습공기 냉각·재열

왜 배우는가: 습공기 냉각·재열은 여름철 공조기에서 냉각코일로 습공기를 냉각·감습한 뒤 다시 가열해 실내 조건에 맞추는 기본 과정이다. 냉방부하와 송풍량, 코일 열량을 계산하는 출발점이므로 실무 설계와 시험 모두에서 반복해 나온다. 특히 잠열부하가 큰 조건에서 재열이 필요한 이유를 선도로 설명하는 문제가 자주 출제된다.

출제 이력: 제119회 4교시 4번, 제93회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

습공기 냉각·재열은 공기를 노점온도 이하로 냉각해 수분을 제거(감습)한 뒤, 요구 조건의 온도까지 다시 가열하는 공기 처리 과정이다.

• 습공기(moist air)
• 노점온도(dew point temperature)
• 냉각 감습(cooling and dehumidification)
• 재열(reheat)
• 현열비(sensible heat ratio, SHF)
• 코일 바이패스 팩터(coil bypass factor, BF)
• 습공기 선도(psychrometric chart)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 여름철 공기는 덥고 습해서 먼저 차갑게 식혀 물기를 뺀 다음, 너무 차가워진 공기를 다시 따뜻하게 데워 실내로 보내는 것이다. 공기 중 수분은 온도가 낮아질수록 많이 응축되어 빠지므로, 감습을 위해서는 공기를 노점온도 이하까지 냉각해야 한다.

정식으로는 냉각 감습(cooling and dehumidification)을 공기의 절대습도를 낮추는 과정으로 정의한다. 냉각코일 표면온도가 공기의 노점온도보다 낮으면 응축이 일어나 절대습도가 줄어들고, 이때 공기의 상태는 포화선 근처로 이동한다. 재열(reheat)은 감습된 공기의 절대습도는 그대로 두고 건구온도만 높이는 가열 과정이다. 재열기(reheat coil)는 보통 냉각코일 뒤 송풍 경로에 설치한다.

코일 바이패스 팩터(coil bypass factor)는 코일을 통과하면서 냉각되지 않고 그대로 빠져나가는 공기의 비율이다. 바이패스 팩터가 작을수록 코일이 공기를 포화 상태에 가깝게 냉각해 감습 효율이 높다. 냉각 감습 과정은 코일 입구 상태와 코일 표면 상태를 잇는 직선으로 나타나며, 그 직선 위에서 실제 출구 상태가 정해진다.

습공기 선도는 건구온도를 가로축, 절대습도를 세로축으로 하는 도표이다. 공기조화 과정을 직선이나 곡선으로 나타내고 열량과 송풍량을 읽는 데 쓴다. 냉각·재열 과정은 다음과 같이 선도에 나타난다. 외기와 환기를 혼합한 상태에서 냉각코일 쪽으로 이동하며 절대습도가 내려가고, 그 다음 재열로 건구온도만 올라가 실내 송풍 조건에 도달한다.

3. 등장 배경과 필요성

실내 공기는 재실자의 현열과 잠열 부하를 받는다. 현열부하만 처리하면 되는 경우에는 냉각만으로 충분하지만, 재실자 수가 많거나 외기 유입량이 크면 잠열부하 비중이 커진다. 잠열부하가 큰 조건에서 냉각만 하면 공기의 온도가 과도하게 낮아져 실내에 찬 기류가 생기고 불쾌감을 준다.

또 실내 현열부하와 잠열부하의 비율을 현열비(SHF)로 나타낼 때, SHF가 작으면 제습량을 늘리기 위해 공기를 더 차갑게 해야 한다. 이때 송풍 온도가 지나치게 낮아지므로 재열로 실내 취출 온도를 맞춘다. 이 때문에 제습이 필요한 공조에서는 재열이 필수 과정으로 자리 잡았다.

습도 조절은 쾌적성과 결로 방지에도 필요하다. 실내 상대습도를 낮추면 결로와 곰팡이 발생이 줄고 흡수성 제품의 품질 저하도 막을 수 있다. 에너지 측면에서는 재열에 쓰는 열이 손실이 되므로, 재열 방식과 열회수 방식을 함께 검토하는 것이 설계의 핵심이다.

노점온도 이하 냉각이 감습의 전제 조건이다.

4. 구성요소·원리·절차

습공기 냉각·재열 장치는 혼합상자, 공기냉각코일, 재열기, 송풍기, 덕트로 구성된다. 외기와 환기를 섞은 공기를 냉각코일로 노점 이하까지 냉각해 감습하고, 감습된 공기를 재열기에서 현열만 더해 공급 온도에 맞춘다.

표의 구성은 실제 장치의 흐름 순서와 같다. 재열기는 냉각 후 공기가 너무 차가울 때 쓰며, 재열 가열은 감습과 무관한 현열 가열이다.

냉각감습 원리: 코일 표면이 공기의 노점보다 낮으면 수증기가 응축해 절대습도가 줄어든다. 이때 제거되는 열은 잠열과 현열의 합이다. 코일의 접촉 정도는 바이패스 팩터(Bypass Factor, BF)로 나타내며, 혼합점 M과 코일 출구 B는 장치노점 ADP를 지나는 직선 위에 놓인다. BF가 작을수록 B는 ADP에 가까워진다.

재열 원리: B의 온도가 실내 공급온도 S보다 낮으면 재열기로 가열한다. 절대습도는 변하지 않으므로 B에서 S로 수평선을 그린다. 감습에 사용한 냉각에너지를 다시 가열하는 셈이라 재열부하는 에너지 손실이 된다.

절차

• 실내 상태 R과 외기 상태 O를 선도에 표시하고 설계 외기 비율로 혼합점 M을 구한다.
• 실내 현열비에 따라 공급 상태 S를 정한다.
• 장치노점 ADP를 정하고 M과 ADP를 잇는 직선을 연장해 코일 출구 B를 찾는다.
• B의 절대습도를 기준으로 B에서 S까지 수평선을 그려 재열 구간을 정한다.
• 냉각열량, 감습량, 송풍량, 송풍기 출구온도를 식으로 계산한다.

계산식

냉각열량은 엔탈피 차에 질량유량을 곱한다.

$q_c = \dot m (h_M - h_B)$

여기서 q_c는 냉각열량(kW), \dot m은 공기 질량유량(kg/s), h는 엔탈피(kJ/kg)다.

감습량은 절대습도 차에 질량유량을 곱한다.

$L = \dot m (x_M - x_B)$

L은 응축수 발생량(kg/s), x는 절대습도(kg/kg')다.

현열 부하로 송풍량을 구한다. 공기 밀도와 비열을 묶은 현열 계수 1.2 kJ/(m³·K)를 쓴다.

$Q = \frac{q_s}{1.2\,(t_R - t_S)}$

Q는 송풍량(m³/s), q_s는 현열부하(kW), t_R은 실내온도, t_S는 공급온도(℃)다. 예를 들어 현열부하 24kW, 실내 26℃, 공급 16℃이면 Q = 24 / (1.2 \times 10) = 2.0 m³/s(약 7,200 m³/h)다.

송풍기 동력이 전부 공기 가열로 바뀐다고 보면 출구온도는 다음과 같다.

$t_F = t_S + \frac{W_f}{1.2\,Q}$

W_f는 송풍기 동력(kW), t_F는 송풍기 출구온도(℃)다. 동력 5kW, Q 2.0m³/s이면 상승량은 약 2.1K로, 결과가 상식 범위다.

5. 관련 법령·기준·표준

냉각·재열 계산은 법령으로 값이 정해지지 않는다. 공학 상수와 설계 관행을 따르고, 건축설비 설계 기준과 ASHRAE 핸드북의 습공기 장을 참고한다. 아래 표는 계산과 설계에 쓰는 기준값이다.

표의 현열 계수와 잠열 계수는 계산 편의를 위한 근사다. 정밀 계산에서는 습공기 상태값으로 엔탈피와 비체적을 구한다. 실내 상대습도 범위는 쾌적과 결로 방지를 동시에 만족하도록 정하며, 여름철 잠열부하가 큰 공간에서는 재열 여부를 함께 검토한다.

개정 연혁은 본 절에서 확인된 값이 없으므로 기술하지 않는다. 계산에 쓰는 값은 공학 상수이므로 시대에 따라 바뀌지 않는다.

6. 유형과 비교

습공기 냉각·재열 과정은 냉각 방식, 재열 위치, 제어 방식에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 답안에서는 먼저 냉각식 제습과 흡착식 제습을 구분하고, 냉각식 안에서 재열 방식을 나눠 설명한다. 습공기 선도상 과정이 어떻게 달라지는지를 기준으로 비교하면 설명이 명확해진다.