냉방 공기선도 해석

왜 배우는가: 냉방 공기선도 해석은 공조기 설계에서 냉각코일 출구 상태, 송풍량, 냉각열량을 구하는 기본 도구이므로 실무에서 매일 쓰인다. 시험에서는 예냉·혼합·냉각감습 같은 장치 구성과 상태변화 과정을 선도에 그리고 수치를 산출하는 문제로 반복해서 나온다.

출제 이력: 제114회 2교시 2번, 제111회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의: 냉방 공기선도 해석은 습공기선도 위에 외기·환기·혼합·냉각코일 출구 등 각 상태점을 표시하고, 상태점을 잇는 선으로 공조기 과정을 나타내어 송풍량과 냉각열량을 구하는 방법이다.

습공기선도 위에 상태점을 찍고 과정선을 그려 냉방 과정을 해석하는 방법

• 핵심 키워드: 습공기선도, 상태점, 혼합점, 현열비(SHF), 바이패스 팩터, 냉각코일 출구 상태, 송풍량, 현열비선

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 선도 위에 공기가 공조기를 지날 때 온도와 습도가 어떻게 바뀌는지 그림으로 따라가는 작업이다. 정식으로는 습공기 상태량(건구온도, 절대습도, 엔탈피, 비체적)이 주어진 습공기선도에서 두 독립 상태량으로 한 상태점을 정하고, 장치 과정을 상태점의 이동으로 해석하는 것을 말한다.

습공기선도는 건구온도를 가로축, 절대습도(또는 증기압)를 세로축으로 하고, 포화선(상대습도 100% 곡선)을 왼쪽 경계로 한다. 습공기선도는 두 강성 상태량이 정해지면 나머지 상태량을 읽도록 만든 도표다. 공기조화장치 크기를 계산할 때 매번 식을 풀지 않도록 한 번 계산한 결과를 선도로 만든 것이다.

상태점은 선도 위 한 점으로, 그 점의 건구온도·절대습도·엔탈피를 읽을 수 있다. 외기점(O), 환기점(R), 혼합점(M), 냉각코일 출구점(L) 등으로 구분한다.

혼합점은 두 공기 흐름이 섞인 상태다. 질량 비율로 나눈 두 점을 잇는 직선 위에 놓이며, 혼합점은 두 흐름의 건공기 질량유량 비율을 선분의 길이 비로 나눈 위치에 찍는다.

현열비(SHF, Sensible Heat Factor)는 실내 총열부하 중 현열이 차지하는 비율이다. 실내 현열부하와 총열부하의 비로 정의하며, 선도에서 SHF선의 기울기로 실내 상태 변화 방향을 정한다.

바이패스 팩터(BF, Bypass Factor)는 냉각코일을 통과하고도 코일 표면과 접촉하지 않고 지나간 공기의 비율이다. 코일 출구 상태점이 코일 입구점과 포화선 사이 직선 위 어디에 올지를 결정한다.

3. 등장 배경과 필요성

공조기는 여러 실의 열부하를 하나의 송풍계통으로 처리한다. 실마다 현열비가 다르므로 장치의 냉각코일 출구 상태를 따로 정해야 한다. 이 과정을 식으로만 풀면 계산이 복잡해지고 오차가 커진다. 그래서 선도 위에 상태를 그려 해석하는 방법이 실무 표준으로 자리 잡았다.

습공기선도 방식은 과잉설계를 막는 데도 필요하다. 실별 부하를 단순 합하면 최대 부하 시각과 현열비가 서로 달라 장치 부하가 과대 산출되기 쉽다. 그래서 계통의 대표 현열비를 정하고, 그 SHF선에서 코일 출구 상태점과 송풍량을 구한다. 이 절차가 냉방 공기선도 해석의 핵심이다.

예냉, 혼합, 냉각감습 같은 구성은 외기 부하와 실내 부하를 따로 다루는 방식이다. 외기를 먼저 예냉하거나 환기와 섞은 뒤 냉각코일을 통과시키면 코일 부하를 줄이고 감습 성능을 확보할 수 있다. 선도에서는 각 과정이 어떤 선을 따라 움직이는지 보여야 설명이 완성된다.

4. 구성요소·원리·절차

냉방 예냉·혼합·냉각 감습 방식은 외기를 먼저 예냉한 뒤 환기와 혼합하고 냉각코일로 처리하는 구성이다. 외기 부하가 큰 경우 외기를 직접 코일에 넣으면 냉각 부하와 감습 부하가 함께 커지므로, 예냉으로 외기 엔탈피를 낮춘 다음 혼합하여 코일 부하를 줄인다.

표의 예냉코일은 외기 중 수분을 줄이지 않는 현열 처리 단계이다. 감습은 혼합 후 냉각코일에서만 일어난다는 점을 기억한다.

혼합점 M은 P와 R을 잇는 직선 위에 놓인다. 질량 보존으로 엔탈피와 절대습도를 계산한다.

$h_M=\frac{L_O h_P+L_R h_R}{L_O+L_R}$

$x_M=\frac{L_O x_P+L_R x_R}{L_O+L_R}$

여기서 L_O, L_R은 외기·환기 건공기 질량유량(kg/h), h는 엔탈피(kJ/kg), x는 절대습도(kg/kg)이다. 선도에서는 두 상태점을 잇는 선분을 L_O 대 L_R 비로 나누면 M 점이 된다.

냉각코일 출구 C는 코일 표면온도와 바이패스 팩터(BF)로 정해진다.

$BF=\frac{t_C-t_{ADP}}{t_M-t_{ADP}}$

여기서 t_{ADP}는 코일 표면 평균 온도(장치노점, ℃), t_C는 코일 출구 건구온도(℃), t_M은 코일 입구 건구온도(℃)이다. BF가 작을수록 코일이 잘 작용하여 C가 ADP 쪽으로 가까워진다.

실의 현열비는 다음과 같이 정의한다.

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

q_s는 실내 현열부하(kW), q_L은 실내 잠열부하(kW)이다. SHF선은 실 상태점 R을 지나고 기울기가 SHF 값에 대응하는 선이다. 취출 공기점 S는 이 선 위에 놓인다.

송풍량은 실 현열부하와 송풍 온도차로 구한다.

$Q=\frac{q_s}{\rho\,c_p\,\Delta t}$

여기서 Q는 송풍량(m³/s), \rho는 공기 밀도(1.2kg/m³), c_p는 공기 정압비열(1.006kJ/(kg·K)), \Delta t는 실내와 취출 공기의 온도차(K)이다. 계산 예: q_s=12kW, \Delta t=10K이면 Q=12/(1.2\times1.006\times10)≈1.0\,\text{m}^3/\text{s}이고, 3,600m³/h 정도로 상식 범위에 있다.

총냉각열량은 혼합 공기 엔탈피와 코일 출구 엔탈피 차이로 구한다.

$q_T=\rho\,Q\,(h_M-h_C)$

응축수량은 절대습도 차이에 건공기 질량유량을 곱한다.

$m_w=\rho\,Q\,(x_M-x_C)$

응축수량 m_w의 단위는 kg/s이다. 여기서 \rho Q는 건공기 질량유량(kg/s)이다.

계산 절차는 다음과 같다.

• 실 부하 계산으로 q_s, q_L을 구하고 SHF를 정한다.
• 실 상태점 R을 선도에 찍고 SHF선을 긋는다.
• 취출 온도차 \Delta t를 정하여 취출 공기점 S를 SHF선 위에 찍는다.
• S와 BF를 써서 코일 출구 C를 구한다.
• 외기 상태 O에서 예냉점 P를 구하고, P와 R을 잇는 선 위에 혼합점 M을 찍는다.
• 송풍량 식으로 Q를 구하고, 외기·환기량을 나눈다.
• q_T와 m_w를 계산한다.

혼합점 M은 P와 R을 잇는 선 위에 있고, 감습은 코일에서만 일어난다.

5. 관련 법령·기준·표준

공조 설계의 실내 조건, 설계 기준, 계산 방식은 국가건설기준의 기계설비 설계기준(KDS 계열)과 공조 설계 관행을 따른다. 아래 표는 선도 해석에 쓰는 기준값과 계산 상수이다.

표의 첫 세 행은 설계 조건이고, 뒤 두 행은 계산 상수이다. 다수실 계통에서는 각 실 현열비가 다르므로, 분기덕트에서 재열하여 현열비를 맞추는 방법을 함께 쓴다. 이때 재열량은 실 현열부하에 더해 계통 SHF를 정한다.

일반 냉각코일의 출구 상대습도는 95~98% 수준이다. 이 값은 감습 제어를 따로 두지 않은 일반 장치의 값이므로, 냉방 감습 설계에서는 바이패스 팩터와 코일 출구점을 함께 정해야 한다.