준공 건축물의 기계설비 TAB(Test, Adjust, Balancing) 업무와 기계설비법에 의한 성능 점검, 진단 업무 수행을 위한 습공기 선도(h-x) 설명
준공 건축물의 기계설비, 특히 공기조화 설비의 성능을 효율적으로 검증하고 진단하기 위해서는 습공기 선도(Psychrometric Chart 또는 h-x 선도)에 대한 깊이 있는 이해가 필수적입니다. 습공기 선도는 습공기의 다양한 상태량 간의 관계를 시각적으로 나타내어 공기조화 프로세스를 분석하고 시스템 성능을 평가하는 데 매우 유용한 도구입니다.
1) 습공기 선도의 구성요소
습공기 선도는 습공기의 열역학적 상태를 나타내는 그래프로, 다양한 선과 축으로 구성되어 습공기의 여러 가지 물리량 간의 관계를 시각적으로 보여줍니다. 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.
① x축: 건구 온도 (Dry-bulb Temperature, DB 온도, ℃)
- 일반적인 온도계로 측정하는 공기의 온도를 나타냅니다.
- 선도의 가로축을 나타내며, 오른쪽으로 갈수록 온도가 높아집니다.
- 일반적으로 0℃에서 50℃ 또는 더 넓은 범위까지 표시됩니다.
② y축 (좌측): 절대 습도 (Humidity Ratio, x, kg/kg(DA))
- 건조 공기 1kg에 포함된 수증기의 질량(kg)을 나타냅니다. 때로는 g/kg(DA) 또는 lb/lb(DA) 등의 단위를 사용하기도 합니다.
- 선도의 세로축을 나타내며, 위쪽으로 갈수록 습도가 높아집니다.
- 매우 작은 값부터 시작하여 0.03 kg/kg(DA) 또는 그 이상까지 표시됩니다.
③ y축 (우측, 경사): 엔탈피 (Enthalpy, h, kJ/kg(DA))
- 습공기가 가지고 있는 열에너지의 양을 나타냅니다. 건조 공기와 수증기의 엔탈피 합으로 계산됩니다.
- 선도의 우측에 경사지게 표시되며, 오른쪽 위로 갈수록 엔탈피가 높아집니다.
- 습공기 선도에서 중요한 축 중 하나이며, 공기조화 과정에서의 에너지 변화를 파악하는 데 필수적입니다.
④ 포화선 (Saturation Line)
- 습공기가 수증기로 완전히 포화된 상태, 즉 상대 습도 100%인 상태를 나타내는 곡선입니다.
- 선도의 좌측 상단을 따라 굽어 있으며, 포화선 상에서는 건구 온도 = 습구 온도 = 노점 온도입니다.
- 포화선 아래 영역은 불포화 습공기 상태, 포화선 위 영역은 과포화 상태(안개, 수증기 응축 등)를 나타냅니다. 공기조화에서는 일반적으로 포화선 아래 영역만을 사용합니다.
⑤ 상대 습도선 (Relative Humidity Lines, %RH)
- 습공기 중에 포함된 수증기량이 포화 상태에 비해 얼마나 많은지를 백분율(%)로 나타내는 선입니다.
- 포화선에서 시작하여 오른쪽 아래로 뻗어 나가는 곡선 형태를 가집니다.
- 100%RH(포화선)부터 10%, 20%, 30%... 등 다양한 상대 습도 선이 표시됩니다.
- 쾌적한 실내 습도 범위를 파악하거나 특정 습도 조건의 공기 상태를 확인하는 데 사용됩니다.
⑥ 건구 온도선 (Constant Dry-bulb Temperature Lines)
- 건구 온도가 일정한 상태를 나타내는 수직선입니다.
- 선도에서 세로 방향으로 평행하게 그어져 있습니다.
- 특정 건구 온도에서의 습공기 상태 변화를 파악하는 데 사용됩니다.
⑦ 절대 습도선 (Constant Humidity Ratio Lines)
- 절대 습도가 일정한 상태를 나타내는 수평선입니다.
- 선도에서 가로 방향으로 평행하게 그어져 있습니다.
- 가습 또는 감습 과정과 같이 절대 습도 변화 없이 온도만 변화하는 경우를 분석하는 데 사용됩니다.
⑧ 습구 온도선 (Constant Wet-bulb Temperature Lines, WB 온도, ℃)
- 습구 온도가 일정한 상태를 나타내는 선으로, 오른쪽 아래 방향으로 경사져 있습니다.
- 습구 온도는 공기가 증발 냉각될 수 있는 최대한의 온도를 나타내며, 공기의 총열량(엔탈피)과 밀접한 관련이 있습니다.
- 증발 냉각 과정, 현열비 (Sensible Heat Ratio, SHR) 계산 등에 활용됩니다.
⑨ 비체적선 (Constant Specific Volume Lines, v, ㎥/kg(DA))
- 건조 공기 1kg이 차지하는 부피(㎥)를 나타내는 선으로, 습구 온도선과 거의 평행하지만 더 가파른 경사를 가집니다.
- 공기의 밀도와 관련 있으며, 송풍기 선정, 덕트 설계 시 공기 밀도 변화를 고려할 때 사용됩니다.
- 일반적으로 선도 우측 하단에 표시됩니다.
습공기 선도 읽는 법:
습공기 선도에서 특정 공기의 상태는 건구 온도와 습도 (상대 습도 또는 절대 습도) 두 가지 값을 알면 하나의 점으로 표시할 수 있습니다. 이 점을 통해 해당 공기의 습구 온도, 엔탈피, 비체적 등 다른 모든 습공기 물성치를 선도에서 직접 읽거나 계산할 수 있습니다.
2) 습공기 선도의 용도
습공기 선도는 공기조화 시스템의 설계, 분석, 운전, 유지 관리 등 다양한 분야에서 활용됩니다. 특히 기계설비 TAB 업무 및 성능 점검, 진단 업무에서 매우 중요한 역할을 합니다.
① 공기조화 과정 분석 및 시각화
- 냉방, 난방, 가습, 감습, 혼합 등 다양한 공기조화 프로세스를 습공기 선도 상에 선으로 표현하여 시각적으로 분석할 수 있습니다.
- 각 과정에서의 습공기 상태 변화, 에너지 변화 (엔탈피 변화) 를 직관적으로 파악할 수 있습니다.
- 설계된 공기조화 프로세스가 적절한지 검토하고, 시스템 운전 상태를 진단하는 데 활용됩니다.
② 습공기 물성치 계산
- 습공기 선도 상에서 특정 점의 건구 온도, 습구 온도, 상대 습도, 절대 습도, 엔탈피, 비체적 등 다양한 물성치를 직접 읽어낼 수 있습니다.
- 복잡한 계산 없이 습공기 상태를 빠르고 편리하게 파악할 수 있습니다.
- TAB 데이터 분석, 시스템 성능 계산 등에 필요한 기초 데이터를 얻는 데 활용됩니다.
③ 공기조화 시스템 성능 분석 및 진단
- 설계 조건과 실제 운전 조건 비교: TAB 시 측정한 실측 데이터를 습공기 선도에 표시하여 설계 시 의도했던 공기조화 과정과 실제 운전 상태를 비교 분석할 수 있습니다.
- 시스템 문제점 및 비효율 구간 파악: 실측 데이터가 설계 값과 벗어나는 경우, 습공기 선도를 통해 어떤 공기조화 과정에서 문제가 발생하는지 시각적으로 진단할 수 있습니다 (예: 냉각 코일 성능 저하, 가습기 작동 불량 등).
- 에너지 효율 분석: 각 공기조화 과정에서의 엔탈피 변화를 분석하여 에너지 소비량을 평가하고, 에너지 절감 가능성을 검토할 수 있습니다.
- 실내 환경 조건 예측: 외기 조건 변화, 부하 변동 등에 따른 실내 온도 및 습도 변화를 예측하고, 쾌적한 실내 환경 유지 가능성을 평가할 수 있습니다.
④ TAB 업무 검증
- TAB 과정에서 측정한 풍량, 온도, 습도 등의 데이터를 습공기 선도에 표시하여 TAB 결과의 적정성을 검증할 수 있습니다.
- 조정된 풍량 및 공기 분배가 설계 의도에 부합하는지 시각적으로 확인할 수 있습니다.
- TAB 보고서의 데이터 오류 또는 누락 여부를 검토하는 데 활용될 수 있습니다.
⑤ 에너지 절약 방안 검토
- 습공기 선도를 이용하여 외기 냉방 (Free Cooling), 증발 냉각, 현열 회수, 잠열 회수 등 다양한 에너지 절약 기술의 적용 가능성을 분석할 수 있습니다.
- 각 기술 적용 시 에너지 절감 효과를 예측하고, 경제성을 평가하여 최적의 에너지 절약 방안을 도출하는 데 활용됩니다.
⑥ 설계 및 시공 검토
- 공기조화 설비 설계 단계에서 다양한 설계 변수 (코일 사양, 풍량, 덕트 구성 등) 변화에 따른 시스템 성능 변화를 예측하고 최적 설계를 도출하는 데 활용됩니다.
- 시공 완료 후 시운전 단계에서 시스템 성능을 검증하고, 시공 품질을 평가하는 데 활용될 수 있습니다.
습공기 선도는 기계설비 기술자에게 필수적인 도구이며, TAB 업무 및 성능 점검, 진단 업무의 효율성과 정확성을 높이는 데 크게 기여합니다.
3) 공기조화기기 설계 시 면풍속
공기조화기 (Air Handling Unit, AHU) 설계 시 면풍속 (Face Velocity)은 매우 중요한 설계 변수 중 하나입니다. 면풍속은 공기조화기 코일 또는 필터 등의 전면적을 통과하는 공기의 속도를 의미하며, 일반적으로 m/s (미터 매 초) 또는 FPM (피트 매 분) 단위로 표시합니다.
① 면풍속의 중요성:
면풍속은 공기조화기의 성능, 효율, 소음, 크기 등에 직접적인 영향을 미치므로, 적절한 면풍속을 선정하는 것은 효율적인 공기조화기 설계의 핵심입니다.
- 풍량 및 용량: 면풍속과 코일 또는 필터의 전면적을 곱하면 공기조화기의 풍량 (Air Flow Rate, CMM 또는 CFM) 이 결정됩니다. 동일한 풍량을 얻기 위해서는 면풍속이 높을수록 전면적을 작게, 면풍속이 낮을수록 전면적을 크게 설계해야 합니다.
- 압력 손실 (Pressure Drop): 면풍속이 높아질수록 코일 또는 필터를 통과하는 공기의 압력 손실이 증가합니다. 압력 손실 증가는 송풍기 동력 증가, 에너지 소비 증가로 이어집니다. 따라서 적절한 면풍속을 유지하여 압력 손실을 최소화하는 것이 중요합니다.
- 열전달 효율 (Heat Transfer Efficiency): 코일의 면풍속이 너무 낮으면 열전달 효율이 감소할 수 있습니다. 적절한 면풍속을 유지하여 코일의 열교환 성능을 최적화해야 합니다. 하지만 과도하게 높은 면풍속은 압력 손실 증가를 유발하므로, 적정 수준의 면풍속을 유지하는 것이 중요합니다.
- 수분 비산 (Moisture Carryover): 냉각 코일의 면풍속이 너무 높으면 코일 표면에 응축된 수분이 공기 중으로 비산되는 수분 비산 현상이 발생할 수 있습니다. 수분 비산은 덕트 부식, 실내 습도 과다, 곰팡이 발생 등의 문제를 야기할 수 있습니다. 특히 냉각 코일 후단에 가습기가 설치된 경우 수분 비산 문제가 더욱 심각해질 수 있습니다. 따라서 냉각 코일의 면풍속은 수분 비산 방지를 위해 적정 범위 이내로 제한해야 합니다.
- 소음 (Noise): 면풍속이 높아질수록 공기가 코일 또는 필터를 통과하면서 발생하는 소음이 증가합니다. 특히 저소음 환경이 요구되는 공간 (도서관, 병원, 사무실 등) 에서는 면풍속을 낮게 설계하여 소음을 줄여야 합니다.
- 필터 성능 (Filter Performance): 필터의 종류에 따라 최적의 면풍속 범위가 다릅니다. 고성능 필터일수록 적정 면풍속 범위가 좁을 수 있으며, 필터 제조사에서 제시하는 권장 면풍속 범위를 준수해야 필터 성능을 제대로 발휘할 수 있습니다.
② 일반적인 면풍속 범위:
공기조화기 설계 시 일반적인 면풍속 범위는 다음과 같습니다. 하지만 이는 일반적인 경향이며, 실제 설계 시에는 공기조화기의 종류, 용도, 요구 성능, 에너지 효율 목표, 소음 기준 등을 종합적으로 고려하여 면풍속을 결정해야 합니다.
- 일반적인 공조 설비 (사무실, 상업 공간 등): 1.5 ~ 2.5 m/s (300 ~ 500 FPM)
- 저소음 또는 고효율이 요구되는 설비: 1.0 ~ 2.0 m/s (200 ~ 400 FPM)
- 수분 비산 방지가 중요한 냉각 코일: 1.0 ~ 1.5 m/s (200 ~ 300 FPM)
③ 면풍속 선정 시 추가 고려 사항:
- 코일 단수 및 열교환 면적: 코일 단수가 증가하거나 열교환 면적이 넓어지면 동일한 풍량에서 면풍속을 낮출 수 있습니다.
- 필터 종류 및 성능: 필터 종류 및 요구 성능에 따라 적정 면풍속 범위가 달라집니다.
- 송풍기 성능: 송풍기 풍량-정압 성능 곡선을 고려하여 시스템 전체의 압력 손실과 풍량을 만족하는 면풍속 범위를 결정해야 합니다.
- 에너지 소비량: 면풍속 변화에 따른 에너지 소비량 변화를 분석하여 에너지 효율적인 면풍속을 선정해야 합니다.
- 소음 기준: 소음 기준을 만족하는 면풍속 범위를 선정해야 합니다.
결론적으로, 공기조화기 설계 시 면풍속은 다양한 설계 변수와 복합적으로 연관되어 있으므로, 경험과 전문 지식을 갖춘 엔지니어의 신중한 검토가 필요합니다. 최적의 면풍속 선정은 공기조화기의 성능, 효율, 소음, 크기, 비용 등을 종합적으로 고려하여 이루어져야 하며, 에너지 절약형 공기조화 시스템 구축에 중요한 역할을 합니다.