가습기

왜 배우는가: 가습기는 공조기와 실내 습도 조절에서 빠지지 않는 장치이며, 방식마다 에너지 사용량·수질 관리·가습 특성이 달라 선택 기준을 묻는 문항이 반복된다. 세 방식의 원리 차이를 이해해야 비교 문항에 답할 수 있다.

출제 이력: 제135회 4교시 6번, 제102회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 가습기는 물을 증기나 미립자로 바꿔 공기 중 수증기량을 늘리는 장치이다.

핵심 키워드

• 절대습도: 건공기 1kg에 섞인 수증기 질량(kg/kg′)
• 상대습도: 현재 수증기압과 같은 온도의 포화수증기압에 대한 비(%)
• 증기취출식: 가열한 증기를 직접 실내나 덕트에 내보내는 방식
• 수분무식: 물을 미립자로 분무하여 공기 중에서 증발시키는 방식
• 기화식: 젖은 패드나 필터에 공기를 통과시켜 자연 증발시키는 방식
• 등온가습: 건구온도가 거의 변하지 않고 습도만 올라가는 가습
• 단열가습: 엔탈피가 거의 일정하고 건구온도가 내려가는 가습

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 가습기는 공기에 수분을 더해 주는 기계다. 겨울철에 난방을 하면 실내 공기 온도가 올라가면서 상대습도가 떨어진다. 이때 부족한 수증기를 채우면 목과 코 점막이 마르거나 정전기가 생기는 현상을 줄일 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 가습은 공기에 수증기를 공급하여 절대습도를 높이는 과정이며, 가습기는 이 과정을 수행하는 장치다. 공조 설비에서는 공기조화기 내부나 송풍 덕트에 가습장치를 설치하여 취출 공기의 습도를 조절한다.

공조 계산은 온도가 바뀌어도 값이 변하지 않는 절대습도를 기준으로 한다. 상대습도는 온도에 따라 변하므로, 가습량은 가습 전후 절대습도의 차이로 구한다. 가습량은 다음 식으로 구한다.

$G_w = G(x_2 - x_1)$

여기서 G_w는 가습량(kg/h), G는 건공기 질량 유량(kg/h), x_1, x_2는 가습 전후 절대습도(kg/kg′)이다.

가습 방식은 공기가 얻는 열의 형태로 나눌 수 있다. 증기취출식은 증기가 가진 열량이 공기에 더해지므로 엔탈피가 증가하고 건구온도는 거의 변하지 않는다. 이를 등온가습이라 한다. 수분무식과 기화식은 물이 증발하면서 공기의 현열을 잠열로 바꾸므로 엔탈피는 거의 일정하고 건구온도가 내려간다. 이를 단열가습이라 한다. 두 가습 방식의 차이는 습공기 선도에서 가습 과정선의 방향으로 나타난다.

3. 등장 배경과 필요성

가습이 필요해진 배경은 난방과 실내 밀폐화다. 겨울철 외기는 절대습도가 낮은데, 이 공기를 실내에서 가열하면 상대습도가 급격히 떨어진다. 일반적으로 실내 상대습도 40~60% 범위를 쾌적과 건강의 기준으로 삼는 경우가 많다.

습도가 낮으면 호흡기 점막이 건조해져 감염에 취약해지고, 정전기가 발생하며, 목재와 가구가 변형된다. 반도체, 인쇄, 섬유 같은 정밀 공정에서는 습도 변동이 제품 품질에 직접 영향을 준다. 그래서 가습은 쾌적성 목적뿐 아니라 공정 관리 목적으로도 필요하다.

가습 방식이 여러 가지로 발전한 이유는 에너지와 수질 문제 때문이다. 초기에는 물을 끓여 만든 증기를 공급하는 방식이 가장 확실했으나, 물을 끓이는 데 다른 방식보다 훨씬 많은 에너지가 든다. 증기는 급수 탱크의 물에서 미네랄이나 미생물을 옮길 가능성이 적어 위생 측면에서는 유리하다.

이후 물을 가열하지 않고 미립자로 분무하는 수분무식이 등장했다. 수분무식은 적은 에너지로 가습할 수 있으나, 물 공급이 청결하지 않으면 세균이나 진드기가 공기 중으로 퍼질 위험이 있다. 또 분무 방식은 소음이 큰 편이다. 기화식은 젖은 매질로 공기를 통과시켜 자연 증발을 이용하므로 설비가 단순하고 에너지 소모가 작다.

결국 가습 방식을 고를 때는 에너지 사용량, 수질과 위생 관리, 설치 공간과 소음, 원하는 공기 상태 변화의 네 가지를 함께 본다. 이 기준이 뒤의 비교 문항에서 방식별 특징을 설명하는 틀이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

가습기는 물을 수증기, 미세 물방울, 또는 증발 면의 형태로 공기에 공급해 공기 중 수증기량을 늘리는 장치다. 방식에 따라 구성요소는 다르지만 물 공급부, 가습부, 공기 접촉부의 세 부분으로 나눠 이해하면 된다. 공조기에서는 가습 방식과 가습 위치를 함께 정한다.

증기취출식은 물을 끓여 만든 증기를 공기 중에 직접 주입하는 방식이다. 전극식과 전열식이 대표적이다. 증기는 응축 없이 공기와 섞이므로 가습 효율이 높고 물속 미네랄이나 미생물이 공기로 옮겨질 가능성이 낮다. 다만 물을 끓이는 데 다른 방식보다 많은 에너지가 든다.

수분무식은 물을 미세 입자로 만들어 공기 중에 뿌리는 방식이다. 초음파 방식은 진동자로 캐비테이션을 일으켜 가는 안개를 만든다. 임펠러 방식은 회전판으로 물방울을 날린다. 입자가 증발하면서 공기에 수분이 더해지고, 이때 증발 잠열을 공기에서 흡수하므로 공기 온도는 낮아진다.

기화식은 젖은 필터나 패드에 공기를 통과시켜 물을 증발시키는 방식이다. 별도 열원이 없어 에너지가 적고 과열 위험이 없다. 가습 능력은 공기의 온습도와 필터 면적에 따라 달라진다.

표에서 보듯 증기취출식만 공기를 가열하며 가습한다. 수분무식과 기화식은 증발 잠열을 공기에서 빼앗으므로 온도가 내려간다. 따라서 냉방 시기 가습은 수분무식이나 기화식이 적합하고, 난방 시기 가습은 증기취출식을 쓰는 경우가 많다.

가습 원리는 질량 보존이다. 가습으로 늘어난 수증기량은 공급된 물의 증발량과 같다. 공기 가습량은 다음 식으로 구한다.

$L = \rho Q (x_2 - x_1)$

여기서 L은 가습량(kg/s), \rho는 공기 밀도(kg/㎥), Q는 송풍량(㎥/s), x_1, x_2는 가습 전후 절대습도(kg/kg(DA))다. 수분무와 기화 가습은 습공기 선도에서 엔탈피가 거의 일정한 단열 가습 과정으로 나타난다. 증기취출식은 엔탈피가 증가하는 가열 가습 과정으로 나타난다.

증기취출식의 작동 절차는 다음과 같다.

• 급수 밸브를 열어 저수조에 물을 채우고 수위를 감지한다.
• 전극 또는 전열 히터에 전원을 공급해 물을 가열한다.
• 물이 끓으면서 증기가 발생하고 증기관을 따라 노즐로 이동한다.
• 노즐이 증기를 송풍 덕트 또는 공기 흐름 속에 분사한다.
• 증기가 공기와 혼합되며 상대습도가 올라간다. 수위가 낮아지면 급수하고 과열 시 전원을 차단한다.

증기취출식은 물을 끓여 증기를 공기에 직접 주입하는 가열 가습 방식이다.

증기 가습은 공기 엔탈피를 높이고, 수분무·기화 가습은 엔탈피를 거의 일정하게 둔다.

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5. 관련 법령·기준·표준

가습 설비에는 방식과 무관하게 적용되는 실내 목표 상대습도가 설계 기준이 된다. 가습량은 이 목표값과 외기 조건으로 정한다. 실내 적당한 습도는 60% 정도로 보며, 이 수준에서 호흡기 장애와 질병을 예방하고 쾌적한 실내 분위기를 유지할 수 있다. 사람이 거주하는 공간의 공조 설계에서는 상대습도를 30~60% 범위로 유지하는 것을 일반적인 목표로 한다.

가습 방식별 기준값과 적용 조건은 다음 표와 같다.

표의 마지막 행처럼 열원 설계가 나쁜 가습기는 과열로 제품이 녹거나 물이 새고 화재가 날 수 있다. 따라서 전기 열원을 쓰는 증기취출식은 과열 차단 장치와 수위 감지 장치를 반드시 갖춰야 한다. 수분무식은 물 공급을 청결하게 관리하지 않으면 세균과 진드기가 대기로 퍼질 위험이 있다. 기화식과 수분무식은 열 위험이 적으나 물받이와 필터의 위생 관리가 핵심이다.

개정 연혁과 관련해 가습기 자체의 전용 설계 기준은 별도로 정립되지 않았다. 공조 설계에서는 건축 설비의 공기조화 설계 기준과 실내 습도 목표를 따른다. 가습기의 전기 안전은 제품 안전 기준을 따른다.