현열비·열수분비

왜 배우는가: 현열비(SHF)와 열수분비(습공기선도 상 공조과정의 방향)는 공조기의 냉각·가열·가습 과정을 선도에서 해석하는 기본 도구다. 실무에서 실내 현열·잠열 부하 비율로 장치 용량과 취출 조건을 정하고, 시험에서는 정의 유도와 선도 활용을 묻는 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제117회 1교시 12번, 제114회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

현열비(SHF)는 전열량 중 현열이 차지하는 비율이고, 열수분비는 엔탈피 변화량을 절대습도 변화량으로 나눈 값이다.

• 현열비(SHF)
• 잠열비
• 열수분비(u)
• 엔탈피 변화량
• 절대습도 변화량
• 습공기선도
• 공조 과정 방향
• 현열·잠열 부하

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 공기가 받는 열이 온도를 올리는 데 쓰였는지, 수분을 늘리거나 줄이는 데 쓰였는지를 비율로 나타낸 것이다. 온도 변화만 일으키는 열을 현열(Sensible heat)이라 하며, 수분량 변화에 따른 상변화 열을 잠열(Latent heat)이라 한다. 두 열은 열의 종류가 아니라 물질 상태 변화 조건에 따른 열 교환 방식의 구분이다.

현열비는 전체 열량(현열과 잠열의 합)에 대한 현열의 비율로 정의한다.

$SHF = \frac{q_s}{q_s + q_L}$

여기서 q_s는 현열량(kW), q_L은 잠열량(kW)이다. 현열 변화는 습도비가 일정한 상태에서 건구온도만 변하는 과정이고, 잠열 변화는 건구온도 변화 없이 습도비만 변하는 과정이다. 따라서 현열비가 1에 가까울수록 제습 없이 온도만 조절하는 과정이 된다.

열수분비는 공조 과정에서 엔탈피 변화량과 절대습도 변화량의 비로 정의한다. 단위는 kJ/kg 를 kg/kg 로 나눈 값이므로 kJ/kg이다.

$u = \frac{\Delta h}{\Delta x}$

여기서 \Delta h는 엔탈피 변화량(kJ/kg (건공기)), \Delta x는 절대습도 변화량(kg/kg (건공기))이다. 열수분비는 습공기선도 위에서 두 상태점을 잇는 직선의 기울기를 결정한다. 이 기울기가 변화 과정의 방향을 나타내므로 공조 과정을 선도 위에 그릴 때 기준이 된다.

핵심 용어인 현열비와 열수분비는 같은 과정에 대해 다른 방식으로 방향을 나타낸다. 현열비는 엔탈피 변화 중 현열의 비율이고, 열수분비는 엔탈피 변화를 습도 변화로 나눈 기울기 값이다.

3. 등장 배경과 필요성

공조기 설계는 실내 열부하를 현열과 잠열로 나누어 계산하는 것에서 출발한다. 냉방 부하는 실내 현열 부하와 잠열 부하를 동시에 제거하는 열량으로 정의되며, 두 값의 비율에 따라 냉각코일의 제습 능력과 송풍 온도가 달라진다. 이 때문에 현열비를 정해야 취출 공기 조건을 정할 수 있다.

습공기선도가 등장하면서 복잡한 식 계산 없이 공조 과정을 그림으로 풀 수 있게 되었다. 습공기선도에서 두 상태점을 잇는 직선의 방향을 결정하는 값이 필요했고, 이를 위해 현열비와 열수분비가 도입되었다. 선도의 기울기 눈금은 현열비 눈금과 열수분비 눈금을 함께 제공한다.

또한 가습·제습·가열·냉각을 함께 하는 복합 공조에서 과정 방향이 명확해야 장치 선정이 가능하다. 현열비와 열수분비는 이 방향을 하나의 수치로 정리하여 설계 검토를 간단하게 만든다.

4. 구성요소·원리·절차

공조기에서 공기 상태가 바뀔 때 현열과 잠열이 함께 움직인다. 두 값의 비율인 현열비와 열수분비를 알면 상태 변화의 방향을 한 번에 읽을 수 있다.

표 해설: 현열과 잠열의 합이 전열이며, 현열비는 전열 중 온도 변화에 쓰이는 몫이다. 열수분비는 엔탈피 변화를 습도비 변화로 나눈 값이므로 공기가 얻거나 잃은 열과 수분의 비를 보여 준다.

현열비는 전열 중 현열이 차지하는 비율이다

습공기 엔탈피는 건공기와 수증기의 현열 부분과 증발잠열 부분의 합으로 쓴다. 건공기 비열 1.006kJ/(kg·K), 수증기 정압비열 1.84kJ/(kg·K), 0℃ 물의 증발잠열 2501kJ/kg을 쓰면 다음과 같다.

$h = 1.006\,t + x\,(2501 + 1.84\,t)$

여기서 t는 건구온도(℃), x는 습도비(kg/kg), h는 비엔탈피(kJ/kg)다. 온도만 변하고 x가 일정한 과정은 습공기선도에서 수평선으로 나타난다. 수분만 증발하는 과정은 온도 변화가 작아 열수분비가 증발잠열 부근의 값에 가까워진다.

현열비는 다음과 같이 정의한다.

$SHF = \frac{q_s}{q_s + q_L}$

열수분비는 다음과 같이 정의한다.

$u = \frac{\Delta h}{\Delta x}\;[\mathrm{kJ/kg}]$

습공기선도의 프로트랙터(각도기)는 두 눈금을 가진다. 안쪽 눈금은 현열비, 바깥쪽 눈금은 엔탈피 차와 습도비 차의 비를 나타낸다. 두 눈금을 이용하면 실내 조건선 기울기와 공기 상태 변화선 기울기를 같은 도표에서 찾을 수 있다.

절차는 다음과 같다.

• 실내 현열부하 q_s와 잠열부하 q_L을 계산한다.
• 전열 q_t = q_s + q_L을 구하고 SHF를 계산한다.
• 습공기선도 프로트랙터의 SHF 눈금으로 실내 조건선 기울기를 잡는다.
• 열수분비 u = Δh/Δx로 취출 공기의 상태 변화선 기울기를 구한다.
• 실내 조건선 위에서 취출 상태점을 정하고 송풍량을 계산한다.

계산 예(가상의 예): q_s = 10kW, q_L = 2.5kW이면 q_t = 12.5kW이고 SHF = 10 / 12.5 = 0.8이다. 0~1 범위 안이고 잠열 비중이 20%이므로 상식 범위다.

5. 관련 법령·기준·표준

현열비와 열수분비는 법령 조문에 정해진 값이 아니라 공기조화 설계 계산의 개념이다. 설계 계산은 건축물 기계설비 설계기준(KDS)과 공기조화 계산 관행을 따른다. 아래 값은 계산에 쓰는 기준값이다.

표 해설: 현열비는 무차원이므로 0과 1 사이에 놓인다. 열수분비는 kJ/kg 단위를 쓰며, 습공기선도의 조건선 기울기를 정한다. 정압비열과 증발잠열은 상온 근사값이므로 정밀 계산에서는 온도별 값을 따로 쓴다.

건공기 정압비열과 증발잠열은 엔탈피 식의 두 상수다. 이 두 값을 알면 습공기 엔탈피 변화를 온도와 습도비로 분해할 수 있다. 이 값들은 법령 조문이 아니므로 법령 개정 감시 대상이 아니다.

6. 유형과 비교

현열비(SHF, Sensible Heat Ratio)와 열수분비(Humidity Ratio 변화 기반의 열수분비, 영문 표기 Enthalpy-Moisture Ratio)는 같은 습공기 과정을 서로 다른 관점에서 나눈 값이다. 두 비는 전열량에 대한 현열 성분과 수분 변화량에 대한 엔탈피 변화의 비로 정리된다. 이 둘을 함께 쓰면 공조기 내 과정의 방향을 한눈에 구분할 수 있다.