바닥공조시스템(UFAD: Under Floor Air Distribution)은 건물의 냉방과 난방을 담당하는 공조시스템의 한 종류이며 과거 전산실 등에 주요 장비 또는 기기의 운전조건 유지 목적으로 실치됐다. 바닥공조시스템은 공기조화시 건물 내부의 공기흐름을 바닥을 통해 공급해 공조하는 방식으로 전통적인 천장공조방식 또는 천정덕트방식(CBAD: Ceiling Based Air Distribution System)을 대체할 수 있는 새로운 시스템으로 평가받고 있다.

 

바닥공조(UFAD: Underfloor Air Distribution System)시스템은 ASHRAE UFAD GUIDE 2013에 따르면 Access Floor 바닥에 설치된 바닥 디퓨져 등 통해 실내 거주역 공간으로 공조된 공기를 이송하기 위해 Slab와 Access Floor 사이의 완벽히 밀폐된 개방된 가압공간(Air Plenum)을 사용해 실내 거주역(1.8~2.0m) 공기를 온도 성층화시키는 거주역 공조방식으로 정의하고 있다.

 

그린빌딩인증제도인 LEED인증에서는 바닥공조시스템을 시스템의 제어성(Controllability of System)과 환기효율성(Ventilation Effectiveness) 항목에서 환경친화적 시스템으로 제시하고 있어 미국에서 친환경건축물로 인증받은 대다수 건물에는 바닥공조시스템이 적용돼 있다.

 

LEED(Leadership in Energy and Environmental Design)는 미국 그린빌딩협의회(USGBC: U.S. Green Building Council)가 개발한 녹색건축인증제도다. USGBC는 녹색건축이란 ‘일반적인 에너지 사용, 물 사용, 실내 환경 품질, 자재, 부지에 미치는 영향과 같은 중요한 사항을 고려해 건물의 계획, 설계, 건설, 운영에 반영된 것을 의미한다’고 정의하고 있으며 현재까지 입증된 환경평가기술을 토대로 건물 전체의 관점에서 환경성능을 평가하는 환경성능평가제도다. 고성능 그린빌딩 디자인과 시공 및 운영을 위해 전 세계적으로 널리 받아들여지고 있다.

 

최근 바닥공조 ISO표준을 이광호 고려대 교수와 채영태 가천대 교수 주도로 제정되고 있어 주목받고 있다.

 

업계의 한 관계자는 “바닥공조는 과거 자사 사옥에 주로 적용돼 왔으나 최근에는 임대용 또는 매도용 건축물에도 확대되고 있다”라며 “대기업 또는 IT기업 등의 복지수준이 높은 건물에 쾌적성과 공기질 개선, 에너지절약 개념에 적용돼 왔으나 최근 실내환경에 대한 관심이 높아지는 트랜드가 반영돼 재실 근무자 입장에서 실내공간에 대한 설계가 이뤄지고 있어 바닥공조에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다”고 밝혔다. 이어 “최근 프리미엄급 건축물에는 기본적으로 바닥공조를 검토하고 있다”라며 “건축물의 용도가 바닥공조시스템에 벗어나지 않는다면 채택하는 방향으로 결정되고 있다”고 밝혔다.

 

 

바닥공조, 거주역 최적 공조 구현

전통적인 천정형시스템과 달리 바닥공조시스템은 기본적인 물리법칙에 따라 자연적인 기류흐름이 만들어지도록 설계돼 있다. 바닥취출구를 통해 차갑게 공조된 공기가 공급되고 천정그릴을 통해 오염되고 뜨거워진 실내 리턴공기가 공조실로 돌아가는 사이클을 갖게 되기에 거주역 공기가 혼합되지 않는 일 방향(One-way)의 공기흐름을 만들어 낸다. 결국 사람들이 활동하는 거주역(1.8m~2.0m) 위주의 성층화 공조를 통해 쾌적한 실내공기질(IAQ)을 만들어 냄과 동시에 에너지효율도 높여준다. 즉 바닥공조는 실내공기 특성을 이용해 최적의 거주역 공조를 구현하는 방식이다.

 

온도가 올라간 공기는 자연적으로 상승한다. 상승되는 공기는 주위 열 및 오염물질을 끌고 상승한다. 승된 공기는 절대 하강하지 않으며 인위적 하강 시 실내공기질 및 공조효과 저하 등 다양한 문제 발생의 요인이 된다.

 

거주역 공조방식인 바닥공조는 최적의 공조효과 및 실내공기질(IAQ) 제공하기 위해 거주역 온도성층화(Thermal Stratafication)를 구현해야 한다. 이를 최적으로 구현하기 위해서는 거주역의 바닥에서 천정으로 일 방향(One-way) 기류흐름, 일정한 기류속도, 일정한 급기온도 등이 필수적 요소다.

 

바닥공조시스템은 일반적으로 해당존을 담당하는 공조기인 존공조기(zone AHU), 외기전용 외기공조기, 터미널유닛과 자동제어시스템으로 구성된다.

 

공조기(AHU: air handling unit)에서 만들어진 실내공급용 공기(supply air)가 바닥패널(raised floor panel) 또는 억세스 플로어(access floor)로 불리는 바닥면의 하부 공간인 플래넘(plenum)으로 전달되며 바닥 디퓨저(floor diffuser)라고 불리는 바닥의 급기구를 통해 실내로 공급되는 구조를 이루고 있다. 바닥공조시스템은 바닥 디퓨저로부터 실내공급용 공조공기가 실내로 공급되면 신래의 열부하(heat load)를 처리하면서 천정(return plenum)으로 배출된다.

 

 

바닥공조시스템은 플래넘에서 바닥디퓨저를 통해 실내로 토출되는 실내 공급용 공기의 성층도(temperature stratification)가 생성되는 것이 이상적이며 성층화 수준에 따라 에너지절감량이 달라지므로 온도성층화기술은 바닥공조시스템의 에너지절감 핵심기술이다.

 

바닥공조시스템은 천정 덕트방식대비 통상 10~15%의 에너지절감이 가능한 것으로 보고되고 있으며 미국의 버클리대학교와 LBNL국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)가 공동으로 개발한 바닥공조시스템 성층화모델을 이용해 성층화 향상에 따른 사무소 건물의 연간 에너지절감율을 평가했다. 국내에서도 부하산정(load estimation)을 통해 바닥공조시스템의 에너지절감을 연구한 사례도 보고되고 있으며 성층화 향상을 위해 임으로 디퓨저 수량을 2배로 늘려서 모델링한 결과, 12%의 에너지저감 효과를 보여 성층화 향상에 따라 상당한 에너지절감효과가 보고되고 있다.

 

압력방식따라 가압식·등압식 분류

바닥공조시스템은 압력방식, 플래넘 구성방식 및 기류 구성방식 등에 따라 분류하며 통상적으로 압력방식에 따른 분류를 사용해 가압식과 등압식으로 구분한다.

 

가압식은 해당존을 담당하는 존유닛(zine unit)에서 발생한 압력을 이용해 전체 공조대상으로 공기가 전달되는 방식이며 취출용 디퓨저에서 실내로 공기를 유입시킬 때 별도의 동력을 사용하지 않는 방식으로 원형급기구 등 팬이 없는 디퓨저를 통해 플래넘 내부의 압력으로 실내에 급기하는 방식이다.

 

디퓨저는 실내공기측 공급을 위한 추가적인 기계장치인 팬이 없으므로 동력소비 측면에서는 유리할 수 있으나 공간이 넓거나 실내부하가 위치별로 균일하지 않은 경우 적용 시 부하제어에 어려움이 발생할 수 있어 설계 시 조닝과 디퓨저 배치 등에 세심한 배려가 필요하다.

 

최근 가압식의 이런 단점을 보완하기 위해 에어웨이(airway), 덕트(duct) 등을 플래넘 하부에 추가하거나 터미널 유닛에 댐퍼와 모터를 장착해 보완하는 방식도 제안되고 있다.

 

가압식 바닥공조시스템의 특징은 원형 급기구 등 팬이 달리지 않는 급기구를 이용해 덕트나 플래넘 내부 압력으로 실내에 급기하는 방식으로 급기구 단가가 저렴하고 소음, 진동이 적다. 공간 융통성이 좋아 급기구 이동이 용이하나 부하변동에 대한 대응성이 등압식에 비해 떨어지고 대공간의 경우 공조기와 거리에 따라 토출풍량차가 커 비교적 소규모 공간 부하변동이 상대적으로 적은 내부에 주로 적용이 가능하다.

 

등압식은 취출구에 송풍용 팬이 달려있어 실내공급 시 동력을 사용하는 방식으로 통상은 터미널 유닛(terminal unit)으로 불리며 제조사별로 LECU(local environment control unit), FTU(fan terminal unit), TU(terminal unit) 등의 여러 다양한 명칭이 사용되고 있다.

 

등압식 디퓨저는 VAV(variable air volume)방식 터미널유닛을 적용하고 있어 가압식 디퓨저대비 상대적으로 고가이며 추가적인 동력소비가 발생하지만 등압식과 비교해 넓은 공간에서도 공급공기 취출에 어려움이 없으며 실내부하가 위치별로 다르더라도 충분한 대응이 가능하다.

 

등압식 바닥공조 특징은 바닥취출구에 팬이 달린 급기구를 이용해 강제로 실내에 급기하는 방식으로 플래넘 내부는 10Pa 내외 약한 정압을 유지하며 부하변동 대응성이 가압식에 비해 뛰어나다. 가변풍량팬을 사용할 경우 풍량조절이 용이하나 급기구 이동이 가압식대비 상대적으로 불편하며 약간의 소음, 진동이 발생하며 급기구 단가가 높은 편이다. 부하변동에 대한 대처능력이 뛰어나다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

바닥공조시스템은 공기조화시 건물 내부 공기흐름을 바닥을 통해 공급해 공조하는 방식으로 공기공급용 디퓨저 배치의 유연성이 높아 레이아웃 변경, 실의 용도변경 등에 대해 대응이 용이하고 온열쾌적성 향상도 뛰어나다. 사무소 건물의 경우 융통성 있는 공간, 실의 용도 변경 가능성 및 OA기기 발열처리 등이 필요해 냉방기간이 증가하고 있으며 성층화에 따른 에너지절감뿐만 아니라 건물의 층고 절감에도 기여할 수 있어 건물 적용사례가 증가하고 있다.

 

바닥공조 ISO표준 제정, 긍정효과 커

바닥공조는 과거 자사 사옥에 주로 적용돼 왔으나 최근에는 임대용 또는 매도용 건축물에도 확대되고 있다. 대기업 또는 IT기업 등의 복지수준이 높은 건물에 쾌적성과 공기질 개선, 에너지절약 개념에 적용돼 왔으나 최근 실내환경에 대한 관심이 높아지는 트랜드가 반영돼 재실 근무자의 입장에서 실내공간에 대한 설계가 이뤄지고 있어 바닥공조에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다. 특히 최근 프리미엄급 건축물에는 기본적으로 바닥공조를 검토하고 있으며 건축물 용도가 바닥공조시스템에 벗어나지 않는다면 채택하는 방향으로 결정되고 있다.

 

바닥공조 전문기업 A사의 관계자는 “바닥공조는 천정공조대비 에너지절감이 뛰어나다고 학계에서 보고하고 있다”라며 “현재 우리나라의 바닥공조시스템이 학계의 보고와 같이 에너지절감 아이템으로 채용되고 있으며 특히 LEED인증에 기여하고 있는 것은 매우 고무적”이라고 밝혔다.

 

정부 및 공공기관은 표준화된 제품과 기술을 선호하며 ISO표준 준수는 입찰 경쟁에서 우위를 제공할 수 있다. 고객은 인증된 표준을 충족하는 제품을 선호하므로 기업의 신뢰도와 브랜드가치를 높이는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 국내 표준화 과정을 선도한 경험은 기술개발 및 차별화된 시장 지위를 확보하는 데 도움을 줄 수 있을 것으로 전망된다.

 

바닥공조 전문기업 B사의 관계자는 “ISO인증은 제품과 서비스가 국제적으로 인정받는 품질과 성능기준을 충족한다는 증거로 글로벌시장에서 신뢰도가 높다”라며 “국제표준은 여러 국가에서 공통으로 채택되는 경우가 많아 수출 시 현지 인증 절차나 기술장벽을 줄이는 데 기여할 것으로 생각된다”고 밝혔다. 이어 “특히 ISO표준을 충족하는 기업은 해외 파트너 및 고객과 협력하기 더 용이하며 새로운 사업 기회를 창출할 가능성이 크다”고 강조했다.

 

바닥공조 전문기업 C사의 관계자는 “바닥공조시스템이 에너지절감에 기여하고 있음에도 국내시장에서는 바닥공조시스템의 각종 용어와 성능지표 등에 대한 정의는 물론 기준 등이 정립되지 않은 상태였으나 이번 ISO표준 제정을 통해 새롭게 출발선에 서게 됐다”며 ISO표준 제정을 반겼다.

 

바닥공조 전문기업 D사의 관계자는 “바닥공조시장이 더욱 활성화되기 위해서는 표준 제정과 함께 사업주나 설계사 엔지니어들이 지금보다 더 열린 마음을 갖는 것이 중요하다”라며 “바닥공조 적용현장 답사 및 실제 공조환경 확인과 함께 근무자의 실제 만족도를 직접 파악하고 체험해 보았으면 좋겠다”고 지적했다.

 

결국 바닥공조 관련 ISO표준이 성공적인 프로젝트사례 기반의 실무 가이드라인 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다. 이를 통해 건물주, 컨설턴트, 설계 엔지니어 등 이해관계자들이 쉽게 접근할 수 있도록 함으로써 바닥공조시스템이 더 매력적이며 명확한 선택지로 업계에 널리 확산 및 궁극적으로 바닥공조시장이 성장이 기대된다.

 

바닥공조, 미래 건축시장 핵심

바닥공조는 기존 천정공조를 대체하는 새로운 냉난방 솔루션으로 1990년대 말 건축물 내 IT환경에 대한 수요가 늘어나면서 바닥Floor 설치 및 하부를 관련 유틸리티설치 공간으로 사용하면서 Floor 하부를 공조용으로 사용을 검토하기 시작했다. 바닥공조가 상업용 솔루션으로 개발돼 지금까지 30여년이 흘러오면서 많은 시행착오를 겪으면서 발전했다.

 

코로나19 팬데믹 이후 실내공기질(IAQ)에 대한 관심과 중요성이 대두되며 실내 환경에 대한 사람들의 인식을 크게 바뀌었다. 동시에 지속가능성(sustainability)이 글로벌 건축시장의 핵심 키워드로 자리를 잡으며 그린빌딩(Green Building), LEED 및 WELL인증 수요가 급증하고 탄소중립 목표 달성과 실내 근무환경의 질과 에너지절감측면에 초점이 맞춰지고 있다.

 

스마트빌딩시장이 성장하면서 기존 공조방식을 넘어선 새로운 공조시스템의 도입도 늘어나고 있다. 이에 따라 바닥공조시스템은 단순한 공조시스템을 넘어 지속가능한 건축물과 쾌적한 실내환경을 구현하는 혁신적인 솔루션으로 자리매김하고 있다. 바닥공조시스템은 에너지효율성과 실내환경 개선을 동시에 제공하는 새로운 기술로, 그린빌딩과 스마트기술이 주도하는 미래 건축시장에서 핵심적인 역할을 할 것으로 예상된다.