증발냉방

왜 배우는가: 증발냉방은 물의 증발잠열을 이용해 공기를 냉각하는 가장 단순한 냉방 원리이며, 습공기선도에서 건구온도·습구온도·엔탈피 관계로 냉각 한계와 가습 과정을 설명하는 문제가 반복해서 출제된다. 실무에서는 건조지역 외기 냉방과 간접·직접 증발냉각기 설계의 기초가 된다.

출제 이력: 제95회 2교시 4번, 제89회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

증발냉방은 물의 증발잠열을 이용해 공기의 건구온도를 낮추고 절대습도를 높이는 냉각 방식으로, 습구온도에 가까운 온도까지 냉각할 수 있다.

• 증발냉방(Evaporative Cooling)
• 습구온도(Wet-bulb Temperature)
• 건구온도(Dry-bulb Temperature)
• 단열가습(Adiabatic Humidification)
• 습공기 엔탈피
• 습도비(절대습도)
• 증발잠열(Latent Heat of Vaporization)
• 습공기선도(Psychrometric Chart)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 젖은 천을 바람에 말리면 천이 차가워지는 현상과 같다. 물이 증발하면서 주변 공기의 열을 빼앗아 가므로 공기 온도가 내려간다. 이때 공기 속 수증기는 늘어난다.

정식 정의는 다음과 같다. 증발냉방은 공기를 물과 접촉시켜 물의 증발에 필요한 잠열을 공기 현열로부터 얻게 함으로써 공기 온도를 낮추고 습도를 높이는 과정이다. 과정 중 전체 엔탈피는 거의 일정하게 유지된다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

• 건구온도는 일반 온도계가 가리키는 공기 온도다. 거즈를 감지 않은 온도계가 나타내는 값이다.
• 습구온도는 거즈를 감은 온도계가 나타내는 값이다. 거즈의 수분이 증발하면서 기화열을 빼앗기 때문에 일반적으로 건구온도보다 낮다. 증발냉방으로 도달할 수 있는 최저 온도는 이 습구온도다.
• 단열가습은 외부와 열을 주고받지 않고 물을 분무해 공기를 가습하는 과정이다. 습공기선도에서 습구온도선 또는 엔탈피 일정선을 따라 움직인다.
• 습도비는 건공기 1kg당 수증기 질량(kg/kg')이다. 증발냉방에서는 습도비가 증가하고 건구온도가 감소한다.

습공기선도에서 증발냉방 과정은 거의 일정한 습구온도선(엔탈피 일정선과 거의 평행) 위를 따라 움직인다. 건구온도는 내려가고 습도비는 올라간다. 공기가 포화선에 가까워질수록 냉각 효과는 줄어든다.

3. 등장 배경과 필요성

증발냉방은 냉매를 쓰는 압축식 냉동기보다 구조가 단순하고 소비전력이 작다. 고대 이집트처럼 물에 적신 갈대 발을 창에 걸어 실내를 식히는 방법이 이미 사용됐다. 현대에는 건조한 기후 지역의 외기 냉방과 저비용 냉방에서 다시 주목받고 있다.

증발냉방의 한계는 외기 습도에 크게 좌우된다는 점이다. 습도가 높으면 증발이 잘 일어나지 않아 냉각 효과가 줄어든다. 따라서 공조 설계에서는 외기 건구온도와 습도로부터 습구온도를 구하고 도달 가능한 온도를 먼저 확인해야 한다.

관련 수치로 예를 들면, 건구온도 25℃, 상대습도 30%의 공기는 습공기선도에서 습구온도가 약 14℃ 부근이다. 같은 조건에서 상대습도가 0%에 가까우면 습구온도는 약 8℃까지 내려간다. 이 값은 증발냉방으로 도달 가능한 이론적 하한이다.

◆ 도식

4. 구성요소·원리·절차

증발냉방은 물이 증발할 때 주위 공기에서 잠열을 빼앗아 공기의 건구온도를 낮추는 방식이다. 장치는 크게 냉각 재료(패드·필터), 물 공급·순환 계통, 송풍기로 구성된다. 공기가 젖은 면을 통과하면 현열은 줄고 잠열은 늘어나며, 엔탈피는 거의 일정하게 유지된다.

원리는 다음과 같다. 건공기가 물과 접촉하면 물 표면의 수증기압이 공기의 수증기압보다 높으므로 증발이 일어난다. 증발에 필요한 잠열이 공기에서 공급되어 건구온도는 내려가고 절대습도는 올라간다. 이때 공기는 습구온도선을 따라 변화하며, 이상적 포화 한계는 입구 공기의 습구온도다.

습공기선도 위에서 과정은 다음과 같이 읽는다. 입구 상태점 A(건구온도 t₁, 절대습도 x₁)에서 출발해 습구온도선(또는 엔탈피 일정선)을 따라 왼쪽 위로 이동하여 상태점 B에 도달한다. 가로축 건구온도는 감소하고, 세로축 절대습도는 증가하며, 상대습도는 상승한다. 이 과정은 가습이 추가된 냉각이므로 수평선(습도비 일정)과 다르다.

절차는 다음과 같다.

• 입구 공기의 건구온도와 상대습도를 측정하여 습공기선도에서 상태점 A를 정한다.
• 상태점 A에서 습구온도선(엔탈피 일정선)을 따라 포화선 방향으로 이동한다.
• 포화효율을 적용해 출구 건구온도를 정한다. 출구 상태점 B의 상대습도가 허용 범위(관련 기준이 정한 상한 이하)에 드는지 확인한다.
• 상태점 A와 B의 건구온도 차이로 냉각량을 구하고, 필요 풍량과 곱해 냉각 능력을 산정한다.

증발냉각 효율은 다음 식으로 나타낸다.

$\eta = \frac{t_1 - t_2}{t_1 - t_{w1}} \times 100\%$

여기서 t_1은 입구 건구온도(℃), t_2는 출구 건구온도(℃), t_{w1}은 입구 습구온도(℃)이다. 이상적으로 t_2는 t_{w1}에 가까워진다. 열수분비와 엔탈피 관계는 다음과 같다.

$h_1 \approx h_2, \quad \Delta t = \frac{h_1-h_2}{c_p}$

여기서 h는 습공기 엔탈피(kJ/kg (DA)), c_p는 습공기 정압비열이다. 증발냉방에서 실제 출구 상태는 엔탈피가 거의 같은 선 위에 놓인다.

5. 관련 법령·기준·표준

증발냉방기는 건축물의 기계설비 설계에 쓰이는 기준이 적용된다. 각 값은 적용 조건과 함께 본다.

기준 체계의 흐름은 다음과 같다. 공조 설비의 열부하와 송풍량은 「건축물의 설비기준 등에 관한 규칙」과 국내 공조 설계 기준을 따르고, 냉방 능력 산정은 공기선도 해석으로 확인한다. 옥내 공기질은 「실내공기질 관리법」의 기준을 따른다. 증발냉방 장치 자체의 성능 시험은 제조사 규격과 한국산업표준(KS) 시험방법을 참조한다.

개정 연혁으로는 증발냉방을 포함한 건축설비 기준이 에너지 절약 관점에서 반복 보완되어 왔다. 구체적 개정 시점과 조항은 이 절에서 단정하지 않는다.

6. 유형과 비교

증발냉방은 공기를 물과 접촉시키는 방식과 공기 흐름의 조건에 따라 직접식, 간접식, 그리고 두 방식을 결합한 복합식으로 나눈다. 각 방식은 공급 공기의 절대습도가 얼마나 늘어나는지, 그리고 공급 온도가 습구온도에 얼마나 가까워지는지가 다르다. 이 차이를 습공기선도 위의 상태 변화로 비교하면 설계 판단이 쉬워진다.