코일 바이패스 팩터

왜 배우는가: 바이패스 팩터는 냉각코일의 제습 성능과 출구 상태를 결정하는 기본 지표다. 공기선도에서 냉각 과정을 그릴 때 장치노점과 출구점의 위치를 정하는 근거이므로 실무 설계와 장비 성능 진단에 항상 쓰인다. 시험에서도 공기선도 해석, 제습 성능, 건코일과 습코일 구분 문제로 반복해서 나온다.

출제 이력: 제121회 1교시 2번, 제98회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

바이패스 팩터는 코일을 접촉 없이 그대로 통과한 공기의 비율이고, 콘택트 팩터는 코일 표면과 접촉해 상태가 바뀐 공기의 비율이며, 두 값의 합은 1이다.

• 바이패스 팩터(BF, Bypass Factor)
• 콘택트 팩터(CF, Contact Factor)
• 장치노점온도(ADP, Apparatus Dew Point)
• 코일 표면온도
• 건코일
• 습코일
• 접촉 시간

2. 개념 풀이

쉬운 말로 설명하면, 공기가 냉각코일을 지날 때 모든 공기가 핀과 튜브 표면에 닿는 것은 아니다. 일부 공기는 핀 사이 틈을 그냥 빠져나간다. 이 빠져나간 비율이 바이패스 공기의 비율이며, 그 값을 바이패스 팩터라고 한다. 접촉한 나머지 비율은 콘택트 팩터이다.

정식 정의는 다음과 같다. 코일 입구 공기 상태를 A, 출구 공기 상태를 B, 코일 표면과 평형을 이룬 가상의 포화 상태를 S라고 하면 바이패스 팩터는 아래 식으로 정의한다.

$BF = \frac{t_B - t_S}{t_A - t_S} = \frac{h_B - h_S}{h_A - h_S}$

여기서 t는 건구온도(℃), h는 엔탈피(kJ/kg')이고, 아래첨자 S는 코일 표면 상태다. 콘택트 팩터는 다음과 같다.

$CF = 1 - BF = \frac{t_A - t_B}{t_A - t_S}$

상태 S는 코일 표면온도에서 포화된 공기 상태이며, 이 점의 온도를 장치노점온도라고 한다. 접촉한 공기는 모두 S 상태에 가까워지므로, 실제 출구 공기 B는 입구 A와 S를 잇는 직선 위에 놓인다. 이 직선 위에서 B의 위치가 BF 값을 나타낸다.

건코일은 코일 표면온도가 입구 공기의 노점온도보다 높은 경우다. 표면에 응축이 생기지 않으므로 현열만 처리하고, 습도비는 변하지 않는다. 공기선도에서는 수평선으로 나타난다. 습코일은 표면온도가 입구 공기의 노점온도 이하인 경우다. 표면에 응축수가 생기므로 현열과 잠열을 함께 처리하고, 출구 공기의 습도비가 내려간다. 공기선도에서는 A에서 S 방향으로 향하는 직선으로 나타난다.

건코일과 습코일의 차이는 제습 여부에 있다. 표에서 보듯 습코일만 응축을 일으키므로, 실내 습도 제어가 필요한 냉방 코일은 대부분 습코일로 작동한다.

3. 등장 배경과 필요성

실제 냉각코일은 공기와 표면이 완전히 접촉하지 않는다. 따라서 코일 입구 조건과 표면온도만으로 출구 상태를 정확히 예측할 수 없다. 설계자는 BF라는 지표를 도입해 출구 공기의 위치를 정량적으로 나타내었다. 공기선도 해석이 냉방 설계의 표준 방법으로 자리 잡으면서, BF는 코일 성능을 공기선도에 옮기는 연결 고리 역할을 하게 되었다.

필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 출구 공기의 온도와 습도를 예측해 송풍 온도와 풍량을 결정한다. 둘째, 목표 실내 상태를 맞추기 위해 재열이 필요한지 판단한다. 셋째, 운전 중 제습 성능이 떨어졌을 때 원인을 진단하는 기준이 된다. 예를 들어 출구 습도가 설계값보다 높다면 BF가 커졌다고 볼 수 있으므로 코일의 접촉 조건을 점검해야 한다.

또한 BF는 외기와 환기가 섞인 혼합 공기를 처리하는 공조기에서 특히 중요하다. 혼합 공기의 상태점은 A에 해당하며, 코일을 지난 뒤의 출구점이 실내로 보내는 급기 상태를 결정하기 때문이다. 이 때문에 공조기 설계 단계에서 BF를 먼저 정하고, 이후 장치노점과 송풍 조건을 역으로 계산하는 방식이 쓰인다.

BF 와 CF 의 합은 1

4. 구성요소·원리·절차

냉수코일은 튜브 안을 냉수가 흐르고 바깥의 핀 사이를 공기가 통과하는 열교환기다. 통과하는 공기 중 일부는 튜브·핀 표면에 닿아 냉각·감습되고, 나머지는 표면에 닿지 않은 채 그대로 빠져나간다. 표면에 닿지 않고 통과하는 비율을 바이패스 팩터(By-pass Factor, BF) 라 하고, 나머지 접촉 비율을 콘택트 팩터(Contact Factor, CF) 라 한다. 두 값의 합은 1이다.

BF+CF=1, 접촉한 공기와 바이패스한 공기의 합이 입구 공기 전체다.

열수가 많고 핀이 조밀하며 면풍속이 낮을수록 공기가 튜브·핀 표면과 접촉하는 시간과 면적이 늘어난다. 그 결과 BF는 작아지고 CF는 커진다. 반대로 열수가 적고 핀 간격이 넓으며 면풍속이 빠르면 BF가 커진다.

코일 통과 후 출구 공기는 접촉한 공기(ADP까지 냉각된 상태)와 바이패스 공기(입구 상태 그대로)가 섞인 상태다. 그래서 출구 상태점은 입구점과 장치노점을 잇는 직선 위에 놓인다. 이 직선에서 BF는 다음 식으로 구한다.

$BF = \frac{t_L - t_{ADP}}{t_E - t_{ADP}}$

여기서 t_L은 출구 건구온도(℃), t_E는 입구 건구온도(℃), t_{ADP}는 장치노점온도(℃)다. 이상적인 코일은 모든 공기가 장치노점까지 냉각되므로 BF=0이다.

예를 들어 입구 27℃, 출구 14℃, 장치노점 8℃이면 BF = (14-8)/(27-8) = 6/19 \approx 0.32, CF = 1-0.32 = 0.68이다. 결과는 0과 1 사이이므로 상식 범위다.

코일 상태 해석의 절차는 다음과 같다.

• 입구 상태점과 목표 출구 상태점을 습공기선도에 표시한다.
• 냉수 온도와 코일 특성으로 장치노점을 정하고 선도에 표시한다.
• 입구점과 장치노점을 잇는 직선 위에 출구점이 놓임을 확인한다.
• 선도에서 출구점~장치노점 길이와 입구점~장치노점 길이의 비로 BF를 구한다.
• CF = 1 − BF로 접촉 공기 비율을 구하고, 현열·잠열 제거량을 계산한다.

5. 관련 법령·기준·표준

BF와 CF는 법령이 아니라 공조기기 설계와 해석의 기술 개념이다. 설계 기준은 ASHRAE Handbook의 공조 기기(HVAC Systems and Equipment) 편에 정리되어 있다. 국내에서는 KS 기준에 따른 코일 성능 시험과 건축물의 에너지절약설계기준에 따른 공조 에너지 평가가 함께 쓰인다. 아래 표는 BF 해석에 쓰는 기준값과 조건을 정리한 것이다.

면풍속 값은 코일 설계의 일반적 범위이며, 설계 조건에 따라 달라진다. 면풍속이 빠르면 BF가 커져 제습 능력이 떨어지고, 면풍속이 낮으면 송풍 에너지가 늘고 결로 위험이 커진다. 따라서 BF 값은 열수, 핀 피치, 면풍속을 함께 보고 판단한다.

설계 시 BF를 정하면 필요한 열수와 핀 피치가 결정된다. 열수를 늘리면 제습과 현열 제거가 함께 커지지만 공기측 압력손실도 증가한다. 이 균형을 맞추는 것이 코일 선정의 핵심이다.

6. 유형과 비교

코일 바이패스 팩터(BF, Bypass Factor)를 이해하려면 먼저 코일 표면과 접촉하는 공기의 비율을 나눠 보는 것이 필요하다. 공기는 코일 핀 사이를 지나며 접촉 팩터(CF, Contact Factor)와 바이패스 팩터의 합이 1이 되는 방식으로 나뉜다. 따라서 코일의 유형과 운전 조건에 따라 어떤 공기 흐름이 주로 처리되는지 비교하는 표가 필요하다.