공조 풍량 산정

왜 배우는가: 공조 풍량은 공조기, 덕트, 송풍기 용량을 정하는 출발점이라 실무 설계와 시험 계산 문제에 반복해서 쓰인다. 전공기 방식의 설계 문항에서는 현열·잠열 개념과 풍량을 정하는 요인을 함께 묻는다.

출제 이력: 제108회 2교시 2번, 제75회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공조 풍량 산정은 실내의 현열·잠열 부하를 처리하는 데 필요한 취출 공기량(㎥/h)을 구하는 계산이다.

• 현열부하: 온도 변화로 실내에 출입하는 열량
• 잠열부하: 수증기량 변화로 실내에 출입하는 열량
• 취출 온도차: 취출 공기 온도와 실내 온도의 차이
• 송풍량: 단위 시간당 실내에 공급하는 공기의 체적
• 현열비(SHR): 전열량에 대한 현열량의 비
• 전공기 방식: 공기만으로 실의 냉난방 부하를 처리하는 공조방식

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 방 안이 더워지거나 습해진 만큼의 열을 공기에 실어 내보내는 것이다. 공기 양이 적으면 실온이 목표에 도달하지 못하고, 많으면 덕트와 송풍기가 커져 설비비와 운전비가 늘어난다. 그래서 실의 부하로부터 필요한 풍량을 거꾸로 계산한다.

정식으로는 실내 열부하를 현열과 잠열로 나눈다. 현열은 물질의 상태가 바뀌지 않고 온도만 변하게 하는 열이다. 공기에서는 건구온도 변화로 나타나며 절대습도는 변하지 않는다. 잠열은 온도는 변하지 않고 수증기량, 즉 절대습도만 변하게 하는 열이다. 같은 열이라도 어느 쪽으로 처리되느냐에 따라 공기의 상태 변화 경로가 달라진다.

현열 부하는 q_s = \rho c_p Q \Delta t 로 쓴다. 여기서 q_s는 현열부하(W), \rho c_p는 공기의 체적 비열로 약 0.33Wh/(㎥·K)(1.2kJ/(㎥·K)), Q는 송풍량(㎥/h), \Delta t는 취출 온도차(K)이다. 이 식을 풍량에 대해 정리하면 Q = q_s / (\rho c_p \Delta t) 가 된다. 단위는 W를 Wh/(㎥·K)·K로 나눈 값이므로 ㎥/h가 나온다.

잠열 부하는 q_L = \rho r Q \Delta x 로 쓴다. 여기서 r은 수증기의 증발잠열, \Delta x는 취출 공기와 실내 공기의 절대습도차(kg/kg')이다. 잠열은 취출 공기를 감습(除濕)된 상태로 보내 처리한다. 따라서 송풍량은 현열 기준으로 먼저 정하고, 잠열은 취출 공기의 습도 조건으로 확인하는 순서가 일반적이다.

현열비는 전체 열부하 중 현열이 차지하는 비율이다. SHR = q_s / (q_s + q_L) 로 구하며, 실의 현열비에 따라 공급 공기의 상태점과 송풍량이 정해진다. 현열비가 크면 송풍량이 많아지고 공급 공기 온도차를 크게 잡기 어렵다.

전공기 방식은 공조기에서 온도와 습도를 조절한 공기만으로 실의 현열·잠열 부하를 모두 처리하는 방식이다. 수방식이나 냉매 방식에 비해 공기 이동량이 커서 풍량 산정의 비중이 크다.

3. 등장 배경과 필요성

공기조화는 온도, 습도, 기류, 청정도를 함께 제어하는 설비다. 냉난방 설비가 주로 온도 제어에 머무는 것과 달리, 공기조화는 실내 공기를 직접 바꾸므로 쾌적 환경을 만들려면 풍량을 정확히 정해야 한다. 실의 부하가 결정되어도 공급 공기의 상태와 풍량이 정해지지 않으면 공조기와 덕트를 설계할 수 없다.

풍량 산정이 필요한 이유는 세 가지다. 첫째, 풍량이 부족하면 부하를 처리하지 못해 실온과 습도가 목표 범위를 벗어난다. 둘째, 풍량이 과하면 덕트 단면적과 송풍기 동력이 커져 설비비와 운전비가 늘고, 취출 기류가 강해져 재실자에게 콜드드래프트를 줄 수 있다. 셋째, 풍량은 공조기 용량, 덕트 크기, 팬 동력을 연쇄적으로 정하므로 한 단계의 오류가 전체 설계를 바꾼다.

설계 과정에서 풍량은 다음 순서로 정해진다.

• 실별 현열·잠열 부하를 계산하고 현열비를 구한다.
• 현열비에 맞춰 공급 공기의 상태(온도, 습도)와 송풍량을 정한다.
• 환기를 위한 외기 도입량을 정하고 외기와 환기의 혼합 상태를 구한다.
• 혼합 공기를 공급 상태로 만드는 가열·가습 또는 냉각·감습 요구량을 산정한다.

전공기 방식에서는 외기도 공기로 함께 처리하므로 송풍량 안에 외기 도입량이 포함된다. 외기 도입은 실내 오염물질과 이산화탄소 농도를 낮추는 환기 부하를 만든다. 일반적으로 외기량은 총 급기량의 20~30% 수준으로 잡는다. 외기는 실내 상태보다 온습도가 달라 외기 도입량만큼 추가 냉각이나 감습이 필요하다. 그래서 풍량 산정에서는 실내 부하와 외기 부하를 합쳐 공조기 부하를 구한다.

풍량은 현열부하와 취출 온도차로 정하고, 잠열은 취출 공기의 감습으로 처리한다.

수방식과 비교하면 전공기 방식은 공기의 열용량이 작아 같은 부하를 처리하려면 송풍량이 많아진다. 이 때문에 덕트 설계와 풍량 산정이 전공기 방식의 핵심 설계 과정이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

전공기 방식에서 실의 풍량은 열과 수분을 실내로 운반하는 취출 공기량으로 정한다. 공기는 현열과 잠열을 함께 운반하므로, 현열 기준으로 풍량을 정하고 잠열은 취출 절대습도 차로 검토하는 방식이 일반적이다.

표의 구성요소는 풍량 산정 결과가 설계 전체로 이어지는 흐름을 보여 준다. 취출구와 덕트는 풍량을 실에 전달하는 통로이므로 풍량 계산의 결과를 그대로 받는다.

현열 부하는 공기의 온도 변화로 처리된다. 실내온도와 취출온도의 차가 클수록 필요한 풍량이 줄어든다. 현열 풍량은 현열부하를 취출 온도차로 나누어 구한다 식은 다음과 같다.

$Q_S=\frac{H_S}{0.33\,\Delta t}$

Q_S는 현열 풍량(m³/h), H_S는 현열부하(W), \Delta t는 실내와 취출 공기의 온도차(K)다. 0.33은 공기 밀도 1.2kg/m³와 정압비열 1.005kJ/(kg·K)를 시간 단위로 환산한 상수로, 단위는 Wh/(m³·K)다.

잠열 부하는 공기의 절대습도 변화로 처리된다. 잠열 풍량은 실내와 취출 공기의 절대습도 차로 구한다.

$Q_L=\frac{H_L}{833\,\Delta x}$

Q_L은 잠열 기준 풍량(m³/h), H_L은 잠열부하(W), \Delta x는 절대습도 차(kg/kg)다. 833은 공기 밀도 1.2kg/m³와 수증기 증발잠열 약 2501kJ/kg을 곱하고 3600으로 나눈 값이다. 잠열 식은 취출 공기가 잠열을 얼마나 처리할 수 있는지 검토하는 데 쓴다.

풍량 산정 절차는 다음과 같다.

• 실별로 현열부하와 잠열부하를 계산하고 현열비(SHR)를 구한다.
• 현열비를 기준으로 취출 공기의 온도와 습도 조건을 정한다.
• 현열 식으로 실별 풍량을 구한다.
• 잠열 식으로 취출 절대습도 차를 검토하고, 부족하면 취출 조건을 바꾼다.
• 실별 풍량을 합산하고, 외기량을 더해 공조기 용량을 정한다.

외기량은 실내 청정도를 유지하기 위해 별도로 도입한다. 덕트식 공조 시스템에서 외기량은 총 급기량의 20~30% 정도로 잡는다. 총 급기량의 20~30% 외기 부하는 외기를 실내 상태까지 냉각·감습하는 열량이므로 공조기 용량 계산에 더한다.

5. 관련 법령·기준·표준

풍량 산정의 기준값은 설계 조건과 법령 기준으로 나뉜다. 설계 조건은 쾌적 범위에서 정하고, 실내공기질은 법령 기준을 만족하도록 외기량과 환기 설비를 정한다. 아래 표는 본문에서 쓴 기준값과 상수를 한곳에 모은 것이다.

표의 값 가운데 쾌적 범위와 외기 비율은 설계 지침의 일반값이다. 실제 설계에서는 적용 법령과 지침의 최신 조문을 함께 확인해야 한다.

실내공기질은 「다중이용시설 등의 실내공기질 관리법」과 그 시행규칙이 다룬다. 신축 건축물의 기계환기설비는 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙이 설치 기준을 정한다. 이들 기준은 외기량과 환기 횟수를 정하는 근거가 되므로, 풍량 산정의 외기량 항목에 반영한다.