냉방 잠열부하

왜 배우는가: 냉방부하에서 잠열은 실내 습기를 제거하는 데 필요한 에너지로, 현열과 함께 공조기 용량과 제습 능력을 결정한다. 장마철처럼 외기 습도가 높은 시기에는 잠열 비중이 커져 설계와 설비 선정에서 핵심 변수가 되므로 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제127회 1교시 4번, 제118회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

냉방부하 중 잠열부하는 실내 습도를 목표 값으로 유지하기 위해 제거해야 하는 수증기량에 상응하는 열량이다.

• 냉방부하
• 잠열부하
• 현열부하
• 절대습도
• 노점온도
• 제습
• 외기부하
• 인체 발습량

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 잠열부하는 공기 속 수증기를 줄이는 데 드는 열이다. 온도계로 읽히는 열은 현열이고, 온도는 그대로인데 수증기가 물로 바뀌면서 빠져나가는 열이 잠열이다. 냉방 중에 실내 공기를 차갑게 하는 것만으로는 습기가 빠지지 않으므로, 공조기는 공기를 노점온도 이하로 냉각해 수분을 응축시켜야 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 냉방부하는 실내를 쾌적한 상태로 유지하기 위해 제거해야 하는 현열 및 잠열 부하의 합이다. 잠열부하는 그중 상태 변화(수증기의 응축)에 쓰이는 열로, 실내 공기의 절대습도를 설계 조건까지 낮추는 데 필요한 열량이다.

핵심 용어를 풀어 보면 다음과 같다. 잠열은 물질의 온도는 변하지 않고 상태만 변하는 열이다. 현열은 상태는 변하지 않고 온도만 변하는 열이다. 같은 공기 상태 변화라도 건구온도 변화는 현열, 절대습도 변화는 잠열로 구분한다.

잠열부하는 다음 식으로 나타낸다. 외기 기준으로 보면 취득잠열은 q_L = (\text{잠열 계수})\,q_F\,(\chi_o - \chi_i) 이고, 여기서 q_F 는 도입외기량(㎥/h), \chi_o, \chi_i 는 외기와 실내의 절대습도(kg/kg′)이다. 일반 단위계에서는 q_L = (\text{잠열 계수})\,q\,\Delta x 형태로도 쓰며, 이 경우 잠열 계수와 단위를 함께 적는다.

3. 등장 배경과 필요성

고온다습한 환경에서는 실내 습기가 많아 인체의 불쾌감이 커지고, 곰팡이·녹·결로가 생겨 건물과 제품에 피해를 준다. 이를 막으려면 공기 중 수분을 제거하는 제습이 필요하며, 제습에 필요한 열이 잠열부하다.

제습이 필요한 분야는 쾌적한 환경 유지, 결로 방지, 흡습성 제품의 품질 보호, 녹 발생 방지, 서리 방지, 건조 공정, 가스 중 수분 제거, 에너지 절약 등이다. 이 중 결로와 곰팡이 방지는 건축 실내에서 가장 흔한 목적이다.

잠열부하가 설계에서 중요해진 이유는 외기 도입량이 많을수록 외기 속 수분을 처리하는 부하가 커지기 때문이다. 외기는 연간 습도 부하의 대부분을 차지하므로, 외기 도입량과 외기 습도를 함께 검토해야 한다. 장마철에는 외기 절대습도가 높아 같은 풍량이라도 잠열 비중이 크게 늘어난다.

실내 잠열원은 재실자 발습, 실내 기기·조리 발습, 틈새바람, 외기 도입이다. 이 중 재실자의 발습량은 활동량과 온도에 따라 달라지며, 외기 도입은 조건이 바뀔 때마다 변동하므로 장마철 설계에서 가장 큰 변수가 된다.

따라서 잠열부하를 정확히 구하는 일은 공조기 용량, 냉동기 용량, 제습 방식 선정의 출발점이다.

4. 구성요소·원리·절차

냉방부하 중 잠열부하는 실내 공기에 포함된 수증기를 제거하거나 외기에 포함된 수분을 실내 상태까지 낮추는 데 드는 열량이다. 현열이 온도 변화로 나타나는 것과 달리 잠열은 수분(수증기)의 상변화 로 나타난다. 따라서 잠열부하는 실내 수분 발생량과 도입외기의 절대습도 차로 구한다.

잠열부하의 구성요소는 다음과 같다.

잠열 계산의 원리는 수증기가 물로 응축하거나 물이 증발할 때 나오거나 흡수되는 잠열(latent heat) 이다. 물의 증발잠열은 온도 변화 없이 상태만 바꾸므로, 실내 수분량 변화에 해당하는 열량을 따로 계산해야 한다. 외기부하에서 잠열 항목은 다음 식을 쓴다.

$q_{FL}=(\text{잠열 계수})\,q_F\,(\chi_o-\chi_i)$

여기서 q_{FL}은 외기 취득잠열(kcal/h), q_F는 도입외기량(㎥/h), \chi_o, \chi_i는 외기와 실내 공기의 절대습도(kg/kg′)다. 잠열 계수는 외기 풍량을 표준 상태 밀도로 환산한 값이며 단위계에 따라 달라진다.

인체 잠열은 재실 인원과 활동 상태에 비례한다. 장마철에는 외기 절대습도 \chi_o가 커져 외기 잠열이 급증한다. 이때 현열 부하는 크게 변하지 않아 현열비(SHF)가 낮아진다. 현열비는 전체 냉방부하 중 현열의 비율이다.

잠열부하 계산 절차는 다음과 같다.

• 실내 설계 조건(온도·상대습도)과 외기 설계 조건을 정한다.
• 재실 인원, 기기, 조리 등 실내 수분 발생원을 파악한다.
• 도입외기량과 극간풍량을 정하고 각 절대습도차를 구한다.
• 인체·기기·외기·극간풍 잠열을 각각 계산하고 합산한다.
• 현열부하와 합산해 전체 냉방부하와 현열비를 구한다.

잠열부하가 큰 장마철에는 제습 능력이 공조기 코일의 노점 제어와 재가열에 따라 결정된다. 코일 표면온도가 노점보다 낮을 때 수분이 응축되어 잠열이 제거된다.

잠열부하는 외기와 실내의 절대습도차로 계산하며, 장마철에는 외기 잠열이 전체 부하를 좌우한다

도식(흐름도):

5. 관련 법령·기준·표준

냉방부하 계산의 기준은 「건축물의 설비기준 등에 관한 규칙」과 「건축물의 에너지절약설계기준」 등 에너지 관련 기준이다. 공조 설계는 ASHRAE Handbook of Fundamentals, 국내에서는 공기조화 설계 편람의 계산법을 함께 쓴다. 국내 설계에서 외기부하 계산은 kcal 단위의 식을 많이 쓰므로 단위 환산에 주의한다.

잠열부하 관련 기준값과 조건은 다음 표로 정리한다.

외기량 비율 20~30%는 필요 외기량의 일반 범위이며, 실제 값은 인원 기준 환기량으로 정한다. 제습 방식은 냉각 감습, 흡수 감습, 흡착 감습, 압축 감습으로 나뉘며 각각 잠열 제거 방법이 다르다. 개정 연혁은 본 절에서 확인된 바가 없어 쓰지 않는다.

kcal 단위계 식의 잠열 계수는 SI 단위로 바꿀 때 환산식을 함께 적는다.

6. 유형과 비교

냉방부하는 열의 성질에 따라 현열부하와 잠열부하로 나뉘고, 잠열부하는 다시 실내 발생 요인과 외기 도입 요인으로 나뉜다. 시험에서는 두 부하를 구분해 비교하는 문제가 자주 나온다. 먼저 현열과 잠열의 차이를 표로 정리한다.