온도·습도·청정도·기류 제어방법에 대한 통찰력 제고
공기질 개선·에너지효율시스템 구축위한 솔루션 제공

공기선도(Psychrometric Chart)를 이해하기 위해서 모든 공조설비 엔지니어와 기술자는 다음의 사항을 알아야 한다. 여기에는 (1)공기선도 구성, (2)건구온도(DB), (3)습구온도(WB), (4)노점온도(DP), (5)절대습도(x), (6)상대습도(RH), (7)엔탈피(h), (8)비체적(ν), (9)현열비(SHF)와 마지막으로 (10)공기상태의 이동/혼합이 해당된다. 우리는 이미 (1)에서 (7)까지는 살펴봤고 나머지 3가지만 알면 공기선도를 이해하는 마지막 퍼즐이 맞춰진다. /편집자 주

◇ 공기선도의 활용-2

우선, 가장 기본적인 공기의 성질인 비체적(ν, Specific Volume)에 대해서 알아보자. 비체적은 공기의 개별 공간과 같으며, 특정 조건에서 특정 양의 공기가 차지하는 공간의 크기를 의미한다. 간단히 말해서 공기의 밀도(ρ, Density)와 반대 개념이다. 따뜻한 공기는 차가운 공기보다 밀도가 낮기 때문에 헬륨 풍선이 부풀어 오르는 것처럼 공기가 상승한다. 따라서 따뜻한 공기는 부피가 더 크고 약간 가볍다는 점을 기억해야 한다.

여기서 습도와 대기압이 더해지면 상황이 흥미로워진다. 공기가 더 많은 수증기를 보유할수록 공기는 더 넓어진다. 그리고 대기압이 높아지면 공기의 분자는 더 가까이 모여들어 비체적이 줄어든다. 공기선도에서 비체적은 오른쪽 아래 모서리에서 왼쪽 위 모서리로 기울어지는 선으로 표시되어 있다. 이 선은 공기선도의 반항아처럼 항상 흐름을 거스르는 역할을 한다. [그림 1]

비체적은 실제 냉·난방을 위한 공조기(AHU)를 설계할 때 사용된다. 대상 공간에 설정온도와 습도 등 목표하는 설계 상태점을 정하면 공조기의 풍량과 코일용량을 산출해야 하는데, 이때 사용된다. 물론, 실내의 열 손실이나 부하계산도 사전에 확인이 되어야 한다.

참고로 표준대기압(101.325 kPa) 20℃ 공기의 비체적은 약 0.83 m3/kg이다.

우리는 공기선도에서 마지막으로 현열비(SHF, Sensible Heat Factor/Ratio)를 볼 수 있을 것이다. 현열비는 전체 냉방부하에 기여하는 현열과 잠열의 비율을 결정하는 데 사용되는 중요한 매개변수이다.

공기선도 좌측 상단의 각도기를 사용하여 해당 선의 기울기를 표시함으로써 이 비율을 정확하게 측정하고 해석한다. 해당 정보는 공기조화설비를 설계하는데 핵심이 되고 시스템을 최적화하고 효율적인 운영을 보장하는 데 매우 중요하다.

현열비는 공기의 상태를 통하여 구하는 것이 아니라 우리가 앞에서 살펴본 해당 공간의 부하계산을 통하여 부하요소에 따른 현열과 잠열을 구분하여 계산할 수 있다.

물이 든 주전자를 가열하면, 우선 물 온도가 올라가기 시작하여 물 온도가 최종 비등점(100℃)에 도달하면, 온도계는 일정 온도 이상으로 더 이상 올라가지 않는다. 계속 가열하여도 물 온도의 변화는 없다. 그 대신 가열은 모두 물이 증발하는 데에 사용된다.

이처럼, 물을 증발시키기(증기) 위해서 쓰이는 열, 또는 증기를 물로 만들기 위해 필요한 열을 온도변화가 보이지 않는 잠열이라 한다.

증발한 수분의 양은 잠열이 원인으로 공기의 상태변화라 할 수 있다. 또한 물의 온도를 높이는데 필요한 열을 현열이라 한다. 즉, 앞에 말한 건구온도의 변화가 보이는 이 현열의 변화가 원인이 되어 생기는 공기의 상태변화이다.

[그림 2]와 같이, 건구온도 26℃와 상대습도 50%(절대습도 10.5 g/kg´)의 상태점-4는 52.91 kJ/kg´의 엔탈피를 품고 있다.

이 공기를 공기선도의 각도기를 사용하여 현열비 0.8선의 기울기로 100% 포화선까지 냉각시키면 건구온도 12.72℃와 절대습도 9.16 g/kg´(상대습도 100%)의 상태점-5가 되고 이때의 엔탈피는 35.93 kJ/kg´이다. 즉, 16.98 kJ/kg´의 열량이 제거되는데 이것은 현열과 잠열이 모두 포함된 전열이다.

여기서, 상태점-4에서의 수직선과 상태점-5에서의 수평선을 연결하면 상태점-4.5에서 만나게 된다.

이때의 건구온도는 26.0℃, 절대습도는 9.16 g/kg´이고 엔탈피는 49.51 kJ/kg´이다. 따라서 증발한 잠열량은 52.91 kJ/kg´과 49.51 kJ/kg´의 차인 3.4 kJ/kg´가 된다.

제거된 현열량은 49.51 kJ/kg´과 35.93 kJ/kg´의 차로 13.58 kJ/kg´이 된다.

현열과 잠열의 합(전열)으로 현열을 나눈 값이 현열비인데 13.58 kJ/kg´을 16.98 kJ/kg´로 나누면 또다시 0.8이 된다.

이것은 공기조화에서 일반적으로 쓰이는 냉방 시의 실내 설정조건을 나타내는 상태점-4를 지나가는 직선과 현열비 눈금과 교차하는 점이 0.8이 된다.

수평선상의 변화는 현열변화, 수직선상의 변화는 잠열변화로 현열비는 일정 기울기를 갖는다. 이것은 건물의 용도 및 실내의 부하특성에 따라서 달라진다.

공기선도를 이해하는 데 있어 가장 중요한 부분은 이 모든 것을 종합하는 것, 즉 상태의 조합이라고 할 수 있다.

상태를 조합하면 공기선도를 해석하고 주어진 공기 조건에 따라 어떤 과정이 일어나고 있는지 정확히 파악할 수 있다.

[그림 3]은 지금까지 대부분의 선분과 기타 매개변수를 결합한 전체 개념이다.

공기조화설비의 기본제어 4요소는 온도, 습도, 청정도 및 기류이다. 공기선도에서 모두 검토가 가능하다. 온도를 조절하기 위해서 가열과 냉각이 필요하고 습도를 조절하기 위해서 가습과 제습의 과정이 필요하다. 여기에는 현열만 변화는 과정, 잠열만 변화는 과정 그리고 현열과 잠열이 모두 변하는 전열변화가 있다.

공기조화 프로세스는 이들 중의 하나 이상을 수행하는 것이고 당연히 공기의 상태점을 변경하기 위해서는 에너지(엔탈피)가 필요하다. 이것이 공조시스템의 설계 및 용량계산의 출발점이다.

관찰력이 있는 사람은 위의 프로세스 중 엔탈피가 변하지 않고 상태점이 변경되는 과정을 발견할 것이다.

냉각+가습과 가열+제습은 동일한 엔탈피 선도에서 움직이기 때문에 상태점 변화를 위해서 이론적으로는 별도의 에너지가 필요하지 않은 과정이다. 이 과정을 단열변화(Adiabatic Changes)라 한다.

냉각+가습과정은 증발냉각(Evaporative Cooling)을 통하여 구현가능 하지만 반대의 경우는 현실적으로 구현하기 어렵다.

이러한 에너지 절약적 공조시스템을 구현하는 것이 우리 기계설비 엔지니어가 해야 할 큰 숙제이기도 하다.

다시, 제어요소로 돌아오면 청정도가 있다. 보통 우리가 거주하는 실내는 인체활동에 의한 이산화탄소 및 기타 작업에 의한 오염물이 발생하기 때문에 외부의 신선한 공기를 실내로 일정량을 주기적으로 공급해야 한다.

이때, 두 개의 다른 양(부피)과 상태점을 갖는 공기가 혼합된다. 이것은 우리가 위생기구의 혼합수전(Mixing Valve)을 이용해서 냉수와 온수를 혼합하여 수도꼭지에서 나오는 수온을 조절하는 것과 같다.

[그림 3]의 우측 개념과 같이, 실내 상태의 공기 70과 외기 상태의 공기 30이 혼합될 경우, 혼합공기의 상태점을 공기선도에서 구하는 것은 이미 알고 있는 두 공기의 상태점을 공기선도 상에 표시하고 이 두 점 사이를 직선으로 연결한다.

이때 혼합공기의 상태는 실내-외기를 연결한 직선에 혼합점으로 나타내며, 7:3의 혼합비에 의하여 결정된다.

◇ 공기선도의 소결

실제 설계 및 프로젝트에서 공기선도가 공기조화 엔지니어와 기술자에게 어떠한 도구인지를 이해하는 것이 중요하다. 이러한 도구는 실내 공간을 쾌적하고 효율적으로 만드는 데 있어 전문가를 안내하는 지도와 같다. 내비게이션이 도로에서 길을 찾는 데 도움이 되는 것처럼 공기선도는 온도, 습도, 청정도 및 기류를 제어하는 방법에 대한 통찰력을 제공해 건축물 또는 산업시설을 쾌적하고 건강하게 유지하고 생산성을 높일 수 있도록 도와준다.

공기선도는 숙련된 기계설비 전문가든 처음 시작하는 사람이든 완벽한 실내 환경을 조성하기 위한 비밀 병기이다. 실내 공기질 개선과 에너지 효율적인 시스템을 위한 실질적인 솔루션을 제공함으로써 이론과 실제 사이의 간극을 메워준다. 따라서 냉·난방이 잘되는 쾌적한 건물에 들어서면 그 뒤에 과학이 숨어 있다는 것과 기계설비 엔지니어의 위대함에 자부심을 느끼도록 하자!