제135회 건축전기설비기술사

전기설비 시설 공간(실)의 계획 (KDS 32 10 11)

1. 개요

전기설비 시설 공간(전기실, 발전기실, 축전지실 등)의 계획은 전력공급의 신뢰성, 설비의 유지보수 용이성 및 작업자와 건축물의 안전을 확보하기 위해 국가건설기준(KDS 32 10 11)에 따라 기능성, 관리성, 안전성을 종합적으로 고려하여 수립해야 한다.

🖼 [그림] KDS 32 10 11에 따른 전기설비 시설 공간 계획의 3대 핵심요소(기능성, 관리성, 안전성) 개념도

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2. 공간 계획의 3대 요소 (KDS 32 10 11)

1) 기능성 (Functionality)

• 부하 중심 배치: 전력 손실 저감 및 전압강하 방지를 위해 수변전실은 부하의 중심점에 가깝게 배치
• 인입 및 간선 배선 경로 확보: 한전 전원 인입선 및 각 간선 경로가 짧고 굴곡이 적도록 계획
• 장래 확장성: 부하 증설 및 신재생에너지, ESS 등 증설에 대비한 여유 면적 및 스페이스 확보
• 장비 반출입로 확보: 대용량 변압기, 발전기 등의 반출입이 가능한 장비 반입구(반입 트렌치, 드라이에어리어, 개구부 등) 확보

2) 관리성 (Maintainability & Operability)

• 점검 및 유지보수 이격거리: 배전반 전·후면 및 측면의 최소 작업 유지거리 확보 (KEC 및 안전기준 준수)
• 환기 및 온·습도 환경 제어:
  • 변압기, 발전기 등 발열 장비 냉각을 위한 급·배기 환기설비(강제 또는 자연) 구축
  • 결로 방지 및 축전지실 유해가스 배출을 위한 전용 환기시설 계획
• 조명 및 전원 설비: 일상 점검 및 비상시 작업을 위한 충분한 조도(수변전실 300 $\text{lx}$ 이상 권장) 및 작업용 비상콘센트 배치
• 운영 편의성: 감시제어실(방재센터)과의 연계 동선 및 원격 감시제어 설비 배선 통로 확보

3) 안전성 (Safety & Reliability)

• 침수 방지 대책:
  • 원칙적으로 지하 최하층 배치를 지양하고, 지상화 또는 침수 수위 이상의 층에 배치
  • 불가피한 지하 배치 시 차수판, 차수벽, 집수정 및 이중 배수펌프 설치
• 방화 및 방폭 구획:
  • 다른 실과 내화구조 격벽(2시간 이상 내화채화벽 등) 및 방화문(갑종)으로 방화구획
  • 유입 변압기 적용 시 소화설비 및 방유턱 설치, 축전지실 방폭형 조명·환기팬 적용
• 유류·수배관 격리: 변전실 상부 및 내부에 급배수관, 소화배관, 가스배관 등 누수 위험 배관의 통과 금지
• 접지 및 감전 방지: 통합접지/공통접지 시스템 적용 및 독립된 접지단자함 설치, 비인가자 출입 통제 설비 구비

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3. 전기설비 시설 공간계획 비교 분석

구분	주요 계획 기준	핵심 검토 사항
기능성	부하중심, 간선 단축, 증설 여유	전압강하 최소화, 장비 반출입 동선(Door Size, 하중)
관리성	보수 이격거리, 환기·방열, 조도	배전반 전후면 작업공간, 발열량 계산에 따른 환기팬 용량
안전성	내화구획, 침수방지, 누수배관 배제	차수대책(지하층), 상부 수배관 통과 금지, 접지 신뢰성

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4. 실무 적용 시 유의사항

1. 건축·기계 분야와의 간섭 사전 검토(BIM 활용):
   • 전기실 상부 층의 화장실, 주방 등 물을 사용하는 실(Wet Zone) 배치 금지 확인
   • 대용량 기기 반입 경로 상의 보(Beam) 밑 유효 높이 및 바닥 슬래브 내하중 사전 검토
2. 최신 기후변화 대응(침수 대책 강화):
   • 국지성 집중호우에 대비하여 KDS/KEC 기준에 부합하도록 전기실 바닥 레벨을 외부 지반보다 $0.3\sim 0.5\text{ m}$ 이상 높게 시공(턱 설치) 및 차수 설비 필수 연계

자가발전설비 용량산정 방법 (KDS 32 20 20)

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1. 개요

1.1 배경 및 정의

자가발전설비는 상용전원 정전 시 소방, 피난, 비상조명 등 방재·안전 부하에 지속적인 전력을 공급하는 비상전원 설비이다. 국가건설기준 KDS 32 20 20(예비전원설비 설계기준)은 자가발전설비 용량산정 기준을 규정하고 있으며, 과소 용량으로 인한 전압강하·기동 실패를 방지하고 과대 용량으로 인한 경제적 손실을 최소화하는 것이 목적이다.

1.2 용량산정의 중요성

구분	문제점
용량 과소	기동 전압강하 과대 → 보호계전기 오동작, 기동 실패
용량 과대	발전기 저부하 운전 → 습동(Wet Stacking) 현상, 경제성 저하

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2. 이론·원리: GP법(발전기 용량산정법)

KDS 32 20 20에서는 자가발전설비 용량산정 시 GP법(Generator capacity by Power factor method)을 기본으로 적용한다. GP법은 ①부하합계에 의한 방법, ②기동 전압강하에 의한 방법, ③허용 전압강하에 의한 방법의 3가지 산정값 중 최댓값을 채택하는 방식이다.

2.1 Step-1: 부하합계에 의한 발전기 용량 산정

연속 운전 부하의 합산에 의한 기본 용량을 산정한다.

$$P_{G1}=\frac{\sum P_i}{{\eta }_G\cdot \cos {\theta }_G}\times \frac{1}{f_d}\text{ [kVA]}$$

• $\sum P_i$: 비상 부하의 합계 $\text{[kW]}$
• ${\eta }_G$: 발전기 효율 (통상 0.85~0.95)
• $\cos {\theta }_G$: 발전기 역률 (통상 0.8)
• $f_d$: 수요율(부등률 고려, 0.7~1.0)

2.2 Step-2: 허용 전압강하에 의한 발전기 용량 산정

최대 부하(전동기 등)가 기동할 때의 순간 전압강하를 허용 범위 내로 제한하기 위한 용량을 산정한다.

$$P_{G2}=\frac{1-\Delta V_{allow}}{\Delta V_{allow}}\times X_d^{\prime \prime }\times P_{M(start)}\text{ [kVA]}$$

또는 실용식으로:

$$P_{G2}=K_s\times P_{M(start)}\text{ [kVA]}$$

• $\Delta V_{allow}$: 허용 순간 전압강하율 (KDS 기준: 통상 20% 이하)
• $X_d^{\prime \prime }$: 발전기 과도 리액턴스 (per unit, 통상 0.12~0.25 p.u.)
• $P_{M(start)}$: 기동 시 최대 전동기의 기동 용량 $\text{[kVA]}$
• $K_s$: 기동계수 (기동방식에 따라 상이)

기동방식에 따른 기동계수 $K_s$

기동방식	기동전류 배율	$K_s$ 적용값
직입기동 (DOL)	5~7배	1.0 이상
Y-Δ 기동	1/3 감소	0.6~0.7
리액터 기동	설정치 의존	0.5~0.8
인버터(VFD) 기동	정격전류 수준	0.2~0.3

2.3 Step-3: 기동 순서에 따른 누적 용량 산정

부하를 기동 순서에 따라 순차 기동할 때, 각 단계의 발전기 소요 용량을 누적하여 최대값을 취한다.

$$P_{G3}=\max \left\{\sum _{i=1}^n{P}_{load,i}+P_{start,n+1}\right\}\text{ [kVA]}$$

• $P_{load,i}$: $i$번째까지 이미 운전 중인 부하의 합 $\text{[kVA]}$
• $P_{start,n+1}$: $(n+1)$번째 기동 부하의 기동 용량 $\text{[kVA]}$

2.4 최종 발전기 용량 결정

$$\boxed{P_G=\max (P_{G1},P_{G2},P_{G3})\times \alpha \text{ [kVA]}}$$

• $\alpha$: 여유율 (통상 10~20% 적용)
• 산정된 값 이상의 표준 정격 용량으로 선정

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3. 상세 내용: 용량산정 절차

3.1 비상 부하 목록 작성

🖼 [그림] 비상부하 계통 단선도 — 소방, 피난, 비상조명, 엘리베이터 등 부하군 분류 예시

비상 부하를 아래와 같이 분류하여 목록화한다.

부하 분류	해당 설비	비고
소방 부하	소화펌프, 스프링클러펌프, 제연팬	최우선 기동
피난·안전 부하	비상조명, 유도등, 비상콘센트	즉시 기동
일반 비상 부하	비상 엘리베이터, 방재반	순차 기동
기타 비상 부하	통신·방송설비, 보안설비	순차 기동

3.2 수용률·부등률 적용

$$P_{계산}=P_{설비합계}\times \frac{\text{수요율}(D.F)}{\text{부등률}(D.V)}\text{ [kW]}$$

• 수요율: 비상부하는 소방법령에 의해 100% 적용을 원칙으로 한다.
• 부등률: 동시 기동 여부에 따라 0.8~1.0 적용

3.3 기동 시퀀스 계획

발전기 기동 후 전압·주파수 안정화 시간(통상 10~30초) 이후 비상 부하를 단계적으로 투입한다.

기동 단계	투입 부하	투입 시점(초)
1단계	비상조명, 유도등, 제어반	기동 후 10초
2단계	소화펌프, 제연팬 (최대 전동기)	10~20초
3단계	비상 엘리베이터	20~30초
4단계	기타 비상 부하	30초 이후

3.4 역률 및 효율 보정

발전기는 역률 0.8(지상)을 기준 정격으로 하므로, 부하 역률이 상이할 경우 아래와 같이 보정한다.

$$P_{G,보정}=P_{G,산정}\times \frac{\cos {\theta }_{부하}}{\cos {\theta }_G}\text{ [kVA]}$$

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4. 실무 적용 사례

4.1 병원 건축물 자가발전 용량산정 예시

조건

• 소화펌프: 75 kW (직입기동, DOL)
• 비상조명 외 연속 부하: 합계 80 kW (역률 1.0)
• 발전기 역률: 0.8 (지상), 발전기 허용 전압강하: 20%
• 발전기 과도 리액턴스 $X_d^{\prime \prime }=0.20\text{ p.u.}$

Step-1 산정

$$P_{G1}=\frac{75+80}{0.8}=\frac{155}{0.8}\approx 194\text{ [kVA]}$$

Step-2 산정 (직입기동 기동전류 6배 가정)

$$P_{M,start}=\frac{75}{0.8}\times 6=562.5\text{ [kVA]}$$

$$P_{G2}=\frac{1-0.20}{0.20}\times 0.20\times 562.5=4\times 0.20\times 562.5=450\text{ [kVA]}$$

최종 선정

$$P_G=\max (194,450)\times 1.1=495\text{ [kVA]}\Rightarrow \text{표준 500 kVA 선정}$$

🖼 [그림] GP법 3단계 용량산정 흐름도 — Step-1/2/3 비교 후 최댓값 선정 과정

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5. 문제점 및 대책

문제점	원인	대책
기동 전압강하 과대	DOL 기동 대형 전동기	기동방식 변경(VFD, Y-Δ), 기동 시퀀스 분산
습동(Wet Stacking) 현상	발전기 과대 용량 + 경부하 운전	적정 여유율(10~15%) 적용, 정기 부하 시험
역률 저하	비선형 부하(UPS, 인버터) 증가	고조파 필터 설치, 역률 보정 콘덴서 적용
수용률 오산정	비상부하 목록 누락	소방법·피난시설 법령 체계적 검토 후 100% 수용률 적용
발전기 과도 리액턴스 미고려	$X_d^{\prime \prime }$ 값 부정확	제조사 사양서 기준 실제값 적용

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6. 결론

자가발전설비 용량산정은 GP법의 3단계 — ①부하합계, ②허용 전압강하, ③기동 순서 누적 — 의 최댓값에 여유율을 반영하여 최종 결정하는 체계적 절차가 핵심이다.

기술사로서의 견해를 제시하면 다음과 같다.

1. 소방설비 연동: 소방법령(NFPA 110 및 국내 소방시설 설치 기준)상 비상전원 공급시간과 용량 기준이 우선 적용되므로, KDS와 소방법령의 교차 검토가 필수이다.
2. 전동기 기동방식 선정의 중요성: 기동방식 하나의 변경으로 발전기 용량이 50% 이상 차이날 수 있으므로, 초기 설계 단계에서 인버터(VFD) 채택 여부를 적극 검토하여야 한다.
3. BIM·에너지 시뮬레이션 연계: 최근 건축물에너지절약 의무화에 따라 발전기 정격 운전점을 에너지 시뮬레이션과 연계하여 적정 용량을 선정하는 것이 경제적·기술적으로 타당하다.
4. 정기적 부하 재검토: 건물 사용 용도 변경·증설 시 비상 부하가 증가할 수 있으므로, 발전기 용량의 주기적 재산정을 제도화할 필요가 있다.