다. 이에 대한 개선 동기로 현재의 에어빔 형태로 개발돼 전외기 공조기와 결합돼 유인환기 효율이 크고 및 균일한 온도 분포로 냉난방 효과를 증대시킨다. 부하특성이 다양한 빌딩의 사용자 니즈에 맞게 개별 온도조절기능이 부가돼 재실자의 쾌적한 공조환경 만족도 향상이 기대된다. 

또한 부하분산 처리방식 및 변풍량 연동제어의 이점으로, 최적화 운영이 가능해 반송동력과 에너지절감을 꾀할 수 있으며 저탄소 글로벌이슈에도 기여할 수 있다.

에어빔 유인환기 구조를 자세히 살펴보면 이전 제품보다 더 낮은 압력 손실, 즉 요구 풍압으로 적용하기 위해 노즐 크기와 모양이 개발됐으며 냉난방 부하를 분산하고 각 실별 공간별 개별제어가 가능토록 빔내부에 열교환 코일이 내장됐다. 2Pipe와 4Pipe 시스템으로 개발돼 환절기 주·야 일교차가 큰 곳에서는 낮에는 냉방을, 밤에는 난방을 할 수 있다. 또한 동시간대이지만 빌딩 내 각각의 공간에서 냉방과 난방이 동시에 필요할 때는 4Pipe시스템을 선택해 사용할 수 있다. 

에어빔 구조 중 기본사양인 드레인 팬이 없는 건식코일 빔과 드레인 팬이 있는 습식코일 빔으로 개발돼 있어 부하특성 및 처리조건에 따라 선택할 수 있다. 에어빔의 냉방운전 시 결로방지를 위해서는 △외기 이슬점 기준으로 별도의 빔 전용 열교환기를 설치해서 냉수 온도를 조절하는 방식 △구역별로 온·습도센서와 냉수배관 계통에 3Way 밸브를 설치해 냉수온도를 조절하는 방식 등이 있다.

분당제생병원 신관에 적용된 습도센서 오버라이드 방식은 냉수배관 표면에 센서를 설치하지 않고 빔 코일에 직접 설치해 설치 및 점검이 용이하며 2Way 밸브와 결로방지 제어시스템을 통해 냉수 공급량을 조절할 수 있다. 결로방지 제어시스템이 잘 작동되는지 지난 7~8월 장마철에 현장 모니터링과 데이터분석을 통해 완벽하게 구현되는 것을 검증했다.

지난 7월 오픈한 분당제생병원 신관은 4층 건물로 인공신장센터, 국제진료센터, 종합검진센터 등이 새로 단장된 쾌적한 진료환경에서 의료진들이 환자를 진료하고 돌보고 있다. 신관 각 층 진료공간마다 쾌적한 공조환경을 위해 K-Smart Air BEAM과 스월디퓨져가 설치·운용되고 있어 기존 FCU나 에어컨 가동 시 느낀 저온 체감과 팬소음 불편도 없으며 무풍과 쾌적 체감의 좋은 진료환경에서 의료진과 내원객 모두 만족하고 있다. 

병원뿐만 아니라 사람이 거주하는 다양한 공간(호텔, 오피스텔, 아파트, 주택, 학교, 산업현장 등)에서 요구되는 쾌적한 공조환경은 건강한 업무공간, 생활공간과 휴식 및 수면환경을 필요로 한다. 기존 에어컨과 같은 냉방기의 특성은 빠른 냉난방 요구온도 도달 후 저온 체감으로 인한 불편과 소음 등 개선의 니즈가 있지만 적극적인 개선 솔루션이 제공되지 못하고 있는 실정이다. 

컴포트 공조시스템의 일반적인 기준을 보면 실내 온도분포는 ±0.5K, 공기속도는 0.3m/s, 소음은 30dB 이하여야 좋으며 연중 깨끗한 공기로 환기가 되며 에너지절감기능도 가능하면 갖춰야 한다. 

그러나 기존 주거공조환경을 보면 에어컨이나 FCU를 통해 높은 공기속도와 큰 온도 차이, 팬 가동 소음 등 업무 및 휴식과 숙면에 방해가 되는 요인이 많으며 대부분 하절기 냉방용으로만 사용하는 등 투자비대비 사용률이 저하되고 있다. 

기존 에어컨과 컴포트 에어빔을 실내 온도 및 기류분포로 비교해 보면 낮은 온도차와 풍속 및 균일한 온도분포에서 확실한 차이가 난다. 에어빔을 침실에 설치한 사례를 보면 저속의 부드러운 풍속과 기류, 무소음과 균일한 온도분포, 충분한 신선 공기공급으로 최적의 수면환경을 제공할 수 있으며 인테리어와도 조화가 잘 이뤄진다. 

최근 스마트빌딩 미래연구소는 대단위 주거단지의 냉난방공조방식을 중앙공급 바닥난방에 세대별 에어컨과 환기유닛으로 계획돼 있던 시스템을 중앙공급 냉난방열원을 친환경 지열히트펌프를 이용하고 세대별 환기유닛(열회수 히트파이프 내장)에 에어빔과 트렌치로 구성해 쾌적한 주거환경 제공과 함께 에너지절감도 혁신 K-Smart HVAC 솔루션을 제안하고 있다.

빌딩이나 산업체 공정 등에서 발생하는 냉난방부하를 처리하는 전통적인 방식에 있어 공조기와 덕트를 이용해 환기와 냉난방을 담당하고 있다. 많은 부하를 처리하려면 대형 공조기에 송풍기와 덕트를 사용하고 있는데 부하처리 방식 중 하나인 Air-Water System으로 분산처리하면 건축 점유공간 및 공사비와 반송동력이 감소되고 쾌적한 공조서비스와 운영비용도 절감할 수 있다. 스마트빌딩 미래연구소에서 권장하는 ‘Air for the People, Water for the Load’, 즉 공기는 사람에게 필요한 만큼만 쓰고 부하는 수방식으로 담당하는 것이 지구온난화로 인한 저탄소 및 최적 공조시스템의 첫 걸음이라는 것이다. 

최근 제안해 설계 중인 초대형 복합개발 프로젝트 사례를 보면 공조기와 천장매입형 FCU로 돼 있던 시스템에서 외조기와 에어빔으로 외주부는 트렌치로 혁신 공조설비로 제안해 건축 층고 점유도 최소화하고 국내 최고 수준의 Sustainable Green Building 구축 목표에 부합한 미래 지향적인 랜드마크 스마트빌딩이 되도록 설계를 진행하고 있다.

부하분산장치 중 하나인 에어빔의 성능 데이터는 외조기에서 공급되는 1차 공기량 200CMH에 냉수온도는 16~19℃, 온수온도는 50~40℃로 냉방용량 1.6kW와 난방용량 2.7kW로 냉난방하고 공조담당 기류반경은 5.6m, 수직도달거리는 3.0m, 기류속도는 0.35m/s, 소음은 37dB(A)로 사무실 허용기준 45dB(A) 이내로 쾌적한 환경을 제공할 수 있다.

에어빔 제어는 냉난방모드와 온도조절은 물론 모션센서가 부착돼 부재 시 최소화 기능과 독립형 VAV 변풍량 제어가 부하변동에 따라 해당 공조기와 연동해 에너지 최적화 운전이 가능하며 스마트폰 앱으로 사용자가 편리하게 조절할 수 있도록 개발돼 있다. 

변풍량 제어에 필수적인 VAV 댐퍼 경우 기존의 벤추리 댐퍼의 현장설치 제약조건과 과다한 압력손실을 개선한 특화된 VAV댐퍼가 개발돼 직관거리가 불필요하며 제한된 천장공간에서 다양한 접속 형태가 가능하다. 압력손실이 최소화되며 유지보수가 거의 필요하지 않다. 

에어빔이 설치되는 냉난방공조시스템의 전체 계통도를 보면 보일러와 냉동기로부터 냉난방 열원을 공급받아 각 건물별 구역과 실별로 환기와 부하를 담당하는 공조기와 에어빔 사이에 각종 콘트롤과 제어계통이 최적화된 프로그램으로 제공되고 있어 높은 신뢰성을 기반으로 안정적으로 운전된다. 엑티브 빔시스템을 구성하기 위해선 여러 구성품이 필요하며 다양한 건물의 조건에 맞게 시스템이 구현될 수 있도록 준비돼 있다.

환자가 병원에서 가장 긴 시간을 체험하게 되는 입원 병실은 공조의 중요성이 더욱 커진다. 병상 생활에 대해 설문조사를 해보면 다인실의 경우 공조환경에 대해 다수가 불편을 겪는 것으로 나타났다.  

기존 중앙공조기에서 공급받는 급기구와 외주부용 FCU가 대부분인데 병상별 환자가 느끼는 체감 불편(온도, 기류, 소음, 냄새 등)에 대한 획기적인 개선이 필요한 것이다. 개선 방안은 병상별로 에어빔을 설치하고 환자 개인별로 조절하는 시스템이 최적이다. 환자 개인별로 느끼는 여러 가지 질환이나 심리상태 또는 개인별 니즈에 따라 선택 조절할 수 있도록 해 최적의 치유공간을 서비스할 수 있다. 

각 병상별로 K-Smart Air BEAM을 설치해서 환기와 냉방·난방을 스마트폰 앱으로 선택, 조절할 수 있으며 부가적인 효과로 병상 환자별 공기 교차오염을 최소화하고 배변이나 관장 시 발생되는 냄새를 탈취하는 기능도 추가할 수 있다.

최근 스마트빌딩 미래연구소에 의뢰받은 의료시설 프로젝트의 경우 중앙공조 급·환기와 EHP로 냉난방하는 컨셉이었다. 소규모 의원급 의료기관에서 쉽게 선택할 수 있는 방법이지만 EHP 고유의 열적특성인 저온 체감냉방으로 인한 불편과 일명 ‘냉방병’ 등 부작용이 발생하고 있었다. 이를 개선하기 위한 방안으로 워터칠러 공랭식 냉동기에 에어빔을 결합해 쾌적한 진료환경이 구현되도록 제안한 사례가 있다. 

이러한 혁신적인 K-Smart HVAC 솔루션을 통해 다양한 거주공간의 쾌적한 공조환경을 조성하고 더 많은 전문가와 함께 협업을 통해 글로벌 이슈인 저탄소 목표에도 기여할 수 있다. 특히 찾아가는 K-스마트 HVAC 아카데미 운영을 통해 스마트빌딩의 발전적인 미래를 만들어 가고자 한다.