1. 서 론

국내 브랜드 커피숍 상가에서 2020년 발생한 COVID-19 바이러스 집단 감염으로 인해 70명의 누적 확진자가 발생되었다.⁽¹⁾ 이는 환기가 제대로 되지 않는 공간에서 에어컨을 통해 바이러스가 확산되는 것이 얼마나 큰 영향을 미치는 지를 보여주는 사례라 할 수 있다.⁽²⁾ 본 사례는 직접적인 접촉없이 같은 공간에서 호흡기를 통해 감염된 것인데 이러한 바이러스의 확산을 막기 위해서는 환기가 필수적인 것으로 알려져 있다.⁽³⁾

불특정 다수인이 사용하는 ‘다중이용시설’의 경우 ‘실내공기질 관리법’에 따라 실내공기질을 관리할 것을 강제하거나 권고하는데, 업무시설의 경우 연면적 3000 ㎡ 이상, 어린이집의 경우 430 ㎡ 이상일 경우 그 대상이 된다.⁽⁴⁾ 이에 반해 커피숍 같은 소규모 상가는 법적으로 실내공기질 관리 대상이 아니기 때문에 별도의 환기설비가 없어도 운영이 가능하다. 이런 이유로 2020년 소규모 상가에서 COVID-19로 인한 집단 감염이 빈번하게 발생하였다.⁽⁵⁾

많은 전문가들이 COVID-19 감염 확산을 막기 위해 충분한 환기가 필요하다고 주장하고 있으며,⁽⁶⁾ 소규모 다중이용시설의 경우도 기계환기설비의 적용이 필요하다는 전문가의 의견이 늘어나고 있는 추세이다.⁽³⁾ 하지만 이 소규모 다중이용시설의 경우 별도의 환기설비를 설치하지 않고 냉난방기만 설치하는 경우가 많고, 동계나 하계에 충분한 환기없이 냉난방을 실시하는 경우가 많다.

소규모 상가의 경우 KS C 9306 ‘에어컨디셔너’에서 제시하는 간이 기준에 따라 그 냉방 설비 용량을 산정하는 것이 일반적이며⁽⁷⁾ 이 기준에서 제시하는 환기부하는 매우 작은 편이다. KS C 9306은 냉방능력 35,000 W 이하인 제품에 적용하는 기준으로 동 기준 내의 정격 표시 냉방 능력과 냉방 면적을 제시한 표와 부속서 D의 간이 계산 방법을 통해 기준 열부하를 산정하게 하고 있다. 이 KS C 9306 내의 열원기기 용량 산정법은 1998년 연구 결과를 기준으로 하고 있어 외피의 단열 성능 및 환기 기준이 현재와 큰 차이가 있다[8]. 이러한 KS C 9306 관련 문제는 기존 연구에서도 많이 다루고 있긴 하지만 소규모 상가에 관련된 연구는 드물고 주택에 대한 연구나 상가 단위가 아닌 건물 단위의 연구가 많다.^(7,9,10) 기존 연구에 따르면 환기횟수의 차이에 따라 냉난방에너지 소요량이 크게 달라질 수 있지만⁽¹¹⁾ 사실상 환기량의 증가에 따른 KS C 9306 개정안 제시 연구는 매우 드문 것으로 보인다. 이에 본 연구에서는 현재의 단열 성능 기준을 반영한 소규모 상가 건물을 분석 대상 공간으로 설정하고 다양한 환기량에 따른 냉방부하 계산을 실시하여 KS C 9306가 제시하는 냉방용량과 비교하여 그 개정의 필요성을 확인하고자 한다.

2. 연구방법 및 범위

본 연구는 아래와 같은 방법으로 진행되었다.

1) 소규모 상가건물의 분석 대상 공간(이하 분석 모델)을 계획 관련 법규 및 지구단위계획 등에 근거하여 계획한다.

2) 남향을 선호하는 주택과는 달리 상가의 경우 대지가 도로에 접하는 면이 주출입구이자 전면이 되는 경우가 많다. 이에 전면을 동, 서, 남, 북 네 방향으로 계획한다.

3) 위에서 계획한 분석 모델을 대상으로 KS C 9306 기준에 따른 냉방부하를 계산한다.

4) KS C 9306 기준 계산을 위한 위 분석 모델 및 보정 조건을 반영한 냉방부하를 RTS-SAREK 5.5 프로그램을 통해 시뮬레이션한다. 그리고 그 계산결과를 Case 1로 한다.

5) KS C 9306의 기준에 ‘건축물의 에너지절약설계기준⁽¹²⁾의 최신 외피 단열 기준을 반영한 Case 2(Baseline Case)에 대한 계산을 실시하고 이를 Case 1과 비교한다.

6) ‘실내공기질 관리법⁽⁴⁾’의 환기량을 반영한 다양한 Case들에 대한 부하계산을 실시하여 Baseline Case와 비교한다.

3. KS C 9306과 냉방부하

3.1 분석대상공간

KS C 9306에서 사용된 분석 모델의 크기는 3.4 m × 5.8 m × 2.5 m (천장고)로 천장고가 높은 공간을 선호하는 현재의 상가를 대표하기는 어려워 보인다. 또한, 건축계획의 경우 대지에 따라 그 공간이 결정되는 경우가 많고 특히 상가의 경우 주도로에 면한 곳에 출입구 및 창이 계획될 가능성이 높아 부하 계산을 위한 분석모델의 형태나 환경조건을 결정하기가 어렵다. 이에 공간 설계시 반영해야하는 건축법,⁽¹³⁾ 주차장법⁽¹⁴⁾, 장애인 노인 임산부 등의 편의 증진 보장에 관한 법⁽¹⁵⁾과 가로 공간의 미관을 위해 제시되는 지구단위계획⁽¹⁶⁾ 등을 분석하여 단위 모듈 공간을 구성하였다. 또한, 향별로 큰 차이를 보이는 냉방부하의 특성을 고려하여 단위 모듈 공간의 동․서․남․북 4면에 대한 부하 계산을 실시하기로 하였다. 그 구성 방법은 아래와 같다.

1) 본 공간은 소규모 상가 공간으로 건축법에 따른 제1종 근린생활시설로 가정하며, 지상 1층을 분석 대상으로 한다.

2) 6~9 m를 철근콘크리트 구조의 합리적 경간으로 보고 주차장법에 의한 지하주차장 구획 및 도로 폭을 고려하여 모듈 계획을 한다.

3) 통로의 경우, ‘장애인 노인 임산부 등의 편의증진 보장에 관한 법률’에 의한 통과 유효폭과 출입구 전면 유효거리 등을 반영하여 계획한다.

4) 층고 및 천정고는 지자체 지구단위계획과 기존 도면 등을 참고하여 결정한다.

Fig. 1은 위의 단계를 거쳐 계획된 상가 건물의 도면 일부이며, Fig. 1-(a)는 지하 1층, Fig. 1-(b)는 지상 1층을 보여주고 있다. Fig. 1-(a)은 2.5 × 5.0 m의 주차구획 및 직각주차 도로폭 6.0 m를 준수하여 작성한 주차장 도면의 일부이다. 주차구획 4대를 배치할 경우 9 m가 넘으므로 철근 콘크리트 구조에서의 합리적인 경간으로 보기 어려운 점을 반영하였다. Fig. 1-(b)는 지상 1층 도면이며 8.20 m × 10.05 m의 유닛으로 계획되었다. 이는 복도 폭 2.23 m를 고려한 것으로 출입문의 폭 1.0 m와 통과 유효폭 1.2 m 및 시공 오차 등을 반영한 것이다.

Fig. 1 The model plans for analysis

본 유닛은 외기에 면하는 전면이 바닥 레벨부터 3.3 m까지 투과부인 창호로 되어있으며 3.3 m부터 4.5 m 까지는 최신 단열 기준을 반영한 외기에 직접 면하는 단열벽체이다. 그 외 다른 상가나 복도와 면한 내부 벽체는 adiabatic으로 가정하였다. 바닥 단열 조건은 지하주차장에 면하고 있으므로 외기 간접으로 하고 지붕은 외기 직접 조건으로 하였다. 건축물의 에너지절약설계기준 고시에 따라, 외기에 직접 면하는 부위는 ‘바깥쪽이 외기이거나 외기가 직접 통하는 공간에 면한 부위’, 외기에 간접 면하는 부위는 ‘외기가 직접 통하지 아니하는 비난방 공간에 접한 부위, 외기가 직접 통하는 구조이나 실내 공기의 배기를 목적으로 설치하는 샤프트 등에 면한 부위, 지면 또는 토양에 면한 부위’를 말한다. 더하여 adiabatic은 공조 공간에 면한 부위로 열의 이동이 없는 부위로 정의하였다.

본 분석 모델에서 실내외 차양은 고려하지 않았으며, 외벽, 창 등의 단열 조건과 창호의 태양열 취득률(Solar heat gain coefficient 이하 SHGC), 건물의 침기율 등 외피 열적 성능에 대한 데이터는 Table 3에 시뮬레이션 Case별로 정리하였다.

4. 분석 및 토의

본 계산은 냉방부하가 최대인 것으로 예상되는 7월 21일을 대상으로 실시되었다.

계산 결과, 냉방부하는 모든 케이스에서 서측 유닛이 제일 높고 북측 유닛이 제일 낮았으며, 서측 유닛은 북측 유닛보다 약 50.8% 높은 냉방부하를 가지는 것으로 계산되었다(Fig. 2). 외피의 단열성능이 최신 기준으로 상승됨으로 인한 냉방부하 저감은 3.5~7.8%로 계산되어 외피 단열성능 강화로 인한 냉방부하 감소는 크지 않은 것으로 분석되었다. 이는 기존 연구 결과와도 유사하다.⁽²⁰⁾

Fig. 2 Cooling load analysis of the cases

Table 4는 KS C 9306 부속서 D가 제안하는 보정값을 이용해 계산한 냉방부하 값(이하 KS 보정 계산값)과 RTS-SAREK으로 계산한 값을 비교한 결과이다. 남향과 북향의 냉방부하는 KS 보정 계산 값보다 각각 15%와 24% 높게 나타났으며 동향과 서향은 54%, 55% 높게 계산되었다.

이런 차이를 보이는 것은 두 가지 이유로 분석된다.

첫째는 두 계산에 적용한 분석 모델이 다르다는 것이고, 둘째는 KS C 9306과 본 연구는 다른 부하계산법을 이용했다는 것이다. KS C 9306은 CLTD법을 적용했고 본 연구는 RTS법을 적용했다. 단, 본 연구의 결과는 RTS 법을 적용할 경우 CLTD로 계산한 값보다 피크부하가 작게 나온다는 기존 연구의 결과⁽²¹⁾와는 상이한 결과가 도출되었는데 이는 본 분석 모델의 창면적이 기존 분석모델보다 커서 냉방부하에 크게 영향을 미치는 일사의 유입이 크기 때문으로 보인다. 또한, 매 시각별 외피 면에 도달하는 일사강도를 반영하는 RTS법의 특성으로 인해 본 분석에서는 KS의 경우보다 동향과 서향의 냉방부하가 남향이나 북향보다 훨씬 크게 나온 것으로 판단된다. Table 5는 Case별, 향별 냉방부하 계산결과를 정리한 것으로 향별 Case 값들의 평균을 음영으로 표현하였다.

환기량별 냉방부하 상승 정도는 아래와 같이 요약될 수 있다.

1) 재실자 16인, 인당 환기량 25 CMH 기준을 적용한 Case 3의 환기량은 Case 2(Baseline)보다 약 3.6배 증가된 것으로 본 분석 모델을 1.47회 환기할 수 있는 환기량이다. Case 3의 최대냉방부하는 Case 2(Baseline)보다 14.1~19.9% 상승하는 것으로 분석되었다.

2) 재실자 16인, 인당 환기량 29 CMH 기준을 적용한 Case 4의 환기량은 Case 2(Baseline)보다 약 4.1배 증가된 것으로 본 상가유닛을 1.70회 환기할 수 있는 환기량이다. Case 4의 최대냉방부하는 Case 2(Baseline)보다 18.6~24.1% 증가할 것으로 계산되었다.

3) 재실자 25인, 인당 환기량 25 CMH 기준을 적용한 Case 5의 환기량은 Case 2(Baseline)보다 약 5.6배 증가된 것으로 본 상가유닛을 2.30회 환기할 수 있는 환기량이다. Case 5의 최대냉방부하는 Case 2(Baseline) 보다 29.0~37.2% 증가할 것으로 계산되었다.

4) 재실자 25인, 인당 환기량 29 CMH 기준을 적용한 Case 6의 환기량은 Case 2(Baseline)보다 약 6.5배 증가된 것으로 본 상가 유닛을 2.66회 환기할 수 있는 환기량이다. Case 6의 최대냉방부하는 Case 2(Baseline) 보다 36.2~45.2% 증가할 것으로 계산되었다.

환기횟수에 따른 COVID-19 감염률을 계산한 기존 문헌에 따르면 감염자와 비감염자 모두 마스크를 착용한 상태로 5시간 재실하는 경우 약 1.3ACH 이상의 환기로 COVID-19 감염률을 1% 이하로 낮출 수 있다.⁽²²⁾ Case 3은 이를 만족하는 케이스로 Baseline 대비 평균 16.8%의 냉방부하 상승이 예상된다. 또한, 감염자와 비감염자 모두 마스크를 착용하지 않고 5시간 재실하는 경우 약 2.5 ACH의 환기로 감염률을 2% 이내로 유지할 수 있으며 이는 Case 2(Baseline) 대비 약 38%의 냉방부하 상승이 예상된다.

5. 결 론

본 연구에서는 소규모 상가건물의 환기량을 고려한 냉방시스템 적정 용량을 제시하기 위해 현재 일반적으로 적용되고 있는 KS C 9306의 단위면적당 기준 열부하와 실내공기질 관리법에 따른 환기량을 적용한 냉방부하 계산 결과를 비교 분석하였다. 단, 분석 모델은 최신 기준 및 공간의 용도 특성을 고려한 형태를 따랐으며 이에 KS C 9306 모델 대비 천장고가 높아지고 창 면적비가 커졌다. 또한, KS C 9306은 CLTD법을 적용하였지만 본 연구에서는 현재 설계사무소에서 많이 사용하는 RTS법을 적용하였다.

공간의 용도 특성상 외기에 면한 입면 부위가 투과형 외피인 상가는 냉방부하 산정시 일사의 영향을 크게 받아 향별로 단위면적당 냉방부하의 차이가 크게 발생했다. 외피의 단열성능 향상에 따른 냉방부하 감소는 크지 않은 편이었고, 환기량에 따른 냉방부하 증가는 큰 편이다. 소규모 상가건물을 실내공기질 관리법에 따른 ‘다중이용시설 실내공기질 관리 기준’을 따르게 된다면 냉방부하는 14.1~45.2% 까지 증가할 것으로 예상되었다. 단, 본 분석결과는 열회수형 환기장치를 고려하지 않은 것으로 열회수가 가능한 환기장치를 설치한다면 냉방부하 증가량은 달라질 수 있다.

COVID-19로 인해 환기의 중요성이 커지고 있으며 중소규모 상가건물의 실내공기질 역시 관리되어야한다는 주장이 힘을 얻고 있다. 공간의 특성상 창문 환기 등이 용이하지 않은 상가건물의 경우 기계환기설비를 통한 상시 환기가 필요하다. KS C 9306은 이에 발맞추어 적정한 환기부하를 반영한 기준을 제시하는 것이 필요한 시점이라고 판단된다.