습공기 선도

왜 배우는가: 습공기선도는 공기조화 설계와 운전 해석의 기본 도구다. 냉방·가열·가습·제습 과정을 한 장에서 읽을 수 있어 실무 계산과 현장 점검에 쓰인다. 시험에서는 선도의 구성, 상태량 판독, 공조 과정 작도를 묻는 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제136회 2교시 1번, 제135회 3교시 3번, 제129회 1교시 6번, 제118회 1교시 1번, 제93회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장: 습공기선도는 일정한 전압력에서 습공기의 열역학적 상태량을 그래프로 나타내고, 두 상태량을 정하면 나머지 상태량을 읽을 수 있도록 만든 선도이다.

핵심 키워드: 습공기선도, 건구온도, 습구온도, 노점온도, 상대습도, 절대습도, 비체적, 엔탈피, 현열비, 열수분비

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 습공기선도는 공기의 상태표이다. 공기의 온도와 수분량만 알면 나머지 값은 선도에서 바로 찾는다. 공기 안의 수분 양이 얼마나 되는지, 공기가 얼마나 따뜻하고 차가운지를 한 장에서 읽을 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 습공기는 건공기와 수증기의 혼합 기체이다. 전압력(대기압)이 정해지면 습공기의 상태는 독립된 두 상태량으로 완전히 정해진다. 나머지 상태량은 열역학 관계식으로 구할 수 있다. 이 관계식을 매번 계산하지 않도록 한 번 계산한 결과를 도표로 만든 것이 습공기선도(psychrometric chart)이다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

건구온도는 보통 온도계로 측정한 공기의 온도이며, 선도에서 가로축에 놓인다. 공기 중 수분 양과 무관하게 현열 상태를 나타낸다.

절대습도는 건공기 1kg에 대한 수증기 질량(kg/kg(DA))이며, 선도에서 세로축에 놓인다. 수분 함량의 절대 크기를 나타낸다.

상대습도는 같은 온도에서 공기가 최대로 가질 수 있는 수증기량 대비 실제 수증기량의 비율이다. 포화 상태에서는 100%이다.

노점온도는 습공기를 대기압에서 수분 응축 없이 냉각할 때 포화 상태가 되는 온도이다. 응축이 시작되는 온도이며, 포화 공기에서는 건구온도와 같다.

엔탈피는 건공기 1kg 당 습공기의 총열량이다. 현열과 잠열을 함께 포함하므로 냉방 부하 해석에 직접 쓰인다.

3. 등장 배경과 필요성

공기조화 장치의 용량은 습공기 상태 변화로 계산한다. 기기 크기, 송풍량, 냉각 능력을 정하려면 상태량을 여러 번 계산해야 한다. 계산을 매번 반복하면 시간이 많이 들고 오차도 커진다. 그래서 한 번 계산한 값을 읽기 쉬운 선도로 만드는 것이 필요해졌다.

선도는 상태량 사이의 관계를 한눈에 보여 준다. 가열, 냉각, 가습, 제습 과정을 선도 위 선으로 나타내면 과정의 성격을 바로 알 수 있다. 예를 들어 절대습도가 변하지 않는 가열 과정은 수평선으로 그려진다. 절대습도가 변하면 수분이 더해지거나 빠진 것이다.

선도의 기원은 1904년 Willis Carrier가 ASHRAE형 선도의 원형을 만든 것으로 알려져 있다. 그 뒤 공기조화 설계의 표준 도구가 되었다. 현재는 냉방 설계, 제습 장치 해석, 실내 환경 점검에 함께 쓰인다.

선도는 계산을 대신하는 도구이면서 과정을 설명하는 도구이기도 하다. 답안에서 공조 과정을 설명할 때 선도 위 경로로 보여 주면 설명이 간결해진다. 따라서 시험에서도 선도의 작도와 판독 능력을 함께 평가한다.