다양한 온·습도 기반의 매개변수와 상호관계 이해가 중요
공기선도 시각적 표시 방법이 효과적…8단계 순서로 이해

앞서 공기조화설비의 기초에서 가장 핵심이라고 할 수 있는 공기의 상태와 이것을 공학적으로 가장 효과적으로 보여줄 수 있는 공기선도(Psychrometric Chart)에 대한 기본개념을 살펴봤다. 공기선도가 복잡해 보일 수 있지만 선도의 각 부분이 무엇을 나타내는지 알면 비교적 쉽게 읽을 수 있다. 축을 식별하고 내부의 다양한 매개변수를 읽으면 선도에서 표시된 측정값을 바탕으로 점을 표시하고 공기상태의 결론에 도달할 수 있다. 그러나 우리 기계설비 엔지니어는 더 합리적인 공기조화설비의 설계/시공/관리를 할 수 있도록 기본 원리를 이해하는 것을 목표로 한다. 즉, 똑같은 결론에 도달하더라도 과정을 알고 있는 것과 모르는 것은 추후 문제가 발생했을 때 해결할 수 있는 능력의 차이는 천지 차이다. /편집자 주

◇ 공기선도의 이해-2

공기조화설비에서 더 효율적이고 정확한 공기의 상태를 도출하기 위한 첫 번째 단계는 계산하고자 하는 매개변수를 이해하는 것이다. 온도·습도를 기반으로 한 각각의 매개변수의 정의는 이미 알고 있다. 그러나 더 중요한 것은 다양한 온도·습도 매개변수와 그 상호 관계를 이해하는 것이고, 이것은 공기선도의 시각적 표시보다 더 좋은 방법은 없을 것이라는 개인적인 생각은 변함없다. 공기선도를 이해하기 쉽도록 구성한 8단계 순서는 [그림 1]과 같다.

1단계: 공기선도 상의 한 점을 기준으로 아래쪽 축과 각 온도에 대한 수직선을 따라 건구온도(DB)를 찾는다. 이 눈금은 섭씨(℃) 또는 화씨(℉) 단위로 표시된다.

2단계: 오른쪽 세로축을 따라 절대습도(x)를 찾는다. 절대습도(습도비율) 단위는 (g/kg’) 건공기 1kg‘당 수분량의 g이다. 또한 습도비율(Humidity Ratio)은 혼합비율(Mixing Ratio)이라는 용어와 혼용되어 사용되기도 한다.

3단계: 가장 왼쪽에 있는 곡선을 찾는다. 이것이 상대습도가 100%인 포화선이다. 포화선의 다른 속성으로는 [노점온도=건구온도], [습구온도=건구온도], [수증기분압=포화증기압] 등이 된다.

4단계: 선도 내부 곡선을 찾는다. 각 선은 특정 수준의 상대습도(RH, %)를 나타낸다.

5단계: 선도 오른쪽에서 이슬점, 노점(DP)이라고 표시된 세로줄을 찾는다. 노점은 온도단위로 표시된다. 노점온도선은 선도를 가로지르며 수평선으로 표시된다. 이 매개변수의 정보는 노점온도는 건구온도가 변해도 변하지 않는다는 것이다.

6단계: 노점온도를 찾은 수직선의 반대쪽에는 압력단위(kPa)로 표시되는 수증기분압 눈금이 있다. 수증기분압은 선도를 가로지르는 수평선으로도 표시된다.

7단계: 자세히 살펴보면 온도단위로 표시되는 습구온도(WB)를 나타내는 대각선 세트를 찾을 수 있다.

8단계: 선도의 왼쪽 가장자리에 있는 정보를 살펴보자. 이것은 건공기 1kg‘당 kJ 열량으로 표시된 엔탈피(h, kJ/kg’)를 나타낸다. 공기의 특정 상태점에서 선도를 가로질러 두 번째 대각선으로 눈금을 맞출 수 있다. 엔탈피선이 습구온도선에 가깝지만 실제로는 서로 평행하지 않다.

다시 한번 강조하지만, 공기선도는 서로 교차하는 매개변수 두 개만 있으면 다른 모든 매개변수를 결정할 수 있다.

◇ 공기선도의 활용

우리가 구하고자 하는 여러 가지 공기의 상태는 공기선도를 사용해 간단히 찾아낼 수가 있다. [그림 2]에서와 같이, 건구온도 20℃의 공기는 수평좌표상의 20℃ 눈금을 통하는 수직선상에서는 어디라도 20℃이며, 또 절대습도가 5.0g/kg’의 공기(상태점-2)는 수직좌표의 그 점을 통하는 수평선상에서는 전부 절대습도가 5.0g/kg’가 된다. 다시 말해 건구온도 20℃이며 절대습도가 5.0g/kg’인 습공기는 이 두 선이 교차하는 점이 상태점이 된다는 것을 곧 알 수가 있다.

만약 이 공기가 서서히 냉각된다고 하면 냉각 정도에 따라서 공기상태를 나타내는 점은 좌측으로 향해 수평 이동해서 온도만이 내려가서 절대습도의 값은 변하지 않는다.

조금 더 냉각하면 습공기는 자신이 품을 수 있는 최대의 수분을 갖은 상태가 된다. 더 냉각이 이루어지면 그 일부를 물방울 형태로 외부로 방출하는 상태로 된다.

다양한 상태의 모든 습공기는 지속적인 냉각이 가해지면 결국에는 모두 반드시 포화상태로 된다. 이 포화상태로 된 각 점을 선도 상에서 서로 연결해 가면 곡선(포화선)이 그려진다.

공기의 압력, 즉 기압을 나타내는 데에는 물이나 수은의 기둥높이로 나타내는 방법이 채택되고 있다. 보통 우리 주위에 있는 공기압력은 물로써 말하면 약 10 m(Aq) 높이를 가진 물기둥의 1 cm2 바닥면 압력, 수은으로 말하면 760 mm(Hg) 높이를 가진 수은주의 바닥면 압력과 같다고 볼 수 있다.

물론, 지구상의 고도(해발 높이)에 따라 압력은 다르지만, 지금은 표준대기압을 기준으로 한다. 표준대기압 101.325 kPa 이외의 기압조건에서는 포화선이 이동해 공기선도 전체가 변한다.

앞에서 제시한 건구온도 20℃, 절대습도 5.0 g/kg’의 공기를 4℃까지 냉각한다고 가정하자. 거기서 조금 더 냉각하면 소량의 물방울이 생긴다. 다시 말하면, 습공기 중 기체상태의 수분 일부가 물방울(액체)로 모습을 바꾸어 나타난 것으로, 이와 같은 현상을 응축이라 한다. 이는 20℃, 5.0g/kg‘의 공기에서는 건공기 1kg에 포함된 수분은 5.0g에 불가하기 때문이다. 다시 [그림 2]에서와 같이, 건구온도를 0.8℃까지 낮추면, 건공기 1kg과 함께 하는 수분은 4.0g으로 감소하여 5.0g과의 차인 1.0g의 수분은 물방울이 되어 나타나는 것이다. 이러한 응축을 일으키기 시작할 때의 온도를 노점온도라고 한다. 이처럼, 습공기는 그 노점온도보다 낮은 온도까지 냉각되면 반드시 응축이 일어난다.

우리는 겨울철 자동차를 타고 이동할 때 유리창 안쪽 표면에 물방울이 뿌옇게 생기는 것을 볼 수 있다. 이것은 유리표면 가까이 있는 공기가 온도가 낮은 유리에 접촉해 노점온도 이하로 내려가 응축함으로써 일어나는 것이다.

여러 공기상태의 상대습도 100%인 점을 이어서 생긴 곡선이 앞에서 말한 포화선인데, 이 곡선을 사용해 노점온도를 구할 수 있다. 공기의 노점온도는 그중에 함유돼 있는 수분의 양(절대습도)에 의해서 정해지는 성질이 있다. 따라서 어떤 공기의 노점온도를 구하고 싶다면 그 공기의 상태점을 통하는 수평선을 긋고 그 수평선이 포화선과 마주치는 점으로부터 그 값을 알 수 있다.

[그림 3]의 건구온도 20℃, 절대습도 6.0g/kg’인 공기의 상대습도를 확인해 보자. 건구온도 20℃의 습공기(상태점-3) 중에는 건공기 1kg에 수분 6.0 g이 포함돼 있다. 그럼, 이 습공기는 최대 몇 g까지 수분을 함유할 수 있을까? 그 값을 알면 간단히 상대습도를 구할 수 있다. 이를 위해서는 가로좌표 상의 20℃인 건구온도 A점에 수직선을 세워서 포화선과 만나는 B점을 구하고, B점을 지나는 수평선이 절대습도의 좌표와 만나는 C점으로부터 그 최대량은 14.5g인 것을 알 수 있다.

즉, 구하고자 하는 상대습도는 6.0g/kg’을 14.5g/kg‘으로 나눈 비율이 된다. 다시 말하면, 이 공기의 상태를 나타내는 상태점-3은 41.4%의 상대습도 곡선상에 있는 것이다. 반대로 건구온도만 알고 있고 상대습도 41.4%의 상태점-3을 구하려면 건구온도의 A점에 수선을 세우고, 포화선과의 교점을 B라 하면, A-B의 길이 중 41.4%에 상태점-3을 잡으면 건구온도 20°C, 상대습도 41.4%인 공기상태를 나타내는 점이 된다. 그 외에 건구온도에 대해서도 똑같이 하면, 같은 상대습도 41.4%를 나타내는 D점 및 E점이 구해진다. 공기선도에 그려져 있는 상대습도선은 같은 상대습도의 상태를 나타내는 점을 이어서 그려진 것이다.

다음은 습구온도에 대해 생각해 보자. 습구온도와 습구온도계의 개념은 앞에서 이야기한 바 있다. 따라서 상대습도 100%인 포화공기에서는 증발이 일어나지 않아 습구온도는 건구온도와 같은 값이 된다는 것은 알고 있다. 공기선도 상에 나타낸 습구온도선은 각각 오른쪽 밑에서부터 비스듬히 세워 올려 포화선에 도달한다. 그리고 건구온도의 정보를 알면 공기의 정확한 상태를 나타내는 점을 구할 수 있다.

이제까지의 설명한 매개변수를 공기선도에 적용해 보면, 건구온도, 습구온도, 절대습도, 노점온도, 상대습도 등 상호 관계를 잘 알 수 있다. 이중, 최소 두 가지 값을 안다면, 공기선도에서 공기의 정확한 상태를 나타내는 점을 찍을 수 있고 동시에 다른 매개변수의 상태를 확인할 수 있다. 지금까지, 공기선도의 원리에 대해서 기본적인 개념을 이야기했다. 그러나 그 외에도 공기선도는 더 많은 중요한 사항을 포함하고 있다.