전열교환기

왜 배우는가: 전열교환기는 환기 과정에서 버려지는 배기의 열을 회수해 외기부하를 줄이는 대표 에너지 절감 설비다. 외기부하가 공조부하의 큰 비중을 차지하므로 설계와 운전 효율을 함께 묻는 문제가 반복해서 출제된다. 종류, 열효율 계산, 상태변화 과정을 함께 이해해야 답안을 체계적으로 쓸 수 있다.

출제 이력: 제131회 2교시 3번, 제124회 2교시 6번, 제120회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장은 다음과 같다.

전열교환기는 배기 공기가 가진 현열과 잠열을 급기(외기)에 옮겨 외기부하를 줄이는 공기 대 공기 열교환 장치다.

핵심 키워드

• 전열교환기(Total Heat Exchanger)
• 현열과 잠열 동시 회수
• 외기부하 저감
• 회전식 전열교환기
• 정지식(직교류식) 전열교환기
• 엔탈피 효율
• 배기와 급기의 교차 전달

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 전열교환기는 "나가는 공기의 온기나 냉기를 들어오는 공기에 나눠 주는 장치"다. 환기를 하면 실내의 따뜻하거나 시원한 공기가 함께 버려진다. 이 장치는 그 열을 회수해 외기 온도를 실내 조건에 가깝게 만든다.

정식 정의는 다음과 같다. 전열교환기는 환기 과정에서 실내로부터 배출되는 배기의 열을 외부로부터 들어오는 급기로 옮기는 열교환기다. 석면, 알루미늄, 나일론 등을 벌집 모양으로 적층한 구조가 대표적이다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

현열 교환은 온도 변화만으로 열이 이동하는 것이다. 공기의 온도가 변하고 습도는 변하지 않는다.

잠열 교환은 수분(수증기) 이동으로 열이 이동하는 것이다. 공기의 온도는 변하지 않고 습도가 변한다.

전열(全熱)은 현열과 잠열을 합한 열량이다. 전열교환기는 두 가지를 모두 회수하므로 전열(全熱) 교환이라고 부른다.

엔탈피 효율은 회수된 전열량을 열교환 가능한 최대 전열량으로 나눈 값이다. 현열만 교환하는 현열교환기와 구분하는 기준이 된다.

일반적으로 열교환율 70% 정도를 얻을 수 있다고 알려져 있다. 공조부하 중 외기부하가 차지하는 비중은 약 30% 정도로 설명되며, 전열교환기는 이 외기부하를 저감시키는 장치다.

3. 등장 배경과 필요성

건물의 기밀성이 높아지면서 자연 환기만으로는 실내 공기질을 유지하기 어려워졌다. 기계 환기를 도입하면 외기 도입량이 늘어나고, 그만큼 외기부하가 커진다. 겨울철 난방 부하와 여름철 냉방 부하가 모두 증가한다.

이 문제를 해결하려면 환기는 유지하면서 배기의 열을 회수해야 한다. 전열교환기는 이 요구에 맞춰 등장했다. 열회수로 외기부하가 줄면 냉동기, 보일러, 부속 기기의 용량을 줄일 수 있다. 그 결과 설비 초기 투자비와 연간 운전비가 함께 절감된다.

또한 실내 공기질 기준을 지키기 위해 환기량을 확보해야 하는 상황에서, 열회수 환기장치는 에너지 절약과 쾌적성을 동시에 만족시키는 수단으로 자리 잡았다. 공동주택과 업무용 건물에서 기계환기설비와 함께 적용이 늘고 있다.

겨울철에는 배기 중 수증기가 열교환기 내부에서 응축할 수 있다. 응축수가 얼면 전열교환기의 기능이 떨어지므로 제상(除霜) 대책과 댐퍼 기밀 확보가 함께 고려된다.

전열교환기의 존재 이유는 환기량을 줄이지 않고 배기 열을 회수해 외기부하와 기기 용량을 함께 줄이는 데 있다.

4. 구성요소·원리·절차

전열교환기는 배기 공기가 가진 현열과 잠열을 급기 공기로 옮기는 장치다. 전열교환기의 핵심은 전열 소자(엘리먼트)와 급기·배기 두 통로를 분리하는 구조다. 소자의 재질과 형식에 따라 현열 교환과 전열(엔탈피) 교환이 결정된다.