전열교환기

왜 배우는가: 전열교환기는 환기 과정에서 버려지는 배기 에너지를 회수해 외기부하를 줄이는 대표 설비이며, 공조 에너지 절약과 실내 환기량 확보를 동시에 다루므로 공조냉동기계기술사 시험에서 반복해 출제된다. 현열뿐 아니라 잠열까지 교환한다는 점이 현열교환기와 구별되는 핵심이다.

출제 이력: 제134회 1교시 2번, 제131회 3교시 5번, 제98회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전열교환기는 배기의 현열과 잠열을 급기로 함께 옮겨 외기부하를 줄이는 환기용 열교환기이다.

핵심 키워드

• 전열교환기(Total Heat Exchanger)
• 현열 회수
• 잠열 회수
• 엔탈피 효율
• 회전형(회전식) 전열교환기
• 고정형(정지식) 전열교환기
• 외기부하
• 습공기선도

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 실내에서 버려지는 공기가 가진 열을 들어오는 바깥 공기에 옮겨 주는 장치다. 여름에는 실내의 시원한 기운과 습기를 붙잡아 두고, 겨울에는 실내의 따뜻한 기운과 습기를 되돌려 준다. 그래서 환기를 하면서도 냉난방 에너지가 빠져나가는 양을 줄일 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 전열교환기는 환기 시 배기공기와 급기공기가 전열면을 사이에 두고 열(현열)과 수분(잠열)을 함께 교환하도록 만든 열교환기다. 석면, 알루미늄, 나일론 등을 벌집 모양으로 적층한 구조가 일반적이다. 석면에 흡습제를 포함시키면 제습 기능도 갖는다.

현열은 온도 변화로 이동하는 열이다. 잠열은 수증기의 응축과 증발로 이동하는 열이다. 전열교환기는 두 가지를 모두 옮기므로 현열교환기보다 회수 범위가 넓다. 실내외 온도차와 습도차가 함께 작용하는 것이 원리다.

엔탈피는 공기가 가진 현열과 잠열의 합이다. 전열교환기의 성능은 온도 효율이 아니라 엔탈피 기준으로 평가한다. 이 때문에 전열교환기 효율은 엔탈피 효율로 정의하는 것이 맞다.

외기부하는 외부에서 도입하는 공기를 실내 조건까지 냉각·가열·제습·가습하는 데 드는 부하다. 공조부하에서 외기부하가 차지하는 비중은 건물 조건에 따라 달라지며, 전열교환기는 이 부분을 줄이는 데 목적이 있다.

3. 등장 배경과 필요성

건물의 기밀성이 높아지면서 자연 환기만으로는 실내 공기질을 유지하기 어려워졌다. 이에 따라 기계 환기가 필수가 되었고, 기계 환기는 배기와 함께 실내의 냉난방된 공기를 버리는 문제를 동반한다. 창을 열어 환기하면 냉방된 실내 공기가 빠져나가 다시 냉방해야 하는 손실이 생긴다.

이 손실을 줄이기 위해 배기의 에너지를 외기 도입 공기로 옮기는 열회수 장치가 도입되었다. 전열교환기는 그중 현열과 잠열을 동시에 회수할 수 있는 방식으로 발전했다. 공조기기 용량 감소, 냉동기와 보일러의 부하 감소, 연간 운전비 절감이 직접적인 효과다.

또한 에너지 절약 요구가 커지면서 건물의 에너지 소비 성능 평가에서 환기 열회수가 중요한 항목으로 다뤄진다. 실내 공기질 기준을 지키면서 에너지 소비를 낮추려면 환기량과 열회수 성능을 함께 고려해야 한다. 전열교환기는 이 두 요구를 같이 충족하는 설비로 자리 잡았다.