열수분비

왜 배우는가: 열수분비는 같은 냉방능력이라도 현열과 잠열의 비율에 따라 코일 출구 상태와 기기 용량이 달라지므로, 설계 초기에 가장 먼저 확인하는 값이다. 시험에서는 공기선도 상태변화 경로, 바이패스 팩터, 기기 선정을 묶는 문제로 반복해서 출제되었다.

출제 이력: 제139회 2교시 4번, 제135회 1교시 3번, 제102회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

열수분비는 공기의 엔탈피 변화량을 절대습도 변화량으로 나눈 값(Δh/Δx, kJ/kg)으로, 공기가 얻거나 잃는 열량과 수분량의 비이다.

• 열수분비(Heat and Moisture Ratio, HMR)
• 엔탈피 변화량(Δh)
• 절대습도 변화량(Δx)
• 현열부하와 잠열부하
• 현열비(Sensible Heat Factor, SHF)
• 공기선도 상태변화 경로
• 코일 출구 상태(노점온도)

2. 개념 풀이

열수분비를 쉽게 말하면 실내 공기에 열을 넣거나 뺄 때, 그 열이 온도를 바꾸는 데 쓰이는지 수분을 바꾸는 데 쓰이는지를 나타내는 값이다. 온도만 바뀌면 열이 주로 현열로 작용하고, 수분이 함께 바뀌면 잠열이 함께 작용한다. 열수분비는 이 두 작용의 비율을 한 숫자로 나타낸다.

정식 정의는 다음과 같다. 공기 질량 흐름을 ṁa, 열량 변화를 Q, 수분 질량 변화를 ṁw라 하면 열수분비는 HMR = Q/ṁw = ṁa·Δh/(ṁa·Δx) = Δh/Δx로 쓴다. 단위는 kJ/kg(수분)이다. 여기서 Δh는 습공기 엔탈피 변화(kJ/kg 건공기), Δx는 절대습도 변화(kg/kg 건공기)이다. 공기량 ṁa가 식에서 상쇄되므로 열수분비는 공기량과 무관하게 공기 상태변화 경로의 기울기만으로 정해진다.

현열부하는 온도만 변화시키는 열이고, 공기선도에서 수평 방향 변화로 나타난다. 잠열부하는 수분 응축이나 증발에 쓰이는 열이고, 공기선도에서 수직 방향 변화로 나타난다. 공기선도 위의 상태변화 경로는 이 두 성분의 합으로 그려진다. 공기선도 보조눈금에서 바깥쪽 눈금이 엔탈피 차와 습도 차의 비, 즉 열수분비를 보여주는 이유가 여기에 있다.

현열비(SHF)는 전열량에 대한 현열량의 비이다. 열수분비와 같은 정보를 다른 방식으로 나타낸 값이므로 둘을 혼동하지 않는다. 열수분비는 엔탈피 변화와 습도 변화의 비이고, 현열비는 현열과 전열의 비이다. 두 값은 공기선도에서 같은 경로의 기울기를 서로 다른 눈금으로 읽은 것이다.

열수분비가 크면 경로가 수평에 가깝고 습도 변화가 작다. 열수분비가 작으면 경로가 수직에 가깝고 습도 변화가 크다. 이 성질을 이용하면 실내 부하 조건을 공기선도에 직접 옮겨 급기 상태와 코일 출구 상태를 정할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

공조설비는 실내 온도와 습도를 동시에 목표값에 맞춰야 한다. 초기 설계는 주로 실내 냉방부하의 총량을 구하고 그 값에 맞춰 냉동기나 공조기 용량을 정하는 방식이었다. 그러나 같은 총부하라도 현열과 잠열의 비율이 다르면 공조기가 요구하는 제습 능력과 급기 온도가 크게 달라진다. 총량만으로는 이 차이를 설명할 수 없었다.

이 문제를 해결하기 위해 현열과 잠열 비율을 공기선도 위의 경로로 나타내는 방법이 정리되었다. 열수분비는 그 경로의 기울기를 수치로 표현한 값이며, 부하 계산 결과를 공기선도에 옮기는 연결고리 역할을 한다. 설계자는 열수분비를 먼저 구하고, 그 값에 맞는 급기 상태와 송풍량을 정한 뒤, 코일과 가습·감습 장치의 용량을 계산한다.