콘택트 팩터·바이패스 팩터

왜 배우는가: 공조기 코일의 제습·가열 성능은 콘택트 팩터(CF)와 바이패스 팩터(BF)로 평가하며, 출구 온습도와 장치노점온도(ADP)를 예측하는 기본 지표다. 두 지표는 코일 설계와 운전 진단에서 반복적으로 쓰이고, 기출에서도 정의·산정식과 ADP·풍량과의 관계를 묻는 문항으로 자주 나온다.

출제 이력: 제139회 3교시 3번, 제112회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

콘택트 팩터는 공기가 코일 표면과 충분히 접촉해 열·수분 교환이 이루어지는 비율이고, 바이패스 팩터는 코일 표면에 접촉하지 못하고 통과한 공기의 비율이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 콘택트 팩터(CF)
• 바이패스 팩터(BF)
• 장치노점온도(ADP)
• 코일 출구 상태
• 현열비·잠열처리
• 면풍속
• 코일 열수
• 습공기 선도

2. 개념 풀이

쉬운 말로 말하면, 공조기 코일을 지나는 공기 가운데 코일 표면에 실제로 닿아 온도와 습도가 바뀐 공기의 몫이 CF이고, 닿지 않고 그대로 지나간 몫이 BF이다. 코일이 완벽하면 모든 공기가 표면과 접촉해 출구 상태가 표면 상태와 같아지지만, 실제 코일에서는 일부 공기가 접촉하지 못하므로 출구 상태는 입구와 표면 상태 사이에 놓인다.

정식 정의는 두 값이 서로 보완 관계라는 점이다. 두 값의 합은 1이다. 즉 CF + BF = 1이다. 따라서 한쪽만 알면 다른 쪽은 계산으로 얻을 수 있다. 냉각·제습 코일에서는 입구 건구온도 t_1, 출구 건구온도 t_2, 장치노점온도 t_{ADP}를 기준으로 다음과 같이 정의한다.

$BF=\frac{t_2-t_{ADP}}{t_1-t_{ADP}}, \quad CF=\frac{t_1-t_2}{t_1-t_{ADP}}=1-BF$

여기서 t_1, t_2, t_{ADP}의 단위는 ℃이다. BF는 0~1 사이 값이며, 1에 가까울수록 출구 상태가 입구 상태에 가깝다는 뜻이다. 제습 성능은 같은 관계를 습도비나 엔탈피 기준으로도 나타낼 수 있다.

가열 코일은 유효 코일 표면온도 t_s를 기준으로 본다. 이때 BF와 CF는 다음과 같다.

$BF=\frac{t_s-t_2}{t_s-t_1}, \quad CF=\frac{t_2-t_1}{t_s-t_1}$

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

장치노점온도(ADP, Apparatus Dew Point)는 코일 표면 상태를 대표하는 가상의 포화 상태 온도다. 코일 표면이 이 온도 이하로 유지된다고 가정할 때 공기가 도달하는 노점 온도로 이해한다. 실제 코일 표면은 불균일하므로 ADP는 설계상의 대표값이다.

유효 코일 표면온도는 가열 코일에서 공기가 접촉하는 표면을 대표하는 온도다. 냉각 코일의 ADP에 대응하는 개념이다.

현열비와 잠열처리는 코일이 공기를 식히는 방식과 제습하는 방식을 나누는 지표다. BF가 작을수록 공기가 표면 상태에 가깝게 처리되어 제습량이 커진다.

3. 등장 배경과 필요성

공조기 코일은 이론상 완전 열교환을 달성하지 못한다. 코일 내부의 공기 분포가 불균일하고, 핀과 관 사이에는 공기가 접촉하기 어려운 영역이 생긴다. 또한 코일 표면이 젖어 있는지, 오염되어 있는지에 따라 실제 열교환 면적도 변한다. 이러한 실제 효과를 하나의 효율 값으로 나타내기 어려워, 열교환기 효율 대신 CF와 BF를 쓰게 되었다.

효율 대신 두 지표를 쓰는 이유는 공조 설계 조건과 직접 연결되기 때문이다. 설계자는 요구 출구 온도와 습도를 정하고, 그 조건을 만족하는 BF를 역으로 구한다. 그 결과로 코일 열수와 면풍속을 정한다. 운전자는 출구 온습도를 측정해 BF를 계산하고, 코일 상태가 설계 대비 정상인지 판단한다.

BF 값은 관련 교재가 제시하는 대략적 범위 안에서 설계 초기에 가정하는 값으로 이해하면 된다. 실제 값은 코일 열수, 면풍속, 유체 조건에 따라 달라진다.

이 두 지표는 습공기 선도에서 공기 상태 변화를 표시할 때 중요하다. 입구 상태와 ADP를 잇는 선 위에서 출구 상태의 위치가 BF에 따라 정해진다. 따라서 장치노점과 출구 상태를 함께 읽을 수 있어야 답안에서 그림과 식을 연결할 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

공조용 코일은 전열관과 알루미늄 핀으로 구성된 열교환기이다. 코일을 통과하는 공기는 표면과 충분히 접촉하는 부분과 접촉하지 못하고 지나는 부분으로 나뉘며, 접촉 기회의 크기가 콘택트 팩터(CF)와 바이패스 팩터(BF)를 정한다.

표의 구성요소 가운데 전열면적과 열수는 설계 단계에서 정하고, 핀 간격과 응축수 배출부는 운전 중 오염·막힘으로 성능을 바꾼다. 따라서 설계값과 운전값을 함께 검토해야 한다.

코일 통과 공기는 두 흐름으로 나뉜다. 접촉한 공기는 장치노점온도(ADP)까지 냉각·제습되고, 바이패스 공기는 입구 상태를 그대로 유지한다. 두 흐름이 섞인 출구 상태는 입구 상태와 ADP를 잇는 직선 위에 놓이며, 이것이 습공기선도에서 과정선을 그리는 근거이다. 출구상태는 입구상태와 장치노점을 잇는 직선 위에 놓인다

냉각·제습 코일의 출구온도는 다음 식으로 계산한다. 여기서 t_1은 입구온도, t_2는 출구온도, t_{ADP}는 장치노점온도(℃)이다.

$BF=\frac{t_2-t_{ADP}}{t_1-t_{ADP}}, \quad CF=\frac{t_1-t_2}{t_1-t_{ADP}}=1-BF$

이 식은 건구온도 기준이며, 같은 관계를 습도비나 엔탈피 기준으로도 세울 수 있다. 제습량을 판단할 때는 습도비 기준 식을 함께 본다.

가열 코일은 유효 코일 표면온도 t_s를 기준으로 한다. 식은 BF=\frac{t_s-t_2}{t_s-t_1}, CF=\frac{t_2-t_1}{t_s-t_1}=1-BF이다. 가열 코일은 제습이 없으므로 현열 변화만 다루며, 출구온도가 t_s에 가까울수록 접촉이 충분하다는 뜻이다.

BF는 실제로 코일을 물리적으로 우회하는 공기의 양만을 뜻하지 않는다. 불완전한 접촉과 혼합까지 포함한 유효 비율로 이해해야 한다. 이 점이 답안에서 물리적 바이패스와 구분해야 하는 핵심이다.

코일 출구 상태를 구하고 설계를 확인하는 절차는 다음과 같다.

• 입구 공기 상태(온도, 습도)를 습공기선도에 표시한다.
• 코일의 장치노점온도 또는 유효 표면온도를 구한다.
• 요구 출구온도 또는 목표 BF를 정한다.
• 식으로 출구온도 t_2를 계산하고 입구와 ADP 사이의 과정선을 그린다.
• 출구점을 찍어 현열비와 제습량을 구하고 부하와 비교한다.
• 풍량과 면풍속을 조정해 BF를 다시 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

콘택트 팩터와 바이패스 팩터는 법령이 직접 수치를 정하는 항목이 아니다. 설계 관행으로 정착된 공조 설계 교재와 ASHRAE 계열 핸드북의 식을 따르며, 건축물의 에너지 절약 관련 설계 기준은 코일 용량과 송풍 조건을 간접적으로 제한한다.

표의 첫 두 행은 계산의 기초가 되는 식이다. 나머지 행은 설계 조건을 정하는 방법을 보여 준다. 법령은 코일의 BF 값을 정하지 않으므로, 목표 BF는 설계자가 출구 조건과 부하에 맞춰 정한다.

국내 설계 실무에서는 설계용 외기 조건과 실내 조건을 정한 뒤 장치노점온도를 구하고 BF를 가정한다. 이때 가정한 BF가 실제 코일의 열수와 면풍속으로 얻을 수 있는 값인지 제조사 선정 자료로 확인한다. 제조사 자료의 BF는 운전 조건이 설계와 다르면 값이 달라지므로, 설계 조건을 함께 기록한다.