습공기선도

왜 배우는가: 습공기선도는 공조설계와 공조기 용량 산정, 냉난방 부하 해석의 공통 도구다. 공기의 상태 변화를 한 장에 나타내므로 실무에서 공조 프로세스를 검토할 때 가장 먼저 쓰인다. 기술사 시험에서도 선도 도시, 가열·냉각 과정 해석, 공조기 용량 산정 문항으로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제130회 1교시 6번, 제119회 3교시 1번, 제116회 1교시 11번, 제114회 2교시 4번, 제100회 1교시 6번, 제92회 3교시 3번, 제90회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

습공기선도는 대기압에서 습공기의 건구온도, 절대습도, 엔탈피, 비체적, 상대습도 등 열역학적 상태량을 하나의 그래프에 나타낸 선도다.

• 습공기선도(Psychrometric Chart)
• 건구온도(Dry-bulb Temperature)
• 절대습도(Humidity Ratio)
• 엔탈피(Enthalpy)
• 습구온도(Wet-bulb Temperature)
• 상대습도(Relative Humidity)
• 현열비(Sensible Heat Ratio)
• 열수분비(Humidity Ratio Change per Enthalpy Change)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 습공기선도는 공기의 상태를 점 하나로 표시하는 지도다. 공기의 온도와 수증기량을 알면 나머지 성질을 지도에서 바로 읽을 수 있다.

정식으로는 습공기선도를 특정 대기압에서 습공기의 상태량 사이의 관계를 도표로 나타낸 것이라고 정의한다. 두 개의 독립 상태량을 정하면 특정한 압력에서 습공기 상태가 완전히 정해진다. 나머지 상태량은 열역학 관계식으로 계산되며, 그 결과를 선도로 만들어 계산을 줄인 것이 습공기선도다.

선도의 좌표는 보통 가로축이 건구온도, 세로축이 절대습도다. 어떤 선도는 세로축에 증기압을 쓰는데, 전압이 일정하면 절대습도와 증기압은 1 대 1로 대응하기 때문이다.

포화선(Saturation Curve)은 선도 왼쪽 위를 감싸는 곡선이다. 이 곡선 위의 모든 점은 상대습도 100%인 포화공기 상태다. 포화선 위쪽은 습공기와 액체 물이 함께 있는 영역이므로 실제 공기 상태가 놓이지 않는다.

습구온도선은 오른쪽으로 기울어진 선이다. 단열 포화 과정에서 공기의 습구온도는 일정하게 유지된다. 엔탈피선은 습구온도선과 거의 평행하게 그려진다.

비체적선은 습구온도선보다 기울기가 큰 선들이다. 건공기 1kg당 체적이 m³/kg(DA)로 표시된다. 비체적은 공기 밀도와 풍량 환산에 쓰인다.

습공기의 상태 변화는 선도 위 두 점을 잇는 직선이나 곡선으로 표시된다. 가열은 절대습도가 일정한 수평선으로, 가습은 엔탈피가 일정한 선을 따라 오른쪽 위로 움직이는 과정으로 나타난다. 이 원리가 공조 프로세스 도시의 기초다.

3. 등장 배경과 필요성

공기조화장치의 크기를 정하려면 공기의 상태량을 여러 번 계산해야 한다. 계산 과정이 많고 반복적이어서 손계산에는 한계가 있었다. 그래서 한 번 계산한 결과를 읽기 쉬운 선도로 만들 필요가 생겼다.

습공기선도는 이 필요에서 출발했다. 1923년 Mollier가 엔탈피와 절대습도를 좌표로 하는 h-x 선도를 제안했고, 이후 건구온도와 절대습도를 쓰는 선도와 함께 널리 쓰이게 되었다. 이 선도는 현재도 공조 설계의 표준 작도 도구다.

선도의 가장 큰 장점은 상태 변화를 눈으로 볼 수 있다는 점이다. 가열·냉각·가습·제습이 각각 어떤 방향의 선으로 나타나는지 한 번에 보인다. 혼합 과정도 두 점을 잇는 직선 위의 한 점으로 표시된다.