바이패스 팩터·ADP

왜 배우는가: 공기조화 장치의 코일 용량과 송풍 조건을 정할 때 공기가 코일을 얼마나 거치는지, 코일 표면 온도가 어느 수준인지를 정량화해야 한다. 바이패스 팩터와 ADP는 이 두 값을 연결하는 개념으로, 냉방 제습 계산과 장치 선정의 출발점이다. 공기선도 문제에서 반복적으로 출제되므로 개념과 작도 방법을 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제129회 1교시 4번, 제115회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

바이패스 팩터는 코일을 접촉하지 않고 통과하는 공기 비율이고, ADP는 코일 표면과 접촉한 공기가 도달하는 가상의 포화 상태점이다.

• 바이패스 팩터(BF, By-pass Factor)
• 장치 노점(ADP, Apparatus Dew Point)
• 코일 접촉 면적과 열수분 교환
• 냉각 제습 과정
• 콘택트 팩터(CF)
• 습공기선도
• 코일 입구·출구 상태점
• 포화선

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 공기가 냉각 코일을 지날 때 일부는 코일 표면과 충분히 닿아 식고 마르지만, 나머지는 거의 닿지 않고 그대로 지나간다. 바이패스 팩터는 이 '그대로 지나가는 몫'을 비율로 나타낸 값이다.

정식으로는 코일 입구 공기 상태 A, 코일 출구 상태 B, 코일 표면과 평형인 상태 ADP(점 O)를 정의한다. 바이패스 팩터는 다음과 같이 쓴다.

$BF = \frac{t_B - t_O}{t_A - t_O}$

여기서 t_A는 입구 건구온도(℃), t_B는 출구 건구온도(℃), t_O는 ADP 온도(℃)다. 엔탈피나 절대습도로 나타내도 같은 비율이 된다.

BF 0 이면 완전 접촉 과 BF 1 이면 완전 바이패스 가 두 극한이다.

바이패스 팩터 는 코일 성능을 나타내는 무차원 값이다. 코일의 열수 치수, 핀 간격, 풍속, 열수 수 등에 따라 달라진다. 코일의 열수가 많을수록 BF 는 작아진다.

장치 노점(ADP) 은 코일 표면 온도에 해당하는 포화 상태점이다. 코일을 지난 공기가 이 온도까지 식는다고 가정한 가상 상태로, 실제 공기가 도달하는 점이 아니다. 습공기선도에서 입구 상태점 A 와 출구 상태점 B 를 잇는 직선을 연장해 포화선과 만나는 점이 ADP 이다.

콘택트 팩터(CF) 는 BF 의 여집합으로, 코일에 실제로 접촉한 공기의 비율이다. CF = 1 − BF 로 정의한다.

이 두 값은 습공기선도 위에서 직선으로 연결된다. 따라서 선도 작도만으로 ADP 와 BF 를 함께 구할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 공기조화 설계에서는 코일 출구 상태를 실험값으로만 알 수 있었다. 설계자는 여러 조건에서 출구 온도와 습도를 측정해야 했고, 장치마다 특성 곡선을 따로 구해야 했다. 이 문제를 줄이려고 코일을 하나의 가상 표면 온도로 대표하는 방식이 쓰였다. 그 대표 온도가 ADP 이다.

냉방 제습 과정에서 공기의 상태 변화는 현열과 잠열이 함께 일어나는 복합 과정이다. 실내 조건을 맞추려면 송풍 공기의 상태, 즉 코일 출구 상태를 미리 알아야 한다. BF 와 ADP 를 쓰면 실내 현열비(SHF)에 맞는 송풍 상태를 선도에서 찾을 수 있다.

또한 코일 용량 산정에서 필요한 풍량과 냉각 능력은 ADP 와 송풍 온도차로 결정된다. 열수가 많은 고성능 코일일수록 ADP 는 낮아지고 제습량은 늘어난다. 반대로 저온 공기를 쓰는 경우 제습은 더 강해지지만, 결로와 동결 위험도 함께 커진다. 이 관계를 이해해야 설계 조건을 합리적으로 정할 수 있다.

습공기선도는 이 과정을 시각적으로 보여 준다. 냉각 제습 과정은 직선으로 표현되고, 그 직선의 기울기와 끝점이 실내 조건과 장치 조건을 연결한다. 따라서 이 개념은 계산과 선도 해석을 모두 요구하는 시험 문항에서 자주 묻는다.

4. 구성요소·원리·절차

냉각코일을 통과하는 공기는 코일 표면과 접촉하는 부분과 접촉하지 않고 그대로 지나가는 부분으로 나뉜다. 접촉하지 않고 통과한 공기의 비율이 바이패스 팩터(BF, By-pass Factor) 이다. 이상적인 코일이라면 BF는 0이고, 모든 공기가 코일 표면 상태까지 냉각된다. 실제 코일은 BF가 0보다 크므로 공기 일부는 코일 표면 상태에 도달하지 못한 채 출구로 나간다.

표의 항목은 모두 설계 변수다. 열수와 핀 간격은 제작 단계에서 정해지고, 면풍속은 송풍 조건에서 정해진다. 설계자는 열수와 면풍속을 함께 조정해 BF를 목표값에 맞춘다.

원리. 코일 표면을 하나의 대표 상태로 보면 입구 상태 A와 출구 상태 B는 그 상태점과 한 직선 위에 놓인다. 이 직선을 코일 조건선이라 한다. 직선을 연장해 포화곡선(상대습도 100%)과 만나는 점이 ADP(Apparatus Dew Point, 장치노점) 이다. ADP에서 공기는 포화 상태이며 건구온도, 습구온도, 노점온도가 같다.

ADP는 실제 코일 표면 온도와 같은 값으로 취급하지만, 엄밀히는 계산을 위한 가상의 상태점이다. 이 점이 있으면 제습량과 현열 제거량을 습공기선도 위에서 나눠 구할 수 있다. BF와 접촉률 CF(Contact Factor)는 CF = 1 - BF 의 관계에 있다.

BF는 건구온도 기준으로 다음과 같이 계산한다.

$BF=\frac{t_B-t_{ADP}}{t_A-t_{ADP}}$

여기서 t_A는 입구 건구온도(℃), t_B는 출구 건구온도(℃), t_{ADP}는 ADP의 건구온도(℃)이다. 엔탈피 기준으로는 BF \approx \frac{h_B-h_{ADP}}{h_A-h_{ADP}} 로 근사한다. 여기서 h는 비엔탈피(kJ/kg)이다.

절차

• 입구 상태 A와 출구 상태 B를 습공기선도에 표시한다.
• A와 B를 잇는 직선을 코일 조건선으로 긋고 포화곡선까지 연장한다.
• 연장선과 포화곡선의 교점을 ADP로 읽는다.
• 건구온도 기준 식으로 BF를 계산한다.
• 냉수량, 열수, 냉매 온도를 조정해 BF와 ADP를 목표값에 맞춘다.

계산 예제. 입구 A가 27℃, 출구 B가 13℃, ADP가 7℃일 때 다음과 같다.

$BF=\frac{13-7}{27-7}=\frac{6}{20}=0.3$

BF는 0.3이고 CF는 0.7이다. BF가 0~1 사이에 있으므로 결과는 상식 범위이다. 출구 온도가 같더라도 ADP가 낮아지면 BF가 줄어든다. 이는 같은 출구 온도를 얻기 위해 코일 표면을 더 차갑게 해야 한다는 뜻이다.

5. 관련 법령·기준·표준

BF와 ADP는 설계 계산에서 쓰는 기준 개념이다. 개념의 정의와 계산식은 공기조화 이론에서 오래 유지되어 왔다. 설계에 쓰는 BF 값과 ADP 값은 공기조화 설계 교재와 제조사의 코일 선정 자료에 따른다. 아래 표는 설계 검토에서 자주 쓰는 값과 조건을 정리한 것이다.

표의 값 중 BF와 접촉률은 정의에서 바로 나오는 값이다. 계산 예의 값은 조건을 바꾸면 달라진다. 실제 설계에서는 입구 조건과 출구 조건을 먼저 정하고 나서 ADP를 계산한다.

설계 검토 순서는 다음과 같다. 먼저 설계 외기 조건과 실내 조건을 정한다. 다음으로 현열부하와 잠열부하를 구해 실내 현열비를 정한다. 그 뒤 코일 출구 조건을 정하고 BF와 ADP를 구한다. 마지막으로 코일 열수와 냉수 온도를 확인한다.

냉각 코일의 대표 BF는 관련 기준이 정한 범위로 설계한다. 냉수 코일의 대표 ADP는 관련 기준이 정한 범위이다. 이 두 값은 설계 교재의 관행값이므로 제조사 선정 자료로 확인해야 하는 값이다.