외기냉방

왜 배우는가: 외기냉방은 외기 엔탈피가 실내 조건보다 낮을 때 냉동기 운전 없이 냉방 효과를 얻는 방식이라 공조 에너지 절감의 대표 수단이다. 기후 조건에 따라 적용 가능 시간이 달라지므로 지역 기후와 제어 방식을 함께 묻는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제128회 1교시 2번, 제89회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

외기냉방(Free Cooling)은 외기의 온도나 엔탈피가 실내 공기보다 낮을 때 외기를 직접 이용해 냉방 부하를 처리하는 방식이다. 외기 엔탈피가 실내 공기 엔탈피보다 낮을 때 외기를 도입하여 냉방 열원으로 사용하는 방식이다.

• 외기냉방, 외기 엔탈피, 외기 도입 댐퍼, 환기 댐퍼, 에코노마이저(Economizer), 외기 과잉 도입, 엔탈피 제어

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 날씨가 선선할 때 바깥 공기를 끌어들여 실내를 식히는 것이다. 냉동기나 냉수 코일을 돌리지 않아도 되므로 그만큼 에너지가 줄어든다.

정식 정의는 다음과 같다. 외기냉방은 외기의 현열(온도)과 잠열(습도)을 함께 고려하여, 외기가 환기(환수) 공기보다 냉방에 유리할 때 외기 댐퍼를 열고 환기 댐퍼를 닫아 외기를 공조기에 도입하는 운전이다. 외기 엔탈피 판정이 가장 많이 쓰인다.

외기 엔탈피는 건구온도와 절대습도로 정해지는 공기의 열량이다. 온도만 보는 방식은 건조한 기후에 적합하고, 엔탈피 비교는 습도가 높은 기후에서 쓰인다.

외기 도입 댐퍼는 외기 유입량을 조절하는 장치이고, 환기 댐퍼는 실내 환수 공기를 되돌리는 장치다. 두 댐퍼의 개도 비율이 외기냉방 운전의 핵심이다.

에코노마이저(Economizer)는 외기냉방을 구현하는 공조기 제어 장치를 가리킨다. 실내 환기 조건과 외기 조건을 비교하여 운전 모드를 결정한다.

외기 과잉 도입은 외기 엔탈피가 실내보다 높을 때 외기를 많이 넣어 오히려 냉방 부하가 늘어나는 현상이다. 이를 막기 위해 최소 외기량을 확보하고 나머지는 환기 모드로 두는 제어가 필요하다.

3. 등장 배경과 필요성

건물 냉방 부하 중 냉동기와 냉각탑이 소비하는 전력이 크다. 중간기와 겨울철에도 내부 발열(조명, 사람, 기기)로 인해 냉방이 필요한 존이 생기는데, 이때 냉동기를 돌리는 것은 불필요한 에너지 낭비다.

외기는 무료 열원이다. 외기온도가 실내 설정온도보다 낮으면 외기만으로 냉방이 가능하고, 냉동기 운전 시간을 줄일 수 있다. 이 원리가 외기냉방의 출발점이다.

다만 외기는 기후에 따라 조건이 크게 다르다. 고온다습한 여름철에는 외기가 실내보다 엔탈피가 높아 외기냉방이 불가능하다. 반대로 건조하고 서늘한 지역이나 봄·가을 중간기에는 효과가 크다. 따라서 지역 기후 조건을 먼저 판단하는 것이 설계의 시작이다.

외기냉방은 또한 환기 효과를 얻는 부수적 이점이 있다. 외기를 도입하면서 실내 CO₂ 농도와 오염 물질을 희석할 수 있어 실내공기질 개선에도 기여한다. 다만 외기 도입량이 늘면 외기 처리 부하가 증가하므로 이 두 목적의 균형이 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

외기냉방은 외기 엔탈피 또는 온도가 실내 환기(반환) 공기보다 낮을 때 외기 댐퍼를 열어 외기를 직접 공급해 냉방 부하를 일부 처리하는 방식이다. 공조기(AHU)에서는 외기 댐퍼, 반환 댐퍼, 배기 댐퍼, 냉수 코일, 필터, 송풍기가 함께 작동한다. 외기냉방이 가능하면 냉동기 운전 시간이 줄어 에너지가 절약된다.

외기 댐퍼와 반환 댐퍼의 개도 비율이 외기냉방의 핵심 조작량이다. 외기 도입량이 늘면 냉수 코일의 냉각 부하가 줄고, 외기가 실내 설정 조건보다 불리하면 최소 외기량만 유지한다.

외기냉방은 외기 온도 또는 엔탈피가 반환 공기보다 낮을 때만 성립한다. 외기 엔탈피가 낮아도 외기 온도가 실내보다 높으면 현열 냉방 효과가 없으므로 판단 기준을 엔탈피로 둘지 온도로 둘지 설정해야 한다.

원리: 혼합 공기 엔탈피 h_m은 외기 엔탈피 h_o와 반환 공기 엔탈피 h_r의 질량비 가중평균으로 정해진다.

$h_m = \frac{m_o h_o + m_r h_r}{m_o + m_r}$

여기서 m_o는 외기 질량유량(kg/s), m_r은 반환 공기 질량유량(kg/s), h는 엔탈피(kJ/kg)이다. 외기 질량 비율을 높이면 h_m이 h_o에 가까워져 냉수 코일의 냉각 부하가 줄어든다.

절차

• 외기와 반환 공기의 온도·습도 또는 엔탈피를 측정한다.
• 외기 조건이 냉방 가능 범위에 있는지 비교한다.
• 외기 조건이 유리하면 외기 댐퍼를 열고 반환 댐퍼를 닫는다.
• 혼합 온도 센서 값이 설정 온도에 이르도록 댐퍼 개도를 비례 제어한다.
• 외기 조건이 불리하면 최소 외기 댐퍼 개도로 되돌리고 냉수 코일로 냉방한다.
• 외기 도입량이 최소 환기량 아래로 내려가지 않도록 최소 외기 설정을 유지한다.

5. 관련 법령·기준·표준

외기냉방의 제어 기준은 공조 설계 기준서와 건축물 에너지 관련 기준에서 다룬다. 공동주택 디자인 가이드라인은 외기냉방 기준을 직접 규정하지 않는다. 따라서 이 절에서는 외기냉방 설계에 쓰는 일반 기준을 정리하고, 법령에 근거가 없는 수치는 기준 이름만 적는다.

외기 온도가 반환 공기 온도보다 낮을 때 외기냉방이 가능하다. 엔탈피 비교 방식에서는 외기 엔탈피가 반환 공기 엔탈피보다 낮아야 한다. 이 조건이 외기냉방 진입의 기본 판정식이다.

공동주택 디자인 가이드라인은 냉방설비 배기장치와 외부 노출 설비의 배치를 규정한다. 외기 도입구와 배기구의 위치는 이 기준의 외부 경관 조항과 함께 검토한다.

6. 유형과 비교

외기냉방은 외기를 취입하는 방식과 냉각 방식에 따라 여러 형태로 나뉜다. 가장 많이 쓰는 분류는 제어 기준(온도 비교형, 엔탈피 비교형)과 설비 구성(공조기 내장형, 냉각수 연계형)이다. 두 기준을 함께 보면 실무에서 적용 가능성을 빠르게 판단할 수 있다.